（生物化学与分子生物学专业论文）超高压水射流杀菌研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本课题进行了将超高压水射流技术用于中药液体制剂杀菌的实验研究。超 高压水射流杀菌的机理在于利用超高压水射流产生的瞬时卸压、高速撞击、高 剪切等综合作用而使微生物失去生命活性，从而达到杀菌的目的。实验分别对 原水、含菌水、中药液体制剂进行了杀菌研究，探讨了瞬时卸压等综合作用、 热协同作用等形式对微生物生命活性的破坏效果。 在原水的杀菌研究中，实验选取了放置一定时间的自来水作为研究对象； 对含菌水的杀菌，本实验选取了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为指示菌进行研 究；在对中药液体制剂的杀菌研究中，实验选择了接入指示菌为大肠杆菌和金 黄色葡萄球菌的天麻提取液进行研究。实验结果表明，超高压水射流对大肠杆 菌和金黄色葡萄球菌具有有效的杀灭效果。在2 5 、3 5 0 m p a 时超高压水射流对 原水、含菌水、中药液体制剂中细菌的致死率分别达到1 0 0 、9 8 2 2 、9 7 1 7 。 超高压水射流对两种细菌主要产生瞬时卸压、高速撞击和高剪切等综合杀菌作 用，而且对两种细菌产生了不可逆转性的致死效果。在处理过程中，随着超高 压力的增加，细菌的致死率增大，致死率上升趋势先快后变缓。提高样品液的 进样温度可以改善对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效果，超高压力对杀菌 效果的影响大于温度。超高压水射流不同压力处理后对样品液中的天麻素含量 均有一定程度的提高。 本实验主要以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为指示菌，以熟敏性成分天麻 素的含量变化进行研究，探讨了超高压水射流杀菌的可行性，为系统研究超高 压水射流杀菌的机理积累了一定的实验数据。 关键词：超高压永射流技术；杀菌机理；瞬时卸压作用；中药液体制剂 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tr a c t t h i st o p i ca p p l i e dt h eu 1 t r a h i g hp r e s s u r ew a t e rj e t t e c h n i q u et ot h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ec h i n e s eh e r b a l m e d i c i n ei i q u i dp r e p a r a t i o n t h em e c h a n i s mo fu l t r a h i g h p r e s s u r ew a t e rj e tt e c h n i q u ef o rd i s i n f e c t1 i e si nt h e u l t r a h i g hp r e s s u r et ou n l o a di nas u d d e ne f f e c t ，h i g hs p e e d i m p a c t i n ge f f e c ta n dh i g hs h e a r i n ge f f e c tt om a k et h e1 i f e s t r u c t u r eo ft h em i c r o o r g a n i s mc e l lf a l li np i e c e s t h e e x p e r i m e n tc a r r i e dt h ed i s i n f e c tr e s e a r c ho nt h er a ww a t e r ， t h ew a t e rc o n t a i ng e r m ，t h ec h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e1 i q u i d p r e p a r a t i o n ，d i s c u s s e dt h ed e s t r u c t i o ni m p a c to fu l t r a h i g h p r e s s u r et 0b eu n l o a di n as u d d e ne f f e c ta n dt h e r m o d y n a m i c e f f e c t e t c t ot h e1 i f es t r u c t u r eo ft h em i c r o o r g a n i s m i nt h ed i s i n f e c tr e s e a r c ho fr a ww a t e r ，t h er e s e a r c h o b j e c ti st h et a pw a t e rp 1 a c e sc e r t a i nt i m e ；c o n t a i nt h eg e r m w a t e rt od i s i n f e c t t h i se x p e r i m e n ts e l e c t e dt h ee c o l ia n d t h es t a p h y l o c o e c u sa u r e u s ( 鲥)a si n d i c a t o rt oc a r r yo n r e s e a r c h ：i nt h ed i s i n f e c tr e s e a r c ho ft h ec h i n e s eh e r b a l m e d i c i n e1 i q u i dp r e p a r a t i o n ，t h ee x p e r i m e n tc h o s et oc o n n e c t i n t od e s i g n a t i o ng e r mt oc a r r yo nar e s e a r c hf o rt h eg a s t r o d i a e r h i z o m ae x t r a c to ft h ee c o l la n dt h es a t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h eu l t r a h i g hp r e s s u r ew a t e rj e th a se f f e c t i v ek i l l i m p a c to nt h ee c o l la n dt h es ac e l l t h eb a c t e r i a lf a t a li t y r a t ea t t a i n1 0 0 ，9 8 2 2 ，9 7 1 7 a t2 5 ，3 5 0 m p ar e s p e c t i v e l y t h eu l t r a h i g hp r e s s u r ew a t e rj e tm a i n i y1 i e si nt h e u l t r a h i g hp r e s s u r et ou n l o a di n as u d d e ne f f e c t ，h i g hs p e e d i m p a c t i n ge f f e c t a n dh i g h s h e a r i n ge f f e c ta n dp r o d u c e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 i n c o n v e r t i b l e1 e t h a la c t i o nont h et w ok i n d so fg e r m d u r i n g t h ep e r i o do fh a n d l e ，a l o n gw it ht h ei n c r e m e n to ft h ep r e s s u r e ， t h ef a t a l i t yr a t eo fg e r ma g g r a n d i z e m e n t ，t h eu p t r e n di s f i r s tq u i c ka f t e rb e c o m es l o w r a i s es a m p l et e m p e r a t u r ec a n i m p r o v et h ed i s i n f e c tr e s u l tt ot h eec o l ia n dt h e 鲥t h e i n f l u e n c et h a td is i n f e e tsr e s u l tf o rp r e ss u r eise v e n s t r o n g e rt h a ns a m p l et e m p e r a t u r e t h eu l t r a h i g h p r e s s u r ew a t e rj e td i f f e r e n tp r e s s u r ep r o c e s s i n gt o g a s t r o d i n ec o n t e n tw i t h i nt h es a m p l el i q u i da 1 1 h a s t h e e x a l t a t i o ni nc e r t a i nd e g r e e t h i se x p e r i m e n tm a i n l yu s e st h ee c o l la n d t h es aa s i n d i c a t eg e r m ，c a r r y i n go n ar e s e a r c hb yt h ec o n t e n tv a r i e t y o ft h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e c o m p o s i t i o ng a s t r o d i n e ， d i s c u s s i n gt h ep o s s i b i l i t yo ft h eu l t r a h i g hp r e s s u r ew a t e r j e tf o rd i s i n f e c t ，a c c u m u l a t i n gac e r t a i ne x p e r i m e n t a ld a t a f o rs t u d y i n gt h ed i s i n f e c tm e c h a n i s mo ft h e u l t r a h i g h p r e s s u r ew a t e rj e ts y s t e m a tic a ll ，r k e y w o r d s ：u 1 t r a h i g hp r e s s u r ew a t e rj e tt e c h n i q u e ；t h e d i s i n f e c tm e c h a n i s m ：p r e s s u r et ob eu n l o a di nas u d d e n e f f e c t ；t h ec h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e1 i q u i dp r e p a r a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：王塞爪 日期：力订f l 砑 嬲 一1 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 在方法学上创新，首次利用超高压水射流产生瞬时卸压、高速撞 击和高剪切等综合作用的杀菌原理，对中药液体制剂中的微生物进 行杀菌处理，以达到杀菌目的，由此初步建立一种新的灭菌方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 杀菌技术研究 第1 章绪论 杀菌技术是人类发明的一项重要的应用技术，它广泛应用于医药卫生、 工业和农业等行业，在减少人类遭受病菌折磨、防止食品腐败、延长物品使 用和保存期限等方面起着巨大的作用。 传统的加热杀菌是一种有效的杀菌方法，它能够杀死各种微生物，而且 杀菌程度可以准确控制。利用加热杀灭食品中有害微生物的方法既是古老的 方法，也是近现代极其重要的一种杀菌技术。1 8 0 4 年，法国人阿佩尔( a p p e r t ) 发明了将食品装瓶放于沸水中煮一段时间，能较长时间保藏食品的方法。1 9 世纪5 0 年代，法国人巴斯德( p a s t e u r ) 阐明了食品的微生物腐败机理，为杀 菌技术的发展奠定了理论基础 热力杀菌法可分为低温杀菌法( 巴氏杀菌) 、高温杀菌法和超高温杀菌法。 低温杀菌法是对食品中存在的微生物进行部分杀菌的加热方法，通常使用1 0 0 以下的温度；高温杀菌法是对保存期限较长的食品在1 0 0 t 以上迸行加热杀 菌的方法：超高温杀菌法可以使料液迅速升温至1 3 0 以上，然后保持几秒钟， 从而实现对料液瞬问的杀菌。前两种方法，由于杀菌效果稳定，操作简单， 设备投资小，已有悠久的应用历史，现今还广泛用在各类罐藏食品、饮料、 酒类、药品、乳品的生产中。后一种方法，由于其独特的优点，已发展为一 种高新食品杀菌技术。 超高温杀菌于1 9 4 9 年随着斯托克( s t o r k ) 装置的出现而问世，其后国际 上出现了多种类型的超高温杀菌装置。超高温处理可分为间接加热和直接加 热两大类型。超高温瞬时杀菌技术的杀菌效果较好，而且杀菌时间短，物料 中营养物质破坏少，营养成分保存率达9 2 以上，大大优越于上述两种热力杀 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 菌法。配合食品无菌包装技术的超高温式杀菌装置在国内外发展很快，目前 这种杀菌技术已广泛用于杀菌乳、果汁及各种饮料豆乳、酒等产品的生产中m 。 特殊热杀菌方式有蒸汽杀菌法，是对颗粒等使用蒸汽或过热水蒸汽进行 杀菌的方法。过热水蒸汽与饱和水蒸汽相比，水分子运动更为激烈，被认为 是干燥状态下的水蒸汽，同时具有干热与湿热两种性质，对食品粉体原料和 产品进行杀菌较为有效。1 。 热杀菌方法虽然应用广泛，但该方法所需的高温容易导致热敏性成分分 解和挥发性成分散失，而且能耗也较高，限制了其应用范围。为了较好解决 这些问题，出现了一些非热杀菌技术，在医药、食品等行业得到了广泛的研 究应用，由于一定程度上避免了温度对成分造成的不良影响，具有广阔的应 用前景。 1 2 非热杀菌技术研究现状 非热杀菌技术作为热杀菌技术的补充，一直受到人们的重视。辐照杀菌 技术、化学与生物杀菌剂杀菌技术目前已经被广泛应用，近年来出现的一些 新型非热杀菌技术，如超高压杀菌技术、高压脉冲电场杀菌技术、超声波杀 菌技术等也引起了人们很大的兴趣。世界各国都看好其发展和应用的前景， 争相研究和发展这些新型非热杀菌技术，已有一些新型非热杀菌技术投入商 业应用。 非热杀菌技术是指采用非加热的方法杀灭杀菌对象( 物料、制品或环境) 中有害和致病的微生物，使杀菌对象达到特定杀菌程度要求的杀菌技术。非 热杀菌技术包括物理杀菌技术和化学杀菌技术，物理杀菌是运用物理手段， 如机械作用、电磁场、高压、电子和光等单一作用或两种以上共同作用以达 到杀菌的目的，而化学杀菌是指在杀菌对象中添加化学制品如化学防腐剂或 生物代谢物等物质以杀死或抑制微生物的生长。非熟杀菌一般在常温条件下 完成，处理过程中一般不产生热效应或热效应很低，因此，它克服了一般加 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 热杀菌的传热相对较慢和对杀菌对象产生热损伤等弱点，特别适合于对热敏 性的物料、制品和环境的杀菌。 1 2 1 物理杀菌技术研究 1 2 1 1 超高压杀菌 超高压( u l t r a - h i g hp r e s s u r e ，u i p ) 处理技术，也称超高静压( u l t r a h i g h h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，u h f i p ) 处理技术，是将1 0 0 1 0 0 0 m p a 的静态液体压 力施加于液态或固态食品、生物制品等物料上并保持一定的时间，起到杀菌、 破坏酶及改善物料结构和特性的作用。超高静压杀菌处理过程中的物料可以 是包装的或未包装的，通常采用能够传递压力的柔性材料密封包装，常用的 压力在1 0 0 8 0 0 m p a ，处理过程一般在常温下进行，处理时间可以从几秒钟到 几十分钟。 超高压处理具有一些优良的特点：首先它能在常温或常温附近的温度下 达到杀菌、灭酶的作用，与传统的热处理相比，减少了高温引起的制品中活 性、营养成分的损失和色香味的劣化；而且超高静压对大分子的修饰使得它 可能对制品的质构等品质因素有一定的改善作用。其次超高静压处理过程的 传压速度快、均匀，在处理室内不存在压力梯度和死角，处理过程不受食品 的大小和形状的影响；而且制品各向受压均匀，只要制品本身不具备很大的 压缩性，超高静压处理并不影响制品的基本外观形态和结构。此外超高静压 处理过程中主要在短暂的升压阶段消耗能量，而在恒压和降压过程一般不需 要输入能量，因此整个过程耗能很少。超高静压处理使用的传压介质一般是 水或油等压缩比较小的液态物质，高压容器并不存在“爆炸”的危险性。 超高静压处理过程中的压力传递遵循帕斯卡定理，即液体压力可以瞬间 均匀地传递到整个物料，压力传递与物料的尺寸和体积无关。也就是说整个 样品将受到均一的处理，传压速度快，不存在压力梯度。 超高压杀菌的机理是压力对微生物的致死作用。在超高压作用下，可使 蛋白质、淀粉等物质产生压力凝固，同时在静态压力下向自身体积减小的方 向变化，即形成生物体高分子物质的核酸、多糖类，脂肪等立体构造的氢键 结合、离子结合、疏水结合等非共有结合发生变化，从而导致蛋白质、淀粉 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 原有的构造被破坏而发生变性，细胞核膜被破坏，酶失去活性和功能，生命 活动停止m 。这是一个物理过程，与热处理完全不同，几百兆帕的压力不会使 食品温度升高，食品物料在液体介质中体积被压缩，形成的生物高分子立体 结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键即发生变化，结果使蛋白质、淀粉 等发生变性、酶失去活性，细菌等微生物被杀死m 。 对该技术应用于生物、食品科学与工程领域的广泛而深入的研究在近二 十多年才开始，日本学者较早对其开展了研究工作。国外研究进行较多，b u t z 等m 研究了超高压对部分果蔬产品中的抗氧化物质、抗坏血酸等的影响；超高 压处理后的食品天然风味和营养价值极少受影响m ”，超高压杀菌均匀、瞬时、 高效，耗能低m 。超高压杀菌技术应用在产品生产中在许多国家中已实现产业 化m ”。我国在超高压杀菌技术方面的开发应用仍处于实验室研究阶段，批量 生产的很少。研究在乳制产品、果类产品、酒类产品、肉制产品、水产品、 生物制品等方面进行较多，如田晓琴等“”研究了超高压对鲜牛奶的杀菌效果， 高璃珑等m ，研究了不同介质成分对超高压杀菌效果的影响。 1 2 1 2 高压脉冲电场杀菌 高强度脉冲电场( h i g h i n t e n s i t yp u l s e de l e c t r i cf i e l d ，h p e f ) 杀 菌技术，即高压脉冲电场杀菌，是将高电压脉冲作用于电极间的物料，以杀 灭物料中的微生物的一种新型杀菌技术。其高强度的电场是通过电容组贮存 来自高压直流电源的大量能量，然后以高电压脉冲的形式释放出去所形成的， 达到破坏微生物细胞膜、杀死微生物的效果。 高压脉冲电场杀菌利用高电压( 1 5 l o o k v c m ) 脉冲作用于物料，处理 过程在常温下进行，由于作用时间短( i s ) ，物料的温度仍在常温范围( 可 采用冷却的方法对处理过程中的物料进行冷却) ，加热造成的能量损失可降 到最低程度。 关于高压脉冲电场的作用机理，现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、 电磁机制模型、粘弹极性形成模型，电解产物效应、臭氧效应等，大多数芋 者倾向于认同电磁场对细胞膜的影响“”。高压脉冲电场杀菌的影响因素包括处 理过程的电场控制参数、处理的样品、处理菌的种类等“”。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，美国、日本等发达国家研究比较活跃，并制 造了成套的技术设备。位于美国加里福利亚州纯脉冲技术研究所( p u r e p u l s e t e c h n o l o g i e s ) ，已经拥有几个用于流体食品保藏的专利，如用高电压脉冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电场处理乳品、果汁以及流态鸡蛋。此外，华盛顿州立大学( w s u ) 也开展高 压脉冲电场对食品进行巴氏杀菌的研究项目。日本烈鳞啤酒公司与群马大学 共同研制成功一种不用加热在低温下杀死啤酒中细菌的新方法，是在啤酒中 施加瞬时脉冲高电压能够杀死影响啤酒味道及质量的污染菌。这种方法与以 前加热杀菌相比，不但能耗小，而且不影响啤酒质量。德国汉堡k r u p p m a s c h i n e n t e c h n i kg m b h 的食品工程师们较早研究h p e f 处理技术，并与汉堡 大学联合宣布将h p e f 应用到橙汁和牛奶等食品杀菌中己取得了初步的成功 m 。在液态食品工业中，m o r r i s 等u n 用三种波形处理，用h p e f 处理的果蔬汁 v c 和色泽比热处理的要好；m c d o n a l d 等“”用3 0 k v c m 和5 0 k v c m 的h p e f 处理 橙汁，在5 0 e 条件下3 0 k v c m 处理，ec o l l 等细菌减少5 个对数循环，在5 0 e 条件下5 0 k v c m 处理只减少了2 5 个对数循环；高压脉冲电场技术可在低于 4 0 c 条件下实现对液体物料灭菌n - j 通过s p m e - g c 连用分析了高压脉冲处理后 的香蕉汁，表明所含五种典型香味成分含量及各方面指标均优于热处理“m 。 i i p e f 在基因工程和生物技术领域的应用比较广泛，主要研究方向有：1 ) d n a 的电转染2 ) 细胞融合3 ) 细胞膜蛋白质的电导入等。 由于h p e f 处理系统的优良特性，我国也在进行h p e f 设备的研究，并有 了不同层次的进展。大连轻工业学院生物与食品工程学院利用大连理工大学 电气系研制的高压方波脉冲发生装置，研究了设备参数一电场强度、脉冲个 数和脉宽变化对微生物存活率的影响。无锡轻工大学数理研究所介绍了液态 食品高强度脉冲电场杀菌新技术的特点、装置及实验效果，并指出在实际运 用该技术时，场强大小、杀菌时间、食品的酸碱度、对象菌的种类等因素应 综合考虑，以确定最佳杀菌方案，获得最佳杀菌效果。中国农业大学食品学 院等科研院校也在进行高压脉冲电场杀菌技术的研究，并取得了一定成果。 我国虽然在近年来也开展了相应的研究，但只是处于实验室小试，距离商业 化还有一定距离m 。 1 2 1 3 辐照杀菌 辐照( i r r a d i a t i o n ) 杀菌技术是指利用电磁射线、加速电子照射被杀菌 的物料从而杀死微生物的一种杀菌技术。用于杀菌的辐照可以分为两类：一 类是电离辐照，如y 射线、加速电子；另一类是非电离辐照，如紫外线等。 射线在照射过程中会产生化学效应，包括直接效应和间接效应，直接效 应是指微生物细胞间质在高能射线照射后发生的电离作用和化学作用，使物 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 质形成离子、激发态或分子碎片；间接效应是指水分子在接受射线后产生电 离作用再与胞内其他物质作用，生成与原始物质不同的化合物，这两种作用 阻断胞内一切活动，导致微生物的死亡一。 辐照处理系统主要可以分为两大部分，一是产生辐射线的部分，即辐射 源，包括电离辐照中的放射性同位素或电子加速器，或非电离辐照中的紫外 线产生装置等；另一则是辐照部分，即将辐射线照射在被处理的物体上以达 到处理目的的装置和过程。 相对于其他杀菌技术，辐照杀菌有着自己的优越性m 。适宜的剂量下，物 料的温度在辐照处理过程中升高很小，可以保持常温或低温状态，处理后物 料的感官品质变化较小；电离辐照的射线穿透性强，能快速、均匀、较深地 照射物料，杀菌效果好；辐照杀菌较热杀菌更易准确控制，通过调整辐照剂 量即可达到多类食品的杀菌要求；物料可在有包装的情况下进行杀菌；辐照 处理后不会留下任何残留物，这是化学杀菌难以比拟的；辐照杀菌还可节约 能源。辐照杀菌技术也有其弱点，电离辐照需要专门的辐射源，设备投资相 对较大；而且由于放射性射线对人体有影响，因此要十分注意安装及使用过 程中操作人员的防护措施，同时还必须解决好辐照源的遮蔽问题；辐照的灭 酶效果不好：辐照后物料的化学变化程度与其对辐照的敏感性及辐照剂量有 关，需对适宜辐照的物料种类及其辐照剂量进行选择和控制w 。 目前辐照杀菌技术用于食品、农产品、医药和生物制品等的杀菌、防霉， 也用于杀虫和抑制农作物发芽和成熟等方面。 1 2 1 4 微波杀菌 微波是频率为3 0 0 姗z 3 0 0 g h z 的电磁波。微波与物料直接相互作用，将 超高频电磁波转化为热能，微波杀菌是微波热效应和生物效应双重作用的结 果。 微波非热效应杀菌机理是：微波作用能改变生物性排列聚合状态及其运 动规律，而且微波场感应的离子流，会影响细胞膜附近的电荷分布，导致膜 的屏障作用受到损伤，影响n a k 泵的功能，产生膜功能障碍，从而干扰或 破坏细胞的正常新陈代谢功能，导致细菌生长抑制、停止或死亡。再则细胞 中的核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 在微波场力作用下可导致氢键 的松弛、断裂或重组，诱发基因突变或染色体畸变，从而影响其生物活性的 改变，延缓或中断细胞的稳定遗传和增殖。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 微波的电磁波吸收后，食品材料的极性分子在微波电场作用下，会顺向 磁场方向而引起激烈振动或转动并放出热量，食品材料的温度因而上升，从 而使电磁波能转变为热能。同时又由于微波的感应加热效果对水分子特别有 效，因而可以使物料中的水分子迅速向外散失，从而达到良好的干燥效果。 具有干燥速度快、干燥时间短、节约能源、加热干燥效率高等特点。加热迅 速，比传统加热方式快1 0 2 0 倍，而且便于控制，加热均匀，又有自动平衡 的性能。所以微波加热干燥的食品，各种营养物质及色、香、味基本接近食 物的天然品质m ，。利用微波杀菌，处理时间短，容易实现连续生产，不影响食 品原有的风味和营养成分；并根据其穿透性好的特点，可进行包装后杀菌。 实践证明，采用微波装置在杀菌温度、杀菌时间、产品品质保持、产品保质 期及节能方面都有明显的优势。 据报道，利用2 4 5 0 1 i h z 的微波处理酱油，可以抑制霉菌的生长及杀灭肠 道致病菌；用于啤酒的灭菌，取得良好的效果，且使啤酒风味保持良好；用 于处理蛋糕、月饼、切片面包和春卷皮，保鲜期由原来的3 4 d ，延长到3 0 d 。 微波杀菌与一般加热灭菌法相比，在一定的温度下，微波灭菌缩短了细菌和 真菌的死亡时间；以枯草芽孢杆菌为材料，微波法的d 1 0 0 为0 6 5 ，而对照巴 氏法的则为5 5 。在相同条件下，微波灭菌的致死温度比常规加热灭菌时的低。 国外在2 0 世纪六七十年代就开始研究将微波技术应用到鲜奶、啤酒、饼干、 面包、猪肉、牛肉的加工等实际生产中。2 0 世纪9 0 年代，微波杀菌的工艺参 数和优化已成为研究的热门课题。但是由于微波杀菌的热效应大于其生物效 应，该方法不能作为独立的物理杀菌单元，而与其他方法结合可能有一定的 应用前景m 一。 1 2 1 5 超声波杀菌 超声波为频率高于2 0 k h z 以上的声波，是一种机械振动在媒质中的传播 过程，其传播过程中，超声波与媒质的相互作用，可以使超声波的相位和幅 度等发生变化；功率超声波则会使媒质的状态、组成、结构和功能等发生变 化。 超声波的发生主要通过3 种方法：通过机械装置产生谐振的方法，一般 频率较低( 2 0 3 0 k i - i z ) ；利刚磁性材料的磁致伸缩现象的电一声转换器发出 超声波的方法，频率在几千赫兹到一百千赫；最后一种方法为利用压电或电 致伸缩效应的材料，加上高频电压，使其按电压的正负和大小产生高频伸缩， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 产生频率i o o m h z 到g h z 量级。超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机 械( 力学) 机制和空化机制3 种。 超声波在媒质中传播时，箕振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒 质温度升高，此种升温方式与其它加热方法相比达到同样的效果，从而这种 使媒质温度升高的效应称之为超声的热机制。超声波的机械机制主要是辐射 压强和强声压强引起的。在力学效应中主要有搅拌、分散、成雾、凝聚、冲 击破碎和疲劳损坏等作用。超声波也是一种机械能量的传播形式，波动过程 中的力学量，如原点位移、振动速度、加速度及声压等参数可以表述超声效 应。空化机制是指在液体中，当声波的功率相当大，液体受到的负压力足够 强时，媒质分子间的平均距离就会增大并超过极限距离，从而将液体拉断形 成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收缩与崩溃的瞬间，泡内可以产生局部 的高压，以及数千度的高温，从而形成超声空化现象，空化现象包括气泡的 形成、成长和崩溃过程。可见，空化机制是超声化学的主动力，使粒子运动 速度大大加快，破坏粒子的力的形成，从而使许多物理化学和化学过程急剧 加速，对乳化、分散、萃取以及其它各种工艺过程有很大作用w 。 超声波的杀菌作用主要是由于其所形成的空化效应，具有扰乱微生物细 胞的作用m 。其机理可能是由于在超声过程中产生及打破波动压力所生成的微 小气泡而产生的机械振动机制，这种振动具有破坏细胞结构及组成作用。对 非均相界面会因超声波振动的切向力和微射流等作用而使固相颗粒或板块破 碎变细，从而可起到杀菌和清除食品包装和加工设备的污垢的作用。杀菌所 用超声波频率一般为2 0 l o o k l - l z ，能量为1 0 4 k w c m 2 ，波长为3 o 7 5 c m 。 超声灭菌技术已在美、日、欧洲等发达国家获得了广泛使用，主要适合于果 蔬汁饮料、酒类、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品，这对延长食品保质期、 保持食品安全性有重要的意义。超声波可满足低温杀菌的要求，使其在乳品 工业中应用前景看好m 1 ) 超声波与氯水结合处理使新鲜水果蔬菜表面的细菌数 量明显降低，空化作用也使得细菌对杀菌剂更为敏感m ，。此技术较之传统高温 和热灭菌工艺不需要加热，所以不仅可以保持食品原来的风味和维生素，而 且耗时非常短。若采用超声，激光或超声，磁化联合杀菌，则效果更佳，这种 基于光、电、声、磁综合应用的“冷杀菌工艺”受到国内外食品行业极大的 关注，必将成为2 1 世纪食品工业研究和推广的重要高新技术之一m 。 1 2 1 6 等离子体杀菌 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 等离子体( p l a s m a ) 是一种电离气体，是气体在加熟或强电磁场作用下 产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组成，被称 为继固态、液态、气态以外的新的物质聚集态，即物质第四态。给物质施加 显著的高温或通过加速电子、离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离 解成电子、离子和自由基。不断地从外部施加能量使物质被离解成阴，阳荷 电粒子的状态称为等离子体状态w 。 等离子体杀菌作为种新兴的灭菌方法，较传统灭菌方式具有突出的优 点，主要表现为：等离子体灭菌的温度低，对待处理物品的灭菌处于室温 状态下，因此可以对不适于高温高压消毒的材料和物品进行杀菌处理，其应 用具有广普性。灭菌过程短且无毒性，通常在几十分钟内即可完成灭菌消 毒过程，不产生副产物。不产生有毒残留物，不需要解毒时间，克服了蒸汽、 化学或核辐射等方法使用中的不足。切断电源后产生的各种活性粒子能够 在数毫秒内消失，所以无需通风，不会对操作人员构成伤害，安全可靠。 灭菌全面，如高频空间等离子体可以对器皿的各个角度进行有效灭菌m 。此外， 等离子灭菌还有操作简单安全、实用经济、灭菌品质好、无环境污染等优点。 因此，等离子灭菌消毒技术在很多方面可以克服传统灭菌方法的不足，其发 展前景广阔，具有深远的实际应用价值。 等离子体的灭菌作用可能主要与其所含的活性粒子成分有关w 。等离子体 中的活性粒子与细胞发生了反应，破坏了细胞的结构m ，从而导致了细胞的死 亡。等离子体灭菌法在表面灭菌、液相灭菌、气相灭菌方面研究较多，广泛 适用于不耐湿、不耐高温的医疗用具的灭菌，如各种精密仪器、内窥镜等。 特别是随着微创手术的广泛应用，医院需要大量的腔镜类设备，此时，低温 等离子体灭菌法可有效地减少或避免对高温敏感医疗用具的损坏，往往成为 医院首选的灭菌方法。此外，它还可用于卫生材料、食品和餐具等的消毒灭 菌。这项高新技术的应用必将对医疗、卫生、食品以及生物工程技术的发展 起到很大的推动作用。 与其他灭菌方法一样，等离子体灭菌也存在一些问题：等离子体灭菌 基本上是安全的，但在实际应用上还存在一定的问题，例如等离子体中的射 线、活性粒子、强紫外光等都可能引起生物机体的损伤；气体等离子体的 毒性与通入气体的种类有关，如氯气、溴和碘蒸气会产生对人有毒的残留气 体，使用时应给予充分注意；等离子体的穿透性尚不能确定，因此，对吸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 收性材料，如纤维素、纸、布等，及复杂物品和细长管状物品灭菌的有效性 不能保证；设备制造技术难度大，费用高。但等离子体灭菌技术作为一种 新兴的灭菌方法，以其固有的优势已展示出强大的生命力，将有效地推动低 温灭菌技术的发展m 。 1 2 1 7 高压均质杀菌 高压均质杀菌技术，也称瞬时高压杀菌技术或动力杀菌技术。高压均质 机是食品、医药和化工等工业应用较为普遍的设备，现在也出现了超高压均 质机，国外研究者也称其为超高速射流均质机w ，主要用于对液态物料的细化、 乳化和均质化等，在对液态物料进行均质处理的同时能起到较好的杀菌效果。 随着科技的不断进步，在材料学、作用原理等方面的不断改进，均质机的压 力越来越高，对微生物的影响越来越大。 瞬时高压杀菌的机理是液态物料在超高压均质机内受到高速撞击、湍流、 压力瞬间释放等强烈的作用，使料液中的细菌的细胞结构发生破坏和改变， 从而失去或钝化其生物活性，达到杀菌目的。这一概念是在射流均质机的作 用机制的基础上发展起来的，尽管这些作用产生的基本条件仍为高压，但形 式已经远不止高静水压杀菌中单纯的挤压作用。相对于高静压处理来说，这 里的“超高压”还属于低压，相对于常规的均质来说，是超高压。这种技术 对于加工生、鲜果汁饮料等产品是很理想的杀菌方法。瞬时高压杀菌技术是 一种连续常温动压杀菌技术，作为低温物理作用杀菌，它能够避免常规热杀 菌处理造成的对食品品质的劣化，从营养、风味、色泽等方面最大限度地保 全食品的自然特性，更有效地利用食品原料中的有效成分。瞬时高压杀菌比 热处理具有显著的优点，尤其是在崇尚天然低温加工食品，保全食品营养性 的今天，这种技术的研究与发展更具有现实意义w 。 高压均质对于微生物的影响随着细菌的种类结构、大小形状和生长状况 的不同而不同，细菌结构对于微生物的高压处理有重要的影响。细菌结构随 着菌种、菌龄和营养状况的不同而改变很大，这种差别以革兰氏阳性菌和革 兰氏阴性菌之间最为明显。通常认为革兰氏阳性菌的细胞壁比革兰氏阴性菌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 的细胞壁更为坚固，这是因为厚的肽聚糖层占了革兰氏阳性菌细胞壁干重的 9 0 ，而革兰氏阴性菌细胞壁仅含有1 0 的肽聚糖。不过革兰氏阴性菌细胞壁 外层另外覆盖有一层薄的脂多糖层，有助于它们的化学和免疫行为。所以， 一般认为高压均质对于革兰氏阴性菌有更强的影响。细菌的形状和大小对于 高压均质处理也有较明显的影响。 r o s a l b al a n c i o t t i 等研究了在1 5 0 2 0 0 m p a 范围内连续高压均质处理对 于病源和腐败微生物存活的影响，发现改变均质压力可以使李斯特菌和酵母 菌等瞬间大量减少，并且使细胞产生不可逆的损伤。r o m e o “n 对橙汁的研究表 明经高压均质杀菌后保存六个月仍然无菌；w u y t a c k 等m ，研究了高浓度糖液对 微生物生长活动产生的抑制作用。在高压均质杀菌方面，国内也进行了一些 相关研究。杜军等恒用超高压均质处理牛乳，代元忠等w 对大肠杆菌和酵母 菌等进行了实验破碎，均取得了较好的效果。 1 2 2 化学杀菌技术研究 1 2 2 1 化学与生物杀菌剂杀菌 化学与生物杀菌剂杀菌技术是指利用化学与生物药剂达到杀死或抑制微 生物生长繁殖的一种杀菌技术，而这些具有杀菌或抑菌作用的化学与生物药 剂被称为杀菌剂，它们是天然存在或人工合成的化学物质，有些则是通过某 些生物体制取的。 杀菌剂对微生物的作用主要表现为影响菌体的生长、孢子的萌发、各种 子实体的形成、细胞膜的通透性、有丝分裂、呼吸作用、细胞膨胀、细胞原 生质体的解体和细胞壁的受损等，实质上与微生物细胞相关的生理、生化反 应和代谢活动均受到了干扰和破坏，最终导致微生物的生长繁殖被抑制，甚 至死亡。 杀菌剂作用的目标微生物主要为细菌、酵母菌、霉菌和放线菌几大类群 中的致病菌和腐败菌，但医用杀菌剂和农用杀菌剂的攻击靶物则可以涉及包 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 括病毒、类病毒及立克次体等在内的所有微生物类群。 除了主要用于医疗、农业、食品和化工等领域中对物体、环境和水进行 消毒、杀菌的消毒剂外，农业、食品、化妆品、涂料、皮革、纺织、造纸、 塑料和橡胶等领域中使用的防腐剂、防霉剂、防真菌剂和抑菌剂等一般也属 于杀菌剂的范畴m 。 1 2 2 2 臭氧杀菌 臭氧氧化力极强，仅次于氟，能迅速分解有害物质，杀菌能力是氯的6 0 0 倍3 0 0 0 倍，其分解后迅速地还原成氧气。臭氧的杀菌机理主要是先破坏细 菌细胞膜中具有各种重要机能蛋白酶，与构成细胞膜脂类双链反应，进而侵 入细胞，迅速破坏蛋白质、基因等酶类。臭氧具有杀菌力强、作用时间短、 杀菌彻底、无残留等特点。 臭氧技术在美国、日本和欧洲的发达国家中早就得到了广泛应用，是杀 菌消毒、污水处理、水质净化、食品储存、医疗消毒等方面的首选技术。美 国华盛顿大学医学研究人员发现臭氧可以抑制癌细胞的生长；日本石川岛播 麻重工业公司证明，臭氧水有望成为最佳的果蔬杀菌剂，其杀菌效果明显优 于次氯酸钠；中国医学科学院研究证明，臭氧可以有效地杀灭淋球菌，并且 对水中的重金属有分解作用。 试验证明，臭氧水是一种广谱杀菌剂。它能在短时间内有效地杀灭大肠 杆菌、蜡杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌、流脑双球菌等一般病菌以及流感病毒、 肝炎病毒等多种微生物。可杀死和氧化鱼、肉、瓜果蔬菜、食品表面能产生 异变的各种微生物和果蔬脱离母体后继续进行生命活动的微生物，延长保鲜 期。利用臭氧水洗涤蔬菜瓜果，可以有效清除其表面的残留农药、细菌、微 生物及有机物，解决农药给人们带来的隐患。同时避免了用洗洁净洗涤瓜果 蔬菜带来的二次污染，能彻底杀灭水中的细菌，消除有机物，净化饮水，除 去水中及被清洗物的异味、臭味。林向阳等人】利用臭氧对卡拉胶粉末进行 2 0 r a i n 处理实验，结果表明，臭氧不仅对卡拉胶有脱色的作用，而且细菌总数 的杀灭率可达到9 5 以上，对大肠菌群的杀灭率可达到9 8 以上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 臭氧杀菌效果受到微生物种类、水体理化性质、臭氧浓度、环境温度湿 度和臭氧作用时间等因素影响w 。 1 3 超高压水射流技术研究现状 超高压水射流技术，也称为超高压水刀，是近三十多年来发展起来的一 门高新技术，广泛应用于化工、煤炭、石油、冶金、交通、建筑等行业，在 切割、清洗、破碎方面应用较多。 1 3 1 超高压水射流技术发展 对水射流的研究开始自1 9 7 2 年英国流体力学协会( 蹦r a ) 组织了第一次 国际水射流切割技术会议后，以后每两年举行一次，1 9 8 1 年美国水射流技术 协会( a m e r i c a nw a t e rj e tt e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ) 成立，以后每两年召 开一次会议；美国水射流技术会议，从第一届开始就是国际性的。日本水射 流协会于1 9 8 3 年成立，以后定期召开水射流技术讨论会和展览会，并邀请国 外水射流专家参加会议。国际水射流协会( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fw a t e r j e tt e c h n o l o g y ) 于1 9 8 7 年成立，协会有自己的正式刊物一 国际水射流杂 志( i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fw a t e rj e tt e c h n o l o g y ) 定期出版，并组 织了4 次环太平洋国际水射流会议。这些国际会议大大推动了世界各国水射流 技术的发展。 中国水射流技术的研究是从上世纪7 0 年代开始的，最初主要是在煤炭部 门研究和应用，以后逐渐发展到石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机 械、市政工程等领域。经过2 0 多年的研究和实践，取得了很大进展，开发出 了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1 9 7 9 年开始 每两年召开一次全国水射流技术讨论会，并出版了 高压水射流杂志。1 9 8 7 年北京还组织召开了第一届环太平洋水射流会议。1 9 9 5 年成立了中国劳动保 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 护科学技术学会水射流技术专业委员会，为我国水射流技术起到了巨大的推 动作用，。 1 3 2 超高压水射流的基本