水和氣態(tài)臭氧對(duì)食源性細(xì)菌生物膜的滅活

 

      在這項(xiàng)研究中，研究了水中臭氧和氣態(tài)臭氧對(duì)三種食源性物種(熒光假單胞菌、金黃色葡萄球菌和單核增生李斯特菌)附著細(xì)胞和微生物生物膜的處理效果。每種微生物的三株(一株參考菌株和兩株野生菌株)的混合物在AISI 304不銹鋼片上形成的生物膜受到三種類型的處理，增加次數(shù):

(i)靜態(tài)條件下浸泡的臭氧水(0.5 ppm)， (ii)流動(dòng)條件下的臭氧水，(iii)不同濃度的氣態(tài)臭氧(0.1-20 ppm)。

      Excel插件GinaFit工具允許估計(jì)附著細(xì)胞和微生物生物膜的生存曲線，強(qiáng)調(diào)指出，無(wú)論治療，抗菌效果發(fā)生在治療的前幾分鐘，而隨著接觸次數(shù)的增加，可能殘留的生物膜種群獲得了更大的抗臭氧化能力。靜態(tài)條件下用含水臭氧處理20分鐘后，生物膜的活性估計(jì)降低了1.61-2.14 Log CFU/cm2，而在動(dòng)態(tài)條件下處理的生物膜的活性降低值更高(3.26-5.23 Log CFU/cm2)。在動(dòng)態(tài)條件下，金黃色葡萄球菌對(duì)水中臭氧 很敏感。對(duì)于氣態(tài)臭氧的使用，在低濃度(高達(dá)0.2 ppm)下，60分鐘后估計(jì)滅活率為2.01-2.46 Log CFU/cm2，而在 很高濃度下，單增乳桿菌的生物膜完全滅活(<10 CFU/cm2)，并在60分鐘和20分鐘后分別降低了熒光鏈球菌和金黃色葡萄球菌的5.51和4.72 Log CFU/cm2。考慮到結(jié)果，以水形式存在的臭氧可能會(huì)在一天結(jié)束時(shí)或工藝停機(jī)時(shí)用于日常衛(wèi)生規(guī)程，而氣態(tài)臭氧可能會(huì)用于密閉空間較長(zhǎng)時(shí)間的處理(例如，夜間)和在沒(méi)有人員的情況下，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物生物膜的環(huán)保控制，從而減少食品工業(yè)中交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

簡(jiǎn)介

      由微生物引起的傳染病在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)，是世界范圍內(nèi)的主要疾病之一。根據(jù)歐洲疾病預(yù)防和控制中心的 很新報(bào)告，2014年歐盟有110萬(wàn)例應(yīng)報(bào)告的傳染病病例(ECDC, 2016年)。盡管加工技術(shù)在確保食品安全方面取得了巨大進(jìn)步，但受污染的食品和水仍然繼續(xù)在世界范圍內(nèi)造成傳染病，這不僅僅是不發(fā)達(dá)國(guó)家的問(wèn)題。例如，2016年在歐洲，食源性疫情(包括水源性疫情)導(dǎo)致49,950人患病，3,869人住院，20人死亡(歐洲食品安全局，2017年)。除了引起食源性疾病外，微生物還會(huì)因初級(jí)生產(chǎn)和零售環(huán)節(jié)的腐敗而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。事實(shí)上，在過(guò)去的幾十年里，人們對(duì)食品安全的越來(lái)越多的關(guān)注已經(jīng)減少了對(duì)食品變質(zhì)造成的損害的關(guān)注，特別是在食品豐富的發(fā)達(dá)國(guó)家。據(jù)估計(jì)，全球每年約有13億噸糧食損失或浪費(fèi)，微生物腐敗是全球糧食損失或浪費(fèi)的主要原因之一，貫穿整個(gè)食品供應(yīng)鏈(Bräutigam等人，2014;Thyberg和Tonjes, 2016)。

      用于食品加工的表面和設(shè)備的衛(wèi)生狀況對(duì)食品中微生物病原體和破壞者的存在有重大影響。如果清洗和消毒過(guò)程不正確，有機(jī)和無(wú)機(jī)物的殘留物可能會(huì)殘留下來(lái)，為生物膜的發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)合適的環(huán)境。生物膜是由附著在表面并在表面生長(zhǎng)的微生物組成的，是微生物的一種普遍生長(zhǎng)模式:在這種形式下，它們被細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)包圍，保護(hù)細(xì)胞免受不利環(huán)境條件的影響，特別是抗菌素。據(jù)報(bào)道，幾種食品腐敗菌和致病菌會(huì)附著在不同的食品接觸面上并形成生物膜，生物膜在廣泛的食品工業(yè)中已成為挑戰(zhàn)，如乳品廠(Stellato等人，2015)、魚類和海鮮加工區(qū)(Takahashi等人，2009)、肉類和家禽加工(Liu等人，2015)、餐飲機(jī)構(gòu)(Marino等人，2011)以及發(fā)酵飲料廠(Maifreni等人，2015)。主要的食品病原體，如單核增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，可以形成生物膜，從而成為對(duì)消費(fèi)者健康的重大威脅(Dourou et al.， 2011;Ferreira et al.， 2014)。已經(jīng)證明，微生物病原體在表面的定植可導(dǎo)致與食用新鮮農(nóng)產(chǎn)品有關(guān)的疾病暴發(fā)(Beuchat, 2002年)。

室溫 (RT) 下自來(lái)水中的臭氧衰減

      目前控制生物膜的傳統(tǒng)策略是基于化學(xué)消毒。然而，這些方法并不總是有效和環(huán)保的。事實(shí)上，已有研究表明，在常規(guī)的衛(wèi)生處理過(guò)程中，斷斷續(xù)續(xù)或持續(xù)接觸亞致死濃度的抗菌化合物后，細(xì)菌會(huì)變得不那么敏感，甚至對(duì)抗菌化合物產(chǎn)生耐藥性(to等人，2002年)。此外，與使用化學(xué)消毒劑有關(guān)的環(huán)境和人類健康問(wèn)題很多，這需要更多對(duì)環(huán)境友好的替代品。因此，人們不斷尋求新的生物膜控制手段。

      近幾十年來(lái)，隨著消費(fèi)者對(duì)“更綠色”食品添加劑的需求日益增長(zhǎng)，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)臭氧直接添加到食品中，以及人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到臭氧氧化是一種環(huán)保技術(shù)，對(duì)臭氧在食品領(lǐng)域的興趣不斷擴(kuò)大。在北美、澳大利亞、新西蘭、日本和一些歐洲國(guó)家，在食品加工中使用臭氧已獲得法律批準(zhǔn)(Tiwari和Rice, 2012)。臭氧氧化作為一種環(huán)保技術(shù)在全球范圍內(nèi)被廣泛接受(O 'Donnell等，2012)。臭氧是一種有效的抗菌劑，因?yàn)樗难趸芰Γㄟ^(guò)細(xì)胞成分的漸進(jìn)氧化使微生物失活。臭氧的高度不穩(wěn)定性和反應(yīng)性決定了它的抗菌性能，因?yàn)樗苎杆俳到饣胤肿友醵涣粝掠卸镜母碑a(chǎn)物，釋放的游離氧原子會(huì)導(dǎo)致氧化(Güzel-Seydim等人，2004年)。臭氧氧化已成功地應(yīng)用于食品領(lǐng)域，以控制水果和蔬菜(Ölmez和Akbas, 2009)、乳制品(Segat等人，2014;Marino等人，2015年)、肉類和海鮮產(chǎn)品(Gelman等人，2005年)。已有研究表明，臭氧可以用來(lái)修飾各種大分子的化學(xué)和物理性質(zhì)(Sankaran等人，2008;安和金，2009;Segat等人，2015)。臭氧在食品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用僅限于健康和安全方面，因?yàn)樗且环N有毒化合物，會(huì)引起頭痛、喉嚨干和對(duì)呼吸系統(tǒng)的刺激，在高濃度時(shí)甚至?xí)l(fā)生不可逆的致命作用(Cullen and Norton, 2012)。因此，為了食品加工廠工人的安全，需要有效的臭氧檢測(cè)和催化或熱滅活系統(tǒng)(Kim等人，1999年)。

      臭氧通常由光化學(xué)法或電暈放電法產(chǎn)生。另一種方法是基于電解，這種方法允許臭氧一旦形成，就用 很少的設(shè)備在工藝水中就地溶解(Chen et al.， 2016)。據(jù)我們所知，目前還沒(méi)有關(guān)于使用電解產(chǎn)生的臭氧作為抗菌策略的文獻(xiàn)資料。

      目前，關(guān)于臭氧對(duì)食品中微生物生物膜的抑菌活性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然非常有限，因此在水中和氣態(tài)形式中使用臭氧控制交叉污染的潛力還不完全清楚。此外，少數(shù)發(fā)表的作品是關(guān)于參考文獻(xiàn)收集的單一菌株形成的生物膜的(Dosti et al.， 2005;Di Ciccio等，2014;Saha et al.， 2014)。然而，眾所周知，野生菌株可能比參考菌株對(duì)抗菌素更有耐藥性(Otero等人，2014年)，因此， 很近關(guān)于食物環(huán)境中微生物行為的研究方案強(qiáng)調(diào)，也需要使用從相同或類似的食物基質(zhì)中分離的野生菌株。事實(shí)上，為了解釋同一物種的不同菌株在生長(zhǎng)和存活方面的差異，試驗(yàn)應(yīng)至少使用三種菌株、一種參考菌株和兩種野生菌株的雞尾酒(Jofré等人，2009;Álvarez-Ordóñez等，2015)。本研究的目的是研究水氣臭氧對(duì)附著的細(xì)胞和生物膜的消毒效果，這些細(xì)胞和生物膜分別屬于熒光假單胞菌、金黃色葡萄球菌和單核細(xì)胞增生性乳桿菌。

結(jié)論

      這項(xiàng)研究的結(jié)果清楚地表明，使用臭氧在水和氣體形式，可以在食品工業(yè)中有很大的可利用性，以減少與微生物生物膜的存在有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。水合臭氧的使用可以在設(shè)備的日常消毒實(shí)踐中得到應(yīng)用，無(wú)論是在工廠關(guān)閉期間還是在一天結(jié)束時(shí)。臭氧化水，特別是在動(dòng)態(tài)條件下使用，可導(dǎo)致微生物失活至少3 Log，這被認(rèn)為是生物膜上抗菌物質(zhì)的 很低要求。臭氧在這些條件下的快速衰減率大大降低了操作人員的風(fēng)險(xiǎn)。

      此外，通過(guò)電解槽生產(chǎn)臭氧水需要一個(gè)簡(jiǎn)單的生成系統(tǒng)，但并不意味著向水中添加臭氧的成本更高，因?yàn)槌粞踔苯釉谧詠?lái)水中原地生成。至于氣態(tài)臭氧，它的活性濃度較高，但可在操作人員不在的情況下，在密閉環(huán)境(如成熟室)中使用過(guò)夜，以盡量減少對(duì)健康的風(fēng)險(xiǎn)。本研究所研究的微生物可能是食品腐敗或食源性疾病的原因，因此使用臭氧可成為控制這些細(xì)菌在食物鏈中交叉污染的有效措施。在控制操作人員可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)和工藝參數(shù)的情況下，有可能使用該策略作為傳統(tǒng)衛(wèi)生處理工藝的補(bǔ)充/替代方案，在減少環(huán)境影響方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。