食品中芽孢的危害及控制

張洋 王夢露

鶴壁職業技術學院 河南鶴壁 458030

食品工業中，微生物是影響產品貨架期的一個關鍵因素。芽孢作為細菌微生物的特殊形態，具有很強的抗高溫、高壓、干旱、輻射等特性而很難被殺滅。當外界環境變化有利于微生物生長時，芽孢會通過萌發生理過程變成具有正常新陳代謝的營養體細胞。具有正常生命活動的細菌營養體會引起食品的腐敗變質和食源性疾病。因此，如何控制食品中芽孢的數量成為食品安全的關鍵，了解和掌握控制芽孢數量的方法對于食品安全具有重要意義。

1 芽孢簡介

作為細菌在面對艱難環境時形成的一種休眠體，芽孢內部沒有蛋白質合成及新陳代謝的發生。芽孢結構與細菌營養體細胞之間具有巨大差異，其結構從外到內依次為胞外壁、芽孢衣、外膜、皮層、芽孢壁、內膜、核區（圖1）。這些獨特結構賦予了芽孢極強的抗性，使得芽孢免受外界不利因素的傷害而能存活上千年時間。當外部環境變化適合細菌生長時，芽孢通過萌發生理過程重新變成具有正常新陳代謝的營養體?；謴托玛惔x的營養體細胞不可避免的對食品安全產生威脅[1]。

圖1 芽孢結構示意圖

2 芽孢在食品中的危害

食品工業中，芽孢會引起食品腐敗變質及一些食源性疾病，如肉毒梭狀芽孢桿菌（Clostridium botulinum）、產氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）、臘樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）、生孢梭狀芽孢桿菌（Clostridium sporogenes）等。在奶制品加工過程中廣泛存在的臘樣芽孢桿菌能產生嘔吐型毒害和腹瀉型毒素，這兩種毒素可引起不同類型的食源性疾病。嘔吐型毒素是耐熱的腸毒素，感染該毒素后患者會表現出嘔吐、惡心，部分有腹瀉的癥狀；腹瀉型毒素是不耐熱的腸毒素，進入人體6-14h后會引起腸炎癥狀，出現腹瀉、腹痛、偶爾嘔吐或發熱癥狀。此外，產氣莢膜梭菌會引起氣性壞疽和另外兩類食源性疾病，即相對溫和的A型腹瀉和嚴重的C型壞死性腸炎。

肉毒梭狀芽孢桿菌是低酸性罐頭食品加工過程中需要克服的難點和關鍵問題。肉毒梭狀芽孢桿菌芽孢具有極強的毒性，其分泌的肉毒素是一種神經毒素，作用于腦神經核、神經接頭以及植物神經末梢，阻礙神經沖動的傳導進而引起肌肉松馳性麻痹。含量極低的肉毒素（LD50：1.3-2.1ng/kg）即可導致人的死亡。肉毒素中毒后先出現乏力頭痛等癥狀，再出現復視、斜視、眼瞼下垂等眼部肌肉麻痹癥狀，隨后引起咽部肌肉麻痹癥狀，使得膈肌麻痹、呼吸困難，最后導致呼吸停止。比較少見的是肢體麻痹，如果能及時給予支持療法與控制呼吸道感染，病人的死亡率可以從70%降低至10%。然而，存活后的病人恢復進展很緩慢，直至被感染的神經末梢重新長出。

肉毒梭狀芽孢桿菌可分成四類：I型、II型、III型、IV型。不同類型的菌株產生不同的毒素。能引起人類中毒的主要為I型和II型，III型和IV型可在野鳥和家禽等動物中引起中毒。肉毒素中毒是中毒表象最重，死亡率最高的食物中毒。中毒方式包括毒素型肉毒中毒、創傷性肉毒中毒、嬰兒肉毒中毒、吸入性肉毒中毒。肉毒中毒與飲食習慣有關，低酸性罐頭食品（pH＞4.6）是引起肉毒中毒的主要食品來源，如肉、水果、奶類制品罐頭[2]。以上可知，必須采取有效措施控制芽孢數量才能保障食品安全。

3 低酸性食品中芽孢的控制措施

在人類歷史發展過程中，很多食品保藏方法，如腌制、干制、冷凍等方法可以控制食品中微生物數量。在水分活度較低、滲透壓較高、低溫條件下芽孢不會萌發和生長；在酸性食品中（pH＜4.6）芽孢萌發受到抑制。對于低酸性食品（pH＞4.6），必須將芽孢完全殺滅才能保障食品安全。

3.1 高溫滅菌法

食品工業中，通常采用110-130℃的高溫完全殺滅低酸性罐頭食品中的芽孢。FDA提出商業無菌的目標是將1012CFU/g（mL）的肉毒梭狀芽孢殺滅。理論上，高溫滅菌法殺滅12個對數肉毒芽孢的條件為121℃處理2.5min。但實際加工過程中，食品經升溫、保溫、降溫過程所需時間長達80min。長時間的高溫處理會引起食品風味、色澤、質構及營養成分的下降。因此，尋找新的殺菌方式至關重要。如氣調殺菌技術通過多階段變溫來實現殺菌，這種方法改善了高溫殺菌鍋時間過長引起的品質破壞和“蒸煮味”的弊端。此外，超高溫瞬時殺菌技術在液體食品中也得到了應用。它是將物料放入到130℃的蒸汽環境中維持數秒鐘實現瞬時殺菌。這種殺菌方法可迅速殺滅芽孢，還能較好保持食品原有的風味和營養成分，但此方法僅適用于液體食品殺菌限制了其廣泛應用。對于半對流型罐頭，利用回轉式滅菌方法可以減少整個操作時間，產品受熱比較均勻，適合八寶粥、筍、豌豆、蘑菇罐頭等半固體產品；對于固體食品，使用超薄包裝材料如薄膜蒸煮袋來增加殺菌過程中的傳熱速率，同時還能實現殺菌后產品的快速降溫，減少高溫影響食品品質。隨著計算機技術和人工智能的發展，人們可以對產品溫度、品質進行實時監控，進而建立實時殺菌模型，優化食品熱殺菌工藝。現階段熱殺菌裝備、工藝和技術有了很大突破，但處理過程中長時間高溫引起食品風味、色澤、口感和質構下降的特性仍未能消除，同時伴隨罐頭“蒸煮味”的發生。因此，尋找更低溫度，更短加熱時間和節能低碳的食品殺菌新技術仍然是現代食品工業研究的重點。

3.2 非熱殺菌

非熱殺菌是新型的殺菌技術，它是在較低的溫度下處理食品物料實現殺菌的一種技術。近些年，人們對該技術進行了深入的研究。研究最多、應用最廣泛的為輻照和超高壓殺菌。輻照是利用無線電波、紅外、紫外線、X射線和γ射線照射食品實現殺菌的一種技術手段。電磁放射線（同位素60Co或137Cs 放射出的射線）和電離輻照（能量在0.5-10MeV的高能電子束）已被廣泛應用在食品殺菌過程中。WHO在1999年的聯合國際會議中宣布60Co-γ射線作為輻照源處理的食品在營養和安全性上沒有大的變化，甚至得出不需要設置高劑量限制的結論。我國在1997年發布了6類國家標準，并對輻照劑量設置了嚴格規定，要求輻照產品時必須輻照均勻，遵守法規所標定的劑量。

電離輻照能有效殺滅食品中致病菌，如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌等。同時輻照也能有效殺滅芽孢，當輻照劑量為30kGy以上，12-log肉毒芽孢可被殺滅。輻照殺滅芽孢主要是因為芽孢結構中關鍵生物大分子（DNA等）受到了破壞。

與高溫殺菌技術相比，輻照殺菌具有很多優點，如60Co-γ射線由于具有高能量和較強穿透力，可以直接對包裝好的食品進行滅菌，避免食品的二次污染；輻照由于在室溫下進行，產生極少熱量，可以最大程度的保持食品的色香味和營養成分；此外，輻照在能耗方面遠比高溫殺菌低，能節約70-90%的能耗。然而，因為消費者對輻照食品缺乏共識、對輻照食品認可度低，市場上輻照食品種類很少。此外，輻射劑量達到30kGy以上才能實現殺滅12-D芽孢的殺滅效果，如此高劑量的輻照影響食品的色澤，還會出現異味。因此，輻照技術的大規模產業化應用還需很長時間。

超高壓技術是現階段研究最多、應用最廣泛的非熱殺菌技術。它利用水作為傳壓介質，將物料放入高壓腔內（100-1000MPa）維持數分鐘實現殺菌。超高壓通過壓力直接破壞細菌的細胞壁等結構的方式殺菌。超高壓主要作用于生物大分子中氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵，而保維持食品風味、色澤、口感等特性的物質主要是由共價鍵組成的小分子。因此，超高壓在殺滅細菌的同時，還能最大程度保持食品感官特性和營養價值。隨著超高壓技術的不斷研究，出現了越來越多的超高壓食品。如超高壓果汁又被稱為非濃縮還原果汁，受到了廣大消費者的青睞。但超高壓技術直接殺滅芽孢限制了其進一步商業化應用[3]。

3.3 其他手段

隨著食品工業的發展，出現了很多新型殺菌技術，如脈沖電場、強磁場、低溫等離子體、微波、超聲波等。與高溫殺菌不同，這些新型殺菌技術通過光、磁、電實現殺菌。新型殺菌技術能有效的殺滅食品中細菌營養體，可以應用在酸性食品殺菌過程中。但對芽孢殺滅的有限性同樣限制了這些技術應用中低酸性食品中的應用，限制了其在食品工業中進一步的應用。因此，尋找新的殺菌方法或通過某些技術聯合殺滅芽孢是食品加工過程中發展的重要目標。

4 展望

芽孢的存在一直是食品安全的重要威脅。高溫滅菌仍是現在殺滅芽孢的主要方法。現階段，高溫滅菌后的食品很難滿足人們對高質量生活水平的需求。尋找新的殺菌方法迫在眉睫。超高壓技術能在較低溫度下實現殺滅微生物，但卻不能直接殺滅芽孢。研究表明，超高壓與中等溫度結合后能有效的殺滅芽孢，這為超高壓技術的進一步商業化應用提供了新的思路和方法，需要人們進一步深入的研究。