姚昱錕，方婷 ，潘潔茹

1. 閩臺(tái)特色海洋食品加工及營養(yǎng)健康教育部工程研究中心（福州 350002）；2. 福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院（福州 350002）；3. 福州市疾病預(yù)防控制中心（福州 350002）

近年來，食品安全問題越來越引起人們關(guān)注。隨著食品加工過程中化學(xué)品和新技術(shù)的廣泛使用，伴隨的食源性疾病也不斷涌現(xiàn)。而一直以來由于病原微生物的感染而導(dǎo)致的食品腐敗，不僅讓食品行業(yè)承受了巨大損失，也極大程度上威脅了人類的身體健康與生命安全。因此，尋找一種殺菌效果好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保又可以大規(guī)模廣泛使用的殺菌劑對(duì)于提高食品安全性具有重要意義。在常用消毒劑的性質(zhì)比較中可以看出，抗菌能力前三強(qiáng)的臭氧、二氧化氯水溶液和二氧化氯（ClO2）氣體中，ClO2氣體對(duì)環(huán)境安全，pH耐受范圍廣，僅微量腐蝕且成本適中，所以ClO2氣體是一種理想的抗菌劑[1-2]。目前，固態(tài)或液態(tài)ClO2大多用于食品加工器皿、管道、場(chǎng)所等的殺菌，少量用于果蔬表面處理和水產(chǎn)品加工，而ClO2氣體在食品殺菌的應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，用于新鮮農(nóng)產(chǎn)品的處理，可以殺滅包括沙門氏菌、大腸桿菌O157：H7和單核細(xì)胞增生李斯特菌在內(nèi)的一系列致病菌。相較于其水溶液，ClO2氣體具有更強(qiáng)的抗菌作用。另外，ClO2氣體不會(huì)與氨反應(yīng)生成氯胺或三鹵甲烷化合物[3-5]，具有抗菌能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境安全、pH耐受性好、成本適中的特點(diǎn)。

1 二氧化氯氣體的性質(zhì)

二氧化氯（ClO2）氣體在常溫下呈黃綠色或橘紅色，具有刺激性氣味，易溶于水，室溫下溶解度是氯氣的5倍，在水中以水合分子存在，不易發(fā)生水解反應(yīng)[6]。稍微酸化（pH 6）的二氧化氯水溶液與二氧化氯氣體相比穩(wěn)定性增強(qiáng)。二氧化氯氣體是一種選擇性強(qiáng)的氧化劑，與氯不同，它不與有機(jī)化合物反應(yīng)產(chǎn)生致癌的三鹵甲烷（THM）。此外，它不會(huì)與氨反應(yīng)形成氯胺[7]。

2 二氧化氯氣體的殺菌機(jī)理

ClO2氣體的殺菌機(jī)制包括細(xì)胞膜失穩(wěn)[8-9]，與氨基酸的反應(yīng)及蛋白質(zhì)合成中斷[10]，以及DNA/RNA/蛋白質(zhì)的氧化作用[1,11]。早年的研究發(fā)現(xiàn)ClO2氣體處理會(huì)使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生變化[5]。近年來研究發(fā)現(xiàn)ClO2氣體主要靠破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)態(tài)使膜兩側(cè)滲透壓差改變：細(xì)胞膜中的含氧化合物和蛋白質(zhì)與ClO2氣體反應(yīng)[8-9]。有研究懷疑ClO2氣體會(huì)通過改變膜內(nèi)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的構(gòu)型來增加細(xì)胞膜的通透性[8]。ClO2氣體還可通過阻礙微生物的蛋白質(zhì)合成來殺死微生物[10]。部分氨基酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)使蛋白質(zhì)分解，進(jìn)而控制微生物蛋白質(zhì)合成[12-13]。ClO2氣體通過氧化酶的巰基形成二硫鍵類似物，從而導(dǎo)致酶的原始生理功能出現(xiàn)問題[14]。

3 二氧化氯氣體的制備裝置及方法

二氧化氯發(fā)生器制備ClO2氣體的方法主要有電解法和化學(xué)法，電解法中廣泛使用的是隔膜電解法，生成的ClO2氣體濃度一般在10%～30%?；瘜W(xué)法主要是以氯酸鈉（NaClO3）和亞氯酸鈉（NaClO2）為原料的兩類發(fā)生方法。在氯酸鈉法生產(chǎn)過程中，氯離子作還原劑制得的ClO2氣體濃度低，而亞氯酸鈉法制得的ClO2氣體純度高。此外，可用Cl2或HClO氧化NaClO2或在酸性介質(zhì)中使NaClO2自身氧化還原生成ClO2。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡便易控、制取的ClO2純度高，缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢、耗酸量大、成本較高，對(duì)設(shè)備條件要求苛刻，一般只適于實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模生產(chǎn)。

將其應(yīng)用于食品上時(shí)，可以使用食品級(jí)酸與NaClO2溶液反應(yīng)生成ClO2[12]。若產(chǎn)生的ClO2含有一定水分，需經(jīng)過一系列處理后才可用于密閉環(huán)境的殺菌?？紤]到包裝內(nèi)殺菌的需要，同時(shí)為了避免殺菌后的二次污染，近年來有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了標(biāo)簽搭載殺菌劑形式的產(chǎn)品[15]。除了用硫酸與食品級(jí)酸作為反應(yīng)物，呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳和水也可于與NaClO2反應(yīng)[16]。生產(chǎn)中標(biāo)簽類的產(chǎn)品使用靈活，但是諸如如何避免標(biāo)簽轉(zhuǎn)移時(shí)氣體泄露等安全問題還有待進(jìn)一步解決。

Nam等[17]通過將NaClO2添加到硫酸溶液的方法制備含水ClO2，再通過圓柱形氣密容器收集自然產(chǎn)生的ClO2氣體并測(cè)量其濃度（圖1），然后乘以制造商推測(cè)的校正因子（0.5）得到ClO2氣體的濃度。該法工藝簡單，操作方便；但反應(yīng)速率慢，酸量大，產(chǎn)生的廢酸多，副產(chǎn)物含一定量的Cl2，需通過后期計(jì)算得出ClO2氣體濃度。

圖1 可收集由硫酸和亞氯酸鈉的混合物產(chǎn)生的ClO2氣體的氣密容器[17]

Park等[18]使用ClO2氣體發(fā)生系統(tǒng)制備ClO2氣體，系統(tǒng)產(chǎn)生的ClO2氣體被引入聚氯乙烯處理室（圖2）。將樣品放在處理室內(nèi)的樣品托盤上，并蓋上塑料蓋。當(dāng)達(dá)到所需的ClO2濃度和相對(duì)濕度時(shí)，移開塑料蓋，將待殺菌物質(zhì)暴露于ClO2中。

圖2 ClO2氣體處理系統(tǒng)的示意圖[18]

Saade等[15]研發(fā)出一種用于單個(gè)包裝食品的抗微生物內(nèi)包裝標(biāo)簽（圖3）。首先制作含有檸檬酸的乙烯乙酸乙烯酯（EVA）聚合物標(biāo)簽，擠壓，然后用濃亞氯酸鈉噴涂表面。應(yīng)用前熱壓標(biāo)簽，以激活反應(yīng)，再將標(biāo)簽粘貼到初級(jí)包裝的內(nèi)側(cè)，并立即密封。之后，來自亞氯酸鈉溶液和（或）包裝食品中的水分會(huì)一直維持ClO2氣體的生成和釋放，直到所有檸檬酸和亞氯酸鈉被消耗掉為止。

圖3 制造用于ClO2自生包裝標(biāo)簽的嵌入檸檬酸的合成聚合物的概念開發(fā)[15]

Zhou等[16]提出了一種新的ClO2氣體生成方法：利用番茄呼吸過程中釋放的二氧化碳和水分，與NaClO2反應(yīng)生成ClO2。Zhou等[19]進(jìn)一步開發(fā)了兩種新穎的生成系統(tǒng)（即靜電紡絲纖維和離型膜）用于實(shí)際應(yīng)用。與Saade等[15]研發(fā)的標(biāo)簽相比，這種薄膜不需要任何激活步驟，更加方便。

之后Saade等[7]又發(fā)明了一種多層生物基包裝標(biāo)簽（圖4）。該標(biāo)簽由嵌入檸檬酸的果膠功能層和嵌入亞氯酸鈉的明膠功能層交替組裝而成，在功能層之間選擇性插入明膠阻隔層。標(biāo)簽各層成分分別通過溶液澆鑄制成，交替組裝，通過給予適當(dāng)?shù)膲毫碛|發(fā)反應(yīng)。包裝中新鮮產(chǎn)品呼吸作用產(chǎn)生的水分促進(jìn)并維持這些標(biāo)簽不斷產(chǎn)生ClO2氣體。通過改變前體的量（如標(biāo)簽的表面積、功能層的數(shù)量和試劑的用量）或明膠阻隔層的插入數(shù)量可以控制ClO2氣體產(chǎn)生的反應(yīng)限度和速率。

圖4 產(chǎn)生ClO2的生物基聚合物包裝標(biāo)簽的概念開發(fā)[7]

基于氯氣（在氮?dú)庵姓?%）與次氯酸鈉的反應(yīng)，Du等[20]在CDG實(shí)驗(yàn)室發(fā)生器中制備濃度為160～180 mg/L的ClO2氣體。在圓筒內(nèi)記錄相對(duì)濕度和溫度，采用隔膜真空泵控制相對(duì)濕度。同時(shí)，氣缸內(nèi)的ClO2氣體循環(huán)通過隔膜真空泵。Zhang等[21]研究了固體ClO2釋放劑的制備方法。將固體ClO2片劑（10 mg）制成粉末，與990 mgβ-環(huán)糊精均勻混合，并將混合物壓制成片劑（1 g），使用碘量法檢測(cè)片劑中ClO2的濃度，然后立即用于試驗(yàn)。此方法同樣靈活簡便。

4 二氧化氯氣體的殺菌效果

國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，ClO2氣體處理對(duì)果蔬、干果、香料等食品殺菌效果良好。對(duì)于同種病原菌，不同研究團(tuán)隊(duì)有不同的規(guī)律性發(fā)現(xiàn)，可能的原因是：內(nèi)部因素如胡蘿卜是否削皮，番茄品種不一；外部因素，如溫度高能加速氣體循環(huán)，濕度高有利于ClO2氣體與水結(jié)合。綜合看來，在溫度一定的條件下，ClO2濃度越高，處理時(shí)間越長，微生物減少量越多，而不同微生物有不同的表現(xiàn)。

4.1 二氧化氯氣體對(duì)食品上細(xì)菌的殺菌效果

在諸多致病菌中，科學(xué)家們對(duì)于單核細(xì)胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、沙門氏菌（Salmonella enterica）與大腸桿菌（Escherichia coli）的研究較為集中。Du等[20]在蘋果表面接種單核細(xì)胞增生李斯特菌，用4.0 mg/L的ClO2氣體處理一段時(shí)間后，細(xì)菌減少了5.5±1.0 log10CFU（10 min），3.9±0.0至6.5±0.1 log10CFU（30 min）。Bridges等[22]研究了低濃度長時(shí)間ClO2氣體處理對(duì)志賀毒素大腸桿菌（STEC）、腸炎沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌在小胡蘿卜、矮灌木藍(lán)莓和牛排番茄上的有效性。在小胡蘿卜試驗(yàn)組中，STEC在3種細(xì)菌中最為敏感，將較低ClO2濃度（0.03 mg ClO2/g或0.04 mg ClO2/g）用于處理小胡蘿卜的STEC即可。矮灌木藍(lán)莓試驗(yàn)組的STEC同樣對(duì)ClO2氣體最敏感，但與其他兩種樣品相比，ClO2氣體處理對(duì)于藍(lán)莓的殺菌效果不是很有效。在牛排番茄試驗(yàn)組中，用0.07和0.15 mg ClO2/g番茄的ClO2氣體處理5.0 h后，這3種細(xì)菌的檢出限均降低至檢測(cè)線以下（＜1 log10CFU/g）。對(duì)于沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌，在低濃度長時(shí)間處理?xiàng)l件下，按試驗(yàn)濃度梯度增加ClO2劑量或處理時(shí)間不會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌減少量有顯著變化（p＜0.05）。而Trinetta等[23]研究了高濃度短時(shí)間ClO2氣體處理對(duì)羅馬番茄上接種的沙門氏菌的殺菌情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ClO2濃度和處理時(shí)間對(duì)于沙門氏菌的滅活效果有極顯著影響（p＜0.01）。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果不同，可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的差異。Park等[24]發(fā)現(xiàn)ClO2氣體和適度的濕熱（100% RH，55 ℃）對(duì)于雞蛋殼上糞便中的腸炎沙門氏菌存在協(xié)同致死作用。Wang等[25]研究發(fā)現(xiàn)低水平（＞1 mg/L）的ClO2氣體足以滅活葡萄番茄莖疤區(qū)域的大部分沙門氏菌。

Park等[26]將大腸桿菌O157：H7、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌3種病原菌混合接種于菠菜和番茄上，重點(diǎn)研究了溫度對(duì)殺菌效果的影響。研究表明，溫度控制可以替代高濃度ClO2氣體的使用，避免高濃度ClO2可能導(dǎo)致的食品質(zhì)量的改變，加工表面的腐蝕加速或安全問題。

除了以上3種致病菌，ClO2氣體還可用于銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的殺菌。Oforia等[27]研究了ClO2氣體濃度、pH和溫度對(duì)水中這兩種細(xì)菌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在推薦用于飲用水的最大劑量（1.5 mg/L）處理過后，仍然存在大量細(xì)菌。在較高pH的室溫條件下，用高濃度ClO2氣體作為消毒劑更為有效，其消毒速率受細(xì)菌初始密度的影響較小。

綜上所述，低濃度長時(shí)間處理的實(shí)驗(yàn)效果可以由高濃度短時(shí)間處理達(dá)到。在一定條件下，控制溫度可以代替高濃度ClO2氣體達(dá)到的殺菌效果，從而減少ClO2殘留帶來的危害。

4.2 二氧化氯氣體對(duì)食品上真菌的殺菌效果

Zhang 等[21]將感染擴(kuò)展青霉（Penicillium expansum）的蘋果在25 ℃條件下用質(zhì)量濃度為50，100，150和200 mg/L的ClO2處理。結(jié)果表明：5 d后，與對(duì)照組（p＜0.05）相比，處理過的果實(shí)病變直徑顯著減小且濃度越大效果越明顯。Fu等[28]將感染灰霉病的青椒和冬棗用質(zhì)量濃度為50，100和150 μmol/L 的ClO2處理，結(jié)果表明ClO2氣體對(duì)灰霉病殺菌效果與氣體濃度呈正相關(guān)。郭凱旋等[29]對(duì)比研究了枯草芽孢桿菌和黃曲霉菌對(duì)ClO2氣體的耐受性差異。結(jié)果表明：低濃度ClO2氣體對(duì)黃曲霉菌的殺菌效果比對(duì)枯草芽孢桿菌的更好；殺菌濃度和殺菌時(shí)間對(duì)殺菌效果的影響存在一定的交互作用。馬駿等[30]以苦蕎、甜蕎為黃曲霉菌載體做了進(jìn)一步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響殺菌率的主導(dǎo)因素在某個(gè)殺菌濃度兩側(cè)不同。當(dāng)霉菌載體為甜蕎時(shí)，采用8.5 mg/L ClO2作用于其表面30 min，殺菌率達(dá)到98.4%；當(dāng)霉菌載體為苦蕎時(shí)，采用4.5 mg/L ClO2作用于其表面10 min，殺菌率達(dá)到99.9%。接種于苦蕎上的黃曲霉菌較甜蕎上的黃曲霉菌更易被殺滅，可能是因?yàn)榭嗍w種子顆粒較小，與殺菌劑ClO2氣體的接觸面積較大。

綜上，影響ClO2氣體對(duì)真菌殺菌率的因素主要為殺菌濃度與殺菌時(shí)間。但是，ClO2氣體對(duì)細(xì)菌與真菌殺菌效果的對(duì)比研究，以及其他因素例如溫度、濕度等對(duì)殺菌效果的影響研究較少。

5 結(jié)語與展望

ClO2氣體殺菌技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，作為一種新型殺菌技術(shù)，由于其殺菌效果好、安全性高，在我國逐漸得到發(fā)展。ClO2氣體殺菌不僅能保證食品的安全性，而且能避免由ClO2水溶液處理帶來有毒副產(chǎn)物的影響。因此，ClO2氣體在食品殺菌方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

然而，想要大規(guī)模推廣ClO2氣體殺菌技術(shù)，首先要解決ClO2氣體發(fā)生裝置的生產(chǎn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)嘗試結(jié)合其他滅菌技術(shù)（如輻射、超聲、二氧化碳、超高壓、過熱蒸汽干燥等）進(jìn)行復(fù)合滅菌，進(jìn)而克服單一滅菌技術(shù)的缺陷。此外，相關(guān)部門需要進(jìn)一步完善ClO2氣體生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存與應(yīng)用規(guī)范，保障生產(chǎn)過程中生命安全與財(cái)產(chǎn)安全。盡管ClO2氣體殺菌技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的處理方法，但作為一種補(bǔ)充或輔助手段進(jìn)行開發(fā)，其應(yīng)用前景必將廣闊。