微波加熱對微生物的亞細胞結(jié)構(gòu)影響和死亡規(guī)律的研究.pdf

1、微波作為一種新型的加熱技術(shù)，廣泛用于食品的解凍、干燥、焙烤、滅酶以及殺菌等。與傳統(tǒng)熱力殺菌相比，微波殺菌具有加熱時間短、升溫速度快、加熱更均勻、對熱敏性營養(yǎng)成分和風味物質(zhì)破壞少等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外食品科學與工程領(lǐng)域研究熱點之一。盡管微波殺菌方面的研究報道較多，但是關(guān)于微波殺菌的機理還不是很透徹。微波與生物體的相互作用是一個極其復雜的過程。目前，微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)作為其殺菌機理的解釋為人們廣泛接受，但微波殺菌過程中所表現(xiàn)出來的一些異常現(xiàn)象是

2、熱效應(yīng)所無法解釋的，很多學者認為微波殺菌可能還存在著非熱效應(yīng)(即生物學效應(yīng))，但至今尚無定論。 為了進一步探討微波殺菌的機理，本文選取食品中常見的、同時也是典型的有害微生物一大腸桿菌(Escherichia coli，G<'->)與金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，G<'+>)作為研究對象，利用程序控制模擬水浴升溫比較微波和水浴殺菌D值和z值，從宏觀角度考察微波的非熱效應(yīng)；利用熒光分析等方法從細胞膜通透

3、性、蛋白質(zhì)與核酸變性、代謝酶活變化等方面，深入亞細胞結(jié)構(gòu)和分子水平研究微波處理對微生物細胞的影響，以期探尋一些可以進一步揭示微波殺菌機理的有力證據(jù)。 大腸桿菌(Escherichia coli，G<'->)與金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，G<'+>)在微波場中的致死規(guī)律研究表明，這兩種菌的致死率隨溫度變化的曲線基本上都呈倒“S”型，但死亡情形明顯不同。大腸桿菌在55℃～65℃較窄的一段溫度范圍內(nèi)致死

4、率迅速上升，在65℃以后基本保持不變，且在溫升時間內(nèi)不能達到100％的致死率；而金黃色葡萄球菌的致死率隨溫度上升而逐漸增加，但與大腸桿菌相比，在同樣的溫升時間內(nèi)可以表現(xiàn)出更高的致死率，且能夠達到100％的殺滅，說明金黃色葡萄球菌對微波更為敏感，有可能存在非熱效應(yīng)。進一步考察微波功率、pH值和NaCl濃度對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的致死率影響，發(fā)現(xiàn)功率對致死率的影響不顯著，pH值顯著影響微波的殺菌效果，而高濃度NaCl溶液會降低微波殺菌的

5、效果，這可能是高濃度NaCl會影響微波加熱的均勻性。 微生物細胞膜受損后可能會表現(xiàn)出通透性的增加，利用Fluo-3/AM作為Ca<'2+>熒光探針，可以精確檢測微波處理前后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌細胞內(nèi)Ca<'2+>濃度的變化。通過熒光分析方法研究微波處理前后細胞膜通透性的變化，結(jié)果表明經(jīng)微波處理后E.coli和S.aureus胞內(nèi)Fluo-3的熒光強度隨處理溫度的升高而增強，說明微波處理導致細胞膜通透性的增加，且大腸桿菌表現(xiàn)得

6、更為明顯。 蛋白質(zhì)分子具有“內(nèi)源熒光”，蛋白質(zhì)、核酸的變性會使得熒光生色團充分地暴露出來。熒光實驗表明，微波處理后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌體蛋白質(zhì)與核酸的變性程度隨處理溫度升高而增加，兩者情形大致相同。 利用氯化碘硝基四氮唑紫(INT)和二乙酸熒光素(FDA)生物染料分別定量地測定經(jīng)微波處理后活細胞內(nèi)電子傳遞鏈的脫氫酶和非特異性酯酶的活性。大腸桿菌中的電子傳遞鏈的脫氫酶(ETC-DHs)和非特異性酯酶(NSE)在不同微

7、波處理溫度時，ETC-DHs的酶活先升高隨后降低，在55℃有最大值，NSE的酶活在60℃達到最大值，隨后呈下降趨勢；金黃色葡萄球菌中的非特異性酯酶(NSE)和電子傳遞鏈中脫氫酶(ETC-DHs)均隨溫度的升高呈迅速下降趨勢，特別是非特異性酯酶在超過60℃后酶活已經(jīng)降到非常低的水平，這也可能是金黃色葡萄球菌比大腸桿菌表現(xiàn)出對微波更為敏感的原因之一。利用程序模擬水浴升溫曲線，可以在幾乎相近的條件下測定微波加熱與水浴殺菌的D值和z值，比較微波

8、與水浴加熱的殺菌效果，試圖從宏觀角度觀察微波的生物學效應(yīng)。但實驗結(jié)果表明，在相同的升溫曲線下微波與水浴殺菌的D值和Z值沒有顯著差異。說明在此實驗條件下，還不足以觀察到微波殺菌的非熱效應(yīng)。 通過本實驗研究，可以發(fā)現(xiàn)不同微生物在微波場中的死亡規(guī)律有所不同，金黃色葡萄球菌比大腸桿菌具有更高的致死率，表現(xiàn)出一定的非熱效應(yīng)；微波處理對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌胞內(nèi)電子傳遞鏈中的脫氫酶和非特異性酯酶活性的影響顯著不同，說明微波對酶活影響具有雙