水和氣態(tài)臭氧對食源性細(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)。在動態(tài)條件下，金黃色葡萄球菌對水中臭氧 很敏感。對于氣態(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?？紤]到結(jié)果，以水形式存在的臭氧可能會在一天結(jié)束時或工藝停機(jī)時用于日常衛(wèi)生規(guī)程，而氣態(tài)臭氧可能會用于密閉空間較長時間的處理(例如，夜間)和在沒有人員的情況下，以實(shí)現(xiàn)對微生物生物膜的環(huán)?？刂?，從而減少食品工業(yè)中交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

簡介

      由微生物引起的傳染病在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢，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)國家的問題。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，微生物還會因初級生產(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，在過去的幾十年里，人們對食品安全的越來越多的關(guān)注已經(jīng)減少了對食品變質(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。如果清洗和消毒過程不正確，有機(jī)和無機(jī)物的殘留物可能會殘留下來，為生物膜的發(fā)展創(chuàng)造一個合適的環(huán)境。生物膜是由附著在表面并在表面生長的微生物組成的，是微生物的一種普遍生長模式: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)菌會變得不那么敏感，甚至對抗菌化合物產(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)境和人類健康問題很多，這需要更多對環(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，隨著消費(fèi)者對“更綠色”食品添加劑的需求日益增長，美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)臭氧直接添加到食品中，以及人們越來越意識到臭氧氧化是一種環(huán)保技術(shù)，對臭氧在食品領(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?，通過細(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，會引起頭痛、喉嚨干和對呼吸系統(tǒng)的刺激，在高濃度時甚至?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，無論是在工廠關(guān)閉期間還是在一天結(jié)束時。臭氧化水，特別是在動態(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，通過電解槽生產(chǎn)臭氧水需要一個簡單的生成系統(tǒng)，但并不意味著向水中添加臭氧的成本更高，因?yàn)槌粞踔苯釉谧詠硭性厣伞Ｖ劣跉鈶B(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)中使用過夜，以盡量減少對健康的風(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。