水和气态臭氧对食源性细菌生物膜的灭活

 

      在这项研究中，研究了水中臭氧和气态臭氧对三种食源性物种(荧光假单胞菌、金黄色葡萄球菌和单核增生李斯特菌)附着细胞和微生物生物膜的处理效果。每种微生物的三株(一株参考菌株和两株野生菌株)的混合物在AISI 304不锈钢片上形成的生物膜受到三种类型的处理，增加次数:

(i)静态条件下浸泡的臭氧水(0.5 ppm)， (ii)流动条件下的臭氧水，(iii)不同浓度的气态臭氧(0.1-20 ppm)。

      Excel插件GinaFit工具允许估计附着细胞和微生物生物膜的生存曲线，强调指出，无论治疗，抗菌效果发生在治疗的前几分钟，而随着接触次数的增加，可能残留的生物膜种群获得了更大的抗臭氧化能力。静态条件下用含水臭氧处理20分钟后，生物膜的活性估计降低了1.61-2.14 Log CFU/cm2，而在动态条件下处理的生物膜的活性降低值更高(3.26-5.23 Log CFU/cm2)。在动态条件下，金黄色葡萄球菌对水中臭氧 很敏感。对于气态臭氧的使用，在低浓度(高达0.2 ppm)下，60分钟后估计灭活率为2.01-2.46 Log CFU/cm2，而在 很高浓度下，单增乳杆菌的生物膜完全灭活(<10 CFU/cm2)，并在60分钟和20分钟后分别降低了荧光链球菌和金黄色葡萄球菌的5.51和4.72 Log CFU/cm2。考虑到结果，以水形式存在的臭氧可能会在一天结束时或工艺停机时用于日常卫生规程，而气态臭氧可能会用于密闭空间较长时间的处理(例如，夜间)和在没有人员的情况下，以实现对微生物生物膜的环保控制，从而减少食品工业中交叉污染的风险。

简介

      由微生物引起的传染病在世界范围内呈上升趋势，是世界范围内的主要疾病之一。根据欧洲疾病预防和控制中心的 很新报告，2014年欧盟有110万例应报告的传染病病例(ECDC, 2016年)。尽管加工技术在确保食品安全方面取得了巨大进步，但受污染的食品和水仍然继续在世界范围内造成传染病，这不仅仅是不发达国家的问题。例如，2016年在欧洲，食源性疫情(包括水源性疫情)导致49,950人患病，3,869人住院，20人死亡(欧洲食品安全局，2017年)。除了引起食源性疾病外，微生物还会因初级生产和零售环节的腐败而造成重大经济损失。事实上，在过去的几十年里，人们对食品安全的越来越多的关注已经减少了对食品变质造成的损害的关注，特别是在食品丰富的发达国家。据估计，全球每年约有13亿吨粮食损失或浪费，微生物腐败是全球粮食损失或浪费的主要原因之一，贯穿整个食品供应链(Bräutigam等人，2014;Thyberg和Tonjes, 2016)。

      用于食品加工的表面和设备的卫生状况对食品中微生物病原体和破坏者的存在有重大影响。如果清洗和消毒过程不正确，有机和无机物的残留物可能会残留下来，为生物膜的发展创造一个合适的环境。生物膜是由附着在表面并在表面生长的微生物组成的，是微生物的一种普遍生长模式:在这种形式下，它们被细胞外聚合物质(EPS)包围，保护细胞免受不利环境条件的影响，特别是抗菌素。据报道，几种食品腐败菌和致病菌会附着在不同的食品接触面上并形成生物膜，生物膜在广泛的食品工业中已成为挑战，如乳品厂(Stellato等人，2015)、鱼类和海鲜加工区(Takahashi等人，2009)、肉类和家禽加工(Liu等人，2015)、餐饮机构(Marino等人，2011)以及发酵饮料厂(Maifreni等人，2015)。主要的食品病原体，如单核增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，可以形成生物膜，从而成为对消费者健康的重大威胁(Dourou et al.， 2011;Ferreira et al.， 2014)。已经证明，微生物病原体在表面的定植可导致与食用新鲜农产品有关的疾病暴发(Beuchat, 2002年)。

室温 (RT) 下自来水中的臭氧衰减

      目前控制生物膜的传统策略是基于化学消毒。然而，这些方法并不总是有效和环保的。事实上，已有研究表明，在常规的卫生处理过程中，断断续续或持续接触亚致死浓度的抗菌化合物后，细菌会变得不那么敏感，甚至对抗菌化合物产生耐药性(to等人，2002年)。此外，与使用化学消毒剂有关的环境和人类健康问题很多，这需要更多对环境友好的替代品。因此，人们不断寻求新的生物膜控制手段。

      近几十年来，随着消费者对“更绿色”食品添加剂的需求日益增长，美国食品药品监督管理局(FDA)批准臭氧直接添加到食品中，以及人们越来越意识到臭氧氧化是一种环保技术，对臭氧在食品领域的兴趣不断扩大。在北美、澳大利亚、新西兰、日本和一些欧洲国家，在食品加工中使用臭氧已获得法律批准(Tiwari和Rice, 2012)。臭氧氧化作为一种环保技术在全球范围内被广泛接受(O 'Donnell等，2012)。臭氧是一种有效的抗菌剂，因为它的氧化能力，通过细胞成分的渐进氧化使微生物失活。臭氧的高度不稳定性和反应性决定了它的抗菌性能，因为它能迅速降解回分子氧而不留下有毒的副产物，释放的游离氧原子会导致氧化(Güzel-Seydim等人，2004年)。臭氧氧化已成功地应用于食品领域，以控制水果和蔬菜(Ölmez和Akbas, 2009)、乳制品(Segat等人，2014;Marino等人，2015年)、肉类和海鲜产品(Gelman等人，2005年)。已有研究表明，臭氧可以用来修饰各种大分子的化学和物理性质(Sankaran等人，2008;安和金，2009;Segat等人，2015)。臭氧在食品领域的广泛应用仅限于健康和安全方面，因为它是一种有毒化合物，会引起头痛、喉咙干和对呼吸系统的刺激，在高浓度时甚至会发生不可逆的致命作用(Cullen and Norton, 2012)。因此，为了食品加工厂工人的安全，需要有效的臭氧检测和催化或热灭活系统(Kim等人，1999年)。

      臭氧通常由光化学法或电晕放电法产生。另一种方法是基于电解，这种方法允许臭氧一旦形成，就用 很少的设备在工艺水中就地溶解(Chen et al.， 2016)。据我们所知，目前还没有关于使用电解产生的臭氧作为抗菌策略的文献资料。

      目前，关于臭氧对食品中微生物生物膜的抑菌活性的实验数据仍然非常有限，因此在水中和气态形式中使用臭氧控制交叉污染的潜力还不完全清楚。此外，少数发表的作品是关于参考文献收集的单一菌株形成的生物膜的(Dosti et al.， 2005;Di Ciccio等，2014;Saha et al.， 2014)。然而，众所周知，野生菌株可能比参考菌株对抗菌素更有耐药性(Otero等人，2014年)，因此， 很近关于食物环境中微生物行为的研究方案强调，也需要使用从相同或类似的食物基质中分离的野生菌株。事实上，为了解释同一物种的不同菌株在生长和存活方面的差异，试验应至少使用三种菌株、一种参考菌株和两种野生菌株的鸡尾酒(Jofré等人，2009;Álvarez-Ordóñez等，2015)。本研究的目的是研究水气臭氧对附着的细胞和生物膜的消毒效果，这些细胞和生物膜分别属于荧光假单胞菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生性乳杆菌。

结论

      这项研究的结果清楚地表明，使用臭氧在水和气体形式，可以在食品工业中有很大的可利用性，以减少与微生物生物膜的存在有关的风险。水合臭氧的使用可以在设备的日常消毒实践中得到应用，无论是在工厂关闭期间还是在一天结束时。臭氧化水，特别是在动态条件下使用，可导致微生物失活至少3 Log，这被认为是生物膜上抗菌物质的 很低要求。臭氧在这些条件下的快速衰减率大大降低了操作人员的风险。

      此外，通过电解槽生产臭氧水需要一个简单的生成系统，但并不意味着向水中添加臭氧的成本更高，因为臭氧直接在自来水中原地生成。至于气态臭氧，它的活性浓度较高，但可在操作人员不在的情况下，在密闭环境(如成熟室)中使用过夜，以尽量减少对健康的风险。本研究所研究的微生物可能是食品腐败或食源性疾病的原因，因此使用臭氧可成为控制这些细菌在食物链中交叉污染的有效措施。在控制操作人员可能面临的风险和工艺参数的情况下，有可能使用该策略作为传统卫生处理工艺的补充/替代方案，在减少环境影响方面具有明显的优势。