張藝林,劉靜飛,任夢夢,牛力源,2,3,張志堅(jiān),2,3
1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001;3.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001
食品加工環(huán)節(jié)中的殺菌技術(shù)分為熱殺菌和非熱殺菌。熱殺菌是一種常用的殺菌方式,但高溫會(huì)破壞維生素等熱敏性營養(yǎng)成分及風(fēng)味物質(zhì),易對食品營養(yǎng)和感官品質(zhì)造成不良影響[1-3]。超高壓、紫外線、加壓CO2等非熱殺菌技術(shù)具有處理溫度低、節(jié)能、殺菌效果好等優(yōu)點(diǎn),近年來在食品保鮮領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[4-5]。
CO2具有化學(xué)惰性及無腐蝕性、高揮發(fā)性、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),單獨(dú)作用即可抑制微生物生長[6],但不足以殺死微生物,若將其與壓力結(jié)合,則能達(dá)到更好的殺菌效果,加壓CO2殺菌技術(shù)在果蔬、肉制品、谷物、液體食品的加工、貯藏與保鮮中的應(yīng)用已有廣泛研究[7-9]。根據(jù)壓力的不同,加壓CO2殺菌技術(shù)分為高壓CO2(High Pressure Carbon Dioxide,HPCD)殺菌技術(shù)和微高壓CO2(petit-High Pressure Carbon Dioxide,p-HPCD)殺菌技術(shù)。其中,HPCD殺菌技術(shù)中的CO2壓力通常處于亞臨界狀態(tài)(2.00~7.38 MPa)[10]甚至超臨界狀態(tài)(>7.38 MPa)[11-12],而p-HPCD殺菌技術(shù)中的CO2壓力通常為0.15~1.30 MPa[13]。由于p-HPCD殺菌技術(shù)對CO2壓力需求較小,因此具有諸多優(yōu)勢:1)比冷藏技術(shù)的抑菌效果好;2)可有效減少加工設(shè)備的資金投入;3)可在p-HPCD狀態(tài)下運(yùn)輸食品,減少運(yùn)輸安全隱患[13]。
目前,關(guān)于p-HPCD殺菌技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在日本清酒、傳統(tǒng)腌漬食品等生產(chǎn)加工領(lǐng)域[14-15],其對肉制品中常見腐敗菌的殺滅效果及作用機(jī)制尚不清楚。PseudomonasdeceptionensisCM2是謝美娟等[16]從雞胸肉中分離出的一株具有較強(qiáng)致腐力的細(xì)菌,本文以其為目標(biāo)菌株,研究p-HPCD殺菌技術(shù)在不同壓力、保壓時(shí)間下對P.deceptionensisCM2的殺菌效果及作用機(jī)制,以期為p-HPCD殺菌技術(shù)在肉制品安全控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。
P.deceptionensisCM2菌株,分離自腐敗雞胸肉,由鄭州輕工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室分離鑒定并保存,已經(jīng)分子生物學(xué)鑒定為P.deceptionensis;高純CO2(純度為99.9%),購自河南迎眾化工產(chǎn)品有限公司;胰蛋白胨大豆肉湯(TSB)培養(yǎng)基、瓊脂粉,購自青島海博生物技術(shù)公司;體積分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛(AR)、碘化丙啶(PI)、雙(1,3-二丁基巴比妥酸)三次甲基氧雜菁(DiBAC4(3))、乙酸異戊酯(AR),購自上海阿拉丁生物科技股份有限公司。
OST-200 ML型微高壓CO2殺菌實(shí)驗(yàn)裝置,西安歐士特儀器科技有限公司產(chǎn);20049C型紫外可見分光光度計(jì),北京普析通用儀器責(zé)任有限公司產(chǎn);3K15型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),德國SIGMA實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)公司產(chǎn);SW-CJ-1FD型超凈工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司產(chǎn);MQD-S2R型恒溫振蕩培養(yǎng)箱,上海旻泉儀器有限公司產(chǎn);MERLIN Compact型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM),德國Zeiss公司產(chǎn);HUS-5GB型真空蒸鍍儀,日本日立公司產(chǎn);NanoReady型超微量紫外可見分光光度計(jì),杭州遂真生物技術(shù)有限公司產(chǎn);LDZM-60KCS型立式壓力滅菌鍋,上海申安醫(yī)療器械廠產(chǎn);Tecan Spark 20 M型多功能酶標(biāo)儀,瑞士Tecan公司產(chǎn);Eclipse 80i型熒光顯微鏡,日本尼康(Nikon)產(chǎn)。
1.3.1 菌懸液制備將凍存的P.deceptionensisCM2菌株接種至TSB培養(yǎng)液中,于25 ℃條件下振蕩培養(yǎng)2~3 d,然后接種至TSA(在TSB中加入瓊脂粉制得)固體培養(yǎng)基,于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d。取單個(gè)菌落接種至新鮮TSB培養(yǎng)液中,于25 ℃條件下振蕩培養(yǎng),并測定菌液在600 nm處的吸光度(OD600),培養(yǎng)至OD600為0.9~1.0,備用。
1.3.2p-HPCD處理加壓CO2裝置示意圖如圖1所示,其中,1為CO2氣瓶,2為減壓閥,3為壓力顯示器,4為溫度顯示器,5為CO2反應(yīng)釜,6為恒溫水浴鍋。將加壓CO2反應(yīng)釜預(yù)熱至25 ℃,將P.deceptionensisCM2菌懸液加入無菌離心管中,打開離心管口并置于反應(yīng)釜中;通入高純CO2,加壓至實(shí)驗(yàn)所需壓力(0.5 MPa、0.9 MPa和1.3 MPa),保壓一定時(shí)間(2 h、4 h和6 h)后,打開減壓閥,從反應(yīng)釜中取出樣品進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。每個(gè)處理均重復(fù)3次。
圖1 加壓CO2裝置示意圖Fig.1 Schematic of pressurized CO2 setup
1.3.3 微生物菌落計(jì)數(shù)將p-HPCD處理后的菌液用磷酸緩沖鹽溶液(PBS緩沖液,0.01 mol/L)進(jìn)行10倍稀釋,選擇合適的稀釋度并吸取0.1 mL稀釋樣品滴于TSA平板上,使用涂布玻璃棒涂布均勻。于25 ℃條件下培養(yǎng)2~3 d后,進(jìn)行菌落計(jì)數(shù),結(jié)果以log10CFU/mL表示。
1.3.4 菌體細(xì)胞形態(tài)觀察取1 mL菌懸液,于4 ℃、3500 r/min條件下離心15 min,棄上清液,加入PBS緩沖液漂洗細(xì)胞2次,然后重懸浮于PBS緩沖液中。參考Q.S.Xiang等[17]的方法,采用FE-SEM觀察p-HPCD處理對P.deceptionensisCM2細(xì)胞形態(tài)的影響。在25 ℃、1.3 MPa條件下,將P.deceptionensisCM2菌液經(jīng)p-HPCD分別處理0 h、2 h、4 h和6 h后,于4 ℃、8000 r/min條件下離心5 min,收集菌體;用PBS緩沖液(pH值為7.2~7.4)清洗菌體3次,于4 ℃,8000 r/min條件下離心5 min,收集菌體;在菌體中加入1 mL預(yù)冷的2.5%戊二醛,于4 ℃冰箱中避光放置4 h后,用PBS緩沖液清洗菌體3次;分別用體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、80%、90%和95%的乙醇溶液對菌體進(jìn)行梯度洗脫15 min,再用乙醇洗脫2次,乙酸異戊酯置換2次,每次20 min,于4 ℃,8000 r/min條件下離心5 min,收集菌體;將菌體滴加在干凈的硅片上,于50 ℃烘箱中烘干,采用真空蒸鍍儀噴金150 s,采用FE-SEM進(jìn)行觀察,加速電壓為20 kV。
1.3.5 胞外核酸和蛋白滲漏量的測定在25 ℃、1.3 MPa條件下,將懸浮于PBS緩沖液中的P.deceptionensisCM2經(jīng)p-HPCD分別處理0 h、2 h、4 h和6 h后,取出樣品,于3500 r/min條件下離心15 min,收集上清液,使用超微量紫外可見分光光度計(jì)測定其在260 nm和280 nm處的吸光度,計(jì)算胞外核酸和蛋白滲漏量/(μg·mL-1)。
1.3.6 細(xì)胞膜完整性的測定參考相啟森等[18]的方法,將懸浮于PBS緩沖液中的P.deceptionensisCM2經(jīng)p-HPCD于25 ℃、1.3 MPa條件下分別處理0 h、2 h、4 h和6 h后,加入終濃度為3 μmol/L的PI染液,在37 ℃黑暗處孵育15 min的菌懸液于4 ℃,10 000 r/min條件下離心10 min,用PBS緩沖液清洗菌體2次后重懸浮于PBS緩沖液中,立即用多功能酶標(biāo)儀在535 nm激發(fā)波長和605 nm發(fā)射波長處檢測菌懸液的熒光強(qiáng)度,以63 ℃處理30 min的細(xì)菌細(xì)胞作為陽性對照。PI的相對熒光強(qiáng)度(FPI)計(jì)算公式如下。
FPI=F1/F0×100%
式中:F1為p-HPCD處理組細(xì)胞熒光強(qiáng)度,F(xiàn)0為陽性對照組細(xì)胞熒光強(qiáng)度。
參考相啟森等[18]的方法,利用熒光顯微鏡對PI染色的細(xì)菌進(jìn)行觀察。將懸浮于PBS緩沖液中的P.deceptionensisCM2經(jīng)p-HPCD于25 ℃、1.3 MPa條件下處理6 h后,加入終濃度為3 μmol/L的PI染液,在37 ℃黑暗處孵育15 min。將染色后的細(xì)菌徹底清洗以除去游離探針,使用適當(dāng)激發(fā)/發(fā)射過濾器的熒光顯微鏡觀察并拍照。
1.3.7 細(xì)胞膜電位的測定參考L.Y.Niu等[19]的方法,將懸浮于PBS緩沖液中的P.deceptionensisCM2經(jīng)p-HPCD于25 ℃、1.3 MPa條件下分別處理0 h、2 h、4 h和6 h。用PBS緩沖液制備EDTA溶液(4 mmol/L),以其為稀釋液將DiBAC4(3)染液稀釋至質(zhì)量濃度為50 μg/mL,取50 μL稀釋后的DiBAC4(3)染液加入菌懸液中并使DiBAC4(3)染液終質(zhì)量濃度為2.5 μg/mL,將該菌懸液在37 ℃黑暗處孵育15 min,然后于4 ℃、10 000 r/min離心10 min,收集菌體,用PBS緩沖液清洗菌體2次后重懸浮于PBS緩沖液中,立即用多功能酶標(biāo)儀在490 nm激發(fā)波長和516 nm發(fā)射波長處檢測細(xì)菌懸浮液的熒光強(qiáng)度,DiBAC4(3)的相對熒光強(qiáng)度(FDiBAC4(3))計(jì)算公式如下。
FDiBAC4(3)=F1/F0×100%
參考相啟森等[18]的方法,利用熒光顯微鏡對DiBAC4(3)染色的細(xì)菌進(jìn)行觀察。將懸浮于PBS緩沖液中的P.deceptionensisCM2經(jīng)p-HPCD于25 ℃、1.3 MPa條件下處理6 h后,加入終質(zhì)量濃度為2.5 μg/mL的DiBAC4(3)染液,在37 ℃黑暗處孵育15 min。將染色后的細(xì)菌徹底清洗以除去游離探針,使用適當(dāng)激發(fā)/發(fā)射過濾器的熒光顯微鏡觀察并拍照。
每個(gè)實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次,數(shù)據(jù)結(jié)果以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示。使用IBM SPSS 20.0軟件,通過單因素方差分析(ANOVA)、Duncan’s多重比較法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。以5%的比較錯(cuò)誤率作為差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)(P<0.05)。
不同壓力和保壓時(shí)間下,p-HPCD處理對P.deceptionensisCM2的殺菌效果如圖2所示。由圖2可以看出,p-HPCD能夠有效殺滅P.deceptionensisCM2,且殺菌效果與壓力和保壓時(shí)間有關(guān)。在25 ℃條件下,經(jīng)0.5 MPa、0.9 MPa和1.3 MPa處理2 h后,P.deceptionensisCM2活菌數(shù)分別降低了0.66 log10CFU/mL、1.04 log10CFU/mL和1.48 log10CFU/mL。在相同的保壓時(shí)間下,p-HPCD的殺菌效果與壓力呈正相關(guān),這與沈培奇[20]觀察到的結(jié)果一致,即在25 ℃條件下使用加壓CO2(1~7 MPa)處理生理鹽水中的大腸桿菌60 min,大腸桿菌的失活率隨CO2壓力的升高而增加。這是因?yàn)閴毫?huì)影響CO2在液態(tài)介質(zhì)中的溶解速率及溶解度:CO2壓力的升高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系中CO2密度增大,溶解速率及溶解度也隨之增加,而較高密度的CO2會(huì)破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能,使CO2更易滲透進(jìn)入微生物細(xì)胞,引起胞內(nèi)pH值下降、代謝紊亂等,進(jìn)而導(dǎo)致微生物失活[21]。
圖2 p-HPCD處理對P.deceptionensis CM2的殺菌效果Fig.2 Bactericidal effect of P.deceptionensis CM2 after p-HPCD treatment
保壓時(shí)間是影響p-HPCD殺菌效果的另一個(gè)重要因素。在1.3 MPa條件下,經(jīng)p-HPCD分別處理2 h、4 h和6 h后,P.deceptionensisCM2數(shù)量與處理前相比分別減少了2.49 log10CFU/mL、2.52 log10CFU/mL和3.65 log10CFU/mL。同樣地,在0.5 MPa和0.9 MPa條件下,經(jīng)p-HPCD處理后的細(xì)菌失活率也隨保壓時(shí)間的延長呈現(xiàn)相同趨勢。F.Y.Xu等[22]也報(bào)道了相似的結(jié)果,HPCD在25 MPa、40 ℃條件下對Vibrioparahaemolyticus分別處理10 min和40 min后,其活菌數(shù)分別降低5.69 log10CFU/mL和7.02 log10CFU/mL。
由此可見,CO2壓力和保壓時(shí)間是影響p-HPCD對P.deceptionensisCM2殺菌效果的重要因素。此外,處理溫度、處理基質(zhì)、細(xì)菌初始濃度等也可能對p-HPCD殺滅P.deceptionensisCM2的效果產(chǎn)生影響,需要后續(xù)進(jìn)一步深入研究。
在25 ℃、1.3 MPa條件下,經(jīng)p-HPCD處理后P.deceptionensisCM2的FE-SEM圖像如圖3所示。由圖3a)可以看出,未經(jīng)p-HPCD處理的P.deceptionensisCM2細(xì)胞具有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu),呈表面光滑的棒狀;由圖3b)可以看出,p-HPCD于1.3 MPa處理2 h后,P.deceptionensisCM2細(xì)胞表面出現(xiàn)輕微皺縮;由圖3 c)和d)可以看出,隨著保壓時(shí)間的延長,細(xì)胞表面皺縮加重,細(xì)胞膜出現(xiàn)裂痕,甚至出現(xiàn)細(xì)胞外膜與質(zhì)膜分離,而這可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出,影響P.deceptionensisCM2細(xì)胞的正常代謝。由FE-SEM觀察到的p-HPCD對P.deceptionensisCM2細(xì)胞的損傷進(jìn)程與上述殺菌效果結(jié)論一致。周先漢等[23]也發(fā)現(xiàn),與HPCD處理前相比,經(jīng)HPCD處理的大腸桿菌細(xì)胞表面出現(xiàn)了許多細(xì)密的小坑,表面也變得更加粗糙。
圖3 p-HPCD處理后P.deceptionensis CM2的FE-SEM圖像Fig.3 FE-SEM images of P.deceptionensis CM2 after p-HPCD treatment
通過測定胞外核酸和蛋白滲漏量可評價(jià)p-HPCD處理對細(xì)胞膜通透性的影響[24]。p-HPCD處理對P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜通透性的影響如圖4所示。由圖4可以看出,未處理組細(xì)胞的胞外核酸和蛋白的滲漏量分別為1.71 μg/mL和46.67 μg/mL。然而,在1.3 MPa條件下經(jīng)p-HPCD處理會(huì)導(dǎo)致胞外核酸和蛋白滲漏量隨保壓時(shí)間的延長而增加。經(jīng)p-HPCD處理6 h后,胞外核酸和蛋白的滲漏量分別增加了10.95 μg/mL和83.83 μg/mL,這與P.deceptionensisCM2失活率增加的結(jié)論一致。如前所述,通過FE-SEM觀察到了隨著保壓時(shí)間的延長,細(xì)胞膜損傷加重(圖2),損傷程度與胞外核酸和蛋白滲漏量的增加相符合。結(jié)合FE-SEM結(jié)果可以推斷,細(xì)胞膜是p-HPCD殺滅P.deceptionensisCM2的主要靶點(diǎn)之一。S.R.Kim等[25]也發(fā)現(xiàn),隨著HPCD保壓時(shí)間的延長,菌懸液在260 nm和280 nm波長處的吸光度均顯著增加。這可能是因?yàn)镃O2分子具有親脂性、低黏度和高擴(kuò)散率,因此在壓力的作用下可能會(huì)擴(kuò)散到細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層中,從而改變P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能,并對其通透性產(chǎn)生影響[26]。
圖4 p-HPCD 處理對P.deceptionensis CM2細(xì)胞膜通透性的影響Fig.4 The effects of p-HPCD treatment on cell membrance permeability of P.deceptionensis CM2
PI是一種疏水性的熒光染料,當(dāng)細(xì)胞膜通透性增強(qiáng)時(shí),它能夠進(jìn)入細(xì)胞,與細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)結(jié)合并發(fā)射出紅色熒光[27]。p-HPCD處理對P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜完整性的影響如圖5所示。由圖5a)可以看出,P.deceptionensisCM2中的FPI隨著保壓時(shí)間的延長而增強(qiáng)。與未處理細(xì)胞相比,p-HPCD(1.3 MPa)保壓2 h、4 h和6 h后,P.deceptionensisCM2細(xì)胞中的FPI分別顯著增加了90.58%、114.98%和122.23%(P<0.05)。這表明p-HPCD處理可誘導(dǎo)P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜通透性增加,證實(shí)了FE-SEM觀察到的細(xì)胞形態(tài)改變。由圖5b)可以看出,在具有完整細(xì)胞膜的細(xì)胞中,PI陽性細(xì)胞數(shù)量很少。而p-HPCD處理6 h后,紅色熒光細(xì)胞的比例增加,這表明細(xì)胞膜的完整性受到破壞。H.Li等[28]也發(fā)現(xiàn),在HPCD處理后,細(xì)菌失活率與FPI呈正相關(guān)。P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜完整性的破壞會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)核酸和蛋白滲漏,進(jìn)而影響細(xì)胞的正常生長和代謝,最終導(dǎo)致微生物死亡。
圖5 p-HPCD處理對P.deceptionensis CM2細(xì)胞膜完整性的影響Fig.5 The effects of p-HPCD treatment on cell membrance integrity of P.deceptionensis CM2
細(xì)胞膜電位是存在于活細(xì)胞細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差,是細(xì)胞膜通透性變化的先兆。細(xì)胞膜電位在細(xì)菌的能量轉(zhuǎn)化、pH穩(wěn)態(tài)、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、環(huán)境感知等生理行為的調(diào)節(jié)中起著重要作用[29]。DiBAC4(3)是一種膜電位敏感的染料,能夠進(jìn)入去極化細(xì)胞并通過與胞內(nèi)蛋白結(jié)合表現(xiàn)出增強(qiáng)的熒光[30]。p-HPCD處理對P.deceptionensisCM2細(xì)胞膜電位的影響如圖6所示。由圖6a)可以看出,P.deceptionensisCM2細(xì)胞經(jīng)p-HPCD(1.3 MPa)處理不同保壓時(shí)間后,細(xì)胞中的FDiBAC4(3)隨著保壓時(shí)間的延長而增強(qiáng)。經(jīng)p-HPCD處理2 h、4 h和6 h后,胞內(nèi)FDiBAC4(3)分別增加至106.09%、110.66%和111.94%,與P.deceptionensisCM2胞內(nèi)的FPI逐漸增強(qiáng)的趨勢相似。L.Y.Niu等[31]研究發(fā)現(xiàn),p-HPCD(1.3 MPa,30 ℃)處理S.typhimurium3 h后,細(xì)胞中的FDiBAC4(3)顯著強(qiáng)于未處理組。熒光顯微鏡觀察證實(shí)了上述結(jié)果(見圖6b)),p-HPCD處理后綠色熒光細(xì)胞比例明顯多于未處理細(xì)胞,胞內(nèi)DiBAC4(3)累積量的增加表明p-HPCD處理導(dǎo)致細(xì)胞膜電位發(fā)生了去極化,膜內(nèi)外離子梯度發(fā)生的變化影響了細(xì)胞的正常代謝活動(dòng),從而導(dǎo)致細(xì)胞活性降低。
圖6 p-HPCD處理對P.deceptionensis CM2細(xì)胞膜電位的影響Fig.6 The effects of p-HPCD treatment on cell membrance potential of P.deceptionensis CM2
本文以P.deceptionensisCM2為目標(biāo)菌株,通過FE-SEM、熒光顯微鏡等,研究了p-HPCD殺菌技術(shù)在不同壓力、保壓時(shí)間下對P.deceptionensisCM2的殺菌效果,并對其殺菌機(jī)制進(jìn)行了初步探索。結(jié)果表明,經(jīng)p-HPCD在1.3 MPa、25 ℃條件下分別保壓2 h、4 h和6 h后,P.deceptionensisCM2活菌數(shù)分別降低了1.48 log10CFU/mL、3.11 log10CFU/mL和3.55 log10CFU/mL。p-HPCD在1.3 MPa、25 ℃條件下保壓4 h后,P.deceptionensisCM2細(xì)胞表面發(fā)生明顯的皺縮,出現(xiàn)了裂痕,胞外核酸和蛋白滲漏量升高,細(xì)胞膜通透性及細(xì)胞膜電位發(fā)生了改變,而這些都可能是p-HPCD殺滅P.deceptionensisCM2的重要機(jī)制。該結(jié)果為p-HPCD殺菌技術(shù)在食品加工、貯藏和保鮮中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在今后的研究中,可將p-HPCD與其他技術(shù)相結(jié)合,在最大限度保持食品品質(zhì)的同時(shí),縮短殺菌時(shí)間,提高殺菌效率,從而推動(dòng)p-HPCD殺菌技術(shù)在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。