二氧化氯气体在食品工业杀菌中的应用研究进展

姚昱锟，方婷 ，潘洁茹

1. 闽台特色海洋食品加工及营养健康教育部工程研究中心（福州 350002）；2. 福建农林大学食品科学学院（福州 350002）；3. 福州市疾病预防控制中心（福州 350002）

近年来，食品安全问题越来越引起人们关注。随着食品加工过程中化学品和新技术的广泛使用，伴随的食源性疾病也不断涌现。而一直以来由于病原微生物的感染而导致的食品腐败，不仅让食品行业承受了巨大损失，也极大程度上威胁了人类的身体健康与生命安全。因此，寻找一种杀菌效果好、经济环保又可以大规模广泛使用的杀菌剂对于提高食品安全性具有重要意义。在常用消毒剂的性质比较中可以看出，抗菌能力前三强的臭氧、二氧化氯水溶液和二氧化氯（ClO2）气体中，ClO2气体对环境安全，pH耐受范围广，仅微量腐蚀且成本适中，所以ClO2气体是一种理想的抗菌剂[1-2]。目前，固态或液态ClO2大多用于食品加工器皿、管道、场所等的杀菌，少量用于果蔬表面处理和水产品加工，而ClO2气体在食品杀菌的应用还处于试验阶段，用于新鲜农产品的处理，可以杀灭包括沙门氏菌、大肠杆菌O157：H7和单核细胞增生李斯特菌在内的一系列致病菌。相较于其水溶液，ClO2气体具有更强的抗菌作用。另外，ClO2气体不会与氨反应生成氯胺或三卤甲烷化合物[3-5]，具有抗菌能力强、对环境安全、pH耐受性好、成本适中的特点。

1 二氧化氯气体的性质

二氧化氯（ClO2）气体在常温下呈黄绿色或橘红色，具有刺激性气味，易溶于水，室温下溶解度是氯气的5倍，在水中以水合分子存在，不易发生水解反应[6]。稍微酸化（pH 6）的二氧化氯水溶液与二氧化氯气体相比稳定性增强。二氧化氯气体是一种选择性强的氧化剂，与氯不同，它不与有机化合物反应产生致癌的三卤甲烷（THM）。此外，它不会与氨反应形成氯胺[7]。

2 二氧化氯气体的杀菌机理

ClO2气体的杀菌机制包括细胞膜失稳[8-9]，与氨基酸的反应及蛋白质合成中断[10]，以及DNA/RNA/蛋白质的氧化作用[1,11]。早年的研究发现ClO2气体处理会使细胞形态发生变化[5]。近年来研究发现ClO2气体主要靠破坏细胞膜的稳态使膜两侧渗透压差改变：细胞膜中的含氧化合物和蛋白质与ClO2气体反应[8-9]。有研究怀疑ClO2气体会通过改变膜内脂质和蛋白质的构型来增加细胞膜的通透性[8]。ClO2气体还可通过阻碍微生物的蛋白质合成来杀死微生物[10]。部分氨基酸发生氧化还原反应使蛋白质分解，进而控制微生物蛋白质合成[12-13]。ClO2气体通过氧化酶的巯基形成二硫键类似物，从而导致酶的原始生理功能出现问题[14]。

3 二氧化氯气体的制备装置及方法

二氧化氯发生器制备ClO2气体的方法主要有电解法和化学法，电解法中广泛使用的是隔膜电解法，生成的ClO2气体浓度一般在10%～30%。化学法主要是以氯酸钠（NaClO3）和亚氯酸钠（NaClO2）为原料的两类发生方法。在氯酸钠法生产过程中，氯离子作还原剂制得的ClO2气体浓度低，而亚氯酸钠法制得的ClO2气体纯度高。此外，可用Cl2或HClO氧化NaClO2或在酸性介质中使NaClO2自身氧化还原生成ClO2。其优点是操作简便易控、制取的ClO2纯度高，缺点是反应速度慢、耗酸量大、成本较高，对设备条件要求苛刻，一般只适于实验室和小规模生产。

将其应用于食品上时，可以使用食品级酸与NaClO2溶液反应生成ClO2[12]。若产生的ClO2含有一定水分，需经过一系列处理后才可用于密闭环境的杀菌。考虑到包装内杀菌的需要，同时为了避免杀菌后的二次污染，近年来有团队设计了标签搭载杀菌剂形式的产品[15]。除了用硫酸与食品级酸作为反应物，呼吸作用产生的二氧化碳和水也可于与NaClO2反应[16]。生产中标签类的产品使用灵活，但是诸如如何避免标签转移时气体泄露等安全问题还有待进一步解决。

Nam等[17]通过将NaClO2添加到硫酸溶液的方法制备含水ClO2，再通过圆柱形气密容器收集自然产生的ClO2气体并测量其浓度（图1），然后乘以制造商推测的校正因子（0.5）得到ClO2气体的浓度。该法工艺简单，操作方便；但反应速率慢，酸量大，产生的废酸多，副产物含一定量的Cl2，需通过后期计算得出ClO2气体浓度。

图1 可收集由硫酸和亚氯酸钠的混合物产生的ClO2气体的气密容器[17]

Park等[18]使用ClO2气体发生系统制备ClO2气体，系统产生的ClO2气体被引入聚氯乙烯处理室（图2）。将样品放在处理室内的样品托盘上，并盖上塑料盖。当达到所需的ClO2浓度和相对湿度时，移开塑料盖，将待杀菌物质暴露于ClO2中。

图2 ClO2气体处理系统的示意图[18]

Saade等[15]研发出一种用于单个包装食品的抗微生物内包装标签（图3）。首先制作含有柠檬酸的乙烯乙酸乙烯酯（EVA）聚合物标签，挤压，然后用浓亚氯酸钠喷涂表面。应用前热压标签，以激活反应，再将标签粘贴到初级包装的内侧，并立即密封。之后，来自亚氯酸钠溶液和（或）包装食品中的水分会一直维持ClO2气体的生成和释放，直到所有柠檬酸和亚氯酸钠被消耗掉为止。

图3 制造用于ClO2自生包装标签的嵌入柠檬酸的合成聚合物的概念开发[15]

Zhou等[16]提出了一种新的ClO2气体生成方法：利用番茄呼吸过程中释放的二氧化碳和水分，与NaClO2反应生成ClO2。Zhou等[19]进一步开发了两种新颖的生成系统（即静电纺丝纤维和离型膜）用于实际应用。与Saade等[15]研发的标签相比，这种薄膜不需要任何激活步骤，更加方便。

之后Saade等[7]又发明了一种多层生物基包装标签（图4）。该标签由嵌入柠檬酸的果胶功能层和嵌入亚氯酸钠的明胶功能层交替组装而成，在功能层之间选择性插入明胶阻隔层。标签各层成分分别通过溶液浇铸制成，交替组装，通过给予适当的压力来触发反应。包装中新鲜产品呼吸作用产生的水分促进并维持这些标签不断产生ClO2气体。通过改变前体的量（如标签的表面积、功能层的数量和试剂的用量）或明胶阻隔层的插入数量可以控制ClO2气体产生的反应限度和速率。

图4 产生ClO2的生物基聚合物包装标签的概念开发[7]

基于氯气（在氮气中占4%）与次氯酸钠的反应，Du等[20]在CDG实验室发生器中制备浓度为160～180 mg/L的ClO2气体。在圆筒内记录相对湿度和温度，采用隔膜真空泵控制相对湿度。同时，气缸内的ClO2气体循环通过隔膜真空泵。Zhang等[21]研究了固体ClO2释放剂的制备方法。将固体ClO2片剂（10 mg）制成粉末，与990 mgβ-环糊精均匀混合，并将混合物压制成片剂（1 g），使用碘量法检测片剂中ClO2的浓度，然后立即用于试验。此方法同样灵活简便。

4 二氧化氯气体的杀菌效果

国内外多项研究表明，ClO2气体处理对果蔬、干果、香料等食品杀菌效果良好。对于同种病原菌，不同研究团队有不同的规律性发现，可能的原因是：内部因素如胡萝卜是否削皮，番茄品种不一；外部因素，如温度高能加速气体循环，湿度高有利于ClO2气体与水结合。综合看来，在温度一定的条件下，ClO2浓度越高，处理时间越长，微生物减少量越多，而不同微生物有不同的表现。

4.1 二氧化氯气体对食品上细菌的杀菌效果

在诸多致病菌中，科学家们对于单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、沙门氏菌（Salmonella enterica）与大肠杆菌（Escherichia coli）的研究较为集中。Du等[20]在苹果表面接种单核细胞增生李斯特菌，用4.0 mg/L的ClO2气体处理一段时间后，细菌减少了5.5±1.0 log10CFU（10 min），3.9±0.0至6.5±0.1 log10CFU（30 min）。Bridges等[22]研究了低浓度长时间ClO2气体处理对志贺毒素大肠杆菌（STEC）、肠炎沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌在小胡萝卜、矮灌木蓝莓和牛排番茄上的有效性。在小胡萝卜试验组中，STEC在3种细菌中最为敏感，将较低ClO2浓度（0.03 mg ClO2/g或0.04 mg ClO2/g）用于处理小胡萝卜的STEC即可。矮灌木蓝莓试验组的STEC同样对ClO2气体最敏感，但与其他两种样品相比，ClO2气体处理对于蓝莓的杀菌效果不是很有效。在牛排番茄试验组中，用0.07和0.15 mg ClO2/g番茄的ClO2气体处理5.0 h后，这3种细菌的检出限均降低至检测线以下（＜1 log10CFU/g）。对于沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌，在低浓度长时间处理条件下，按试验浓度梯度增加ClO2剂量或处理时间不会导致细菌减少量有显著变化（p＜0.05）。而Trinetta等[23]研究了高浓度短时间ClO2气体处理对罗马番茄上接种的沙门氏菌的杀菌情况，结果发现ClO2浓度和处理时间对于沙门氏菌的灭活效果有极显著影响（p＜0.01）。这两个团队研究结果不同，可能是因为实验条件的差异。Park等[24]发现ClO2气体和适度的湿热（100% RH，55 ℃）对于鸡蛋壳上粪便中的肠炎沙门氏菌存在协同致死作用。Wang等[25]研究发现低水平（＞1 mg/L）的ClO2气体足以灭活葡萄番茄茎疤区域的大部分沙门氏菌。

Park等[26]将大肠杆菌O157：H7、鼠伤寒沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌3种病原菌混合接种于菠菜和番茄上，重点研究了温度对杀菌效果的影响。研究表明，温度控制可以替代高浓度ClO2气体的使用，避免高浓度ClO2可能导致的食品质量的改变，加工表面的腐蚀加速或安全问题。

除了以上3种致病菌，ClO2气体还可用于铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的杀菌。Oforia等[27]研究了ClO2气体浓度、pH和温度对水中这两种细菌的影响，结果发现在推荐用于饮用水的最大剂量（1.5 mg/L）处理过后，仍然存在大量细菌。在较高pH的室温条件下，用高浓度ClO2气体作为消毒剂更为有效，其消毒速率受细菌初始密度的影响较小。

综上所述，低浓度长时间处理的实验效果可以由高浓度短时间处理达到。在一定条件下，控制温度可以代替高浓度ClO2气体达到的杀菌效果，从而减少ClO2残留带来的危害。

4.2 二氧化氯气体对食品上真菌的杀菌效果

Zhang 等[21]将感染扩展青霉（Penicillium expansum）的苹果在25 ℃条件下用质量浓度为50，100，150和200 mg/L的ClO2处理。结果表明：5 d后，与对照组（p＜0.05）相比，处理过的果实病变直径显著减小且浓度越大效果越明显。Fu等[28]将感染灰霉病的青椒和冬枣用质量浓度为50，100和150 μmol/L 的ClO2处理，结果表明ClO2气体对灰霉病杀菌效果与气体浓度呈正相关。郭凯旋等[29]对比研究了枯草芽孢杆菌和黄曲霉菌对ClO2气体的耐受性差异。结果表明：低浓度ClO2气体对黄曲霉菌的杀菌效果比对枯草芽孢杆菌的更好；杀菌浓度和杀菌时间对杀菌效果的影响存在一定的交互作用。马骏等[30]以苦荞、甜荞为黄曲霉菌载体做了进一步研究，结果发现影响杀菌率的主导因素在某个杀菌浓度两侧不同。当霉菌载体为甜荞时，采用8.5 mg/L ClO2作用于其表面30 min，杀菌率达到98.4%；当霉菌载体为苦荞时，采用4.5 mg/L ClO2作用于其表面10 min，杀菌率达到99.9%。接种于苦荞上的黄曲霉菌较甜荞上的黄曲霉菌更易被杀灭，可能是因为苦荞种子颗粒较小，与杀菌剂ClO2气体的接触面积较大。

综上，影响ClO2气体对真菌杀菌率的因素主要为杀菌浓度与杀菌时间。但是，ClO2气体对细菌与真菌杀菌效果的对比研究，以及其他因素例如温度、湿度等对杀菌效果的影响研究较少。

5 结语与展望

ClO2气体杀菌技术是近年来的研究热点，作为一种新型杀菌技术，由于其杀菌效果好、安全性高，在我国逐渐得到发展。ClO2气体杀菌不仅能保证食品的安全性，而且能避免由ClO2水溶液处理带来有毒副产物的影响。因此，ClO2气体在食品杀菌方面具有较为广阔的应用前景。

然而，想要大规模推广ClO2气体杀菌技术，首先要解决ClO2气体发生装置的生产与创新设计，同时尝试结合其他灭菌技术（如辐射、超声、二氧化碳、超高压、过热蒸汽干燥等）进行复合灭菌，进而克服单一灭菌技术的缺陷。此外，相关部门需要进一步完善ClO2气体生产、运输、贮存与应用规范，保障生产过程中生命安全与财产安全。尽管ClO2气体杀菌技术不能完全取代传统的处理方法，但作为一种补充或辅助手段进行开发，其应用前景必将广阔。