超声波技术是如何高效解决食品中的细菌

超声波技术是一种新兴的食品加工技术，已经被广泛应用于食品加工领域。

而在食品处理过程中，细菌孢子是一种常见的污染源。如今超声波技术已经被证明是一种有效的消除细菌孢子的方法。

超声波是一种高频机械波，其频率往往在20kHz到MHz之间。它可以在物质中通过传递，来产生压缩和稀释的效果，使细胞结构发生变化，并破坏其中的分子键。这种破坏作用通常会导致微生物的死亡或失活。

一般来说，消灭孢子的过程，通常称为“超声波杀菌”。目前该技术已广泛应用于牛奶、果汁、沙拉酱等食品的生产中。

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超声波分为高频和低频，一般情况下，高频超声波主要用于食品的质量评估，以及对食品物理的化学特性进行分析。

根据一项研究表明，超声波技术可以对杏仁奶中的大肠杆菌O:H7和单核细胞增生李斯特菌等食源性病原体，造成致死和损伤。

于是，为了验证超声波技术除菌的真实性，研究人员又给黑胡椒粒和木薯淀粉，接种了枯草芽孢杆菌营养细胞，并对实验对象进行了除菌研究。

结果显示，经过30分钟处理后，营养细胞计数降低了2.19个对数CFU/g。

不过，值得注意的是，如果仅使用超声波处理，是不能显著降低孢子的数量的。

也就是说，只有将超声波与其他技术进行结合，才能有助于提高微生物的灭活效果，如超声波与热处理（即热超声）和压力（即手套超声）的结合。

然而，在灭活无花果汁中的枯草芽孢杆菌时，研究人员通过流式细胞仪分析发现发现，超声波与热处理联合使用，会破坏细胞膜完整性，使酯酶活性失活，并破坏核酸。

由此可以看出，热超声波法会损伤枯草芽孢杆菌孢子的内膜蛋白，导致质膜通透性，改变细胞内物质泄漏和孢子形成。

但是，当与氢氧化钠和过氧化氢相结合时，研究人员却发现可以达到协同的杀孢效果。

这些研究表明，超声波与其他保鲜技术相结合，可以促进营养细胞和孢子的微生物灭活。表中展示了超声波技术，在食品加工中与其他方法联合使用的广泛应用。

于是，为了增强超声波技术在食品加工和保鲜中的功效，研究人员将此技术与其他技术进行了联合使用。

这其中，超声波与表面活性剂（0.03-0.3%）联合，对生菜和胡萝卜上的蜡样芽孢杆菌（、ATCC和W-1）孢子起到了抑制效果。

结果显示，当仅使用超声波处理时，生菜和胡萝卜上的除菌效果达到了小于0.7log。

但当超声波和表面活性剂联合时，研究人员根据亲水-疏水平衡（HLB）的不同，可以使杀菌效果大大提高，其细菌数量分别减少了2.49和2.22logCFU/g，最关键的是，品质没有受到破坏。

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通常来讲，孢子与营养细胞相比，结构更加复杂，其保护层是由孢子的外壳、皮层和内膜组成，具有较强的保护能力，可以抵抗像热、辐射和化学这样的不良条件。

而通过使用超声波技术，研究人员可以分离、并破坏孢子的多层保护性表面，以及降解蛋白质含量和去激酶活性，从而达到孢子的灭活。

尽管超声波技术与其他技术联合使用，可以灭活腐败和食源性病原微生物，但这个灭活机制仍然存在争议，人们普遍认为声波产生的空化、压力和摩擦，会影响人类的身体健康。

然而，超声波是一种机械波，它的频率通常高于20kHz，即超出人类听力范围。虽然超声波的频率很高，但是它们的能量很小，因此通常被认为是安全的。

除非是长时间接触超声波，或者是高频超声波，才可能对人类身体造成负面影响。例如，某些实验室工作者和医生经常使用超声波仪器，或长时间处于高强度超声波环境中，才可能会对听力产生损伤。

所以根据目前的研究结果，正常情况下，普通人短时间接触低频的超声波，并不会对人体健康造成实质性的影响。

接下来言归正传，在超声处理期间，会生成两类声学腔化。一种是稳态空化，另一种是瞬态空化。

稳态空化是由气泡在几个声周期内的定期振荡引起的；而瞬态空化是由不规则振荡引起的，会导致温度和压力的快速交替。稳态和瞬态空化都能通过细胞损伤和微流动，来促进微生物细胞的灭活。

而由空化产生的冲击波，可以破坏微生物孢子的外壳、细胞壁和内膜，从而导致核心或核材料的释放，破坏其结构的完整性。

当应用于大量或表面的材料时，波通过材料以特定的速度传播，形成粒子的交替压缩和扩张循环。这些循环产生一个负压力，克服了介质之间的分子力，导致形成小型充气气泡或空穴，如图所示。

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声学空化通过物理/机械效应、热效应和化学效应，可以在处理过程中，达到超声空化对微生物灭活的机制。瞬态空化会导致微小喷流、局部热点和自由基分子的生成。

至于稳态空化，则会产生的剪切力，通过微流动引起微生物细胞和酶的压力。

随着介质的膨胀和压缩的交替循环，空穴的收缩、扩张和崩塌，形成了超声波的主要抗菌机制。根据超声波频率的不同，正负压力的交替产生的膨胀或压缩，会导致细胞壁破裂和细胞溶解。

在这个过程中，分子之间平均距离的变化和压力的下降，会导致气泡或蒸汽的形成，当它们转移到高压区域时，会积聚并最终崩溃，导致压力达到0大气压和80°C的高温。

因此，空化会导致细胞壁严重损坏，侵蚀细胞表面，导致微生物灭活。

除了这些，空化过程中还会将水分子分解为自由基（H+和OH-），这些自由基介导着DNA损伤、酶活性破坏、脂质体损伤，以及细胞结构和功能成分的破坏。

研究证明，该技术可在不影响食品质量的情况下，从食品表面剥离出微生物孢子。

当温度达到25℃时，研究人员在1分钟内使用频率20kHz、功率W的超声波，会将蜡样芽孢杆菌孢子的外壳松动，以及降低孢子的亲水性，可以把微生物从.67纳米的大小，减小到.53纳米。

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超声处理对微生物的灭活效果，不仅限于破坏普通微生物细胞，还可对食源性细菌孢子产生负面影响，包括芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌等细菌孢子。

将超声技术与其他技术相结合，或作为辅助保藏处理，可增强细胞的分散，并使食源性腐败和致病微生物的抗性孢子失活。

当与热处理技术结合使用时，除了可以增强产气荚膜梭菌，在牛肉浆中的热灭活外，该技术还可以提高橙汁中嗜酸耐热菌孢子的失活效果。

同时，超声波与聚山梨醇酯—20的结合处理，还能有效地降低生菜和胡萝卜上的蜡样芽孢杆菌孢子。

可即便如此，当前有关超声灭活孢子的机制，仍有地方不够清楚。

然而，一些报告却表明，超声处理的杀孢效果，明显受到一系列机制的介导，最初是孢子外壳的脱落，然后是内核的水合和皮层的降解，随后是孢子的细胞内结构损坏、包裹物破坏和皮层受损。

据聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）结果显示，超声处理后蛋白条带的强度有所降低。研究还观察到，超声可以剥离外壳层，并降低孢子的亲水性。

除了这些，可视化图像分析表明，热超声作用于枯草杆菌孢子的多个部位，包括外皮、皮层和内膜。

研究发现，失活孢子一般会表现出核心蛋白质的丧失，以及改变质膜的通透性。这种对孢子内膜蛋白质或内膜的损伤，会导致细胞内物质的泄漏和最终死亡。

但值得注意的是，在经过热超声处理的孢子中，却没有引起DNA损伤，反而导致了α/β型的小酸溶性芽孢蛋白等重要蛋白质和酶的降解。

当使用SYTO9绿色荧光核酸染色剂和丙碘化物（PI），对经过酸性电解水和超声处理组合进行处理时，蜡样芽孢杆菌孢子的皮层会出现水解，而外壳层会出现剥离的现象，并且，该操作还能破坏孢子结构。

图中是在透射电子显微镜（TEM）下，大肠杆菌细胞经过超声处理和未处理的图像。

明显可以看出，未经处理的细胞具有完整的壁和膜，而超声处理的细胞，经历了细胞壁和膜的破裂，细胞物质的释放和细胞结构的破坏。

这种壁、膜和结构的断裂，可以归因于超声技术中的声波和空化效应的影响。结果证明并确认了超声处理期间，蔬菜细胞和孢子的失活机制。

孢子形成的微生物和细菌，会附着在食品表面上，从而缩短食品的保质期，并引起食品安全问题。

不过，要注意的是，热处理方法是会导致食品的蛋白质变性，以及风味恶化等影响。

可如果将此方法换成超声波技术，那么便可以解决这些问题。如今，通过研究证明，超声波技术已经可以有效地剥离附着在食品表面的细菌，以及孢子形成的微生物，同时超声波技术还不会影响食品的质量。

尽管，有报道称该技术对高度耐性的孢子只具有少量效果。但超声波处理产生的冲击波，如声波、空化、压力和摩擦，在处理过程中明显可以看出，能达到破坏细菌的效果，如芽孢杆菌和酵母菌，以及其他孢子形成微生物的细胞壁、细胞结构和功能材料。

换句话说，在没有异物接触到食品的情况下，只要将超声波的频率范围控制到~50kHz到10MHz内，那么该技术便可以使细菌及其孢子，如苏云金杆菌的灭活率达到99.9%。

此外，该技术也已证明，在85W/cm功率和35°C温度的情况下，超声波是拥有灭活牛奶中，大肠杆菌和李斯特菌的能力。

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由此可以看出，超声波技术在食品加工和工业中的应用，为一些食品企业，提供了一种新颖的解决方案。

与其他非热处理相比，超声波处理是一项相对便宜的技术。未来，超声波技术的应用，将探索与其他非热处理技术的融合，以此获得更加增强和有效的结果。

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