J. Future Foods | 电磁辐射灭活微生物孢子的机制研究进展

2024-01-13 20:27:17

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Abstract

孢子是营养细胞在不利条件下由孢子形成的生物结构。它们对许多极端环境和条件具有耐受性，能够在食品工业中产生食品和健康安全问题的关键加工步骤中逃脱并存活下来，这一点从由孢子形成物引起的食源性疫情报告的增加中可以明显看出。电磁辐射（EM）在食品工业中用于快速净化和灭菌目的。许多研究报告说，由于电磁辐射对孢子的基因组物质和其他成分的影响，使孢子的整体结构不稳定，并导致克隆性死亡，因此在电磁辐射照射下孢子数量大幅减少。然而，关于其失活机制和对这种损伤的抗性，文献很少。本文试图通过对科学结果和报道的集体研究，简明地评价电磁辐射在孢子失活中的潜力，并详细介绍其机制。它还简要介绍了孢子形成的过程，孢子的结构及其组分在孢子抗损伤中的作用。许多研究表明，结合各种EM处理可能是使孢子失活的有效途径，并进行了详细的讨论。

Introduction

微生物无处不在，在不同的自然环境中繁衍，并能以孢子的形式在极端条件下茁壮成长。它在遇到恶劣不利的环境条件时，通过产孢形成休眠结构。众所周知，这些孢子没有任何可检测到的新陈代谢。需要注意的是，并不是所有的微生物都能产生孢子，而且这是特定于某些微生物的。革兰氏阳性菌产生胞内孢子，称为内生孢子，具有高度的可收缩性，并具有厚壁膜。这些内生孢子可以抵抗乙醇、150 ℃左右的高温、极端pH条件、紫外线辐射和其他有害外部因素的失活。

厚壁菌门的许多革兰氏阳性细菌进化成为人类的病原体。这包括已知导致各种食源性暴发的芽孢杆菌、水蛭杆菌和梭状芽孢杆菌菌株。这些微生物是食品生产过程中常见的污染物，如果在关键的加工条件下逃逸，对消费者来说可能是致命的。食品中存在食源性病原体孢子是一个严重的问题，需要极其谨慎和认真地处理，以建立一个防泄漏的食品安全系统。食品加工和净化的创新技术；如使用分子筛或沸石，应进化，为病原体的孢子带来必要的杀伤力。

电磁辐射是以正弦波的形式传播的能量，其中包含电场和磁场。由于其在食品加工业中的应用潜力，近年来对其进行了越来越多的研究。用于干燥、去污、巴氏杀菌、灭菌等。本文简要介绍了通过电磁辐射使孢子失活的机制，这可能有助于食品工业制定有效的加工流程，以防止未来任何食源性疾病的爆发

微生物孢子

微生物的孢子是由营养细胞通过8步的产孢周期形成的（图1）。正常的营养细胞在第0阶段，当遇到不利条件时，开始经历一个产孢周期，其标志是开始不对称的细胞分裂，分为两部分，较小的是孢子前，这是第I/II阶段。第三阶段是形成一个新的独特的细胞，前孢子通过吞噬母细胞的前孢子。接下来的两个阶段，即第四阶段和第五阶段，导致孢子皮层和被毛的形成，同时产生某些化合物，如二吡啶酸（DPA）。下一步，第六和第七阶段是成熟阶段，在此阶段分子和核酸发生冷凝，并导致形成高度抗性的孢子（第八阶段），孢子作为保护休眠微生物免受各种外部损害的屏障，并保护它直到有利条件到来。细菌孢子的结构不同于营养细胞，因为孢子中存在高度浓缩的核酸（DNA、RNA）和核糖体以及其他酶和蛋白质。

图1 孢子形成周期的不同阶段

微生物孢子的结构

孢子对环境条件的抗性取决于其结构的形态和化学成分。它与营养细胞有很大不同，由外孢子、孢子被、皮层和由含有高浓度二吡啶酸钙的脱水细胞质组成的内核组成（图2）。它们的组成和浓度因不同种类的微生物孢子而异，这是它们对不同环境胁迫的抗性变化的原因。

图2 孢子的结构

孢子抵抗DNA损伤的能力

在产孢过程中形成的微生物休眠孢子帮助微生物在不利条件下存活数年。这些孢子不表现出任何可检测的代谢反应，并能在干热、湿热、微波、紫外线、γ辐射等各种外部破坏因素中存活下来，但无论孢子外壳和其他膜化合物为孢子提供了多远的屏障和抗性，其存活关键取决于DNA免受外部因素损害的保护。孢子防止DNA的两种内在机制是对外部因子的防御或保护以及各种修复机制。防御机制是必需的，因为DNA修复机制可能是诱变的，并且可能导致与野生基因不同的变异。DNA存在于孢子核中，与营养细胞相比，孢子核的水活性和pH值较低。据报道，它的pH值约为6.5，比营养细胞的pH值低一个单位。DNA与各种α/β型SASP和DPA一起存在于孢子核心，其含量占孢子总重量的20%，与钙离子（Ca²⁺）螯合存在，对干湿热损伤具有巨大的抵抗能力。

除了防御机制的存在外，DNA修复机制是使因任何因素而受损的孢子恢复活力的重要机制。它们在孢子萌发时起作用，或由于某些孢子的生长而起作用。细菌细胞内的SOS机制控制着DNA修复基因的表达，RecA是通过紫外线、γ辐射等多种处理产生的核酸损伤或病变发生的初始传感器。DNA的损伤是在萌芽阶段检测到的在萌芽阶段，DNA单链在另一条DNA受损的地方出现。RecA基因的激活导致DinR蛋白的自体消化，该蛋白作为许多修复基因的抑制因子，包括uvrC、RecA和DinR。因此，修复基因的表达链被启动，并在损伤被修复时停止。在修复过程中有可能发生突变，但由于这方面的研究较少，缺乏涉及修复酶活性的确切机制和修复基因表达的细节，因此，这是该领域未来的研究范围。

DPA作为DNA损伤的屏障，在紫外线照射下产生各种损伤DNA的光产物和光敏剂。SASP也存在于孢子核中（浓度为总核心蛋白的5%～10%），并与DNA结合，提供抗自由基和活性氧（ROS）的保护。它包含约79～595个氨基酸，在不同的物种和菌株之间表现出更大的序列差异。

电磁辐射

EMR是以光速穿过正弦变化的磁场和电场的光子能量。它由一系列电离波和非电离波组成。电离波，如γ射线、x射线等，是由频率高于2.5×10⁹ MHz的波组成的能够破坏化学键的波;而非电离波，如紫外线、可见光、微波、红外和无线电波等，是由低频电磁波组成的，不能破坏化学键。这些波用于食品加工中的各种应用，包括快速干燥，剥皮，淀粉糊化，巴氏杀菌，灭菌等。由于加工时间短，它们广泛用于食品工业，尽管它们的用途也扩展到其他领域，如医疗和制药工业的净化和灭菌。

在过去的几年里，人们对电子病历在确保食品安全和质量方面的潜在用途进行了广泛的研究。基于EMR的灭菌和巴氏灭菌技术是行业中发展最快的技术。它们越来越多地被用于消灭寄生虫、昆虫和减少食源性微生物，如细菌、酵母、病毒等。虽然在开发工业工艺之前需要预先评估一些关于处理不均匀性的问题，生物活性化合物的降解，物理化学性质的变化等，以防止它在大规模加工中成为劣势。

电离辐射

电离辐射是从原子或亚原子粒子释放的电磁能量的形式，足以电离食物大分子和核酸。这些辐射将束缚电子从分子结构中移除，使原子处于电离状态。在食品工业中，电离辐射仅限于⁶⁰Co和¹³⁷Cs放射性核素产生的高能光子射线；能量高达5 MeV的x射线；能量最高达10 MeV的电子，来自机器源。最近，美国食品和药物管理局允许使用能量高达7.5 MeV的x射线，这些x射线是由使用钽和金作为目标材料的机器源产生的。γ射线被用于处理散装食品，因为它们的穿透速度比电子束快，后来被普遍用于表面处理。γ射线是由原子核产生的，而x射线是由核外电子产生的。x射线是由高能电子轰击致密物质而产生的，从而作为连续光谱逐渐消失。这些射线使我们能够在没有放射性物质的情况下处理食物，并且有可能穿过厚的材料；厚度约为30～40 cm。10 kGy能量的剂量就足以对食品进行微生物去污。辐照处理不会引起温度升高，因此可用于易受热的食物。它用于食品工业的各种应用，包括去污，巴氏杀菌，消毒，毒素的破坏和降解。

通过食物的辐射处理，营养细胞和孢子的失活机制有很大的区别（表1和图3）。众所周知，孢子对辐射和热具有很强的抵抗力，然而，这种传统的假设在某些情况下失败了，比如存在某些特殊的修复机制，比如在耐辐射菌中，或者在涉及冷冻和脱水的食品加工中，这些机制提供了很大程度的保护，因为在这些条件下细胞水变得固定和不可用，这使得它们变得比孢子更耐热。影响其抗辐射和耐热性的关键参数是其含水量、染色体DNA的大小、遗传物质与核酸酶和修复酶的关联以及基因组物质的多样性。孢子虽然是缩合、脱水和高度矿化的休眠结构，但仍含有一些活性大分子和活性酶反应，产生高活性自由基，使孢子成分降解。电离辐射通过产生自由基和高活性氧直接或间接地传递能量，破坏孢子内的基因组物质。从辐射中转移的高能量，导致在集群和细胞DNA中形成单链和双链断裂。高线性能量传递辐射（表示波传播时传递给材料的能量）的存在表明，孢子层的密集电离对DNA和孢子的其他成分造成了广泛的损害。孢子的DNA与螯合钙DPA（约占孢子干重的25%）和SSAP一起以簇状形式存在于孢子核中，SSAP与孢子DNA结合，保护孢子免受自由基和其他活性物质的侵害。还原酶、突变酶和过氧化氢酶等能够破坏活性氧的酶的存在是另一种保护水平，这些酶虽然由于孢子皮层含水量低而处于无活性状态，但当孢子进入萌发期或皮层水化时，这些酶就变得活跃起来。辐射处理过程中对孢子DNA造成的损伤可在萌发过程中通过核苷酸或切除修复、错配修复、非同源末端连接、重组介导修复、翻译修复等机制恢复或修复。这与孢子中更强、更快的修复机制的存在，导致孢子更容易从损伤中恢复，降低孢子克隆性死亡的可能性有关。在一项评价孢子抗性决定因素的研究中，发现孢子中α-或β型SASP的存在比高核心脱水或DPA的孢子表现出更强的抗性，也有报道称γ-SASP的存在不影响孢子对离子辐射的抗性，因为它们不与DNA或RNA结合，因此不发挥保护作用。在一些化学试剂的帮助下，将这些酸溶性蛋白质的形式从α型或β型改变为γ型，可能有助于降低孢子的抗性。已经观察到部分受损的孢子可以通过各种修复机制进行修复，但这种修复只发生在孢子从休眠状态回到植物状态。在辐射处理过程中造成的DNA双链断裂在孢子开始萌发时修复速度要快得多，因此这些修复应该受到孢子破坏的阻碍。一些研究虽然报道了高SASP含量可以保护孢子免受氧化剂的侵害，但对其抗辐射能力的影响很小，但他们将孢子的失活归因于样品辐照后发生的间接反应产生的自由基。

表1 不同电磁辐射对细菌孢子灭活的作用机制

图3 不同电磁波处理孢子失活的机理

众所周知，表面干燥的孢子比水悬浮液对紫外线、微波等多种处理的抗性更强，但由于γ辐射的优势，两种处理的失活率相似，这表明处理是独立的，不受它们的影响。本研究也验证了孢子含水量在其抗性中起重要作用的假设，有报道称孢子含水量对孢子对辐射的抗性没有显著影响。有人认为，由于光子能量的吸收，孢子成分的直接电离导致了活性化学物质的产生，这可能是导致孢子失活的原因。在一项对芽孢杆菌孢子在干燥介质中的d值进行测定的研究中，发现预测剂量的结果差异较大，范围在36～44 kGy之间，推测这种差异可能是由于孢子的性质不同而产生的，而孢子的性质不同可能是由于孢子悬浮液制备的不同而导致孢子成分的差异。采用12D热处理法杀灭肉毒梭菌孢子的基本原理，并报道40.2 kGy的剂量可杀灭孢子。在另一篇报道中，发现α或β型SASP对芽孢的抗辐射能力并没有太大的影响，而DNA修复机制是芽孢抗辐射损伤的主要原因，但关于不同的抗辐射修复机制的效率，性质和准确性还没有太多的研究，因为这方面的研究不多。为了评估α或β型SASP的存在对孢子对电离辐射的抗性的影响，进行了一项研究，研究了两种不同类型的枯草芽孢杆菌孢子：一种是野生的，另一种是α-β-孢子（两者都缺乏α或β型SASP），结果发现孢子对干燥的抗性相似，不受这些SASP的影响。也有报道称，在孢子中，蛋白质对产生氧自由基的处理的保护是由于高水平的DPA与二价金属离子结合而发生的，最突出的是Ca²⁺。

电离辐射引起不同类型的DNA损伤，包括遗传物质的电离和激发、单链断裂（SSBs）、双链断裂（DSBs）、DNA蛋白交联、染色体畸变、突变、核酸和核苷酸不可修复的损伤、腺嘌呤或胸腺嘧啶损伤等。这些损害的程度取决于所给予的辐射剂量和治疗时间。其中一些，如电离和激发，即使在1 kGy量级的低剂量下也会发生，并且是可逆和可修复的，但用较高剂量治疗造成的损害会对DNA造成不可修复的损害，从而损害细胞生长并导致克隆性死亡。辐射对孢子造成的损害可以借助辐射跟踪来研究，这将详细说明辐射对孢子造成的损害的程度和类型。

电离辐射会引起个体和集群的DNA损伤。后者很难修复，是对孢子造成永久性损伤的主要原因，它们包括氧化的嘌呤，嘧啶，以及DNA在几次螺旋旋转后经常断裂的链。在一项评估电离辐射引起的损伤或聚集性DNA损伤程度的研究中，据报道，氧化碱基或碱性位点团簇占复杂损伤的80%，其余20%约为双链断裂。类似的簇链损伤在很多研究中都有报道，但高能低线性能转移质子的相对频率要高于电离质子。

非电离辐射

微波

微波是频率为300 MHz～300 GHz，波长为1 mm～1 m的电磁波。它越来越多地用于食品加工的各种操作，如干燥、焯水、去污、解毒、消毒、巴氏杀菌、灭菌、烘烤、糊化、加热等。这些波交替包含电场和磁场，这些电场和磁场对带电粒子施加力，使它们在电场方向上旋转，这导致分子极化，这种现象被称为介电极化。分子中的这种极化可能是由于分子的化学结构或电荷色散所固有的，称为取向极化；另一种可能是由于分子中带电原子核的不对称畸变而引起的外场畸变极化。

在磁场的作用下，这些极性分子试图在磁场的方向上对齐，而磁场又回到了它们的随机方向，这时磁场就会衰减回来。这导致储存在波中的能量被转移到这些极性分子中，这些极性分子以产品加热的形式反射。与上述微波与带电分子相互作用类似的另一种现象是离子相互作用，离子相互作用是由于离子的相对位移引起的，离子在场中移动到极性相反的场中，从而导致数百万个分子之间发生碰撞，从而产生摩擦热。材料的介电特性和几何形状对微波加热食品的效率和效果起着重要的决定作用。食品的快速加热使微波成为食品加工者的突出选择之一。许多研究已经表明微波在去除食品污染方面的有效性。

微波在短时间内对产物进行体积加热，对孢子的灭活很有用。然而，研究表明，与细菌噬菌体或抗性营养细菌相比，孢子对微波的抵抗力要强得多，后者由于温度过高而干扰微生物的正常代谢活动，最终导致细菌细胞的热分解而失活。对于杀孢灭活的确切机制，科学界存在分歧，研究表明，孢子成分的作用和微生物DNA的分解是微生物死亡的主要原因（表1和图3）。研究表明，在处理后的电镜下，孢子结构的分解及其组分的变化；这有时反映了微波中孢子失活的总体机制与传统加热（高压灭菌或煮沸）不同。一项利用微波灭活地衣芽孢杆菌孢子的研究发现，由于微生物在微波中受到损伤，蛋白质和DNA大量释放，该研究也证实了悬浮液中存在孢子蛋白，表明孢子外壳破裂。孢子包含两个不同的层，最外面是电子密集的外层，最里面是电子半透明层。外层含有与漆酶相互作用的CotA，因此其活性与孢子数直接相关。有研究报道其活性在1 min后丧失，而在相同时间的煮沸过程中没有丧失活性，这说明蛋白质外壳变性导致了孢子的破裂，处理前后孢子的透射电镜图像也证实了这一点。在类似的研究中，也报道了微波照射后的核酸释放和皮层损失，并提出2.0 kW的微波照射能够对孢子造成损伤，他们还提到传统加热即使长时间也没有观察到对孢子皮层的类似损伤，并认为离子相互作用和介质极化是观察到这种损伤的原因。在另一项测定微波对枯草芽孢杆菌孢子影响的研究中，有报道称，常规加热使孢子皮层变宽，而微波加热对孢子皮层无影响。他们报道了细胞外DPA的释放，在常规加热中很明显，在微波辐射中几乎检测不到。此外，据报道，在含有DPA的溶液中，用孢子在微波中照射，浓度降低，这表明孢子成分和DPA之间形成复合体。在一项用微波辐照灭活艰难梭菌孢子的研究中，发现800 W的微波处理60 s可以使孢子完全灭活，而这是用相同温度的导电加热所不能达到的。他们报道了微波处理后孢子复合体的破坏以及细胞质蛋白质的积累。人们还注意到，同一种微生物的不同菌株对处理表现出不同的抗性，这可能与其孢子结构的差异有关。基于超微结构分析，本研究将孢子被破坏的原因归结为在核心处产生内压，引起鼓泡、蛋白质积累、内膜扩散等一系列连锁反应，导致孢子被水解。对微波处理后的孢子进行透射电子显微镜和超微显微镜分析后发现，由于核蛋白凝结，孢子的活力降低，在核心处形成了一个黑斑。孢子复合体的破坏不仅取决于微波功率，也可能与微波的穿透能力有关，当使用915 MHz的功率发生器时，微波的穿透能力比使用2450 MHz的功率发生器时更高。总之，我们可以说，通过微波加热孢子的效果与传统加热完全不同，传统加热在微波中观察到孢子复合体的破碎，外壳蛋白的冷凝和水解。在常规加热中没有记录到这种变化，这表明不仅仅是热量影响孢子结构，在微波灭活过程中还发生了不止一种现象，需要进一步研究和实验验证。

红外辐射

红外是一种电磁辐射，通过辐射将热量或热能传递给产品，它们也被称为热波或热波。它落在可见光和微波附近的光谱中。红外波长范围为0.78～1000 μm，可分为近红外（NIR）、中红外（中红外）和远红外（远红外）3个亚光谱，分别对应于波长0.78～1.4、1.4～3和3～1000 μm。红外是由分子机械振动和分子聚集体的旋转运动产生的辐射波。它们可以引起食物中元素和分子的振动、旋转和电子状态的变化。虽然肉眼看不见，但由于食品中的大多数生化化合物、聚合物和大分子吸收辐射红外能量，它们在食品加工工业中发挥着重要作用，如干燥、去皮、糊化、烘烤、解毒或去污等。已知蛋白质、氨基酸和多肽在红外光谱中表现出强吸收现象，两个强吸收波段为3～4 μm和6～9 μm。

在12.6和15.4 GW/m²的红外波照射下，枯草芽孢杆菌孢子发生了不可逆的损伤，从实验结果来看，在14～15 GW/m²的红外波照射下，孢子全部失活或100%不萌发，在10 GW/m²以下的红外波照射下，孢子萌发率约为10%，可以认为不显著。还注意到，最有效的失活波长是700 nm，偏离它会导致失活效果迅速下降，正如750～800 nm之间的波长所示。研究假设近红外波带来的四种潜在损伤，即等离子体的形成、温度的升高、热弹性应力和多光子能量的吸收。认为血浆是孢子致死的主要原因。热弹性应力发生时，压力突然上升，温度增加的体积，因为使用高频辐照不允许声松弛。已知这些应力的发展可以有效地分解球形芽孢杆菌孢子，功率峰值为105 TW/m²。在本研究中，利用一个紫外光子对应的能量等效解释了多光子能量吸收的第四个现象，即由于光的能量与频率成正比，与波长成反比，因此2或3次近红外传递给产物的累积能量相当于紫外范围内的单个光子，对DNA带来类似的变化和损伤，如交联、链断裂、形成涉及SASP的光产物。据报道，孢子的外壳和被膜对近红外射线的抗性不如对紫外线的抗性，对近红外射线的抗性只存在于孢子的原生质中，因此孢子核的氧化和水解在孢子的失活中起着关键作用。存在于孢子核心的DPA在近红外射线照射下具有抗灭活能力，缺乏DPA的孢子和营养细胞的灭活率异常接近。在另一项对枯草芽孢杆菌孢子的研究中，导致最大d值的a_w值随着波长的缩短而增加，发现a_w值为0.9、0.7和0.6的孢子对红外加热的抵抗力分别在950、1100和1150 nm处最强。另一项研究也得到了类似的结果，蜡样芽孢杆菌孢子总体减少了4.5 log。

紫外线辐射

紫外线是一种电磁波，其非电离光谱范围100～400 nm不等。它介于x射线和微波之间。可进一步分为短波UV-c、中波UV-b和长波UV-a 3个子段，波长范围分别为200～280、280～320和320～400 nm。在这三个亚光谱中，UV-c对大多数微生物（如细菌、真菌、病毒、原生动物真菌等）的杀伤力最大，在254 nm波长处对微生物的杀伤力最大，而在320 nm波长处对微生物的杀伤力最小，只有峰值杀伤力的0.4%。据报道，0.5～20 J/m²的剂量会导致DNA损伤，即嘧啶二聚体及其产物的形成、DNA损伤和蛋白质交联，从而导致微生物的结肠性死亡。长紫外线和中紫外线能够进行氧化，导致膜损伤，氧依赖反应导致各种光敏产物，导致细胞成分损伤，阻碍细胞生命周期。

从DPA吸收UV-c辐射和形成各种光产物（DPA）的能力可以理解其失活机理。DPA存在于孢子的核心，已知在保护孢子免受外界因素影响方面发挥重要作用，但DPA通过形成光产物和光敏剂来增强DNA损伤（表1和图3）。研究发现254 nm的短波紫外线对孢子更有效。UV-c暴露还会导致活性氧的产生，并使孢子的质膜、孢子壳和核心中的DNA等成分降解。为研究DPA对枯草芽孢杆菌孢子失活的作用机制和作用，选择枯草芽孢杆菌FB122突变株进行研究，用UV-c照射添加DPA的菌株及其孢子，并对其荧光进行测定。照射后，与未添加DPA的天然孢子相比，添加了DPA的孢子荧光增强，这表明DPA降解为各种光产物（DPA）。

许多研究报道，在紫外线照射下形成的主要光产物是5-胸腺嘧啶-5,6-二氢胸腺嘧啶，存在非常有效的修复机制，而其他光产物如环丁烷-二聚体，由于缺乏有效的修复机制，对孢子的伤害更大。一项了解UV-c射线对橙汁中脂环杆菌孢子影响的研究发现，暴露20 min后，其数量减少了4倍以上。据报道，苹果汁中的孢子在1.31 mW/cm²的紫外线照射下最大减少了5 log。另一个类似的研究来评估紫外线在群微生物的影响，如蜡样芽孢杆菌、凝固芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、嗜酸绿杆菌和嗜脂热地杆菌孢子，经23.72 J/mL处理后，每一芽孢杆菌的致死率均降低2倍以上，嗜热地杆菌的致死率最高，另一个有趣的发现是，大多数耐热菌对UV-c射线最敏感。

脉冲光

脉冲光是一种新型的食品保鲜技术，它使用高强度的短时间脉冲，包括从200～1100 nm波长的宽范围电磁波谱。它包括紫外线到近红外区域的光。一般采用持续时间为1 μs～0.1 s的短脉冲，能量密度在0.01～50.00 J/cm²范围内处理产品表面。它是利用一种将高速电子脉冲转换成短时间高能量光脉冲的技术生产的，储存在电容器中的能量在短时间内使用氙灯释放，从而产生短时间（～100 μs）的强脉冲，聚焦在特定的目标区域。它现在广泛用于食品、制药和包装行业的消毒和去污，已知在2～3个脉冲内将微生物孢子的范围减少了6倍以上。

脉冲光的抗菌和杀孢作用是由于其丰富的紫外光谱含量和短持续时间-氙灯脉冲峰值功率高。UV成分起着重要作用；研究表明，如果从光谱中去除紫外线，脉冲光的抗菌作用就会丧失。据报道，其作用的两种广泛流行的机制是光化学和光热（表1和图3）。光化学作用是由于光中存在UV-c成分，其作用于细胞的DNA或核酸并产生二聚体和导致微生物结肠性死亡的病变。光热效应包括蛋白质洗脱、细胞膜破坏和DNA结构变化。在一项评价脉冲光对枯草芽孢杆菌孢子影响的研究中发现，脉冲光照射孢子会导致孢子外壳脱落，并且可以很容易地通过洗涤消除。这种方式的脉冲光与UV-c有很大的不同，UV-c对孢子外壳的影响不太明显。另一项确定使用脉冲光去污因素的研究报告称，耐热性与脉冲光的耐热性之间没有相关性。正是UV-c和光的热能的相对作用导致了孢子的失活。在另一项通过脉冲光确定影响细菌孢子致死因素的研究中，发现脉冲光的有效性不仅取决于细胞的生理状态，还取决于细胞在脉冲光辐射下的暴露。在一项使用脉冲光等离子体处理红辣椒中短小芽孢杆菌孢子灭活的研究中，孢子数量减少了2倍以上，进一步的分析强调揭示了脉冲光处理导致孢子形态和DNA损伤的事实。

Conclusion

电磁辐射在不影响食品质量和感官特性的情况下，具有使孢子失活和致死的巨大潜力。不同的电磁波光谱具有不同的失活机制，孢子的不同成分随后对其损害提供抗性。DNA和切除修复是改变和逆转损伤的最重要的机制之一。外层和皮层对湿热的损伤有很强的抵抗力，但在脉冲光的作用下也会碎裂。紫外线照射形成的光产物和二聚体作用于核酸，导致克隆性死亡。α-和β-SASP的存在负责提供抵抗电离辐射和微波的损伤，而它们对紫外线和脉冲光的失活几乎没有影响。综上所述，孢子的本质是可以在很大程度上抵消单一处理的伤害，因此，多种处理组合以及新的非热技术应成为该领域未来的研究范围。此外，必须进行简明的研究，以评估孢子各组成部分在灭活和抗损伤方面的作用。此外，电磁辐射对蛋白质、碳水化合物等不同食物成分的影响也有待研究。在未来的范围内，研究可能包括对孢子的微环境研究以及电磁波处理后孢子抗性的变化。

Mechanism of microbial spore inactivation through electromagnetic radiations: a review

Piyush Sharma^a, Arun Prasath Venugopal^a,*, Parag Prakash Sutar^a, Hongwei Xiao^b, Qi Zhang^c

^a Department of Food Process Engineering, National Institute of Technology Rourkela, Odisha 769008, India

^b College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

^c School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225002, China

*Corresponding author.

Abstract

Spores are the biological structures formed out of sporulation from vegetative cells in adverse conditions. Being tolerant to many extreme environment and conditions, they escape and survives critical processing steps in the food industry that poses food and health safety problems, as is evident from the increase in reports of food-borne outbreaks due to spore-formers. Electromagnetic radiation (EM) is used for rapid decontamination and sterilization purposes in the food industry. Many studies have reported a greater reduction in spore population upon irradiation with EM rays due to its impact on genomic material and other components of spores that destabilises overall structure and brings clonogenic death. However, there is scattered literature regarding the mechanism of its inactivation and resistance against such damage. This review attempts to concisely evaluate the potential of electromagnetic radiations in spore inactivation and details its mechanism through a collective study of scientific results and reports. It also briefs about the process of sporulation, the structure of spores and the role of its components in the resistance of spores to damage. Many studies, which demonstrated that combining various EM treatments might be an effective way for inactivation of spores, were discussed in detail.

Reference:

SHARMA P, VENUGOPAL A P, SUTAR P P, et al. Mechanism of microbial spore inactivation through electromagnetic radiations: a review[J]. Journal of Future Foods, 2024, 4(4): 324-334.

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