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微波杀菌机理

发表时间:2013-12-27

微波杀菌机理

    微波对细菌、霉菌、酵母、真菌和酶具有杀灭作用是确认的,担其杀菌机理却众说纷纭,大致有热效应和生物学效应(非热效应)两种.前者认为微波能在微生物体内转化为热能,使其本身温度升高,从而使体内蛋白质发生热变性凝固致死。而后者认为除了热效应外,更主要的是其生物学效 应,加速了微生物的死亡过程。

非热效应观点认为,细菌、酵母等生物细胞都是由水、蛋 白质、碳水化合物、脂肪和无机物等复杂化合物构成的一种 凝聚态介质。其中水是生物细咆的主要成分,含量为75%〜 85%,细菌的种神生理活动都必须有水参加才能进行。如细菌的生长、繁殖过程,对种种营养物质的吸收要通过细胞质的扩散、渗透及吸附作用来完成,这些作用都须以水为介质 方能进行。在一定强度微波场的作用下,食品中的菌体也会 因自身水分极化而同时吸收微波能升温。由于它们是凝聚态 介质,分子间的强作用力加强了微波能向热能的能量转化,从 而使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转变两方面的 作用,使其空间结构变化或破坏而导致变性。蛋白质变性后, 其溶解度、粘度、膨胀性、渗透性、稳定性都已发生明显变 化,从而使细胞失去生物活性,这就是微波灭菌的机理。

国外在六七十年代对微波灭菌机理与技术的研究、开发 很活跃,并在70年代初使用微波法和蒸汽法相结合杀菌及用 微波和红外线相结合杀菌而取得两项专利技术,目前,微波 的生物效应也是研究的基础问题之一。 ‘

细菌是一种生物体系,它们的生存可能在许多方面受到 制约,所以,细菌致死原因不能单纯地用能量多少以及能否 拆开9-90键来杏定微波的生物学效应。因为细菌的存活是 —个复杂的生态生理活动,需考虑异常生态环境(高频率强 电场强度的微波场)对其生理活动的影响。

从生物物理学角度来看,组成微生物的蛋白质、核酸等 生物大分子和水作为极性分子在高频率、强电场强度的微波 场中将被极化,并隨着微波场极性的迅速改变而引起蛋白质 分子基团等电性质变化,往复颤动。它们同样能将微波转换 成热能而自身温度升高,电性、能量的变化将引起蛋白质等生物大分子变性。

从能量的角度考虑,尽管微波量子能量不能破坏生物体 内的共价键,但对氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键 等赖以维持核酸、蛋白质等生物大分子高级结构〈空间构 象)的次级键具有一定的破坏作用。这些次级键是维持核酸、 蛋白质空间构象、生物膜结构的作用力,甚至可以称为是维 持生物系统结构的作用力。这些次级键一旦遭到破坏,将危 及生物大分子高级结构,影响其正常的生理功能。以下是几 方面的研究结果:

    ①医学方面的研究发现微波能可以影响遗传物质DNA的含量,干扰其正常的复制、转移、合成、修饰等活动,进一步证实了微波杀菌过程中存在生物学效应。

②食品科学的研究发现食品中常见的酶类对微波较为敏感。

我们以稻米和小麦为例阐述这一问题,先看看关于稻米 中的研究。经微波处理后稻米中的酶,例如脱支酶,无论是总 酶活力、活性酶活力或抑制酶活力均明显下^降,且不同品种稻 米下降的趋势基本一致,说明酶对微波敏感。

③从细胞生物学角度分析,微波对微生物(以细支酶活力的下降可能是由微波处理直接造成了酶蛋白的变 性,所以经微彼处理后淀粉酶总酶及〜淀粉酶活力明显下降。

   一是细菌的细胞壁的主要成分不是纤维素,而是肽聚糖 ,细菌壁内蛋白质含 量较高,在微波场中,细胞壁可以发生机械性损伤,使细胞 内物质外漏,影响其正常生理活动。

在国内,已有学者从用 电子显微镜技术摄得的照 片上清晰看到:用微波法对 啤酒酵母细胞壁破坏的裂 缝界面整齐,而用巴氏加热 灭菌的细胞壁和细胞整体 均破裂成混乱的碎片,两者 被破坏细胞状况有明显的 不同,这说明微波对细菌致 死的过程与传统加热致死 极不相同,虽然它们的后果 是一样的。

二是细菌的细胞膜是由磷脂和蛋白质组成的具有选择性 的半透性薄膜,它是细菌细胞与外界环境进行物质、能量、信 息交换的场所。

    细菌细胞内外存在着离子浓度梯虔差(动、植物细胞亦然〉。

按照细胞离子通道学说,细胞与外界联系而进行的一系 列复杂的生理过程是依靠细胞膜内外电位差控制的,即膜电 位的改变能激活(开放〉或关闭与外界联系的通道,若细胞 正常膜电位状态遭到破坏,必然会影响其正常的生理活动,以 致危及细菌的存活。

三是细菌细胞内的酶(包括位于细胞膜上的酶及细胞质, 细胞核内的酶〕,在髙频率、强电场强度的微波场中,例如前 述的那样,其功能可能紊乱或失活,特别是那些以金属离子 为辅助因子的全酶,在微波场作用下,金属离子所处的微环境可能发生变化,影响这 些酶的活性。

因此,微波可以有效灭菌,微波对大肠菌群的作用效果从以上分析中可以认为微波杀菌的机理是:在热效应的 基础上,影响核酸、蛋白质等生物大分子的高级结构,干扰漱生物正常生理活动而起杀灭作用9但亦有美中不足,它不 能像紫外线那样具有显著的“冷杀菌”效果。

 



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