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微波杀菌机理

发表时间:2013-05-02

微波杀菌机理

    关于微波杀菌的机理,20世纪40年代至50年代普遍认为只有致热效应。热效应理论认为,由于微波具有高频特性,因此,当它在介质内部起作用时,水、蛋白质、核酸等极性分子受到交变电场的作用而剧烈振荡,相互摩擦产生“内热”,从而导致温度升高,使微生物内的蛋白质、核酸等分子结构改性或失活,这样就会对微生物产生破坏作用。显然,这种利用微波的热力作用来杀灭微生物的解释并不难理解。

(二)微波杀菌机非热效应理论

    许多研究报告表明,微波与一般加热灭菌方法相比,在一定温度下细菌死亡时间缩短或在相同条件下灭菌致死温度降低。这个事实是无法仅用热致死理论来解释的。01Mn等人揭示了微波对镰刀霉芽抱的非热效应。他们指出.微生物在微波场中比其他介质更易受微波的作用,因此,提出了微波杀菌机理的非热效应理论。1970年,Gmy使用微波法和蒸汽法结合杀菌.及用微波和红外线法相结合杀菌的两项专利技术,证实了非热杀菌效应的存在。1994年,王绍林以耐热性较强的枯草芽泡杆菌为菌种,进行了微波杀茵和传统加热试验对比.得到两种处理法的菌热致死率曲线。然后从物理学角度分析微波和传统杀菌致死的原因及其间的差异程度,从而有力地证明了微波的非热效应杀菌机理。在此基础上,科研人员们纷纷开展类似研究,出现了不同的解释模型。

    1.从生物物理角度来解释微波的非热灭菌机理较易为大多数人接受,其主要模型包括:

    (1)细胞膜离子通道解释模型。按照该学说,细胞与外界联系而进行的一系列复杂的生物化学过程是依靠细胞膜上电位差(约o.03—0.10 v)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。细菌处于如此高的频率和强电场强度的微波场中,细胞膜电位很可能改变,其正常的生理活动功能亦将改变,以致危及细菌的存活。

    [2)蛋白质变性解释模型。该理论指出.微生物由蛋白质、核酸物质和水等极性分子组成.这些极性分子在高频率、强电场强度的微波场中将随着微波场极性的迅速改变而引起蛋白质分子团等急剧旋转,往复振动,一方面相互间形成摩擦转化成热量而自身升温,另一方面化学键受到破坏而引起蛋白质分子变性,进而破坏微生物正常生理活动功能,从而达到杀菌的目的。

    (3)电磁波改变生物体内牛化反应平衡的解释理论。持有该理论的研究者认为,电磁波对化学反应的非热作用导致了对生物体的“非热效应”。根据这一说法,电磁波改变了化学反应的活化能和指前因子,使得反府果现加速和减速两种结果。由于生命过程实际上是一个动态的代谢平衡过程,时刻发生着新陈代谢(生物化学反应)。因此,电磁波对生化过程的影响将改变其反应速率和平衡常数,致使这样一种动态的代谢平衡过程发生紊乱.使生物体的生命受损。非热效应能量不是来自电磁波而是来自于生物体的新陈代谢(如ATP的合成与分解)。

    2从能量角度考虑,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、盐键等赖以维持核酸、蛋白质等生物大分子高级结构的次级铰具有一定的破坏作用t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。这些次级键一旦遭到破坏.将危及生物大分子的空间结构,影响其正常生理功能。

3.从细胞生物学角度分析,微波对微生物(以细菌为例)也具有生物学效应。①是细菌的细胞壁的主要成分不是纤维素,而是肤聚糖(N。乙酰葡萄糖胺与讨—乙酰胞壁酸通过。l,4糖昔键连接而成)。特别是革兰氏阴性茵细胞壁内蛋白质含量较高,在微波场中,细胞壁发生机械性损伤,使细胞质外漏.影响其正常生理活动。⑦细菌的细胞膜是由肪脂和蛋白质组成的具有选择性的半透性膜,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度差,如细胞内是高K‘、低Na’,而外界环境则是高Nat,低K’,这种离子梯度是由分布在细胞膜上的Nat,K’泵逆浓度梯度主动运输来维持的,其他的离子如(k“,细胞内外也存在着明显的离子浓度梯度差,内c42’泵来维持。这些生物离子泵在高频率的微波场中.将不能正常发挥其生理功能。按照细胞离子通道学说,细胞与外界联系进行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,必然会影响其正常生理活动,以致危及细菌的存活o②细菌细胞内的酶,在高频率、强电场强度的微波场中,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金属酶在微波场的作用下,金同离子所处的环境可能发生变化,影响这些酶的活性。④细菌细胞内没有核膜利细胞核,只合拟核区。在拟核区内.其遗传物质的载体——染色体是裸露的环状DNA,没有或极少结合量组蛋白,其DNA双螺旋结构中A=丁,c=c碱基对间的氢键易受到微波的冲击而破坏。

 

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