超高压水射流灭菌研究

列为四川省科技支撑项目项目，用于纳米混悬、脂质体等新型给药系统研究；2012年被列为四川省应用基础项目和国家自然基金面上项目，开展对其有效单体成分和药效物质基础和机制等深入的分子机制研究。

因此，本项目作为新药的基础性研究，具备了良好的临床应用前景，将产生较好的经济效益与社会效益。

目前成果的经济效益主要体现在企业新药研发和科学应用价值方面。

该项目的完成为藏药成药的研究和药材质量标准规范化，以及藏药在肝病等优势病种治疗的研究开发和临床应用提供具有重要指导意义和社会价值。

发表代表性学术论文19篇，其中SCI收录论文2篇，SCI论文他引3次，CNKI论文他引74次，CSCD他引9次；此外通过专利公开、学术会议交流、专题报告、研究生培养、咨询服务等方式进行推广，产生积极的社会效益。

超高压水射流灭菌研究王盛民*等（生命学院）1 概述本项目属于工业灭菌技术与机械工程的交叉科学技术领域。

基于传统热力灭菌法具有导致热敏性成分分解、挥发性成分散失、高耗能和批式生产的缺陷，探索低温、节能、连续的冷杀菌技术成为一种发展趋势。

本项目的主要创新成果在于建立了具有自主知识产权的超高压水射流灭菌方法，包括：①首次利用超高压水射流技术的压力骤降而产生膨化作用的原理，对微生物进行膨化处理，达到了彻底杀灭微生物的目的，建立了一种新的灭菌方法——超高压水射流灭菌方法，构建了超高压水射流灭菌技术平台；②超高压水射流技术可明显改变细胞形态，对微生物具有显著的杀灭效果，验证了成果持有人提出的“微生物膨化灭菌”假说，初步探讨了超高压水射流的灭菌机理；③通过研究超高压水射流对中药成分的影响及该技术用于牛奶保鲜的研究，证实了超高压水射流技术作为一种可连续化生产的冷杀菌技术是完全可行的；④进行了超高压射流法催陈白酒和粉碎矿物药研究，扩展了超高压水射流技术的应用范围。

利用超高压水射流灭菌方法，在100MPa条件下对撞式处理，灭菌效果符合国家标准《巴氏杀菌、灭菌乳卫生标准》（GB 19645-2005）的卫生标准，牛奶保质期可达65天甚至更长（巴氏奶仅3~5天）；用于保健食品类“口服液”的生产工艺中，灭菌效果符合《保健食品通用卫生要求》（卫生部卫监发[1996]第38号）中有关微生物指标的规定。

该成果在灭菌技术方面具有创新性，达到了国内领先水平。

该技术具有低温、节能、连续灭菌的特点，解决了长期困扰中药液体制剂、乳品饮料灭菌的技术瓶颈。

该成果取得了具有自主知识产权的原创性成果，取得了发明专利《超高压水射流灭菌方法》（ZL200410040040.5）和实用新型《基于超高压水射流瞬间卸压技术的酒精饮料催陈系统》（ZL200920040968.1）2项专利，申请相关发明专利3项；发表学术论文16篇；培养研究生3名。

超高压水射流灭菌法既克服了热力灭菌可导致热敏性成分分解和挥发性成分散失的缺点，*作者简介：王盛民，男，教授。

又弥补热力灭菌法耗能高、只能批式生产的缺陷，是一种安全、高效、低耗、无污染的灭菌新方法。

该技术具有方法简单连续，设备生产定型，质量稳定可控，适应范围广泛等优点，是灭菌工业技术上的创新。

随着技术的进一步推广应用，必将为为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

它不仅适用中药液体制剂，而且在食品、饮料行业也具有广阔地应用前景。

2 主要科技创新2.1 立项背景工业杀菌技术自诞生以来，一直以热力杀菌为主，它几乎伴随着工业的整个发展过程。

热力灭菌法是利用高温使微生物原生质体变性凝固、细胞膜损伤、酶失活、蛋白质变性、DNA损伤而导致其死亡。

但是，热力灭菌法可导致热敏性成分分解和挥发性成分散失，高耗能及批式生产是其致命的缺陷。

因此，长期以来人们一直在探索适用于大生产的、节能的、连续的冷灭菌方法。

在中药膨化技术和超高压水射流技术启示下，提出了“微生物膨化灭菌”假说：在超高压下微生物的细胞形态及蛋白质形状不变，水分子之间的距离将缩小，并渗透和填充到细胞内及蛋白质的氨基酸周围，当超高压瞬间骤降后，水分子汽化而发生爆炸，巨大的膨化力破坏了细胞形态及蛋白质的空间结构；同时，接近临界状态的蒸汽可穿透微生物的细胞膜而致其受损甚至彻底破坏，从而达到杀灭微生物的目的。

该成果从方法学上创新，首次利用超高压水射流技术的压力骤降而产生膨化作用的原理，对微生物进行膨化处理，以达到彻底杀灭微生物的目的，由此建立一种新的灭菌方法——超高压水射流灭菌方法，构建了超高压水射流灭菌技术平台。

通过研究超高压水射流对微生物生物活性、生命结构及生理特性的影响，研究了超高压水射流技术的灭菌效果，验证了“微生物膨化灭菌”假说，初步探讨了超高压水射流的灭菌机理。

通过超高压水射流对中药成分的影响及该技术用于牛奶保鲜研究，探讨了超高压水射流作为冷杀菌技术的可行性研究。

超高压水射流灭菌法既克服了热力灭菌可导致热敏性成分分解和挥发性成分散失的缺点，又弥补热力灭菌法耗能高、只能批式生产的缺陷，是一种安全、高效、低耗、无污染的灭菌新方法。

该技术具有方法简单连续，设备生产定型，质量稳定可控，适应范围广泛等优点，是灭菌工业技术上的创新，它不仅适用中药液体制剂，而且在食品、饮料行业也具有广阔地应用前景。

2.2 科技创新2.2.1 建立了具有自主知识产权的超高压水射流灭菌方法首次利用超高压水射流的超高压及瞬态卸压产生膨化作用而使微生物破碎，以达到彻底杀灭微生物的目的，由此建立一种新的冷杀菌方法——超高压水射流灭菌法，构建超高压水射流灭菌技术平台，具有技术创新性。

试验结果：①真菌类（酿酒酵母、黑曲霉）经200MPa超高压水射流处理后，微生物初始为6×106cfu/ml 的杀灭率在100%，说明真菌类微生物对压力的耐受力较低（图1、图2）。

图1 酿酒酵母灭杀效果②细菌类（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌）经350MPa超高压水射流处理后，微生物初始为6×106cfu/ml的杀灭率在98%以上，说明细菌类则需要较高的压力才有显著的杀灭效果（图3、图4）。

图3 金黄色葡萄球菌灭菌效果图4 大肠杆菌灭菌效果③微生物的灭菌效果在各压力之间均有极显著性差异，说明在微生物杀灭过程中压力是主要影响因素。

④在较低超高压下高温影响大，较高超高压时温度影响较小，说明温度对灭菌效果有协同作用。

⑤不同微生物对压力、温度的敏感性各不相同。

2.2.2 验证了“微生物膨化灭菌”的假说超高压射流技术可明显改变细胞形态，对微生物具有显著的杀灭效果，验证了“微生物膨化灭菌”的假说，为阐明超高压水射流灭菌机理，建立超高压水射流灭菌理论体系提供理论依据，具有理论创新性。

试验结果：真菌类（酿酒酵母、黑曲霉）经200MPa超高压水射流处理后，细胞形态发生显著变化，出现明显受损、破碎现象，使得微生物细胞失去生物活性，从而导致细胞死亡（图5、图6）。

图5 酿酒酵母超高压前后细胞形态图6 黑曲霉超高压前后细胞形态2.2.3 证明超高压水射流技术作为冷杀菌技术的可行性通过超高压水射流灭菌方法对中药有效成分的影响及该技术用于牛奶保鲜研究，证明超高压水射流技术作为一种低温、节能、连续的冷杀菌技术是完全可行的。

试验结果：①液体制剂经超高压水射流灭菌后，各项卫生指标均符合《保健食品管理办法》（1996年3月15日卫生部令第46号发布）和《保健食品通用卫生要求》中有关微生物指标的规定。

②牛奶经50MPa处理，其微生物指标优于“巴氏杀菌、灭菌乳卫生标准”(GB 19645-2005)中巴氏奶的规定，250MPa~300MPa超高压奶的保质期可在冷链下保存5个月(巴氏奶为3~5天)。

③超高压射流灭菌的最高温度为80℃，温度显著低于超高温灭菌（135～150℃），时间短于巴氏灭菌（10s~20s）因此，超高压灭菌更有利于保全营养成分。

2.2.4 扩展超高压水射流技术的应用范围进行超高压射流催陈白酒和粉碎矿物药研究，扩展了超高压水射流技术的应用范围。

试验结果：①白酒超高压水射流催陈研究：白酒经50MPa~300MPa处理后，香气优雅，酒体醇和，绵柔爽净，尤其空杯留香纯爽、持久，起到了良好的催陈效果。

②超高压水射流粉碎研究：珍珠粉碎后粉体平均粒径为2.5μm，螺旋藻粉碎后可达386nm。

因此，超高压水射流技术具有广阔的应用前景。

2.3 与当前国内外同类研究、同类技术比较2.3.1 热力灭菌工业化杀菌技术自诞生以来，一直以热力杀菌为主，热力杀菌几乎伴随着工业的整个发展过程，是灭菌加工与保藏最重要的处理方法。

但是，热力灭菌法可导致热敏性成分分解和挥发性成分散失、高耗能及批式生产是其致命的缺陷。

因此，长期以来人们一直在探索适用于大生产的、节能的、连续的冷灭菌方法。

2.3.2 超高压灭菌早在1895年，H. Royer就进行了超高压灭菌的研究；1899年，Bert Hite报道了超高压能延长牛奶的保存期。

1991年4月，日本的Meidi Ya公司利用超高压静态灭菌法生产了第一个超高压食品——果酱，随后又有果味酸奶、果冻、色拉和调料等超高压食品面市。

超高静压杀菌技术实现了真正意义上的冷杀菌，但仍存在明显缺陷：①静态超高压杀菌所需压力很高(400~1000MPa)，故装备结构要求和设备造价高。

②超高压杀菌过程为批式处理，加工能力小，应用范围受到限制。

因此，一种新的冷杀菌方法——动力杀菌技术越来越受到人们关注。

2.3.3 高压均质灭菌均质技术是一项应用相当广泛的细化分散技术。

从20世纪70年代初开始，人们尝试将高压均质机用于微生物的破碎，以回收细胞内的蛋白质、酶类等物质。

这种利用高压均质技术对微生物菌体的破碎，就是动力冷杀菌技术的一种雏形。

它虽然克服了热力灭菌和超高压灭菌的缺陷，但仍存在明显不足：①产量不易放大，不能满足生产需求(5L/h)。

②工作压力较低(15-100MPa)，灭菌质量不易控制。

2.3.4 超高压水射流灭菌超高压水射流灭菌方法是利用超高压水射流瞬态卸压产生膨化作用而使微生物破碎，以达到彻底杀灭微生物的目的。

其特点是：①灭菌过程温度较低(60℃以下)，有利于保存热敏性成分和挥发性成分；②设备定型，造价适中，能耗低(为热力灭菌的1/10左右)；③动态处理，效果稳定,能满足生产需要(0.3~1.2T/h)。

该研究属于具有自主知识产权的原创性成果，克服了热力灭菌法可导致热敏性成分分解和挥发性成分散失的缺陷，符合工业化灭菌连续化生产的要求，该方法是一种安全、高效、低耗、无污染的灭菌新方法。

3 第三方评价意见3.1 成果鉴定证书2010年5月5日，四川省科技厅在成都组织召开了由西南交通大学完成的“超高压水射流灭菌研究”的科技成果鉴定会。

鉴定委员会听取了课题组的工作汇报，经过质疑、讨论，形成鉴定结论：该成果在灭菌技术方面具有创新性，在中药液体制剂、食品、饮料等行业具有广阔的应用前景，达到了国内领先水平；鉴定委员会一致同意通过技术鉴定。