脉冲放电杀菌技术及其应用研究进展

脉冲放电杀菌技术及其应用研究进展

发表时间：2019-12-23T10:23:30.420Z 来源：《电力设备》2019年第18期作者：周璐樊爱龙

[导读] 摘要：在科学发达的今天,动物传染病和人类传染病仍在大肆流行。目前,主要有3种形式的疫苗,即减毒活疫苗、灭活疫苗和基因工程疫苗。

(辽宁科技学院辽宁本溪 117004)

摘要：在科学发达的今天,动物传染病和人类传染病仍在大肆流行。目前,主要有3种形式的疫苗,即减毒活疫苗、灭活疫苗和基因工程疫苗。尽管减毒活疫苗曾起到了巨大的作用,但随着科学的发展和时间的推移,减毒活疫苗有返祖和基因重组的现象,因此,目前已逐渐降低其使用度。基因工程疫苗是近十来年发展起来的一种新型疫苗,但是研制一种新的基因工程疫苗耗时长、投资大,还可能存在生物安全问题。故短期内在应对突发的传染病时不可能取得明显成效,而灭活疫苗却能够在短时内取得预期的效果。

关键词:脉冲电场；病原体；灭活

一、化学试剂杀菌机理

当前的灭活疫苗大部分使用福尔马林、β-丙内脂、乙烯亚胺、苯酚、柳硫汞等化学试剂进行灭活。这些化学试剂主要机理是作用于病毒核酸及病毒壳蛋白、病原体的DNA和RNA,改变细胞膜通透性,导致微生物蛋白变性或凝固,改变蛋白与核酸功能基团的因子,作用于细菌胞内酶的功能基(如SH基)而改变或抑制其活性。如福尔马林对病毒灭活的机理主要作用于病毒核酸及病毒壳蛋白。灭活的主要部位是福尔马林与病毒中含有氨基的核苷酸(腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶)发生反应。福尔马林与病毒蛋白的作用直接使氨基酸或氨基酸集团暴露,引起蛋白质变性以阻碍核酸从病毒颗粒中释放,使病毒失去感染力。20世纪60年代猪瘟灭活疫苗的失败可能与灭活剂改变表面蛋白的结构与功能有关系。β-丙内脂的作用机理可能是作用于病原体的DNA和RNA。

尽管化学试剂在疫苗制备过程中起着非常重要的作用,但是在杀菌作用的同时对动物机体具有一定的副作用,甚至在动物体内残留。如甲醛除了上述的功用外,同时具有强烈的致癌和促癌作用。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病,引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、细胞核的基因突变,DNA单链内交连和DNA与蛋白质交连及抑制DNA损伤的修复、妊娠综合征,引起新生儿染色体异常、白血病,青少年记忆力和智力下降。β-丙内脂本身具有致癌性,虽可被加温水解对人体无害,但对工作人员仍有致癌作用。β-丙内脂还可以改变人血清白蛋白的性质,引起人体全身性的变态反应。

因此,有必要寻找既能杀灭细菌、不破坏细菌抗原的结构,又能对环境、对人类安全的病原体灭活方法。而脉冲电场杀菌技术正好具备这些条件。

二、脉冲电场杀菌机理

脉冲电场杀菌的机理主要有以下几个方面:①强电强通透杀菌效应。利用强电场所引起的微生物细胞的穿孔效应来杀菌。由于微生物细胞膜的外表面和膜内具有一定电势差,当一个外部的电场加到细胞两端时,会使细胞膜内、外电势差增大,细胞膜的通透性剧增,细胞膜上会出现许多小孔,产生不可逆的损失,导致细胞不可逆破裂和最终死亡。②强烈冲击波杀菌效应。当液体物料中产生脉冲放电时,储能系统(例如储能电容器组)把储存的大量能量在瞬间释放出来,液体介质被击穿而形成放电通道,产生极大的脉冲冲击电流,使细菌细胞膜破裂、压碎、死亡。③脉冲放电化学杀菌效应。液体物料中在脉冲放电时产生的化学效应也强化和加速了细菌的死亡。由于脉冲放电的大电流及由此而产生的强磁场作用、电解电离作用,在液体物料中会产生许多等离子体和基本粒子,如激励状态下的H+、OH-、H2O离子团、O、H原子、O2、H2、臭氧分子、光子等。它们在强电场的作用下极为活跃,有些基本粒子还能穿过已提高通透性的细胞膜而与细胞膜内的生命物质如蛋白质、核糖核酸等相结合,使之变性,死亡。④电离作用。在外加电磁场的作用下,电解质电解出阴、阳离子。这些阴、阳离子在强电磁场的作用下极为活跃,穿过本来就已经提高通透性的细胞膜,与微生物内的生命物质如蛋白质、RNA作用,因而阻断了细胞内正常化反应和新陈代谢的进行。

三、国外对脉冲电场的应用研究

自从SaleAJH等发现高压脉冲电场有杀菌作用以来,许多研究者对此表现出浓厚的兴趣。HulshegerH等测定了不同电场强度和不同处理时间对液态食品中微生物的影响。1992年JayarametaS等应用高强度脉冲电场抑制短乳杆菌,得出细胞破坏是由于强电场导致的细胞壁破裂的结论。Elez-MartínezP等对果汁中的啤酒酵母用高压脉冲电场进行处理,对产生高压脉冲电场的参数(电场宽幅,处理时间,脉冲极性,频率,脉冲宽幅)进行了评价,并且与巴氏消毒法进行了比较。结果表明,高压脉冲电场对啤酒酵母的杀灭很有效。GarcíaD等对两株革兰阳性菌(枯草芽孢杆菌和李斯特菌)和6株革兰阴性菌(2株大肠埃希菌,1株假单胞菌,2株沙门菌,1株小肠结肠炎耶尔森菌)用脉冲电场处理后的亚致死情况的检测,发现革兰阳性菌在pH7.0的情况下对脉冲电场具有一点抵抗力,而革兰阴性菌在pH4.0的情况下对脉冲电场的抵抗力更大一些。

GómezN等对苹果汁中的李斯特菌在不同pH的条件下进行了脉冲电场杀灭研究。结果表明,在低pH、高压脉冲电场的条件下对李斯特菌杀灭效果很好。Sobrino-LópezA等对金黄色葡萄球菌通过一种表面应答反应方法进行高压脉冲电场处理。研究中将金黄色葡萄球菌悬于牛奶之中,采取不同的脉冲数,不同的脉冲宽度,不同的脉冲极性。研究发现,脂肪的含量与葡萄球菌的杀灭没有太大的关系,双极脉冲杀灭葡萄球菌的效果要优于单极。在持续脉冲放电的情况下,短而高的脉冲杀菌效果要优于长而低的脉冲。PerniS等将大肠埃希菌K12血清型和鼠伤寒沙门菌在一个电场强度为100kV/cm、30脉冲/s、每次32ms、总共持续300s的条件下进行处理。然后在培养基上进行培养,大肠埃希菌减少了2个数量级,而鼠伤寒沙门菌减少了1个数量级。在对处理后的活菌进行计算,仅仅只有1%的细菌没有受到破坏。GachovskaTK等对苹果汁中的大肠埃希菌通过高压脉冲电场和紫外线交替进行杀菌,结果表明,二者交替使用对大肠埃希菌具有很好的抑制作用。LeeMH等对200g/L的盐水和9g/L的生理盐水中的李斯特菌用12V电流,1个脉冲完全灭活菌在3ms内完全灭活。电镜观察表明,盐水中的单核细胞结构破坏,说明AHVP对盐水或生理盐水中的李斯特菌灭活是迅速和有效的。BurdgeJJ等用高压脉冲电场对因糖尿病而引起下肢损害进行辅助性的治疗。对30名糖尿病病人45处溃疡经过14 .2周的治疗,结果35处的溃疡得到了治愈。NuccitelliR等用高压脉冲电场对17只动物黑色素瘤引起肿瘤供血障碍的患者进行了治疗,经过47d的治疗后,在未来的4个月,这些黑色素瘤没有出现复发现象。

四、展望

高压脉冲电场杀菌的特点,特别符合疫苗制备过程中抗原灭活。但是到目前为止,国内外还没有这方面的相关报道。如果利用高压脉冲对病原体进行灭活后仍然具有免疫力,那么这将有可能会对抗原的灭活技术带来一场革新。因为利用脉冲电场杀菌具有很多优点:①时间短。