二氧化氯的抗菌效果及其在食品保鮮中的研究進展

陳 虹，王 群，方 欣，孫璐瑤，陳 進，步 恬

（泰州學院醫藥與化學化工學院，江蘇省手性醫藥化學品生物制造重點建設實驗室，江蘇泰州225300）

進入二十一世紀，人們的生活水平不斷提高，對食品安全也有了新的需求和期待，如無防腐劑食品、無菌包裝等。二氧化氯為無機化合物，在常溫常壓條件下是一種具有刺鼻氣味的黃綠色至橙黃色氣體，具有強氧化性，是國內外公認的高效、低毒、快速、廣譜的綠色消毒劑。1985 年被美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于食品加工設備的消毒；1992年，經世界衛生組織批準用于飲用水消毒；1996 年，我國衛生部批準將其用作水產品和果蔬保鮮的食品添加劑。

二氧化氯因其強大的殺菌效果，被國際組織評為A1級消毒劑[1]，其殺菌能力強、效率高，在低濃度下可殺死多種病原菌[2]，如大腸桿菌、沙門氏菌、酵母和霉菌等[3-5]，在pH值為2～10范圍內仍能保持較高的殺菌效率。此外，二氧化氯還具有漂白、除臭等功能[6]。同時，二氧化氯具有良好的使用安全性，在消毒過程中不會像其他氯消毒劑與有機物發生反應或產生有毒物質。因此，基于二氧化氯優異的抗菌消毒效果和良好的使用安全性能，使其在食品保鮮領域的應用逐步得到廣泛關注。

1 二氧化氯的概述

1.1 二氧化氯的性質

1.1.1 理化性質

二氧化氯常溫下為黃綠色強烈刺激性臭味氣體[7]，熔點為-59.5 ℃，沸點為11 ℃；極易溶于水，溶液易揮發，受光易分解，對熱、震動、撞擊相當敏感，極易反應發生爆炸；穩定態ClO2無色、無味、無腐蝕性、無毒、不揮發、不易燃、不易分解，在-95～-5 ℃條件下可以保存2年，儲存和運輸安全方便。將ClO2穩定在固態吸附劑或惰性溶液中，再根據需要緩慢釋放，可得到一定有效濃度的ClO2氣體。

二氧化氯的氧化性能比氯氣高2.63 倍[8]，有效氯是氯氣的2.6倍，反應活化性也高，可在光照、堿性條件下發生歧化反應生成

1.1.2 生物安全性

二氧化氯可用于飲用水的消毒。飲用經二氧化氯消毒的飲用水后，水中的二氧化氯在人體內會產生亞氯酸根，部分亞氯酸根可被分解為能被人體利用的氯離子，亞氯酸根和氯離子可在幾天后隨尿液排出，但達到一定濃度時就會使動物和人體體內碘元素的代謝與生理活性受到破壞。經動物實驗發現，從幼鼠出生前14 d 到出生后21 d 期間在其飲水中添加劑量為100 mg/L 二氧化氯，會明顯減少老鼠甲狀腺素的分泌量[9]。也有研究發現：二氧化氯暴露會產生劑量依賴性鰓病理，包括上皮抬升、肥大、增生和壞死；亞氯酸鹽在致死暴露水平下，可引起慢性炎癥反應，造血和血管內組織的循環和固定吞噬細胞顯著增加[10]；高濃度的二氧化氯會使體內生成高濃度的高鐵血紅蛋白，導致氧氣運輸能力下降。但到目前為止，幾乎沒有研究表明二氧化氯是否能通過皮膚大量地進入人體，如果通過呼吸或飲用攝入了一定量的二氧化氯，呼吸道和消化道會出現刺痛感。盡管二氧化氯及其歧化產物ClO-2和ClO-3在高劑量或者高濃度（如高于100 mg/L）時具有潛在的毒性，且其嚴重程度取決于對二氧化氯的攝入量，但是在小于5 mg/L 的低濃度范圍內，使用二氧化氯對飲用水進行消毒，不會對人體產生負面影響。

1.2 二氧化氯的殺菌機理

1.2.1 二氧化氯的氧化能力

二氧化氯分子的電子結構呈不飽和狀態，其氧化能力主要表現在干預電子供體的原子基團，奪走電子，使其成為無活性物質，快速有效地殺死細菌。武建明[11]研究發現，二氧化氯對鐮刀菌、黃曲霉、粉紅單端孢、鏈格孢、青霉、藍霉、根霉7 種病原菌具有抑制作用，并且隨著其濃度的增加，抑菌能力增強，溫度越高，分子擴散速度越快，抑菌效果也越好。

1.2.2 二氧化氯對微生物細胞膜的破壞

二氧化氯對微生物細胞膜中蛋白質和含氧化合物[12]的影響是滅菌的關鍵，它最終導致細胞代謝紊亂。有研究表明，二氧化氯抑制枯草芽孢桿菌孢子萌發的原因可能是由于芽孢內膜受到損傷[13]。由于二氧化氯是小分子，極易透過細胞膜，從而導致呼吸抑制和跨膜離子濃度梯度的降低[14]。此外，Praeger等[15]提出二氧化氯可通過改變膜中的脂質和蛋白質結構來提高細胞的通透性。Cho 等[16]研究表明，利用二氧化氯處理大腸桿菌后可導致大腸桿菌中的蛋白質滲漏。Zhu 等[17]報道稱將二氧化氯作用于酵母菌時，盡管酵母菌質膜的完整性受到破壞，但蛋白質和DNA 都是大分子，它們不容易從細胞中滲透出來，因此二氧化氯的滅活機制也與對代謝酶活性的抑制和破壞有關。

1.2.3 二氧化氯破壞微生物的蛋白質

二氧化氯與蛋白質中的某些氨基酸發生氧化還原反應，通過干擾微生物的氨基酸使之分解[18]來影響蛋白質的合成[19]，并殺死微生物。二氧化氯的反應活性使其進入細胞體內后能氧化氨基酸，抑制蛋白質合成，按照氨基酸與二氧化氯的反應活性排序從高到低依次為半胱氨酸（Cys）、酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、組氨酸（His）、脯氨酸（Pro）[20]。微生物體內許多酶都是蛋白質，參與微生物的生命活動，二氧化氯對細胞壁有吸附和穿透能力，它可以通過釋放原子氧來氧化細胞中含有巰基的酶，從而導致這些酶被破壞[21]。

1.2.4 二氧化氯使微生物遺傳物質被氧化

二氧化氯能夠使微生物體內的DNA、RNA 被氧化[22]。Bolognesi等[23]對損傷后的DNA處理結果表明：采用0.2 mg/L 的二氧化氯處理1 h 可誘導遺傳毒性。Ishidate等[24]研究發現：在激活狀態下，二氧化氯能夠促使鼠傷寒沙門氏菌的反向突變，但二氧化氯對DNA 的作用機制尚不完全清楚，需要進一步探索。除此之外，二氧化氯還能與RNA 相互作用。Simonet等[25]發現，RNA 病毒暴露于二氧化氯中時被降解。Alvarez 等[26]發現，二氧化氯能通過與病毒RNA 反應以及破壞病毒基因組作為RNA合成模板的能力來滅活脊髓灰質炎病毒。

2 二氧化氯的抗菌消毒效果

二氧化氯具有很強的氧化性，其氧化能力是單質氯氣氧化能力的2.63 倍，是環氧乙烷氧化能力的一千多倍。目前，國內外對二氧化氯殺菌消毒的研究報道很多。

居麗雯等[27]探討了二氧化氯溶液對流感病毒的滅活作用，發現二氧化氯溶液對流感病毒的血凝素抗原有一定的破壞作用，5 mg/L 二氧化氯溶液作用5 min 可使流感病毒血凝效價降低一半，同時流感病毒的血凝效價隨著二氧化氯濃度的增加和作用時間的延長而下降。孫榮芳等[28]對比分析了液氯和二氧化氯兩種消毒劑殺滅病毒的效果，結果表明：當液氯處理的最高質量濃度達7.0 mg/L，且消毒作用時間為60 min時，其對腮腺炎病毒、腺病毒7型、單純性皰疹病毒Ⅰ型、脊髓灰質炎病毒Ⅰ型、柯薩奇病毒B3、艾可病毒Ⅱ型這6種病毒均不能滅活；然而，1.0 mg/L的二氧化氯作用30 min，對以上6種病毒均可以完全滅活。李愛萍等[29]研究則發現：二氧化氯投加量20 g/L作用45 min 和15/L 作用60 min，均可將染菌水樣中枯草桿菌黑色變種芽孢降至為0 CFU/100 mL。

以上研究結果說明：二氧化氯不僅對流感病毒、腮腺炎病毒等7 種病毒均具有明顯、高效的滅活效果，而且對枯草桿菌的黑色變種芽孢也具有殺菌效果。

3 二氧化氯在食品保鮮中的應用

二氧化氯作為一種安全高效的強氧化性殺菌劑，其不產生致癌物，且不會對環境造成二次污染，因此在食品保鮮方面也有著非常廣泛的應用，并得到了認可。

3.1 在果蔬保鮮中的應用

新鮮果蔬由于易受到各種有害微生物的污染而使得貨架期較短，貯藏過程中會發生失水、變色、出現異味、營養成分損失和腐敗等現象，造成品質下降，已成為世界上最廣泛的公共衛生問題之一[30]。我國是世界上第一大果蔬生產國，果蔬損失占采后總量很大比例，因此研究人員對果蔬保鮮開展了許多研究。

3.1.1 二氧化氯的保鮮原理

果蔬的變質主要是由其自身的生理作用和微生物等病害侵染引起的，雖然果蔬成熟過程中會產生二氧化碳和乙烯等使果蔬腐爛加快的物質[31]，但通過二氧化氯對侵染果蔬的微生物進行殺滅處理也是進行果蔬保鮮的重要手段；同時二氧化氯可以防止水果中蛋氨酸分解生成乙烯，并且能夠破壞已產生的乙烯，起到延緩果蔬變質的效果[11]。另外，二氧化氯不會與有機化合物反應形成有毒的氯化副產物，因此有利于保證食品安全[32]。而且，有研究表明，在采后處理過程中使用二氧化氯可以對果蔬進行強效殺菌，且不影響果蔬處理前的外觀和風味[33]。

3.1.2 二氧化氯使用濃度對保鮮效果的影響

二氧化氯作為一種廣譜殺菌劑，在質量濃度為0.1 mg/L 條件下可殺滅諸如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等致病菌，當存在有機物時，其干擾質量濃度為幾十毫克每升時也可殺滅細菌繁殖體、病毒、噬菌體和細菌芽孢等。二氧化氯對生鮮果蔬表面的殺菌功效受有效劑量、菌耐受性、保持時間、溫度、相對濕度等綜合因素的影響[34]。

有研究發現，當二氧化氯溶液質量濃度為50 mg/L時，能夠最大程度抑制蘋果表面的細菌生長，保持蘋果在冷藏期間的脆度和硬度，并延長貯藏時間[35]。采前施用60 mg/L 二氧化氯可有效抑制‘海沃德’獼猴桃冷藏期間果實表面菌落的生長，當二氧化氯與羧甲基纖維素復合使用時，能夠有效降低獼猴桃的呼吸作用，實現抑菌和常溫保鮮的雙重效果[36]。使用質量濃度為20 mg/L 的二氧化氯處理時，能夠使荔枝表面的炭疽孢子全部滅活，使荔枝果皮不易發生褐變和腐壞[37]。也有研究發現，使用0.2μL/L二氧化氯氣體每隔3.5 d 處理30 min，能夠抑制香蕉中丙二醛的生成，使果皮細胞的細胞膜滲透性降低，減緩香蕉在運輸過程中因外力損傷而導致的表皮褐變，并能夠使果實的成熟時間延長[38]。

3.1.3 二氧化氯應用方式對不同果蔬保鮮效果的影響

二氧化氯的常見應用形式為氣態、液態、固態。其中氣熏和液態浸洗是常見的使用方式。利用藥物緩控釋技術，將二氧化氯負載到固體載體中，并在使用時緩慢釋放氣態二氧化氯，也是一種新型的使用方式。

有研究對新疆哈密瓜、葡萄分別采用二氧化氯浸泡、氣熏處理，可降低哈密瓜的自然發病率和病情指數，維持哈密瓜、葡萄的采后品質[39]。二氧化氯液浸處理草莓時，處理濃度越高，草莓的感病損傷越少[40]；但是二氧化氯對果皮有一定的漂白損傷，所以草莓在貯藏后期色澤受到影響。但并非二氧化氯的使用濃度越高越好，高濃度二氧化氯溶液浸泡處理會使西蘭花切面發生褐變[41]，影響西蘭花中葉綠素含量和VC 含量，不利于貯藏。另外，相對濕度對二氧化氯氣體的抗菌作用也有一定影響[1，42]。當菠菜經二氧化氯氣體處理后，病菌明顯減少，但致病菌在相對濕度90%的條件下減少得更加明顯。當二氧化氯溶液與殼聚糖溶液復配使用時，能夠抑制苯丙氨酸解氨酶、肉桂醇脫氫酶、多酚氧化酶和過氧化物酶的活性[43]，使極易發生褐變的萵苣延遲褐變，抑制霉菌等微生物的生長，減少木質素的合成，抑制呼吸作用，對萵苣的保鮮起到了更好的效果。

Zhang 等[44]制備了二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜，并用其包裝芒果，考察貯藏過程中芒果的硬度、色差等理化指標的變化，探究了二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜的使用效果，研究結果表明，未經包裝處理的芒果容易腐爛，而經包裝處理的芒果其理化指標有所改善，說明二氧化氯微膠囊緩釋抗菌膜提高了芒果的貯藏品質。該微膠囊緩釋抗菌膜在未來食品工業中可能會有廣泛的應用。

3.2 在水產品保鮮中的應用

我國水產品種類非常豐富，但因水資源污染嚴重，導致水產品中可能攜帶細菌、病毒。眾所周知，二氧化氯在水處理方面有著廣泛的應用。二氧化氯可以有效去除水中的有害細菌，為水產品提供一個安全可靠的生存環境。二氧化氯也可作為水產品的保鮮劑，尤其是在水產品捕撈后及時使用二氧化氯處理可以保持較好的品質。

楊賢慶等[45]將制作好的羅非魚丸隨機分為4組，使用不同質量濃度的二氧化氯溶液進行浸泡，研究（4±1）℃的冷藏條件下，穩定態二氧化氯對魚丸的新鮮度影響，當穩定態二氧化氯質量濃度為50 mg/L時，能夠有效阻斷細菌和微生物的繁殖，有效減輕魚丸中蛋白質變性和脂肪氧化等問題，具有良好的殺菌保鮮效果，成功延長了羅非魚丸6～10 d的貨架期。

3.3 在飲品保鮮中的應用

飲料在罐裝前后必須進行殺菌處理，俗話說“病從口入”，飲品中很容易混入細菌，口服后對胃腸道產生影響，危害消費者的身體健康。在飲品生產的工藝環節及所用材料中使用二氧化氯進行滅菌消毒，可以除去病原微生物。同時，二氧化氯不易殘留，安全可靠，不會影響飲品的口感，能滿足人們對飲品質量的期待。

奶牛乳房炎是影響牛奶品質的重要因素，而引起奶牛乳房炎的病原菌主要為無乳鏈球菌、停乳鏈球菌、乳房鏈球菌、表皮葡萄球菌、大腸埃希氏菌和金黃色葡萄球菌6種，殺滅或抑制這些致病菌則有利于奶品質量的提高。丘通強等[46]以一種液態的穩定性二氧化氯作為擠前藥浴，對乳區表面消毒后的菌落總數進行無重復雙因素方差分析，發現二氧化氯對乳頭表面的殺菌效果超過98%，且成本較低，驗證了二氧化氯作為奶牛乳頭擠前藥浴的安全性、有效性和經濟性，對廣大牧場降本增效具有較大的參考意義。

3.4 在肉制品保鮮中的應用

肉制品的生產流水線中，生禽水線的污染是主要問題，可以利用二氧化氯來對水線進行清理。利用二氧化氯的強氧化性可殺滅細菌。同時還可在生禽水塔中加入二氧化氯，一方面保證飲水健康，除去水中的金屬離子和其他有害物質，另一方面可以保持水線清潔[47]。

陳曉麟等[48]使用50 mg/L二氧化氯處理豬肉，在冷藏條件下能延長其貨架期至6 d；使用150 mg/L二氧化氯處理毛肚，能延長其保質期至10 d；采用250 mg/L二氧化氯處理鴨腸，可將其保質期延長至9 d。純CO預處理與50 mg/L二氧化氯和30 g/L乳酸相結合，能夠有效抑制細菌生長，降低牛肉腐敗程度，延長牛肉保質期[49]。

另外，Visvalingam 等[50]研究了二氧化氯、酸化亞氯酸鈉和過氧乙酸對牛肉中大腸桿菌O157：H7的有效性控制，結果顯示：二氧化氯是最有效的抗微生物劑，其濃度是影響牛肉中大腸桿菌O157：H7 數量的關鍵因素。

3.5 在食品保鮮包裝中的應用

利用藥物的緩控釋技術，將二氧化氯應用于食品保鮮包裝中已逐漸受到重視。肖生苓等[51]開發了一種二氧化氯緩釋保鮮紙，其以紙基為載體，以亞氯酸鈉為二氧化氯的前驅體，通過控制酸活化劑的量和作用時間，達到抑菌殺毒、延長果蔬保鮮期的目的，為木質纖維類綠色保鮮材料的研發提供了技術與支持。楊莎[52]設計了一種全新的緩釋型二氧化氯制劑——二氧化氯膜，A膜負載了被β-環糊精包合的活化劑組分，B 膜負載了被聚乙烯醇包覆的亞氯酸鈉，A、B 膜之間添加控釋薄膜，使有效釋放率提高至25%，而且延長有效釋放時間達17 d，較普通的緩釋型二氧化氯制劑保鮮時間長。

4 結語

二氧化氯因其廣譜高效的抗菌特性和保鮮效果逐漸被食品保鮮行業所青睞，目前已在飲用水消毒以及果蔬、水產品、飲品、肉制品、抗菌食品包裝等領域均有研究和應用，其抗菌保鮮效果取決于使用時的形態、濃度和頻次，且濃度起到了最關鍵的影響。因此，建議在二氧化氯基礎研究上，更加注重濃度相關的安全性和實用性研究，尤其在二氧化氯緩控釋制劑及包裝材料的研究、開發、應用中應進一步加大研發力度，以降低其生物毒性，充分利用其優異的抗菌消毒保鮮效果。同時，二氧化氯本身還存在著以下兩個亟待解決的難題，在研究和應用中應重點關注：其一，二氧化氯沸點低，需利用藥物前體或添加適宜載體輔料才能制成較穩定的食品保鮮劑、包裝材料抗菌劑等；其二，目前二氧化氯相關緩釋劑型的釋放可控性不佳，在開發相應緩控釋劑型和食品包裝材料時應重點考慮其控制釋放性能的研究。