含銅鐵素體不銹鋼抑制食品腐敗的作用

張 壯 楊春光 趙金龍 李 綺 楊 柯

(1.遼寧大學化學院, 遼寧 沈陽 110036；2.中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創新中心，遼寧 沈陽 110016)

隨著生活水平的提高，人們對生活質量有了更高層次的追求。近年來頻發的食物中毒及食源性疾病事件引起了人們對食品安全的極大重視，如何延長食品保鮮期已成為家庭食品安全的主要關注點之一[1-2]。由于微生物可以利用食品中的營養物質促進自身生長繁殖形成生物膜[3-4]，導致食品易腐敗變質，縮短食品的保鮮期。因此，尋找通過調控食品的生物污染來預防食品腐敗的存儲環境，對于加強大眾食品安全具有重要的現實意義。

近年來，楊柯課題組所研發的抗菌不銹鋼很大程度上滿足了人們對抗菌生活制品的需求，在一定程度上為抑制食品的微生物污染、延長食品保鮮期提供了新的研究方向。鐵素體不銹鋼在廚房設施、微波爐、冰箱、洗碗機、食品運輸車、運輸管道等與食品相關的領域中應用廣泛[5]。含銅鐵素體不銹鋼不僅具有優異的耐腐蝕性能、成形性能、外觀質量及成本低廉等特點，還具備強烈、長效的抗菌功能[6-7]，能在一定程度上抑制微生物所導致的食品腐敗。但目前尚未開展相關的研究。

本文以含銅430鐵素體不銹鋼(430-Cu不銹鋼)作試驗材料，以430不銹鋼作對照材料，初步研究了430-Cu不銹鋼延緩鮮榨果汁及新鮮魚肉腐敗的作用，分析了含銅鐵素體不銹鋼與食品接觸的可行性和科學性，以期通過調控食品表面及保存環境中的微生物對食品進行防腐保鮮，為含銅鐵素體不銹鋼在食品行業的應用提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 材料準備

試驗用430不銹鋼和430-Cu不銹鋼由中國科學院金屬研究所提供，其化學成分如表1所示。

表1 430和430-Cu不銹鋼的化學成分(質量分數)

試驗用兩種不銹鋼采用25 kg真空感應爐在相同工藝條件下冶煉，鑄錠在1 100 ℃保溫30 min后鍛造成5 mm厚的試板。將兩種不銹鋼在800 ℃保溫30 min水冷固溶處理。隨后對430-Cu鋼進行抗菌熱處理：在550 ℃保溫1 h后冷卻至室溫，以析出足夠的抗菌富Cu相。將兩種試驗材料分別線切割成10 mm×10 mm×5 mm和40 mm×40 mm×5 mm的試樣[8]，用砂紙打磨至1 000號，然后采用體積分數為75%的酒精溶液清洗。

用鮮榨橙汁和新鮮魚肉作為研究對象。試驗前對橙汁進行滅菌處理，將新鮮魚肉切成40 mm×40 mm的塊狀。

1.2 抗菌性測試

采用平板計數法[9]檢測試驗材料的抗菌性能，在超凈臺進行。試驗用細菌為大腸桿菌(Escherichiacoli,E.coli, ATCC 25922)，是一種食源性致病菌。選用Luria-Bertani(LB)培養基作為細菌的標準培養基[10]，其組成為：5 g牛肉膏，5 g NaCl，10 g蛋白胨，20 g瓊脂及1 000 mL蒸餾水。采用體積分數為4%的NaOH溶液將培養基溶液的pH值調節至7.2±0.1。在測試抗菌性能之前，將所有的試驗器具放置在高溫高壓鍋中滅菌，滅菌溫度和時間為(121±2)℃和20 min。將所有試樣置于體積分數為75%的酒精溶液中超聲清洗20 min，隨后吹干。

在抗菌性能測試中，首先采用磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline, PBS)配置105CFU/ml濃度的E.coli細菌懸液，抽取50 μL滴加在滅菌的不銹鋼試樣表面，隨后將裝有試樣的孔板放在濕度為95%的(37 ± 2)℃恒溫箱(Heraeus B6060, Germany)中進行培養，培養時間為24 h。然后沖洗不銹鋼試樣表面的細菌，采用一定的稀釋倍數制備成細菌懸液。抽取100 μL細菌懸液滴在LB培養基表面進行平板涂覆。將平板置于同一恒溫箱中進行培養，培養時間為24 h，隨后進行細菌菌落的計數。抗菌率的計算公式：

K%=(α0-αT)/α0×100%

式中：K為抗菌率，α0為對照試樣430不銹鋼表面的菌落數，αT為430-Cu不銹鋼表面的菌落數。此外，每種試樣做3個平行樣。

1.3 鮮榨橙汁的保存

試驗用鮮榨果汁為市售100% NFC橙汁(農夫山泉)，抽取30 mL將其分別置于裝有430和430-Cu不銹鋼的滅菌培養皿中，試樣尺寸均為40 mm×40 mm×5 mm，試驗環境溫度為(37±2)℃。

1.4 新鮮魚肉的保存

試驗用魚肉是市場當日出售的冷鮮魚肉，將其切成40 mm×40 mm、質量相同的薄片，分別鋪展在尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不銹鋼試樣表面，環境溫度為(23±2)℃。

1.5 感官評定

采用感官評價方法，并根據NY 82.2—1988《果汁測定方法》和GB/T 37062—2018《水產品感官評價指南》，對保存不同時間的果汁和魚肉的色澤、氣味及狀態等感官指標進行評價[11-12]。鮮榨橙汁的評價時間點為初始狀態、保存5和10天；新鮮魚肉的評價時間點為初始狀態、保存9天。

1.6 微生物菌落總數測定

考察430-Cu不銹鋼對鮮榨橙汁的抗菌性能,所用細菌為E.coli，采用鮮榨橙汁配置103CFU/mL濃度的E.coli細菌懸液。抽取2 mL菌液分別置于尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的430和430-Cu不銹鋼試樣表面，置于37 ℃恒溫恒濕培養箱中培養，培養時間為4和8 h。然后分別抽取100 μL細菌懸液滴在LB培養基上進行平板涂覆。將平板置于同一恒溫箱中培養，培養時間為24 h，檢測不同時間內菌落數量的變化。

1.7 電導率測定

分別取不同時間內430和430-Cu不銹鋼試樣表面的新鮮魚肉3 g，搗碎后加入30 mL蒸餾水震蕩后用電導率儀(DDS-11A)測定新鮮魚肉浸出液的電導率。測試時間點為初始狀態和保存3、6、9、12、15天。

2 結果與討論

2.1 抗菌性

采用平板計數法研究了430-Cu不銹鋼對E.coli的抗菌性，平板表面的活菌分布狀態見圖1。通過計算，430-Cu不銹鋼的抗菌率達99.9%。從圖1可明顯看出，試驗材料與E.coli共培養24 h后，430不銹鋼表面有大量的菌落，而430-Cu不銹鋼表面則沒有，表明430-Cu不銹鋼抑制了細菌的繁殖。這是由于430-Cu不銹鋼含銅，在時效處理過程中，隨著富銅相的析出，材料的抗菌性能得到了提高。當細菌與430-Cu不銹鋼接觸時，溶出的銅離子將進入細胞，導致細胞膜滲漏甚至破裂或在細胞內加速Fenton反應而產生大量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，細胞內ROS過量會對微生物造成不可逆轉的損傷甚至凋亡[13]，最終使430-Cu不銹鋼顯示出強烈的抗菌性能。

圖1 與E.coli共培養24 h 后430和430-Cu不銹鋼表面的菌落情況

2.2 新鮮果汁保鮮

果汁的腐敗變質是一個非常復雜的過程，受生物、化學以及物理(主要為環境)等多種因素的影響。新鮮果汁腐敗主要是微生物發酵、代謝及增殖等過程共同作用所導致的。果汁中富含的蛋白質、糖類在細菌的作用下引發氧化或酶促進反應而發生褐變，細菌含量越高，相應的褐變效應越明顯。而果汁腐敗變質后氣味及狀態的變化是酵母菌的發酵產生乙醇及引起有機酸變化所致[14-15]。圖2為在(37±2)℃恒溫條件下，鮮榨橙汁的空白對照及在430和430-Cu不銹鋼表面的初始狀態，以及共培養5、10天后橙汁的感官變化。

圖2 初始狀態及與430和430-Cu不銹鋼共培養5和10天的鮮榨橙汁的宏觀形貌

試驗結果顯示：在共培養5天后，空白對照及同430不銹鋼共培養的果汁色澤暗淡且表面出現少量白色菌落；而同430-Cu不銹鋼共培養的果汁表面狀態基本未變，只有些許顏色變化。隨著培養時間延長到10天，空白對照及同430不銹鋼共培養的果汁表面菌落面積逐漸擴展，表面被大量黑色菌落覆蓋，果汁呈膠體狀且氣味發酸；而同430-Cu不銹鋼共培養的果汁無菌落，僅失去了果香味，底部有絮狀沉淀物。這表明430-Cu不銹鋼對果汁的腐敗有一定的抑制作用。

此外，進一步考察了430-Cu不銹鋼對鮮榨橙汁中微生物菌落數的影響。鮮榨橙汁中微生物菌落數變化的測定結果(圖3)表明：在共培養4 h后，430不銹鋼表面出現大量E.coli菌落，而430-Cu不銹鋼表面菌落數明顯較少。隨著共培養時間延長到8 h，430不銹鋼表面E.coli菌落數急劇增加，430-Cu不銹鋼表面菌落數雖有增加，但仍遠低于430不銹鋼表面的菌落數。這表明在果汁環境中，430-Cu不銹鋼也具有良好的抗菌性。可見，通過控制食品中微生物的繁殖可有效延長食品的保鮮期，抑制其腐敗。

圖3 果汁環境中與E.coli共培養4和8 h后430和430-Cu不銹鋼表面的菌落數

2.3 新鮮魚肉保鮮

新鮮魚肉含有較高的水分，十分適合微生物的生存，因此易遭受微生物污染而加速腐敗。肉制品發生變化時可通過色澤、氣味、狀態等感官指標觀察到。圖4為新鮮鯽魚肉在430和430-Cu不銹鋼表面的初始狀態及共培養9天后外觀的變化。

圖4 初始狀態和共培養9天后430和430-Cu不銹鋼表面魚肉的宏觀形貌

試驗結果顯示：在共培養9天后，相較于放置在430-Cu不銹鋼表面的新鮮魚肉，430不銹鋼表面的魚肉粘液滲出更嚴重且顏色更深，且其海腥味加重、彈性變差。新鮮魚肉產生的粘液是蛋白質分解產物和微生物菌落融合在魚肉表面而產生的粘性物，同時微生物大量繁殖后會產生色素導致顏色加深[16]。此外，胺類、吲哚及硫化氫等有刺激性氣味的化合物會在魚肉腐敗過程中伴隨微生物分解蛋白質而產生[17]。

肉制品的電導率變化可作為其新鮮程度的評判標準。隨著微生物菌落數的增多，肉制品中蛋白質的分解產物越多，電導率增大，魚肉的品質變差。圖5為430和430-Cu不銹鋼表面新鮮魚肉的電導率隨時間的變化。隨著培養時間的延長，新鮮魚肉的電導率增大，但430不銹鋼表面的新鮮魚肉的電導率上升速度更快，在相同的培養時間點，其數值更高且差異性明顯。其原因是：430不銹鋼不具備抗菌功能，魚肉中的微生物將蛋白質、脂肪等轉化為小分子化合物從而產生大量的離子，進而促使電導率增大，導致新鮮魚肉腐敗[18]。

圖5 430不銹鋼和430-Cu不銹鋼表面的魚肉浸出液的電導率隨時間的變化

3 結論

(1)時效處理后的430-Cu不銹鋼具有優異的抗菌性能，對E.coli的殺菌率達99.9%。

(2)430-Cu不銹鋼能抑制細菌繁殖，能使鮮榨果汁和新鮮魚肉等食品在保存期內不發出異味和發生外觀質量的變化。

(3)放置在430-Cu不銹鋼表面的新鮮魚肉的電導率變化緩慢，延長了新鮮肉制品的保鮮期。