压电冷等离子体灭活单增李斯特菌与鼠伤寒沙门氏菌的氧化应激、结构损伤与代谢通路机制研究

《Archives of Microbiology》：Inactivation of Listeria monocytogenes and Salmonella Typhimurium by piezoelectric cold plasma: oxidative, structural and metabolic pathways

本研究针对食源性病原菌防控难题，采用压电直接放电（PDD）冷大气等离子体（CAP）技术，系统探究其对单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）和鼠伤寒沙门菌（Salmonella Typhimurium）的杀菌机制。研究发现，CAP处理通过诱导活性氧（ROS）积累、引发脂质过氧化（MDA升高）、破坏细胞膜完整性（PI渗透率增加）及抑制苹果酸脱氢酶（MDH）活性等多重途径，实现时间依赖性杀菌效果（9分钟处理可使菌落数降低≤6.5 log CFU/mL），为食品非热杀菌技术提供了理论依据与应用前景。

　　

在全球范围内，食源性疾病每年导致约6亿人患病和42万人死亡，造成巨大的健康负担和经济损失。其中，鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）和单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）是两种尤为突出的食源性病原菌，常污染肉类、乳制品和即食食品，威胁消费者健康。传统的热杀菌和化学防腐方法虽有效，但易破坏食品营养和风味，且难以满足消费者对“清洁标签”和最小加工食品的需求。因此，开发高效、低温、无化学残留的新型非热杀菌技术成为食品工业的迫切需求。

冷大气等离子体（Cold Atmospheric Plasma, CAP）作为一种新兴非热加工技术，通过气体放电产生富含活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、活性氮（Reactive Nitrogen Species, RNS）、臭氧等活性物质，可在常温下高效杀灭微生物。近年来，压电直接放电（Piezoelectric Direct Discharge, PDD）技术因其设备紧凑、能效高、无需外加气源等优势，在食品接触表面杀菌中展现出良好应用前景。然而，关于PDD产生的CAP对细菌的确切杀菌机制，尤其是其对细胞氧化应激、结构完整性和代谢功能的多靶点作用，尚缺乏系统研究。

为此，研究人员在《Archives of Microbiology》上发表论文，系统探讨了PDD-CAP对单增李斯特菌和鼠伤寒沙门氏菌的杀菌机制。研究通过细菌培养计数、扫描电子显微镜（SEM）、脂质过氧化指标（MDA）、活性氧积累、膜通透性以及苹果酸脱氢酶（MDH）活性等多重实验手段，全面评估了CAP处理（0、1、6、9、15分钟）对两种病原菌的生理和结构影响。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：使用压电直接放电（PDD）设备产生冷大气等离子体（CAP）；通过选择性琼脂平板计数法评估细菌存活率；利用H2DCFDA荧光探针检测细胞内活性氧（ROS）水平；采用硫代巴比妥酸反应法测定丙二醛（MDA）含量以评估脂质过氧化；使用过氧化物检测试剂盒测定过氧化物值（PV）；通过苹果酸脱氢酶（MDH）活性试剂盒评估代谢功能；借助碘化丙啶（PI）染色分析细胞膜完整性；并利用扫描电子显微镜（SEM）观察细菌形态结构变化。

评价CAP处理对细菌存活率的影响

研究发现，CAP处理时间与杀菌效果呈正相关。处理6分钟后，鼠伤寒沙门氏菌和单增李斯特菌的活菌数分别下降5.7 log CFU/mL和4.1 log CFU/mL；处理9分钟和15分钟后，两者活菌数均降至检测限以下（≤6.6 log CFU/mL）。这表明PDD-CAP具有显著的时间依赖性杀菌作用，且鼠伤寒沙门氏菌（革兰氏阴性）对CAP更为敏感，可能与其细胞壁结构较薄有关。

氧化应激与脂质过氧化分析

细胞内ROS水平随CAP处理时间延长而显著上升。处理15分钟后，鼠伤寒沙门氏菌和单增李斯特菌的ROS分别增加591%和314%。同时，脂质过氧化标志物MDA和过氧化物值（PV）在处理9分钟后显著升高，尤其在鼠伤寒沙门氏菌中表现更为明显。说明CAP通过诱导氧化应激，破坏细胞膜脂质结构，是导致细菌死亡的关键机制之一。

代谢活性与膜完整性评估

苹果酸脱氢酶（MDH）活性随CAP处理时间延长而显著降低，表明细菌能量代谢途径受损。此外，碘化丙啶（PI）染色显示，细胞膜通透性在处理6分钟后显著增加，9~15分钟后达到96%~100%，证实CAP破坏细胞膜完整性，导致内容物泄漏。

细胞形态结构观察

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，未经处理的细菌细胞形态完整、表面光滑；而经CAP处理6分钟后，细胞出现孔隙、收缩、胞质泄漏等严重形态损伤，其中鼠伤寒沙门氏菌的结构损伤更为多样和严重。

综上所述，本研究系统阐明了PDD-CAP通过诱导氧化应激、破坏细胞膜完整性、抑制代谢酶活性以及引起形态损伤等多重机制，实现对食源性病原菌的高效杀菌。该技术不仅具有时间依赖性和物种特异性（革兰氏阴性菌更敏感），而且操作温度低、无化学残留，适用于热敏感食品的加工保鲜。研究结果为CAP在食品工业中的标准化应用提供了重要理论依据，未来需进一步考察其在不同食品基质中的杀菌效果及对产品品质的影响，以推动该技术的产业化进程。