碘化钾增强等离子体活化水的抗菌活性及其在食品安全中的应用机制研究

为解决传统消毒剂对生物膜和耐药菌株效果有限的问题，研究人员开展等离子体活化水(PAW)联合碘化钾(KI)的协同抗菌机制研究。研究发现低浓度KI(<100 μM)可促进PAW中原位生成活性碘物种(RIS)，显著提升对大肠杆菌(E. coli)和李斯特菌(L. monocytogenes)的杀灭效率，3分钟内实现完全灭活。该研究为开发环境友好型消毒技术提供了新思路。

　　

微生物污染始终是威胁全球食品安全的重大挑战，尤其是大肠杆菌(Escherichia coli)、沙门氏菌(Salmonella enterica)和李斯特菌(Listeria monocytogenes)等病原体，不仅导致严重食源性疾病，还能形成具有强耐受性的生物膜。传统化学消毒剂存在环境残留、耐药性等问题，而新兴的等离子体活化水(Plasma-Activated Water, PAW)技术虽能产生过氧化氢(H₂O₂)、硝酸盐(NO₃^-)等活性物质，但对顽固性生物膜仍显不足。如何在保持环境友好特性的同时提升PAW的抗菌效力，成为亟待解决的科学问题。

在这项发表于《Biofilm》的研究中，Laura A. McClenaghan团队创新性地将食品级碘化钾(KI)引入PAW体系。通过火花放电(Spark discharge)和辉光放电(Glow discharge)两种方式制备PAW，结合化学定量分析、微生物灭活实验和共聚焦显微镜等技术，系统研究了KI对PAW抗菌性能的增强作用及其分子机制。

主要技术方法

研究采用标准菌株NCTC 12241(大肠杆菌)、DSM 17058(沙门氏菌)和NCTC 10357(李斯特菌)，通过火花放电系统生成PAW。利用钛(IV)氧硫酸盐法测定H₂O₂浓度，硝酸盐检测试剂盒分析NO₃^-含量。抗菌实验涵盖浮游菌和24小时生物膜模型，采用化学清除剂(如丙酮酸钠、L-组氨酸)鉴定关键活性物质，并通过LIVE/DEAD染色结合共聚焦显微镜观察杀菌效果。

研究结果

ROS/RNS测量

火花PAW含1.2 mM H₂O₂和136 mg/L NO₃^-，而辉光PAW主要产生NO₂^-。添加10-100 μM KI后，H₂O₂浓度反常增加50%，达1.8 mM，NO₃^-提升17%，pH稳定在2.15-2.37的酸性环境。

抗菌活性

PAW+50 μM KI可在3分钟内完全灭活浮游态大肠杆菌和李斯特菌，而单独PAW需10分钟以上。对沙门氏菌则仅实现2-log减量，显示菌种特异性差异。生物膜实验中，100 μM KI处理10分钟可完全清除李斯特菌生物膜，但沙门氏菌生物膜仍保持部分活性。

作用机制

清除剂实验表明H₂O₂和单线态氧是关键杀菌物质。pH调节实验证实，当pH>10.5时(高于次碘酸HIO的pKa)，抗菌活性显著降低，提示电中性HIO分子是主要杀菌成分。

稳定性研究

PAW+KI在4°C储存14天后仍保持稳定抗菌活性，H₂O₂和NO₃^-浓度无显著下降，表明其具有实际应用潜力。

结论与意义

该研究揭示了PAW-KI协同作用的四步机制：等离子体产生酸性氧化环境→碘离子氧化为I₃^-/HIO→PAW活性物质增强RIS化学→HIO穿透细胞膜引发氧化损伤。这一发现不仅为理解等离子体-卤素协同杀菌提供了新视角，更开发出仅需空气、水和电就能现场生成的绿色消毒系统。相较于传统碘制剂，该技术残留风险低，在食品加工、医疗器械消毒等领域具有广阔应用前景。未来研究可进一步探索RIS对不同菌种膜结构的特异性作用，以及与其他抗菌策略(如噬菌体)的联合应用潜力。