微生物污染是最主要的食品安全問題，其中大腸桿菌（

Escherichia coli

超聲技術作為一種非熱殺菌手段，能夠在不破壞食品原有風味、營養(yǎng)成分和色澤的同時實現(xiàn)有效的微生物滅活。然而超聲單獨處理存在殺菌效率不足的局限性，且空化效應可能導致氣溶膠擴散引發(fā)潛在的交叉污染風險。目前，已有研究將超聲與其他非熱技術（如紫外、電解水、脈沖電場等）結合使用，從而實現(xiàn)能源利用效率和成本效益的最優(yōu)化。紫外是電磁波譜中波長介于10 nm至400 nm之間的一部分，根據(jù)波長不同，可分為紫外-A（315～400 nm）、紫外-B（280～315 nm）和紫外-C（100～280 nm）。其中，紫外-C波段對微生物具有最強的殺菌效果，其作用機制主要是通過破壞微生物DNA中的嘧啶和胞嘧啶基對，干擾遺傳物質(zhì)的正常復制與轉錄過程，從而達到殺菌目的。

浙江大學寧波國際科創(chuàng)中心的吳雨豪、陳怡、呂瑞玲*等當前研究主要集中于通過調(diào)控超聲參數(shù)（頻率和功率）、紫外參數(shù)（波長和輻照時間）以及操作條件（溫度、壓力和介質(zhì)性質(zhì)）優(yōu)化超聲與紫外的聯(lián)合使用。盡管該聯(lián)合技術的殺菌效果已被廣泛證實，但其具體的殺菌機制及協(xié)同作用仍缺乏系統(tǒng)性闡釋。本研究基于動力學模型擬合大腸桿菌O157:H7的殺菌曲線，并從多維度分析超聲、紫外及其聯(lián)合應用對大腸桿菌O157:H7的綜合影響，包括細菌形態(tài)變化、細胞膜性質(zhì)改變及氧化應激水平等方面，通過細胞層面的初步探討揭示超聲與紫外聯(lián)合處理的殺菌機制，以期為其在食品安全領域的應用提供理論依據(jù)。

01

超聲和紫外處理對大腸桿菌O157:H7的殺菌作用

如圖2a所示，不同處理方式對大腸桿菌O157:H7的殺菌效果存在顯著差異。短時間作用下，超聲處理組的細菌計數(shù)（lg（CFU/mL））隨時間幾乎沒有變化，單獨超聲殺菌效果并不顯著。相比之下，紫外處理組菌落計數(shù)隨處理時間持續(xù)下降，處理40 s殺滅約2（lg（CFU/mL））的菌株。聯(lián)合處理組殺菌效果最為顯著，處理10 s即導致菌落數(shù)迅速下降，40 s聯(lián)合處理殺滅了8.3（lg（CFU/mL））的大腸桿菌O157:H7。因此，超聲聯(lián)合紫外處理可能存在協(xié)同效應，從而顯著提升殺菌效率。腸桿菌O157:H7的活菌數(shù)都在減少。但先超聲后紫外在40 s內(nèi)減少了約4（lg（CFU/mL））的活菌，顯著高于先紫外后超聲組的1.5（lg（CFU/mL）），這表明超聲可能通過破壞菌體結構，顯著增強了后續(xù)紫外處理的殺菌效率。

圖2b比較了超聲紫外不同處理順序對大腸桿菌O157:H7殺菌效果的影響。可以看出隨著處理時間的延長，兩種處理方式下大腸桿菌O157:H7的活菌數(shù)都在減少。但先超聲后紫外在40 s內(nèi)減少了約4（lg（CFU/mL））的活菌，顯著高于先紫外后超聲組的1.5（lg（CFU/mL）），這表明超聲可能通過破壞菌體結構，顯著增強了后續(xù)紫外處理的殺菌效率。

表1顯示隨處理時間延長，聯(lián)合處理表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應，且該效應的增長速度整體上呈現(xiàn)出上升趨勢，40 s時達到（5.21±0.19）（lg（CFU/mL））。超聲的機械效應促使溶液振動，可加強紫外對細菌表面的均勻殺菌能力。有研究指出，超聲生成的空化泡在細菌附近區(qū)域破裂時，其崩潰產(chǎn)生的劇烈壓力變化能對細胞造成機械傷害，如Lv Ruiling等研究發(fā)現(xiàn)超聲處理后蠟樣芽孢桿菌芽孢外壁脫落引起芽孢體積減小，表面光滑。此外，超聲還可能觸發(fā)細胞內(nèi)機械敏感離子通道的活化，進一步促進紫外滲透，實現(xiàn)更高效的協(xié)同殺菌。

02

超聲和紫外協(xié)同殺菌機制的動力學模型

采用Log-liner模型、Weibull模型以及Log-Logistic模型分析不同處理過程中大腸桿菌O157:H7的殺菌動態(tài)。利用R2、以及RMSE等參數(shù)評估模型擬合優(yōu)度。圖3顯示大腸桿菌O157:H7的殺菌曲線并未展現(xiàn)出線性特征。非線性擬合的Weibull模型對單獨超聲和單獨紫外處理組表現(xiàn)出最佳擬合效果（

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03

超聲和紫外處理對細胞膜完整性的影響

PI是一種熒光染料，僅能通過受損的細胞膜進入細胞內(nèi)部與DNA結合，當這些結合后的PI受到光的激發(fā)時，會發(fā)出紅色熒光，因此可作為細胞膜完整性的有效指示劑。圖4展示了大腸桿菌O157:H7經(jīng)超聲、紫外及聯(lián)合處理后經(jīng)PI染色的結果。在40 s短時間處理下，單獨超聲和聯(lián)合處理組的熒光強度與對照組無顯著差異，而單獨紫外處理組熒光強度有所降低。這表明細胞膜作為超聲作用的主要靶點，其受到的影響有限，作用機制可能主要通過在細胞膜上形成微孔，增加通透。但紫外照射可能損傷DNA，減少PI的結合位點，降低熒光。與平板計數(shù)法相比，聯(lián)合處理后的PI標記率較低，這表明聯(lián)合處理可能不僅損傷細胞膜，還破壞了DNA結構，從而影響PI的結合效率。

04

超聲和紫外處理對胞內(nèi)酯酶的影響

cFDA是一種親脂、本身不發(fā)光的化合物，它能自由通過細胞膜進入細胞內(nèi)部。在細胞內(nèi)部，cFDA被非特異性的酯酶水解，生成一種具有熒光的極性探針cF，由于其極性的存在，cF無法穿越細胞膜返回至細胞外。因此，通過測定cF的熒光強度，能夠定量分析細胞內(nèi)的酯酶活性。圖5展示了大腸桿菌O157:H7在不同處理條件下經(jīng)cFDA染色后的熒光強度。超聲處理組與對照組無顯著差異，表明單獨使用超聲處理對細胞內(nèi)酯酶活性影響有限，可能歸因于革蘭氏陰性菌特有外膜結構中脂多糖形成的分子屏障，有效抵御多種外源性分子的侵襲如表面活性劑、溶菌酶、疏水性染料及抗生素等，限制了cFDA的滲透能力，導致轉化效率受到影響。而紫外處理組熒光強度顯著低于對照組，說明紫外處理可能降低了細胞的酯酶活性，對細胞造成了損傷。超聲與紫外聯(lián)合處理組的熒光強度明顯高于其他處理組，可能的機制是當?shù)蛷姸瘸晥鲈诙虝r間內(nèi)作用于大腸桿菌O157:H7時，能夠有效破壞其細胞外膜結構，進而使得cFDA染料能夠順利進入細胞內(nèi)被轉化成cF。超聲和紫外的協(xié)同效應中，超聲可能促進紫外對細胞的影響，或者是兩種處理方法導致細胞應激反應，從而增加了細胞對cFDA的轉化效率。

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超聲和紫外處理對細胞超微結構的影響

透射電子顯微鏡（圖6）揭示了大腸桿菌O157:H7經(jīng)不同處理后的超微結構變化。未經(jīng)處理的細菌細胞（圖6A）呈現(xiàn)正常的短桿狀，細胞形態(tài)規(guī)則，結構完整，無明顯損傷，細胞壁清晰，胞內(nèi)結構分布均勻。超聲處理組（圖6B）相較對照組顯示出一定程度的形態(tài)改變，部分細胞的邊緣出現(xiàn)不規(guī)則性改變，這表明短時間內(nèi)超聲處理對細胞壁和膜造成了一定的機械損傷。紫外處理組（圖6C）表現(xiàn)出更顯著的結構破壞，細胞壁模糊，細胞內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則的空洞，可能是紫外導致DNA損傷后細胞內(nèi)容物流失的結果。圖6D中，超聲與紫外聯(lián)合處理后大腸桿菌O157:H7顯示出更為嚴重的損傷，細胞壁和膜結構破損明顯，胞內(nèi)結構嚴重受損，空洞更為顯著，表明超聲和紫外的協(xié)同效應對細胞結構的破壞作用最強。綜合圖像可以得出，超聲和紫外處理對大腸桿菌O157:H7造成了從輕微到重度不等的損傷，且聯(lián)合處理具有更強的破壞作用，從而影響細胞功能和存活。

06

超聲和紫外處理對胞內(nèi)ATP含量的影響

ATP不僅是細胞內(nèi)的主要能量載體，支撐著細胞各種生命活動，也是應對外界刺激的信號分子，在細胞受到壓力時會從細胞內(nèi)部釋放到外部。圖7顯示，與對照組相比，超聲處理細胞內(nèi)ATP含量有所上升，表明超聲處理可能對細胞代謝活動造成了影響。而紫外處理后，大腸桿菌O157:H7胞內(nèi)ATP含量相比對照組無顯著變化，這可能是因為紫外輻射對細胞的能量代謝有更強的抑制作用。經(jīng)超聲與紫外聯(lián)合處理后，細菌胞內(nèi)ATP含量有所上升，這與通常預期聯(lián)合處理會有更強的抑制效果相反。這種現(xiàn)象可能表明短時間內(nèi)聯(lián)合處理后細胞通過某種機制維持或恢復了ATP生成，或者這些處理可能誘導了細胞的應激反應導致ATP含量暫時性增高，也可能源于超聲產(chǎn)生的較弱的微流效應對ATP合成過程起到了某種促進作用。綜合上述結果可以推斷，無論是超聲還是紫外處理，均會對大腸桿菌O157:H7的能量代謝產(chǎn)生影響。然而，當這兩種處理方式聯(lián)合應用時，可能引發(fā)了更為復雜的生物學響應，進一步擾亂了細菌的正常生理功能。這種聯(lián)合效應最終導致細胞活力的顯著降低，甚至引發(fā)細胞死亡。

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超聲和紫外處理對胞內(nèi)活性氧水平的影響

如圖8所示，各處理組活性氧水平較對照組顯著升高，聯(lián)合處理組熒光強度達到最高，為4.96±0.16。超聲處理組熒光強度略高于對照組，表明超聲處理可能誘導了輕微的氧化應激，導致活性氧水平升高。紫外處理組熒光強度進一步提升，暗示紫外照射較超聲更能促進活性氧的產(chǎn)生，這可能與其引發(fā)的DNA和細胞結構損傷有關。而超聲與紫外聯(lián)合處理組展現(xiàn)出最高的熒光強度，顯著高于其他所有處理組，這可能表明超聲和紫外的組合作用極大地增加了活性氧的產(chǎn)生，這種增加的氧化應激可能對細胞功能產(chǎn)生重大影響。

08

超聲和紫外處理對DNA的損傷

圖9展示了大腸桿菌O157:H7在不同處理條件下經(jīng)Hoechst染料染色后的熒光強度。超聲處理組熒光強度高于對照組，表明超聲處理導致細胞膜的滲透性增加，使Hoechst染料更易進入細胞內(nèi)與DNA結合。低強度超聲主要作用于DNA超螺旋結構，使其結構變得松散，暴露出更多的雙螺旋小溝區(qū)域，為Hoechst染料提供了更多的結合位點。相反，紫外處理組熒光強度較低，這可能意味著紫外照射損傷了DNA，或減少了細胞內(nèi)可結合染料的位點。超聲與紫外聯(lián)合處理時大腸桿菌O157:H7熒光強度最高，達到51.90±3.10，這可能是由于超聲和紫外的聯(lián)合效應增強了染料與DNA的結合，或者因為處理導致了DNA裸露或累積損傷，增加了染料結合位點，表明該處理可能對細胞DNA造成了顯著的結構改變或損傷。研究表明，超聲穩(wěn)態(tài)空化產(chǎn)生的微聲流以及瞬時空化所引發(fā)的剪切力共同作用于大腸桿菌O157:H7的二級和三級結構，從而顯著改變了其DNA結構。但在超聲與紫外聯(lián)合作用后，對DNA具體的損傷機制尚不明確。因此，下一步應深入分析聯(lián)合處理下大腸桿菌O157:H7的差異表達基因，從分子層面對殺菌機制作出探究。

結論

超聲和紫外聯(lián)合處理殺菌具有協(xié)同效應，40 s即可殺死8.3（lg（CFU/mL））的大腸桿菌O157:H7。本研究初步探討了超聲聯(lián)合紫外處理殺滅大腸桿菌O157:H7的機制，聯(lián)合處理對細胞DNA造成了顯著的結構改變或損傷，影響PI的結合效率。同時超聲可能促進了紫外對細胞的影響，導致細胞應激反應，從而增加了細胞對cFDA的轉化效率。通過比較不同處理方式對細胞超微結構的影響，可以發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理對細胞功能和存活具有最大的破壞作用。短時間內(nèi)聯(lián)合處理誘導了細胞的應激反應，導致ATP含量暫時性增高繼而影響細菌的正常生理功能。同時，超聲的機械效應促使自由基等氧化性物質(zhì)滲透細胞膜，在與紫外聯(lián)合處理下，進一步增加了細胞的氧化應激，引起細胞內(nèi)活性氧水平上升。

作者簡介

通信作者：

呂瑞玲 助理研究員

浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院

主要研究方向為食品新型加工技術、食品微生物檢測與控制，博士畢業(yè)于浙江大學，期間曾赴加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）訪學1年。現(xiàn)任

Applied Sciences

Food Research International、Applied Microbiology and Biotechnology

LWT-Food Science and Technology, Ultrasonics sonochemistry, Food Control

第一作者：

陳怡 碩士研究生

浙江大學食品工程

畢業(yè)于華中科技大學分析化學專業(yè)，碩士研究生學歷，現(xiàn)為湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗研究院檢驗技術人員，主要研究方向為食品安全快速檢測。主持國家市場監(jiān)管總局科技計劃等項目，曾獲得“湖北五一勞動獎章”、“湖北省技術能手”等榮譽。

本文《超聲聯(lián)合紫外處理對大腸桿菌O157:H7的殺菌作用及機制》來源于《食品科學》2025年46卷第19期10-17頁，作者：陳怡，吳雨豪，周建偉，劉東紅，呂瑞玲。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250224-119。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：李杭生；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)