DBD低温等离子体激发ROS对食源性致病菌杀菌机理研究

Cold plasma, as a new technology, is used for food non-thermal sterilization in recent years. Dielectric barrier discharge (DBD) system, one of the cold plasma treatment systems, could disinfect food inside packages. So far, studies are mainly focused on effects of cold plasma on microorganism amount and the quality of food. While very few studies reported the disinfection mechanism of cold plasma on pathogen bacteria. The objective of this project is to study the mechanism of ROS excited by DBD cold plasma system killing pathogen bacteria (both G+ and G-). The morphological changes of bacteria cells, integrity and permeability of membrane, activity of ATP enzyme will be studied to explain the effects of ROS on metabolic activities of bacteria. The oxidation of protein and DNA will be test to study the oxidation damage effects of ROS on bacteria cells. To reveal the disinfection mechanism of cold plasma on pathogenic bacteria, relationships between ROS amount and metabolic activities and oxidation damage effects of bacteria cells will also be developed. The studies are valuable to improve the application of cold plasma in food sterilization industry.

低温等离子体作为一种新型食品冷杀菌技术，采用介质阻挡放电系统（DBD）可实现预包装食品的冷杀菌处理而受到关注，目前的研究局限于对食品微生物的杀菌效能特性及食品品质的影响，而针对低温等离子体激发活性自由基对食源性致病菌的杀菌机理还缺乏系统深入的研究。本课题拟研究DBD激发活性氧自由基（ROS）对食源性致病菌（G+ 和G-）呼吸代谢活性以及氧化应激损伤的作用机理，分析细胞形态结构的变化，探究ROS对细胞壁、细胞膜的破坏作用；研究致病菌细胞膜通透性及功能变化、ATP酶活性，探究ROS对致病菌呼吸代谢活性的损伤效应；研究细胞质内蛋白质、DNA的氧化降解程度，解析ROS对致病菌的氧化应激损伤作用机理，分析低温等离子体激发ROS与致病菌菌体氧化应激损伤的相关性，揭示低温等离子体对食源性致病菌的致死作用机理,为低温等离子体冷杀菌技术的开发应用提供理论依据和实践指导。

本项目对 DBD低温等离子体对食源性致病菌（G+和G-）菌株的损伤、致死作用途径与机制进行了研究探索，明确了控制处理电压、时间和气体成分等主要DBD等离子体激发条件可有效提高杀菌效果；分析了处理后菌体形态以及蛋白和核酸类大分子物质含量，揭示DBD等离子体处理引起菌体外壁结构破损和细胞膜通透性增大，胞内蛋白及核酸类大分子物质泄露；明确了DBD激发产生活性自由基（O3、NOX、·OH、1O2、H2O2）导致菌体不可逆损伤，不同自由基与不同菌体死亡数量相关性存在差异，同时发现主要活性自由基含量受DBD激发能量影响明显；明确了菌体有氧呼吸途径中的五个关键酶活性随处理电压升高和时间延长快速减弱甚至失活，ROS穿过细胞膜，引起对菌体内蛋白质氧化降解、DNA降解和酶降解等变化，阐明了DBD 通过形成自由基攻击菌体外层结构并进入菌体与内部成分作用，促进氧化脂质、抑制呼吸代谢活性、加速蛋白氧化损伤、DNA降解和酶结构变化，阻碍菌体正常生长和繁殖，最终导致细菌体死亡的作用机制。对比相同DBD处理条件对G+和G-菌株致死作用影响，发现G-比G+菌死亡数量多，呼吸酶活性降低快，总蛋白氧化降解程度高，受损伤程度严重，表明DBD对G+和G-菌株的损伤、致死作用途径与菌体结构差异有关。该研究为DBD处理在食源性致病菌的杀菌应用中提供理论基础，为生鲜食品特别是热敏感食品的杀菌保鲜技术提供技术指导，并为我国DBD杀菌商业设备的研制和开发DBD非热杀菌系统提供理论支撑与技术参数。