温度压力耦合下微物理场中芽孢内膜水分子通透屏障受损的分子机理

In food sterilization, spores are the most difficult objects to be inactivated. High pressure thermal sterilization (HPTS) can inactivate spores and has little effects on food quality. The spore inner membrane is extremely impermeable under normal temperature and pressure, and this permeability barrier is a reason for spore’s sterilization resistance. When combining temperature and pressure, water molecules can permeate spore inner membrane and enter spore core, which is an important mechanism of spore inactivation by HPTS, while there are no reports on the damage principle of water molecule’s permeability barrier of spore inner membrane under HPTS treatment. From the micro-physical angles of HPTS micro-physical field formed with combination of temperature and pressure, taking the phospholipid molecule of spore inner membrane as research object, using Raman spectroscopy, FITR spectroscopy, single molecule microscopy, fluorescence spectrophotometry, the technology of diamond anvil cell and so on, this project studies the physical change rules of lateral thermal motion, phase and intermolecular hydrogen bonds of phospholipid molecules of spore inner membrane in the field, studies the change rules of fluidity and water permeability of spore inner membrane in the field, and the molecular damage principle of water molecule’s permeability barrier of spore inner membrane in HPTS micro-physical field is going to be elucidated at different levels and from different angles. This will reinforce the theoretical basis of HPTS technology and impel the application of HPTS technology in food industry.

在食品杀菌中，芽孢是最难被杀灭的对象。高压热处理（HPTS）能杀灭芽孢，且对食品品质影响较小。常温常压下芽孢内膜具有极端不通透性，这种通透屏障是芽孢难以被杀灭的原因之一。温度和压力耦合使用时，水分子能透过芽孢内膜而进入芽孢内核，这是HPTS杀灭芽孢的重要机制之一，然而HPTS处理下芽孢内膜水分子通透屏障受损的机理尚无研究报道。本项目从温度压力耦合形成HPTS微物理场的微观物理角度出发，以芽孢内膜磷脂分子为研究对象，拟采用拉曼光谱法、FTIR光谱法、单分子显微术、荧光分光光度法和金刚石压腔实验技术等研究HPTS微物理场中芽孢内膜磷脂分子侧向热运动、相态和分子间氢键作用的物理变化规律，研究HPTS微物理场中芽孢内膜流动性和水分子通透性的变化规律，从多个层次和不同角度阐明HPTS微物理场中芽孢内膜水分子通透屏障受损的分子机理，夯实HPTS杀菌技术的理论基础，推动HPTS技术在食品工业中的应用。

芽孢是食品杀菌的关键目标，高压热处理（HPTS）能杀灭芽孢，且对食品品质影响较小。常温常压下芽孢内膜具有极端不通透性，这种通透屏障是芽孢难以被杀灭的原因之一。温度和压力耦合使用时，水分子能透过芽孢内膜而进入芽孢内核，这是HPTS杀灭芽孢的重要机制之一，然而HPTS处理下芽孢内膜水分子通透屏障受损的机理尚无研究报道。围绕以上科学问题，本项目开展了研究，主要研究内容和结果如下：. 热结合乙醇和Nisin处理后，芽孢内膜流动性和通透性显著增强。热结合NaCl处理后，芽孢内膜流动性增加。热结合以上物质，能够对芽孢产生杀灭作用。超高压结合75%乙醇和Nisin处理后，芽孢内膜流动性显著增强，超高压结合不同pH和NaCl处理后，芽孢内膜流动性显著降低。. HPTS处理引起了芽孢膜脂质、蛋白质、核酸和多糖的变化。HPTS结合不同化学物质处理能够增加对芽孢内膜的损伤。HPTS结合高浓度乙醇对芽孢起到了保护作用。HPTS结合酸或Nisin能有效杀灭芽孢，原因是该处理导致芽孢内膜通透性增大，水分子进入芽孢内核，导致芽孢对热的敏感性增加，同时对化学物质的抗性减弱。Weibull模型有着相对更好的杀菌拟合效果。. HPTS处理下，高浓度氯化钠对芽孢有保护作用。与15%氯化钠相比，25%氯化钠和饱和氯化钠能减少芽孢蛋白的二级结构变化。使用15%氯化钠联合HPTS处理时，芽孢的核酸和蛋白质泄漏也达到峰值，Na+ /K+-ATP酶、Ca2+ /Mg2+-ATP酶的活性均显著降低。. HPTS结合ε-聚赖氨酸对芽孢有协同杀菌效果，该处理对芽孢内膜流动性和通透性有一定影响。处理后芽孢的膜脂质、蛋白质、核酸发生改变。Weibull模型能更好预测芽孢死亡情况。. 葡萄糖浓度越高，对芽孢的保护作用就越强。HPTS处理下，葡萄糖对枯草杆菌芽孢的形态起到保护作用，对ATP酶也有保护作用。HPTS结合葡萄糖处理前后枯草杆菌芽孢的红外光谱特征峰基本相似。. HPTS处理下芽孢内膜的流动性、通透性都会增大，且HPTS处理会导致芽孢的细胞膜脂质、蛋白质、核酸和肽聚糖都发生变化，各种化学物质会影响这些变化。本研究推进了对HPTS杀灭芽孢机理的阐明。