一种基于金纳米颗粒协同高压电场等离子体的冷杀菌方法

摘要

本发明涉及一种基于金纳米颗粒协同高压电场等离子体的冷杀菌方法，属于纳米材料杀菌技术领域。具体涉及一种用聚乙烯吡络烷酮(PVP)修饰金纳米颗粒，制备得到PVP功能化的金纳米颗粒，将金-PVP与细菌混合培养后，将其放置于高压电场等离子体发生装置的两个电极之间，利用高压电场对细菌内金纳米颗粒的表面等离子体共振的直接影响，协同产生杀菌效果。与单纯的金纳米颗粒杀菌和高压电场等离子体杀菌方法相比，本发明不需要气调密封包装，杀菌时间短，使用电压低，仅需要少量的金纳米颗粒即可达到很好的杀菌效果，且处理过程中温度不会发生明显变化，本发明在生鲜食品保鲜包装方面具有潜在的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于金纳米颗粒协同高压电场等离子体的冷杀菌方法，属于纳米材料杀菌技术领域。

背景技术

近年来，随着各地食品安全恶性事件的相继曝光，食源性病原菌已成为全世界共同面临的问题。这些病原菌很容易在食品加工生产、运输、储藏等过程中污染食品，引起食品变质的同时分泌有毒物质，从而引发出血性肠炎、溶血性尿毒综合征、败血症等疾病。因此，如何有效抑制甚至杀死食品中的病原菌已成为目前研究的热点。金纳米颗粒是一种尺寸在1-100nm之间的纳米材料，由于其独特的表面效应、小尺寸效应，量子效应、宏观量子隧道效应等，使其呈现出特殊的光、电、热、磁等性质，从而表现出一定的杀菌活性。高压电场等离子体杀菌是一种新型冷杀菌技术，利用板间高电压产生的强大电场将气体电离产生等离子体，等离子体放电产生的活性氧蔟如：羟基自由基，单线太氧和臭氧，会破坏细菌的细胞膜、细胞壁等，从而达到杀菌效果。该技术最早应用于水、空气净化等领域，最近几年开始应用于食品冷杀菌研究。

虽然金纳米颗粒和高压电场等离子体均有杀菌作用，但这两种方法都存在一定的缺点。相比于银纳米颗粒，金纳米颗粒的抑菌活性低，单独使用不能满足实际杀菌的要求，且高浓度的金纳米颗粒在菌液中及其不稳定，容易发生聚沉，失去抑菌效果；高压电场等离子体杀菌技术目前存在的问题是：1)必须气调密封包装才能达到较好的杀菌效果，操作繁琐，成本高；2)需要使用较高的电压强度，但由于设备受环境影响大，在雨天潮湿条件下，往往无法达到所需要的高压；3)在如此高的电压强度下，设备长时间使用会使得电极和绝缘板的温度升高，使得设备无法正常工作。基于以上原因，使得该技术目前无法满足实际生产需要。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题提供一种基于金纳米颗粒协同高压电场等离子体的冷杀菌方法。该方法综合利用两种杀菌方法的协同效应，不需要气调密封包装，杀菌时间短，使用电压低，仅需要少量的金纳米颗粒即可达到很好的杀菌效果，且处理过程中温度不会发生明显变化，为生鲜食品物流保鲜包装安全品质调控提供重要的技术支持。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于金纳米颗粒协同高压电场等离子体的冷杀菌方法，该方法包括以下步骤：

1)PVP功能化金纳米颗粒的制备：将纳米金颗粒与聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合，制备得到含纳米金的PVP溶液；

2)将步骤1)中制得的含纳米金的PVP溶液加入到菌液中，充分混合培养；

3)将步骤2)培养结束后的混合液放置在等离子体发生装置的两个电极之间，在高压电场条件下进行等离子体杀菌处理。

上述杀菌方法的步骤(1)中金纳米颗粒的粒径为10～100nm。作为优选：步骤(1)中金纳米颗粒的粒径为10～50nm。

上述杀菌方法的步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮水溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为0.1-10％。作为优选：聚乙烯吡咯烷酮水溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为0.5-3％。

上述杀菌方法的步骤(1)中步骤(1)中含纳米金的PVP溶液中纳米金颗粒的浓度为1～100nmol/L；优选：含纳米金的PVP溶液中纳米金颗粒的浓度为30～80nmol/L。

上述杀菌方法的步骤(2)的菌液中菌为金黄色葡萄球细菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌或枯草芽孢杆菌。作为优选：步骤(2)的菌液中菌为金黄色葡萄球细菌。

上述杀菌方法的步骤(2)中的培养时间为1～10h。作为优选：培养时间为2～8h。

上述杀菌方法的步骤3)中等离子体产生装置的电压强度10-40kv/cm，处理的时间为20-200s。

本发明所述的金纳米颗粒可以是市售产品，也可以通过公开的文献方法制备得到，所述的方法包括但不限于如下方法：将超纯水和氯金酸混合并加热搅拌溶液至沸腾，5-8min后快速加入柠檬酸三钠溶液，溶液从无色变为红色后，停止加热，继续搅拌15min，制成得到金纳米颗粒。

本发明的有益效果：

(1)本发明不需要气调密封包装即可达到很好的杀菌效果，操作程序简单，成本低廉。

(2)通过对具有代表性的革兰氏阳性致病菌金黄色葡萄球菌的杀菌实验，结果表明：经纳米金与等离子体协同处理后的细菌数量远远低于单纯等离子体或金纳米颗粒处理组。

(3)利用两种方法的协同作用，杀菌效果好，无残留、无有毒副产物产生，避免了采用化学杀菌剂的安全性问题。

(4)高压电场等离子体体协同纳米金杀菌方法在常温下进行，处理时间短，使用电压低，是一种高效冷杀菌技术，可用于食品杀菌储存，延长货架期。

本发明的原理：

已有发明专利(CN104126641，CN104784722)的杀菌原理是：将需要灭菌的对象与一定比例的气体密封包装，纳米材料涂布于包装膜的内侧，利用板间高电压产生的强大电场将气体电离产生等离子体，等离子体放电产生的活性氧蔟如：羟基自由基、臭氧、紫外线等，会破坏细菌的细胞膜和细胞壁等；另一方面，紫外线会催化TiO₂等纳米材料产生抑菌活性，从而起到协同杀菌的作用。

本发明的杀菌原理是：首先将纳米金颗粒与细菌培养一段时间，使纳米颗粒进入到细菌内部，再利用等离子体产生的高压电场作用于细胞内的金纳米颗粒，由于纳米金表面带负电荷，在外加电场的强度下，表面电荷开始震荡随后在金纳米颗粒表面附近形成等离子体，等离子放电产生羟基自由基等，从而起到杀菌的作用。本发明是一种较为直接的杀菌方式，与已有的两个专利相比，其原理有所不同，不能通过已有的两个专利预见得到该方法。

附图说明

图1高压电场等离子体发生系统。

图2金纳米颗粒透射电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

本发明实施例中所用的高压电场等离子体发生系统如图1所示，该装置包括电压调控器、高压电场发生器、上电极、下电极和绝缘护板，在上下电极中间放置装有纳米金与菌混合液的24孔细胞培养板，板的上表面与上电极之间设有上绝缘护板，板的下表面与下电极之间设有下绝缘护板。

实施例1

配制质量浓度为0.5％的PVP溶液，取浓度为8nM的金纳米颗粒4mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入2mL0.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的金黄色葡萄球菌培养液，37℃培养2h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

实施例2

配制质量浓度为1％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒12mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的金黄色葡萄球菌培养液，37℃培养3h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为80s，处理的电压强度为20kv/cm。

实施例3

配制质量浓度为1.5％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒24mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的金黄色葡萄球菌培养液，37℃培养4h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为200s，处理的电压强度为400kv/cm。

对比组1-1

除了不采用等离子处理，其他条件同实施例1。

对比组1-2

1)取500μL生理盐水加入到500μL的细菌培养液中，37℃培养4h。

2)将装有细菌的24孔板放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

对比组1-3

除了菌种改用为已知浓度的溶壁微球菌，其他条件同实施例1。

对比组1-4

除了菌种改用为已知浓度的铜绿假单胞菌，其他条件同实施例1。

对比组1-5

除了处理对象为金黄色葡萄球菌，其他处理条件同申请号为201410347682.3专利中实施例1。

对比组1-6

除了处理对象为金黄色葡萄球菌，其他处理条件同申请号为201510182548.7专利中实施例1。

杀菌性能检测：

实施例1～3、空白组和对比组中的样品在杀菌处理前细菌菌落数为8.0±0.23log。

实施例1～3、空白组以及对比组中的样品经过等离子杀菌处理后的细菌菌落数减少值如表所示。

表1等离子体处理后细菌菌落数减少值

组别菌落数减少值(log)实施例17.62±0.23实施例27.83±0.12实施例37.55±3.7空白组0对比组1-12.34±0.61对比组1-23.05±0.83对比组1-32.64±0.33对比组1-43.04±0.15对比例1-53.15±0.25对比例1-63.48±0.71

从表中可以看出，纳米金与等离子体协同处理组中(实施例1～3)金黄色葡萄球菌的菌落数减少值远远大于空白组、单纯纳米金处理组(对比组1-1)及单纯等离子体处理组(对比组1-2)，抑菌效果明显。

从表中可以看出，经等离子体处理后，不同浓度的纳米金均具有杀菌效果。

通过对比实施例1～3和对比组(1-3，1-4)可以看出，该方法对溶壁微球菌和铜绿假单胞菌没有很好的杀菌效果，反而对金黄色葡萄球菌的杀菌作用很明显。

通过对比实施例1～3和对比例组(1-5，1-6)可以看出，利用已有两个专利的方法对金黄色葡萄球菌没有明显的杀菌作用。

实施例4

配制质量浓度为0.5％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒4mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入2mL0.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的大肠杆菌培养液，37℃培养2h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

实施例5

配制质量浓度为1％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒12mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的大肠杆菌培养液，37℃培养3h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为80s，处理的电压强度为20kv/cm。

实施例6

配制质量浓度为1.5％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒24mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的大肠杆菌培养液，37℃培养4h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为200s，处理的电压强度为400kv/cm。

对比组2-1

除了不采用等离子处理，其他条件同实施例4。

对比组2-2

1)取500μL生理盐水加入到500μL的大肠杆菌培养液中，37℃培养4h。

2)将装有细菌的24孔板放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

对比组2-3

除了菌种改用为已知浓度的溶壁微球菌，其他条件同实施例4。

对比组2-4

除了菌种改用为已知浓度的铜绿假单胞菌，其他条件同实施例4。

对比组2-5

除了处理对象为大肠杆菌，其他处理条件同申请号为201410347682.3专利中实施例1。

对比组2-6

除了处理对象为大肠杆菌，其他处理条件同申请号为201510182548.7专利中实施例1。

杀菌性能检测：

实施例4～6、空白组和对比组中的样品在杀菌处理前细菌菌落数为8.0±0.23log。

实施例4～6、空白组以及对比组中的样品经过等离子杀菌处理后的细菌菌落数减少值如表所示。

表2等离子体处理后细菌菌落数减少值

组别菌落数减少值(log)实施例47.53±0.15实施例57.36±1.81实施例67.81±0.94空白组0对比组2-12.06±0.92对比组2-22.95±0.54对比组2-32.81±0.57对比组2-43.01±0.41对比例2-53.28±0.91对比例2-63.52±0.62

从表中可以看出，纳米金与等离子体协同处理组中(实施例4～6)大肠杆菌的菌落数减少值远远大于空白组、单纯纳米金处理组(对比组2-1)及单纯等离子体处理组(对比组2-2)，抑菌效果明显。

从表中可以看出，经等离子体处理后，不同浓度的纳米金均具有杀菌效果。

通过对比实施例4～6和对比组(2-3，2-4)可以看出，该方法对溶壁微球菌和铜绿假单胞菌没有很好的杀菌效果，反而对大肠杆菌的杀菌作用很明显。

通过对比实施例4～6和对比例组(2-5，2-6)可以看出，利用已有两个专利的方法对大肠杆菌没有明显的杀菌作用。

实施例7

配制质量浓度为0.5％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒4mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入2mL0.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的鼠伤寒沙门氏菌培养液，37℃培养2h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

实施例8

配制质量浓度为1％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒12mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的鼠伤寒沙门氏菌培养液，37℃培养3h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为80s，处理的电压强度为20kv/cm。

实施例9

配制质量浓度为1.5％的PVP溶液；取浓度为8nM的金纳米颗粒24mL于离心管中，13000r/min，离心10min后，去上清，加入3mL1.5％PVP溶液进行重悬，室温反应30min，从而得到PVP功能化的金纳米颗粒溶液。在PVP功能化的金纳米颗粒溶液中加入等体积的鼠伤寒沙门氏菌培养液，37℃培养4h，培养结束后放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为200s，处理的电压强度为400kv/cm。

对比组3-1

除了不采用等离子处理，其他条件同实施例4。

对比组3-2

1)取500μL生理盐水加入到500μL的鼠伤寒沙门氏菌培养液中，37℃培养4h。

2)将装有细菌的24孔板放入两个电极之间进行等离子体处理，等离子处理的时间为20s，处理的电压强度为10kv/cm。

对比组3-3

除了菌种改用为已知浓度的溶壁微球菌，其他条件同实施例4。

对比组3-4

除了菌种改用为已知浓度的铜绿假单胞菌，其他条件同实施例4。

对比组3-5

除了处理对象为鼠伤寒沙门氏菌，其他处理条件同申请号为201410347682.3专利中实施例1。

对比组3-6

除了处理对象为鼠伤寒沙门氏菌，其他处理条件同申请号为201510182548.7专利中实施例1。

杀菌性能检测：

实施例7～9、空白组和对比组中的样品在杀菌处理前细菌菌落数为8.0±0.23log。

实施例7～9、空白组以及对比组中的样品经过等离子杀菌处理后的细菌菌落数减少值如表所示。

表3等离子体处理后细菌菌落数减少值

组别菌落数减少值(log)实施例77.06±0.25实施例87.89±0.86实施例97.52±0.48空白组0对比组3-12.12±0.74对比组3-22.51±0.74对比组3-32.69±0.39对比组3-43.09±0.73对比例3-53.31±0.48对比例3-63.64±0.83

从表中可以看出，纳米金与等离子体协同处理组中(实施例7～9)鼠伤寒沙门氏菌的菌落数减少值远远大于空白组、单纯纳米金处理组(3-1)及单纯等离子体处理组(3-2)，抑菌效果明显。

从表中可以看出，经等离子体处理后，不同浓度的纳米金均具有杀菌效果。

通过对比实施例7～9和对比组(3-3，3-4)可以看出，该方法对溶壁微球菌和铜绿假单胞菌没有很好的杀菌效果，反而对鼠伤寒沙门氏菌的杀菌作用很明显。

通过对比实施例7～9和对比例组(3-5，3-6)可以看出，利用已有两个专利的方法对鼠伤寒沙门氏菌没有明显的杀菌作用。