杀菌技术

杀菌技术

80年代以来，许多新兴工业技术，在现代食品工业中得到创造性地应用，以至于伴随食品工业的发展，这些技术的应用超越了开发这 些技术的原有基础，从而形成独特的食品工程单元，构筑了食品工程新学科，为专业化生产奠定了基础。

这些新兴技术，按其功能可分为保藏技术、分离技术、组合技术、 改性技术、检测技术，常见的食物腐败主要由腐败微生物引起。为了保藏食物，首先要 进行杀灭和抑制微生物的杀菌技术处理。罐头工业的关键技术就是杀菌技术。过去，应用加热杀死微生物的原理，发展了各种加热杀菌技 术。但是对于热敏感的食物在加热杀菌中会发生负面的影响，因为化学变化会导致营养组分的破坏、损失，或导致不良风味等。为此，一方面发展了减少加热损害的杀菌技术，一方面则发展非加热的冷杀菌 技术。

1.超高压杀菌技术

这是80年代末开发的杀菌技术。日本首先应用于工业生产，开发了超高压杀菌的果酱商品，目前 正在研究开发新的应用领域，试图用于泡菜、鱼酱等传统食品。 由于超高压装置需要较高的投入，因此尚须解决高成本的问题。我国近年引进了一些试验设备，并通过相关工业部门移植了部分 试验装置，进行一些食品（包括大豆蛋白食品）的试验。目前尚未见 可实用的成果，尚有待于继续进行深入的研究。

1.1基本原理

食品超高压杀菌(高静水压杀菌)就是食品物料以某种方式包装完好后，放人液体介质(通常是食用油、甘油、油与水的乳液)中，100～1000MPa压力下作用一定时间后，使之

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达到灭菌的要求。其灭菌的基本原理就是压力对微生物的致死作用，主要是通过破坏细胞膜抑制酶的活性和影响DNA等遗传物质的复制来实现的。

高压对细胞膜、细胞壁都有影响，在压力作用下细胞膜双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。超高压会改变某些高分子物质的空间结构，但不同于蛋白质在强热作用下分子激烈运动导致共价结合的破坏或新结合的生成，破坏了蛋白质的一级结构，使基本物变异。而超高压仅引发氢键之类弱结合的变化，使分子空间结构变化而无损于蛋白质的一级结构，使蛋白质、淀粉之类高分子物质形成不同于热法所产生的凝胶或凝固物。

在400～600Mpa的压力下，可以杀灭细菌、酵母菌、霉菌，避免了一般高温杀菌带来的不良变化，因此，能更好地保持食品固有的色、香、味，达到延长保存 期的效果。

1.2 超高压杀菌食品具有以下特点：(技术讨论，可致电138 981 323 55)

（1）由于几百个MPa压力不会使食品的温度升高，而只是使高分子物质中的部分共价键被切断或发生交联，故没有色、香、味及营养成分的改变，也不产生各种毒性因子，可以较多地保留食品原有的营养，但同时也不会产生由加热引起的所希望的颜色和香气。

（2）压力可以在瞬间传到食品的中心，故短时间的处理和不需很大的压力容器，食品就可以获得均一的处理。

(3)可以保持新鲜食品或发酵食品的原有风味，但可能会发生一些物性的变化。如蛋白质和淀粉经加压处理后的表面状态与热处理完全不同，因而可利用超高压处理生产各种新的食品素材。

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(4)比加热处理所消耗的能源低。

1.3超高压杀菌效果的影响因素

正如食品的热处理效果与许多因素有关，超高压杀菌效果也与诸多因素有关，包括压力大小和加压时间、施压方式、处理温度、微生物种类、食物本身的组成和添加物、pH值、水分活度等等：

（1） 压力的大小和加压时间

在一定范围内，压力越高，灭菌效果越好。在相同压力下，灭菌时间延长，灭菌效果也有一定程度的提高。300MPa以上的压力可使细菌、霉菌、酵母苗消灭，病毒在较低的气压下失去活力。对于非芽孢类微生物，施压范围为300～600MPa时有可能全部致死；对于芽孢类微生物，有的可在1000MPa的压力下生存，对于这类微生物，施压范围在300MPa以下时，反而会促进芽孢发芽。

（2) PH值

每种微生物都有适应其生长的PH值范围，在压力作用下，介质的PH值会影响微生物的生命活动。据报道，压力会改变介质的PH，且逐渐缩小微生物生长的pH范围。

（3） 温度

温度是微生物生长代谢最重要的外部条件，它对超高压灭茵的效果影响很大。由于微生物对温度有敏感性，在低温或高温下，高压对微生物的影响加剧，因此，在低温或高温

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下对食品进行高压处理具有较常温下处理更好的杀茵效果。

（4） 微生物的种类和特性

不同生长期的微生物对高压的反应不同。一般地说，处于指数生长期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力反应更敏感；革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对压力更具抗性，革兰氏阴性菌的细胞膜结构更复杂而更易受压力等环境条件的影响而发生结构的变化；芽孢类细菌，同非芽孢类的细菌相比，其耐压性很强，当静压超过100MPa时，许多非芽孢类的细菌都失去活性，但芽孢类细菌则可在高达1200MPa的压力下存活。革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢最为耐压，是因为芽孢壳的结构极其致密，使得芽孢类细菌具备了抵抗高压的能力，故杀灭芽孢需更高的压力并结合其它处理方式。

（5)水分活度

水分活度对灭菌效果影确也很大，尤其对于固体与半固体食品的超高压杀菌，考虑水分活度的大小十分重要。

（6) 食物本身的组成和添加物

超高压杀菌时，各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求也不同，例如：用300MPa的压力可灭掉猪肉糜中腐败茵和食物中毒菌，而且菌含量随着施压时间的延长而逐渐减少，而灭掉橙汁中的酵母、霉菌，所需的压力低得多。在高压下，食品的化学成分对灭菌效果有明显作用。蛋白质、脂类、碳水化合物对微生物有缓冲保护作用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我修复功能。

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由于超高压杀菌是一个非常复杂的过程，针对特定的食品要选择特定的杀菌工艺，为了获得较好的杀菌效果，必须优化以上过程，只有积累大量可靠的数据才能保证超高压食品的微生物安全，超高压杀菌技术才能实现商业化。

2.低温杀菌

低温杀菌是对食品中存在的微生物进行部分杀菌的加热方法。通常使用100℃以下的温度。由于低温杀菌后，食品中的菌残存较多，为了延长产品的货架期，再使用冷藏、发酵、加入添加剂、脱氧等加工技术。

该法主要适用于pH4.5以下的酸性食品及采用较强加热处理会明显导致品质降低的食品。在近几年，对牛奶及保存期较短的商品也采用该法。

法国开发了这种特别用于调理菜肴的杀菌技术。他们将菜肴配料 混装在特定的包装袋中，在真空下进行低温调理杀菌，可以避免多次加热杀菌带来的对成品质量的不良影响。近年，日本又开发了低温充气包装杀菌技术，也可应用于某些调理食品。

3.生物保藏

被认为是自然保藏法。利用拮抗微生物或天然杀菌素以控制食品中本身存有的致病菌生长以及霉菌毒素原生真菌的生长。这是食品生物技术中日趋活跃的研究开发领域之一，很有开发应用前景。

4.巴氏杀菌法

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巴氏杀菌是指温度比较低的热处理方式，一般在低于水沸点温度下进行。它是一门古老的技术，由19世纪法国医生巴斯德首创，至今仍有一定的应用价值。

巴氏杀菌是最早的杀菌方法，利用热水作为传热介质。杀菌条件为61～63℃，30min，或72～75℃，10～15min。加热时应注意物料表面温度较内部温度低4～5℃；此外，当表面产生气泡时，泡沫部分难以达到杀菌要求。这种杀茵方法，由于所需时间长，生产过程不连续，长时间受热容易使某些热敏成分变化，杀菌也不够理想。目前在大中型食品厂中已很少采用。

许多工厂将巴氏杀菌进行改造，采用85～90℃温度，保温1～2min进行杀菌。这种杀菌方法，在较短时间内达到杀菌目的，效果较好。如果采用连续化杀菌，生产能力大，产品质量也较好。

杀菌方式有间歇式杀菌相连续式杀菌。间歇式杀菌设备主要有圆筒式杀菌器(又称冷热缸)和蛇管式杀菌缸。连续式杀菌设备主要有列管式杀菌器和板式杀菌器，常用作牛奶、饮料的高温短时间杀菌和超高温瞬间杀菌。用这两种杀菌器杀菌时，物料从管子中或在相邻的板片间流动，用流动的热水作为热媒，调节物料和热水流动速度，以达到最佳杀菌效果。这两种杀菌设备温度均匀，杀菌效果好，可连续性生产，生产能力大，结构也比较简单，适用于多种产品的生产。不足之处是清洗比较麻烦。

8.超高温瞬间杀菌

超高温杀茵简称UHT杀菌。一般加热温度为100％～150℃，加热时间2～8s，加热后产品达到商业无茵要求的杀菌过程称为UHT杀菌。这种杀菌方法，能在瞬间达到杀菌目的，杀菌效果特别好，几乎可以达到或接近灭菌要求，而引起的化学变化很小。它具有提

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高处理能力、节约能源、缩小设备体积、稳定产品质量，并可实行设备原地无拆卸循环清洗。

按照物料与加热介质是否接触，UHT瞬时杀菌过程可分为间接式加热法和直接混合式加热法两类。直接混合法加热式，可按两种形式进行：一是注射式，即是高压蒸汽注射到待杀菌物料中；另一种是喷射式，即将持杀菌物料喷射到蒸汽中。 间接加热是采用中压蒸汽或中压水为加热介质，热量经过固体换热壁转传给待加热杀菌物料。

工艺流程[1]见图1。

图1 超高温短时杀菌工艺流程

设备先用酸、碱清洗，再用清水循环清洗，然后开始进料。物料由泵送人加热器。经过高温加热到110～140℃ (在此范围内可调),再进入保温装置，保温时间可调。然后用自来水将物料冷却到温度50～90℃。

UHT主要功能是食品灭菌，保证食品质量和品质，但对于香气物质或食品中的香气成分，由于其沸点不同，并且香气物质受到温度影响比较大，经过131℃左右4S的UHT灭菌后，香气成分与含量变化均比较大，如茶饮料经过UHT灭菌后颜色发生褐变，主要机理和美拉德反应机理一样，即茶叶中的氨基酸与某些带羟基的物质在高温下脱水缩合及化学键断裂重组，生成类黑色素，从而产生褐变，从而影响了茶饮料的香气物质。

9.微波杀茵

微波是一种电磁波，可产生高频电磁场。介质材料由极性分子和非极性分子组成，在

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电磁场作用下，极性分子从原来的随机分布状态，转向依照电场的极性排列取向，在高频电磁场作用下，造成分子的运动和相互摩擦从而产生能量，使得介质温度不断提高。因为电磁场的频率极高，极性分子振动的频串很大，所以产生的热量很高。当微波加热应用于食品工业时，在高频电磁场作用下，食品中的极性分子(水分子)吸收微波能产生热量，使食品迅速加热干燥。

微波干燥分4个阶段：内部调整、液体流动、等速干燥和减速干燥阶段。每个阶段都有各自的温度、湿度分布。但总的来讲，物料内部的温度梯度和浓度梯度很小，在温度接近100℃时，压强急速升高，物料中心处压强最高，沿径向渐减，形成压力梯度。所以，由蒸汽压造成的传质方向是由里向外的。另一类由非极性分子组成的物质，基本上不吸收或很少吸收微波能，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，可作为食品的包装物。

依照上述原理，微波技术也常用于食品的杀菌。微波杀菌就是将食品经微波处理后，使食品中的微生物丧失活力或死亡，从而达到延长保存期的目的。一方面，当微波进人食品内部时，食品中的极性分子，如水分子等不断改变极性方向，导致食品的温度急剧升高而达到杀菌的效果。另一方面，微波能的非热效应在杀菌中起到了常规物理杀菌所没有的特殊作用，细菌细胞在一定强度微波场作用下，改变了它们的生物性排列组合状态及运动规律，同时吸收微波能升温，使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动两方面的作用，使其空间结构发生变化或破坏，导致蛋白质变性，最终失去生物活性。因此，微波杀菌主要是在微波热效应和非热效应的作用下，使微生物体内的蛋白质和生理活性物质发生变异和破坏，从而导致细胞的死亡。

微波干燥杀菌的特点：

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（1）节能高效、安全无害 常规热力干燥、杀菌往往需要通过环境或传热介质的加热，才能把热量传至食品，而微波加热时，食品直接吸收微波能而发热，设备本身不吸收或只吸收极少能量，故节省能源，一般可节电30％～50％。微波加热不产生烟尘、有害气体，既不污染食品，也不污染环境。通常微波能是在金属制成的封闭加热室内和波导管中工作，所以能量泄漏极小，大大低于国家标准，十分安全可靠。

（2）加热时间短、通度快 常规加热需较长时间才能达到所需干燥、杀菌的温度。由于微波能够深人到物料内部而不是靠物体本身的热传导进行加热，所以，微波加热的速度快。干燥时间可缩短50％或更多。微波杀菌一般只需要几秒至几十秒就能达到满意的效果。

（3）保持食品的营养成分和风味 微波干燥、杀菌是通过热效应和非热效应共同作用，因而与常规热力加热比较，能在较低的温度就获得所需的干燥、杀菌效果。微波加热温度均匀，产品质量高，不仅能高度保持食品原有的营养成分，而且保持了食品的色、香、味、形。

（4）易于控制、反应灵敏、工艺先进 微波加热控制只需调整微波输出功率，物料的加热情况可以瞬间改变，便于连续生产，实现自动化控制，提同劳动效率，改善劳动条件，可节省投资。

微波灭菌比常规灭菌方法更利于保存活性物质，即能保证产品中具有生理活性的营养成分和功效成分是其一大特点。因此它应用于人参、香菇、猴头、花粉、天麻、蚕蛹及其他功能性基料的干燥和灭菌是非常适宜的。微波技术也能应用于肉、肉制品、禽制品、水产品、水果、蔬菜、罐头、奶、奶制品、面包等食品方面的灭菌。

10.欧姆杀菌

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欧姆杀菌是一种新型热杀菌的加热方法，它借通入的电流使食品内部产生热量达到杀灭细菌的目的。常规的热杀菌，靠加热介质(如水蒸气)将热量传递给食品物料，当食品内部颗粒达到杀菌温度，其周围液体物料必须过热，必然导致颗粒食品杀菌后质地变软、外形改变，影响产品品质。而欧姆杀茵，可使颗粒的加热速率与液体的加热速率十分接近，井获得比常规方法更快的颗粒加热速率(1～2℃／s)。因而可缩短加工时间，得到高品质产品。

欧姆杀菌的原理 欧姆加热是利用电极，将电流直接导入食品，由食品本身介电性质所产生的热量，直接杀灭食品中的细菌。所用电流为50～60Hz的低频交流电，食物的电导串、密度、形状、温度等对欧姆加热都有不同的影响。

欧姆杀菌装置主要由泵、欧姆加热器、保温管、控制仪表等组成。

欧姆杀茵具有许多优点，可产生新鲜、味美的产品，并产生高附加值；能加热连续流动的产品而不需要热交换表面；操作平稳、维护简单、易于控制。同时，欧姆杀菌对维生素等的破坏较小。．

欧姆加热技术能解决颗粒食品在无菌加工过程中存在的受热不均、品质不一致的问题。但—些因素能影响欧姆加热食品的品质。

（1）密度 在密度过大的液体中，有可能沉淀在加热器底部，而导致颗柱过度受热，对颗粒的形状保持以及其中营养物质的保存都不利。相反，密度过小的颗粒在加工过程中会悬浮在液体表面。

（2）颗粒的大小、形状、密度、含量对品质的影响

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采用欧姆加热处理的含颗粒食品，一船要求其颗柱直径小于2.5cm。这是因为在无菌操作过程中，颗粒过大会使其在进料斗中遭到机械损伤，且不能保证在流经电场时得到足够的热处理。在欧姆加热中，颗粒物料的含量一般在20％～70％之间。含量过高或过低，都要求对颗粒的大小、形状、质地等进行重新考虑。对颗粒含量较高的食品，一般要求颗粒小且具有—定的柔韧性，并且为了减小颗粒间的空隙度，还要求颗粒具有多样的几何形状。对颗粒含量较低的食品，则要采用粘度较大的液体来保持颗粒的悬浮状态。

（3）液体的粘度 载流液体的物理作用是使物料均匀悬浮于液体中，除此之外，还能赋予食品以特有的风殊。在欧姆加热过程中，如果液体粘度过小，颗粒会沉淀加热器底部，从而导致液相、固相严重的受热不均。

（4）热容 当食品中颗粒和液体的电导串基本趋于一致时，物料的受热情况则要依赖于其特定的热容。颗粒中的水分含量比液体中的水分含量低得多，由于水分的热容较小，所以即使在固、液体电导宰相同的情况下，颗粒的受热升温速度要高于液体的受热升温速度。

对采用欧姆加热的食品进行前处理，通常有预热(煮)、酶处理、化学处理等方法。颗粒物料在进入进料斗之前，通常要进行预(煮)处理，以提高颗粒的电导串，缩小颗粒和液体间的电导牢差异。对物料进行预热，能散失其中部分水分，防止在加工过程中由于颗粒物料失水而引起液体粘度变化；对淀粉进行预糊化，使颗粒物料保持均匀分布的悬浮状态，以保证受热均匀一致。预热(煮)处理还除去颗粒物料中的空气，同时还能使影响制品稳定性的酶类变性失活，软化颗柱，对肉制品还能起到卤制上包的作用。

11紫外线杀菌

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紫外线的杀菌作用在于促使细胞质的变性。当微生物细胞吸入紫外线后，由于产生光化学作用引起细胞内成分特别是核酸、原浆蛋白等发生化学变化，使细胞质变性。尤其是抑制DNA的复制和细胞分裂，使微生物细胞受伤甚至死灭。波长为250～260nm的紫外线杀菌效果最强。

微生物细胞受到射线照射后，存在于溶质中的生物活性物质受到辐射的直接效应；存在于细胞中的多量溶剂受到水分子产生的辐射间接效应即水分子接受了射线能量后被激活电离，再与细胞内其他物质起作用。于是便与生物生命现象有关的物质发生各种变化，使生理机能受到破坏或导致细胞致死，从而引起杀菌作用。

影响紫外线杀菌效能的因素，在功率和强度一定的情况下, 紫外线的杀菌效能主要受穿透率(即原水的浊度) 和照射时间的影响。显然照射时间越长, 杀菌效果越好, 但过长的照射时间不仅会造成能源浪费, 而且会影响紫外灯的寿命。另外, 若水中的浊度过高, 紫外线会被大量吸收, 影响其穿透率, 降低杀菌效果。因此, 要使紫外线具有最佳的杀菌效能, 原水的极限浊度和最佳照射时间具有重要意义。

微生物对紫外线的敏感性因菌种、菌株而有差异。一般可认为，革兰氏阴性细菌的敏感性最强，霉菌的抗性最强，革兰氏阳性细菌、酵母、细菌芽居于其间。

紫外线一般用于对附着于原料上的细菌进行直接照射杀菌，对工作室、贮藏室内进行空气杀菌，对水进行消毒，对液态食品进行杀菌、对塑料薄膜进行杀菌处理等场合。因为紫外线穿透性较差，因此对大块状食品进行紫外杀菌，还要结合其他杀茵方法，才能达到较好的效果。

12.电离辐射保藏技术

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电离辐射保藏技术是利用电离射线能处理所产生的生物和生理效应，使食品的保藏期得以延长的一种食品保藏技术。利用射线照射食品，可以起到杀虫、杀菌、抑制发芽等作用，是一项发展较快的食品保藏新技术和新方法。

与传统的方法相比，辐射保鲜有许多优点，主要体现在：（1）食品在辐射过程中升温甚微，从而可以保持食品的原有的新鲜感官特征。（2）食品可在包装以后不再拆包的情况下接受辐射处理、节省了材料，也避免了再次污染．十分方便。（3）操作适应范围广、同一射线处理场所可以处理各种形态、类型、体积的食品。（4）射线处理过的食品不会留下任何残留物。（5）节约能源、工作效率高，可连续作业，易实现自动化。辐射杀菌主要利用放射性元素发出的射线具有极弱的穿透力，在一定剂量情况下，使生物体受损甚至死亡。

我国食品辐射中心主要利用60Co作为辐射源，主要利用其衰变中放出的γ射线。60Co广泛应用于肉类及其制品、调味品、禽肉、谷物、水果蔬菜的辐射保鲜，用于大蒜、洋葱、土豆可抑制其发芽。

辐射剂量过高、过低都会产生不利影响，过低达不到目的，甚至会促进食品变质；过高，可能会对食品产生生理伤害，引起食品的营养成分，如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生累的分解、破坏，影响产品的品质和口感。

我国对辐射食品管理有严格的规定。第一，并不是所有食品都可以进行辐射处理，必须按照辐射食品管理办法的规定实施。第二，辐射剂量有严格规定，不同食品应按照规定的剂量进行处理。第三，凡经过辐射的食品在包装和标签上必须注明“幅照食品”。

13.超声波杀菌

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频率在9～20KHz以上的超声波，对微生物有破坏作用。它能使微生物细胞内容物受到强烈的震荡而使细脑破坏。一般认为在水溶液内，由于超声波的作用，能产生过氧化氢，具有杀菌能力。也有人认为微生物细胞液受高频声波作用时，其中溶解的气体变为小气泡，小气泡的冲击可使细胞破裂，因此，超声波对微生物有一定的杀灭效应。

在液体中，当超声波强度超过某一空化阀值时，会产生空化现象，即液体中微小的泡核(气或汽泡核)在超声作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。空化泡绝热收缩及崩溃的瞬间，泡内呈现5000℃以上的高温，会产生强大冲击波。这样高的爆炸压力，将炸死液体中的某些细菌或某些病毒丧失其毒力，甚至会使细菌形态结构破裂和熔解，从而起到杀菌的作用。

超声波灭菌适合于果蔬汁饮料、洒类、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品。超声波灭菌较之传统高温加热灭菌工艺，这种工艺不仅不会改变食品的色、香、味，而且不会破坏食品的组成成分。如果把超声波和其它非加热灭菌工艺结合起来，比如采用超声——激光或超声——磁化联合杀菌，则效果更佳。超声波灭菌技术已在美、日、欧洲等发达国家获得了普遍应用，在我国，这种“冷杀茵工艺”已受到食品行业极大的关注，必将成为2l世纪食品工业研究和推广的重要高新技术之一。

14.臭氧杀菌

臭氧是氧的一种同素异构体，其分子式(03)比氧气(02)多一个氧原子，常温状态下，臭氧无色、有特殊草腥味，密度为2.14mg/L，大于空气密度，易溶于水，化学性质活泼，氧化性极强，不稳定，易分解，30分钟即可还原成氧气。能杀死细菌植体、芽胞、病毒、真菌等各种微生物，是公认的绿色杀毒剂。

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臭氧的灭菌原理臭氧是一种强氧化剂，灭菌过程属生物化学氧化反应。O3灭菌有以下3种形式：（1）氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，使细菌灭活死亡。（2）直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢受到破坏，导致细菌死亡。（3）通过细胞膜组织、浸入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生透性畸变而溶解死亡。

臭氧灭菌的优点臭氧灭菌为溶菌级方法，杀菌彻底，无残留，杀菌广谱，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，对霉菌也有极强的杀灭作用。

03由于稳定性差，很快会自行分解为氧气或单个氧原子，而单个氧原子能自行结合成氧分子，不存在有毒残留物，所以，O3是一种无污染的消毒剂。03为气体，能迅速弥漫到整个灭菌空间，灭菌无死角。而传统的灭菌消毒方法，无论是紫外线，还是化学熏蒸法都有不彻底、有死角、工作量大、有残留污染或有异味等缺点，并有可能损害人体健康，而臭氧杀菌则可以这些缺点。

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