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ECE 论文解读丨微波高温热冲击杀灭嗜热脂肪芽孢杆菌：氧化应激与膜损伤的非线性协同灭活机制 |
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论文标题：Inactivation mechanism of Geobacillus stearothermophilus by microwave-induced ultra-high temperature thermal shock: nonlinear synergy of oxidative stress and membrane disruption
期刊：ENGINEERING Chemical Engineering
作者：Huayu Yang, Kunyao Luo, Bowen Yan, Yuan Tao, Nana Zhang, Bo Hu, Fengming Yang, Huacheng Zhu, Wei Chen, Daming Fan
发表时间：17 Jun 2026
DOI：10.1007/s11705-026-2682-2
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文章信息
▎文章题目
Inactivation mechanism of Geobacillus stearothermophilus by microwave-induced ultra-high temperature thermal shock: nonlinear synergy of oxidative stress and membrane disruption
▎文章来源
Huayu Yang, Kunyao Luo, Bowen Yan, Yuan Tao, Nana Zhang, Bo Hu, Fengming Yang, Huacheng Zhu, Wei Chen, Daming Fan. Inactivation mechanism of Geobacillus stearothermophilus by microwave-induced ultra-high temperature thermal shock: nonlinear synergy of oxidative stress and membrane disruption. ENG. Chem. Eng., 2026, 20 (9) : 67
DOI:10.1007/s11705-026-2682-2
文章导读
在液态食品加工领域，超高温灭菌（UHT）是保障产品安全与货架期的关键环节，但传统间接换热方式面临着结垢、营养损耗与高能耗等固有挑战。微波UHT技术凭借其加热特性，具备解决上述问题的本征优势，但该方法对嗜热菌的灭活机制尚不清晰。江南大学范大明教授团队在ENG. Chem. Eng. 发表论文，以嗜热脂肪芽孢杆菌ATCC 7953营养体细胞为研究对象，探究了微波超高温处理的杀菌效果与作用机理。实验采用 2450 MHz 单模微波系统，设置多组功率−时间组合处理菌悬液，使体系终温达到136 ± 1℃ 后立即冷却。结果发现，微波功率与杀菌效果呈非线性关联：150 W·mL–1处理 40 s和300 W·mL–1处理20 s两组条件可实现约5 log CFU·mL–1的活菌减量，而中间功率-时间区间杀菌效果较差。机理分析表明，短时高强度微波处理会造成严重细胞膜损伤、抑制细胞代谢活性，并大幅提升胞内活性氧（ROS）水平与丙二醛（MDA）含量，其中300 W·mL–1处理组产生的氧化应激水平最高。扫描电镜观察证实，菌体出现明显形态畸变。氧化应激标志物变化趋势与杀菌效果高度吻合，说明氧化应激介导的脂质过氧化是微波灭菌的核心灭活途径，低功率长时间处理以累积热-氧化损伤为主，高功率短时间处理则诱发急性氧化爆发。
文章亮点
揭示微波超高温灭活嗜热脂肪芽孢杆菌的功率-时间非线性协同效应
固定终点温度136 ± 1℃的前提下，杀菌效果并非随微波功率线性变化，在150 W·mL–1/40 s、300 W·mL–1/20 s条件下出现较好的杀菌效果，200~250 W·mL–1中间功率区间杀菌效率显著下降。这一发现修正了仅依靠总加热能量评判灭菌效果的传统认知，区分出低功率长时累积损伤和高功率短时急性氧化冲击的两种灭活路径，弥补了传统一级热死亡动力学无法充分和解释微波复合热-电磁效应的理论短板。
解析微波UHT处理对细胞膜完整性与生理功能的影响
通过膜电位、TTC 脱氢酶活性、胞内核酸与蛋白泄漏等多项生理指标，系统揭示了微波UHT处理对嗜热脂肪芽孢杆菌细胞膜完整性及代谢功能的差异化损伤模式，为理解微波灭菌的非线性机制提供了直接的生理学证据。
证实氧化应激是微波灭菌核心致死机制
胞内ROS水平、脂质过氧化产物MDA含量的变化趋势与活菌灭活效果高度一致；高功率密度条件引发急性氧化应激，低功率密度条件则产生持续性氧化损伤，明确了氧化应激介导的膜脂质过氧化是细胞死亡的关键路径之一。
扫描电镜直观区分不同功率-时间组合的菌体差异化形态损伤
扫描电镜结果直观揭示了差异化菌体损伤的模式，包括低功率长时处理导致菌体压缩肿胀，以及高功率短时处理导致菌体快速脱水皱缩，超高温微波热处理引发的膜损伤主要表现为整体结构崩塌。
图文摘要
作者简介
第一作者: 杨化宇，博士、副研究员（专职科研），四川大学电子信息学院博士后。主要从事电磁场与微波技术开发及食品加工过程多物理场仿真模拟研究。目前在Engineering、Chemical Engineering Journal、Applied Energy和Renewable and Sustainable Energy Reviews等期刊发表SCI论文10余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目（C类）1项、四川省自然科学基金项目（青年科学基金B类）1项。
通讯作者 : 范大明，博士、教授，江南大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室PI，现任西南大学副校长。国家杰出青年基金获得者，入选国家“万人计划”科技创新领军人才。主要从事食品物理加工技术与特殊环境供给等方面的教学与研究。曾获中国青年科技奖特别奖、国际食品科技联盟（IUFoST）“青年科学家奖”、国家科学技术进步二等奖、教育部技术发明奖一等奖、中国专利优秀奖等荣誉和奖励。
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