13.2：使用物理方法控制微生物

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学习目标

了解和比较控制微生物生长的各种物理方法，包括加热、冷藏、冷冻、高压处理、干燥、冻干、辐照和过滤

几千年来，人类使用各种物理方法控制微生物来保存食物。常见的控制方法包括施用高温、辐射、过滤和干燥（干燥）等。其中许多方法通过破坏膜、改变膜渗透性或通过变性、降解或化学修饰破坏蛋白质和核酸来非特异性杀死细胞。本节描述了用于微生物控制的各种物理方法。

加热

加热是最常见也是最古老的微生物控制形式之一。它用于烹饪和罐装等简单技术。热能通过改变微生物的膜和使蛋白质变性来杀死微生物。微生物的热死亡点（TDP）是在 10 分钟的暴露中所有微生物被杀死的最低温度。不同的微生物对高温的反应不同，有些微生物（例如肉毒杆菌等内孢子形成物）的耐热性更高。一个类似的参数，即热死亡时间 (TDT)，是在给定温度下杀死样品中所有微生物所需的时间长度。这些参数通常用于描述使用高温的灭菌程序，例如高压灭菌。煮沸是控制微生物的最古老的方法之一，它通常在杀死植物细胞和某些病毒方面非常有效。但是，煮沸对杀死 endospores 的效果较差；有些内孢子在沸腾后能够存活长达 20 个小时。此外，在较高海拔地区，煮沸效果可能较差，因为那里的水的沸点较低，因此杀死微生物所需的沸腾时间更长。出于这些原因，煮沸在实验室或临床环境中不被认为是一种有用的消毒技术。

许多不同的加热规程可用于实验室或诊所的灭菌，这些方案可以分为两大类：干热灭菌和湿热灭菌。实验室中的无菌技术通常涉及一些使用直接施加高温的干热灭菌方案，例如消毒接种循环（图 $\PageIndex{1}$ ）。在非常高的温度下焚烧会破坏所有微生物。也可以使用干热消毒器（如烤箱）在温度高达 170 °C 的条件下使用相对较长的时间（至少 2 小时）。但是，湿热灭菌通常是更有效的方法，因为它比干热更能穿透细胞。

a) 一张手在明火上握住环的照片。一台带有钢丝金属圆柱体的机器，该圆柱体在中心装有一个回路。 — 图 $\PageIndex{1}$ ：(a) 消毒回路通常被称为 “点燃回路”，是微生物实验室无菌技术的常见组成部分，用于焚烧回路中的任何微生物。 (b) 或者，可以使用杀菌器来减少微生物的气溶胶化并消除实验室中明火的存在。这些是通过直接应用能够焚烧的高温进行干热灭菌的示例。（来源 a：Anh-Hue Tu 对作品的修改；来源 b：Brian Forster 对作品的修改）

高压灭菌器

高压灭菌器依赖湿热消毒。它们用于将温度提高到水的沸点以上，以消毒来自营养细胞、病毒，尤其是内孢子的手术设备等物品，众所周知，这些物品可以在沸腾的温度下存活，而不会损坏物品。查尔斯·钱伯兰（1851-1908 年）于 1879 年在路易斯·巴斯德实验室工作时设计了现代高压灭菌器。高压灭菌器仍被认为是最有效的灭菌方法（图 $\PageIndex{2}$ ）。 在实验室和临床环境之外，称为蒸馏罐的大型工业高压灭菌器允许进行大规模的湿热灭菌。

通常，高压灭菌器腔室中的空气会被排出，取而代之的是封闭腔室中滞留的越来越多的蒸汽，从而导致内部压力升高，温度超过水的沸点。两种主要类型的高压灭菌器在从腔室中排出空气的方式上有所不同。在重力置换高压灭菌器中，蒸汽从顶部或侧面引入腔室。比蒸汽重的空气沉入腔室底部，然后通过通风口被迫排出。完全排出空气很困难，尤其是在较大的负载中，因此此类负载可能需要更长的周期。在 prevacuum 消毒器中，在将蒸汽引入腔室之前，使用高速真空将空气完全排出。由于空气可以更彻底地排出，因此蒸汽可以更容易地穿透包裹的物品。许多高压灭菌器能够同时进行重力和预真空循环，前者用于对废物进行净化以及对介质和未包装的玻璃器皿进行消毒，后者用于对包装后的器械进行消毒。

a) 高压灭菌器的图纸。有一个带压力表的大型金属气缸。操作阀允许蒸汽从夹套流入腔室；还有一个安全阀。主腔连接到排气阀、废气管道、喷射阀、蒸汽供应管道和压力调节器。 B) 一张高压灭菌器的照片；一个与站在前面的操作员一样高的大金属箱。 — 图 $\PageIndex{2}$ ：(a) 高压灭菌器通常用于实验室和临床环境中的灭菌。通过用越来越多的蒸汽排出腔室中的空气，压力会增加，温度可以超过 100 °C，从而实现完全消毒。 (b) 研究人员对高压灭菌器进行编程，对样品进行消毒。（来源 a：考特尼·哈灵顿对作品的修改；来源 b：Lackemeyer MG、Kok-Mercado Fd、Wada J、Bollinger L、Kindrachuk J、Wahl-Jensen V、Kuhn JH、Jahrling PB 对作品的修改）

高压灭菌器的标准工作温度为 121 °C，在某些情况下为 132 °C，压力通常为每平方英寸 (psi) 15 至 20 磅。暴露时间长短取决于被消毒材料的体积和性质，但通常为 20 分钟或更长时间，体积越大，曝光时间越长，才能确保向正在消毒的材料传递足够的热量。蒸汽必须直接接触正在消毒的液体或干燥物质，因此容器要松散地封闭，仪器用纸或铝箔纸松散地包裹。高压灭菌的关键在于，温度必须足够高以杀死内孢子才能完全消毒。

由于消毒对安全的医疗和实验室规程非常重要，因此质量控制至关重要。高压灭菌器可以配备记录器，用于记录每次运行期间达到的压力和温度。此外，应将各种类型的内部指示器与待消毒的材料一起进行高压灭菌，以确保达到适当的灭菌温度（图 $\PageIndex{3}$ ）。一种常见的指示器是使用热敏高压灭菌胶带，这种胶带上有白色条纹，当在高压灭菌器成功运行期间达到适当的温度时，这些条纹会变成黑色。这种类型的指标相对便宜，可以在每次运行时使用。但是，高压灭菌胶带无法指示曝光时间，因此不能将其用作无菌的指标。另一种指示剂是生物指示剂孢子试验，它使用一张纸条或是 Geobacillus dearothermophilus 内孢子的液体悬浮液来确定该过程是否杀死了内孢子。强效嗜热细菌 G. stear othermophilus 的内孢子是用于此目的的黄金标准，因为它们具有极高的耐热性。生物孢子指示剂也可用于测试其他灭菌方案的有效性，包括环氧乙烷、干热、甲醛、伽马辐射和使用任一 G 的过氧化氢等离子体灭菌。 ste@@ arothermophilus 、atrophaeus 芽孢杆菌、枯草杆菌或 B. pumilus 孢子。在验证高压灭菌器功能的情况下，内孢子在高压灭菌后进行孵育，以确保没有存活的内孢子残留。 内孢子发芽后的细菌生长可以通过生物指标孢子测试进行监测，这些测试可以检测酸性代谢物或活性硬脂热杆菌衍生的酶产生的荧光。 第三种高压灭菌器指示器是 Diack 管，这是一种装有温度敏感颗粒的玻璃安瓶，可在适当的灭菌温度下熔化。定期使用孢子条或 Diack 管，以确保高压灭菌器正常运行。

试管的照片。左边的那个有白色胶带，右边的那个有同样的白色胶带，但现在有一条黑线。 — 图 $\PageIndex{3}$ ：在高压灭菌器成功运行期间（右管），高压灭菌胶带（左管）上的白色条带变暗。（来源：布莱恩·福斯特对作品的修改）

巴氏杀菌

尽管完全消毒是许多医疗应用的理想选择，但对于其他应用并不总是可行的，还可能改变产品的质量。煮沸和高压灭菌并不是控制许多食物中微生物生长的理想方法，因为这些方法可能会破坏食物的稠度和其他感官（感官）品质。巴氏杀菌是对食物进行微生物控制的一种形式，它使用热量但不会使食物消毒。传统的巴氏杀菌可杀死病原体并减少导致变质微生物的数量，同时保持食品质量。巴氏杀菌工艺最初是由路易斯·巴斯德在 19 世纪 60 年代开发的，是防止啤酒和葡萄酒变质的一种方法。如今，巴氏杀菌最常用于杀死牛奶和其他食品（例如苹果汁和蜂蜜）中的热敏感病原体（图 $\PageIndex{4}$ ）。但是，由于巴氏消毒的食品不是无菌的，它们最终会变质。

用于牛奶巴氏杀菌的方法平衡了温度和处理时间。一种方法是高温短时 (HTST) 巴氏杀菌，将牛奶暴露在72°C的温度下持续15秒，从而减少细菌数量，同时保持牛奶的质量。另一种方法是超高温 (UHT) 巴氏杀菌，将牛奶暴露在 138 °C 的温度下 2 秒或更长时间。超高温灭菌牛奶可以在密封容器中长时间储存，无需冷藏；但是，非常高的温度会改变牛奶中的蛋白质，导致味道和气味略有变化。尽管如此，这种巴氏杀菌方法在制冷机会有限的地区还是有优势的。

巴氏杀菌显示了大型机器的图像。左边是 HTST 巴氏杀菌，牛奶在 72 摄氏度下加热 15 秒钟，然后煮沸并冷藏。右边是超高温灭菌法，即牛奶在 138 摄氏度下加热 2 秒或更长时间，然后在不冷藏的情况下在密闭容器中密封长达 90 天。最重要的是以下测试：被巴氏杀菌杀死的牛奶传播生物：空肠弯曲杆菌、伯内氏柯克西氏菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌 O157: H7、结核分枝杆菌、副结核杆菌、沙门氏菌属、小肠结肠炎耶尔森氏菌。 — 图 $\PageIndex{4}$ ：两种不同的巴氏杀菌方法，即HTST和UHT，通常用于杀死与牛奶变质相关的病原体。（左图：修改马克·希拉里的作品；右信用：Kerry Ceszyk 对作品的修改）

练习 $\PageIndex{1}$

在高压灭菌器中，如何达到高于沸点的温度？
与HTST巴氏杀菌和超高温巴氏消毒的牛奶相比，变质的开始会如何？
为什么在临床环境中不使用煮沸作为消毒方法？

冷藏和冷冻

正如高温可以有效控制微生物的生长一样，将微生物暴露在低温下也是一种简单而有效的微生物控制方法，但嗜冷者除外，他们更喜欢低温（参见温度和微生物生长）。家用厨房或实验室中使用的冰箱将温度保持在0°C至7°C之间。该温度范围抑制微生物的新陈代谢，显著减缓微生物的生长，并有助于保存食品或医疗用品等冷藏产品。某些类型的实验室培养物可以通过冷藏保存以备后用。

冷冻在 −2 °C 以下可能会阻止微生物的生长，甚至杀死易感生物。根据美国农业部（USDA）的说法，解冻冷冻食品的唯一安全方法是在冰箱里，浸入每30分钟更换一次的冷水中，或者放在微波炉中，将食物保持在不利于细菌生长的温度下。 ¹ 此外，细菌生长停止可能会在解冻的食物中重新启动，因此解冻后的食物应像新鲜易腐食品一样对待。

需要长期储存或运输的细菌培养物和医学标本通常在 −70 °C 或更低的超低温度下冷冻。这些超低温度可以通过将标本储存在超低冰箱中的干冰上或特殊的液氮罐中来实现，这些液氮罐的温度保持在−196 °C以下（图 $\PageIndex{5}$ ）。

一个人站在大冰箱前的照片。一个人站在大冰箱前的照片。 — 图 $\PageIndex{5}$ ：培养物和其他医学标本可以在超低温下长时间储存。 (a) 超低速冷冻机可将温度保持在−70°C或以下。(b) 通过冷冻和储存在液氮中可以达到更低的温度。（来源 a：“专家步兵” /Flickr 对作品的修改；来源 b：美国农业部对作品的修改）

练习 $\PageIndex{2}$

将食物放在冰箱里会杀死食物中的细菌吗？

压力

暴露在高压下会杀死许多微生物。在食品工业中，高压加工（也称为巴斯卡化）用于杀死食品中的细菌、酵母、霉菌、寄生虫和病毒，同时保持食品质量和延长保质期。施加在100到800 MPa之间的高压（海平面大气压约为0.1 MPa）足以通过蛋白质变性杀死营养细胞，但内孢子可以在这些压力下存活。 ² ³

在临床环境中，高压氧疗法有时用于治疗感染。在这种疗法中，患者在高于正常大气压的压力下呼吸纯氧，通常介于 1 到 3 个大气压 (atm) 之间。这是通过将患者置于高压舱或通过呼吸管供应加压氧气来实现的。高压氧疗法有助于提高因感染和炎症而变得缺氧的组织的氧饱和度。氧气浓度的增加通过增加中性粒细胞和巨噬细胞（抵抗感染的白细胞）的活性来增强人体的免疫反应。氧气含量的增加也会导致有毒自由基的形成，这些自由基会抑制氧气敏感或厌氧细菌的生长，例如产气荚膜梭菌，这是气性坏疽的常见原因。 在产气荚膜梭菌感染中，高压氧疗法还可以减少导致组织破坏的细菌毒素的分泌。 高压氧疗法似乎也增强了抗生素治疗的有效性。不幸的是，一些罕见的风险包括氧气毒性以及对眼睛、中耳和肺部等脆弱组织的影响，这些组织可能会因气压升高而受损。

高压处理通常不用于对烟雾进行消毒或灭菌。尽管在高压灭菌器中施加压力和蒸汽可以有效杀死内孢子，但导致内孢子死亡的是达到的高温，而不是直接施加的压力。

一连串糟糕的 Potluck

2015 年春季的一个星期一，一名俄亥俄州女性开始出现模糊、复视、吞咽困难和眼皮下垂的症状。她被送往当地医院的急诊室。在检查期间，她开始出现腹部绞痛、恶心、麻痹、口干、面部肌肉无力以及说话和呼吸困难。基于这些症状，医院的事件指挥中心被启动，俄亥俄州公共卫生官员接到了一例可能的肉毒中毒病例的通知。同时，其他有类似症状的患者开始出现在其他当地医院。由于怀疑存在肉毒中毒，抗毒素在一夜之间从疾病预防控制中心运往这些医疗机构，给受影响的患者服用。第一位患者死于麻痹导致的呼吸衰竭，其余受害者中约有一半在服用抗毒素后需要额外住院治疗，至少有两人需要呼吸机进行呼吸。

公共卫生官员对每例病例进行了调查，并确定所有患者在前一天都参加了同一次教堂聚餐。此外，他们将疫情的根源追溯到用自制土豆罐头制成的土豆沙拉。马铃薯很可能是用开水罐装的，这种方法可以使肉毒梭菌的内孢子存活。肉毒@@ 杆菌会产生肉毒杆菌毒素，这是一种神经毒素，一旦摄入，通常会致命。据美国疾病预防控制中心称，俄亥俄州的病例是近40年来美国最大的肉毒中毒疫情。 ⁴

杀死肉毒杆菌内孢需要的最低温度为116°C（240°F），远高于水的沸点。这个温度只能在压力罐中达到，建议在家中罐装肉类、鱼类、家禽和蔬菜等低酸食物（图 $\PageIndex{6}$ ）。此外，疾病预防控制中心建议在食用自制罐装食品之前煮约10分钟。由于肉毒杆菌毒素不耐热（这意味着它会因高温而变性），煮沸10分钟将使食物中可能含有的任何肉毒杆菌毒素失效。

a) 显微镜图像的绘图。小棒状细胞，一端有一个透明的小圆圈。还可以看到没有透明圆圈的杆和杆外的小圆圈。 B) 家用罐装罐装在锅里。 — 图 $\PageIndex{6}$ ：(a) 肉*毒梭菌是肉毒*中毒的病原体。 (b) 建议使用压力罐装家用罐头，因为*肉毒杆菌*的内孢子可以在高于水沸点的温度下存活。（来源 a：修改疾病控制与预防中心的工作；来源 b：国家家庭食品保存中心对工作的修改）

链接到学习

要了解有关正确的家用罐装技术的更多信息，请访问疾病预防控制中心的网站。

干燥

干燥，也称为干燥或脱水，这种方法已经使用了几千年，用于保存葡萄干、李子和肉干等食物。它之所以起作用，是因为包括微生物在内的所有细胞都需要水来进行新陈代谢和存活。尽管干燥可以控制微生物的生长，但它可能无法杀死所有微生物或其内孢子，当条件更有利且含水量恢复时，微生物或其内孢子可能会开始再生。

在某些情况下，食物在阳光下晒干，依靠蒸发来实现干燥。冷冻干燥或冻干是另一种干燥方法，在这种方法中，物品被快速冷冻（“快冻”）并置于真空下，这样水分就会因升华而流失。冻干将暴露在低温下和干燥相结合，使其在控制微生物生长方面非常有效。此外，与传统的干燥相比，冻干对物品造成的损坏要小，可以更好地保持物品的原始品质。如果包装得当，冻干的物品可以在室温下储存，以防止水分吸收。冻干法用于食品工业的保存，也用于实验室长期储存和运输微生物培养物。

通过添加盐或糖等溶质，可以在不进行物理干燥的情况下降低食物和材料的含水量，称为水活性。在盐或糖浓度非常高的情况下，微生物细胞中的可用水量会大大减少，因为水将从溶质浓度较低的区域（细胞内部）抽到溶质浓度高的区域（细胞外）（图 $\PageIndex{7}$ ）。许多微生物无法在这些高渗透压条件下存活。例如，蜂蜜的蔗糖含量为80％，在这种环境中，很少有微生物能够生长，因此无需冷藏。咸肉和鱼，例如火腿和鳕鱼，在冷藏时代之前是至关重要的食物。水果是通过添加糖、制作果酱和果冻来保存的。但是，某些微生物，例如霉菌和酵母，往往更耐干燥和高渗压，因此仍可能污染这些类型的食物。

a) 一幅画显示水离开细胞，细胞萎缩。 B) 葡萄干、牛肉干、咸鱼和果酱的照片。 — 图 $\PageIndex{7}$ ：（a）添加溶质会产生高渗环境，从细胞中抽出水分。 (b) 有些食物可以直接干燥，例如葡萄干和肉干。其他食物在干燥时加入盐，例如咸鱼，或糖（如果酱）。（来源 a：修改 “布鲁斯·布劳斯” /Wikimedia Commons；credit raisins：克里斯蒂安·施内特尔克对作品的修改；credit jerky：修改拉里·雅各布森的作品；credit salt fish：修改金·贝克尔的作品)

练习 $\PageIndex{3}$

在食物中添加盐或糖会如何影响其水活性？

辐射

各种形式的辐射，从高能辐射到阳光，都可用于杀死微生物或抑制其生长。 电离辐射包括 X 射线、伽玛射线和高能电子束。电离辐射的强度足以进入细胞，在那里它会改变分子结构并破坏细胞成分。例如，电离辐射会导致 DNA 分子中的双链断裂。这可能直接导致 DNA 突变的发生，或者在细胞试图修复 DNA 损伤时可能引入突变。随着这些突变的积累，它们最终导致细胞死亡。

X 射线和伽玛射线都很容易穿透纸张和塑料，因此可用于对许多包装材料进行消毒。在实验室中，电离辐射通常用于对无法高压灭菌的材料进行消毒，例如塑料培养皿和一次性塑料接种环。对于临床用途，电离辐射用于对手套、静脉注射管和其他用于患者护理的乳胶和塑料物品进行消毒。电离辐射还用于对临床上使用的其他类型的精细、热敏感材料进行消毒，包括用于移植的组织、药物和医疗设备。

在欧洲，用于食品保鲜的伽玛辐照被广泛使用，尽管在美国流行起来很慢（参见有关该主题的 Micro Connec tions方框）。包装好的干香料也经常经过伽马辐照。由于它们能够穿透纸张、塑料、薄的木板和金属片以及纸巾，因此在使用 X 射线和伽马射线照射时必须格外小心。这些类型的电离辐照无法穿透厚的铁或铅层，因此这些金属通常用于保护可能受到辐射的人。

另一种辐射是非电离辐射，通常用于消毒，消耗的能量少于电离辐射。它不会穿透细胞或包装。紫外线（UV）就是一个例子；它使胸腺嘧啶二聚体在单条DNA链中的相邻胸腺嘧啶之间形成（图 $\PageIndex{8}$ ）。当DNA聚合酶遇到胸腺嘧啶二聚体时，它并不总是含有适当的互补核苷酸（两个腺嘌呤），这会导致突变的形成，最终可以杀死微生物。

消费者和实验室人员均可有效使用紫外线来控制微生物的生长。现在，紫外线灯通常集成到家庭用水净化系统中。此外，露营者通常使用小型便携式紫外线灯在饮用前净化自然环境中的水。杀菌灯还用于手术室、生物安全柜和传输罩，通常发射波长为 260 nm 的紫外线。由于紫外线不会穿透表面，也不会穿过塑料或玻璃，因此细胞必须直接暴露在光源下。

阳光的光谱非常广泛，包括紫外线和可见光。在某些情况下，阳光可以有效对抗某些细菌，因为紫外线会形成胸腺嘧啶二聚体，也因为暴露在可见光下会产生少量活性氧产物。

a) 双链 DNA 片段，显示双链两侧的 A/T 和 C/G 之间有适当的氢键。但是，同一条线上的 2 个 T 是相互绑定的，而不是它们对面的 A。 2 T 之间的这种键被标记为胸腺嘧啶二聚体。 B) 一张带有蓝光的实验室引擎盖的照片。 — 图 $\PageIndex{8}$ ：（a）紫外线辐射导致DNA中胸腺嘧啶二聚体的形成，导致暴露的微生物发生致命突变。 (b) 在实验室中，发射紫外线的杀菌灯通常用于对设备进行消毒。

练习 $\PageIndex{4}$

电离辐射作为消毒方法有哪两个优点？
电离辐射的有效性与非电离辐射的有效性相比如何？

辐照食物：你会吃那个吗？

在预防食物变质和食源性疾病的所有方法中，伽马射线辐照可能是最令人讨厌的。尽管伽玛辐照是消除食物中潜在有害微生物的一种行之有效的方法，但公众尚未认同。但是，他们的大部分担忧源于错误的信息和对辐射基本原理的了解不足。

最常见的辐照方法是通过传送带上的辐射室，将食物暴露在钴-60或铯137中。食物不会直接接触放射性物质，本身也不会产生放射性。因此，不存在因食用伽马辐照食物而暴露于放射性物质的风险。此外，除了某些维生素的流失外，经过辐照的食物在营养质量方面没有显著变化，长期储存也会加剧这种情况。脂肪含量高的经过辐照的食物，例如肥肉和乳制品，可能会发生味觉或气味的改变，但是在较冷的温度下使用较低剂量的辐射可以最大限度地减少这种影响。

在美国，美国疾病预防控制中心、环境保护署（EPA）和食品药品监督管理局（FDA）认为辐照对各种类型的肉类、家禽、贝类、新鲜水果和蔬菜、带壳鸡蛋以及香料和调味料是安全有效的。食品的伽玛辐照也已获准在许多其他国家使用，包括法国、荷兰、葡萄牙、以色列、俄罗斯、中国、泰国、比利时、澳大利亚和南非。为了帮助缓解消费者的担忧并协助开展教育工作，辐照食品现已清晰贴上标签，并标有名为 “radura” 的国际辐照标志（图 $\PageIndex{9}$ ）。最近的几项研究表明，消费者的接受度似乎在上升。

A) 传送带上的桃子。 B) 伽玛辐照的符号。一朵程式化的花（在 2 个树叶形状上方圆圈），顶部附近有 4 条清晰的线条穿过圆圈。 — 图 $\PageIndex{9}$ ：(a) 食物通过传送带穿过辐射室而受到伽马辐射。 (b) 经过伽马辐照的食物必须贴上明确的标签，并显示被称为 “radura” 的辐照符号。（来源 a、b：美国农业部对工作的修改）

超声处理

使用高频超声波破坏细胞结构被称为超声处理。超声波的应用会导致细胞内液体内压力的快速变化；这会导致空化，即细胞内部气泡的形成，这会破坏细胞结构，最终导致细胞裂解或崩溃。在实验室中，超声处理可用于高效裂解细胞以释放其内容物以供进一步研究；在实验室外，超声处理用于清洁手术器械、镜片和各种其他物体，例如硬币、工具和乐器。

过滤

过滤是一种将微生物与样品进行物理分离的方法。空气通常通过高效微粒空气 (HEPA) 过滤器（图 $\PageIndex{10}$ ）。 HEPA 过滤器的有效孔径为 0.3 µm，足够小，可以在空气通过这些过滤器时捕获细菌细胞、内孢子和许多病毒，几乎可以消毒过滤器另一侧的空气。 HEPA 过滤器具有多种用途，广泛用于临床环境、汽车和飞机，甚至在家中。例如，它们可能存在于吸尘器、暖气和空调系统以及空气净化器中。

生物安全柜

生物安全柜是使用 HEPA 过滤器的一个很好的例子。生物安全柜 (BSC) 中的 HEPA 过滤器用于去除进入机柜（进气口）、离开机柜（排气口）或同时处理进气和排气的空气中的颗粒。使用进气口 HEPA 过滤器可防止环境污染物进入 BSC，从而为处理生物材料创造一个干净的区域。使用排气的 HEPA 过滤器可防止实验室病原体污染实验室，从而为实验室人员提供安全的工作区域。

BSC 分为三类：I、II 和 III。每个类别都旨在为实验室人员和环境提供不同级别的保护；BSC II 和 III 还旨在保护机柜中的材料或设备。表 $\PageIndex{1}$ 总结了每个 BSC 为每个 BSL 提供的安全级别。

表 $\PageIndex{1}$ ：生物风险和 BSC
生物风险评估	理学士班	人员保护	保护环境	产品保护
BSL-1、BSL-2、BSL-3	我	是的	是的	不是
BSL-1、BSL-2、BSL-3	二	是的	是的	是的
BSL-4	III; 在带西装的套房里使用时为 II	是的	是的	是的

I 类 BSC 可保护实验室工作人员和环境免受接触实验室中使用的生物制剂的低至中度风险。空气被吸入机柜，然后进行过滤，然后通过建筑物的排气系统排出。 II 类 BSC 使用定向气流和部分屏障系统来遏制传染病原体。 III 类 BSC 专为处理高传染性病原体而设计，例如 BSL-4 实验室中使用的病原体。它们是气密的，进入或离开机柜的材料必须通过双门系统，以便在两次使用之间对中间空间进行净化。所有空气都经过一两个 HEPA 过滤器和空气焚烧系统，然后直接排入室外（不是通过建筑物的排气系统）。人员可以使用密封在机柜上的长橡胶手套来操纵 III 级机柜内的材料。

链接到学习

该视频展示了 BSC 是如何设计的，并解释了它们如何保护人员、环境和产品。

医院过滤

HEPA 过滤器也常用于医院和手术室，以防止污染和空气中的微生物通过通风系统传播。 HEPA 过滤系统可以设计用于整个建筑物或单个房间。例如，烧伤病房、手术室或隔离室可能需要特殊的 HEPA 过滤系统来清除环境中的机会性病原体，因为这些房间中的患者特别容易受到感染。

薄膜过滤器

过滤还可用于通过膜过滤从液体样品中去除微生物。液体膜过滤器的功能与空气的 HEPA 过滤器类似。通常，用于去除细菌的膜过滤器的有效孔径为0.2 µm，小于细菌的平均大小（1 µm），但孔径较小的过滤器可用于更具体的需求。膜过滤可用于从实验室使用的各种类型的热敏感溶液（例如抗生素溶液和维生素溶液）中去除细菌。还可以对大量培养基进行过滤消毒而不是高压灭菌，以保护热敏感成分。通常在小容量过滤时使用注射器过滤器，但真空过滤器通常用于过滤较大容量（图 $\PageIndex{11}$ ）。

a) 由过滤器隔开的 2 个腔室的照片；一根管子从过滤器下方延伸到设备。 B) 一张末端带有过滤器的注射器的照片。 — 图 $\PageIndex{11}$ ：膜过滤器有多种尺寸，具体取决于所过滤溶液的体积。 (a) 较大的体积以这样的单位过滤。通过将设备连接到真空吸尘器，溶液通过过滤器吸取。 (b) 较小的体积通常使用注射器过滤器进行过滤，注射器过滤器是安装在注射器末端的单元。在这种情况下，通过压下注射器的柱塞来推动溶液通过。（来源 a，b：布莱恩·福斯特对作品的修改）

练习 $\PageIndex{5}$

使用 0.2 µm 过滤器进行膜过滤是否有可能从溶液中去除病毒？解释一下。
列举HEPA过滤在临床或实验室环境中的至少两种常见用途。

图 $\PageIndex{12}$ 和图 $\PageIndex{13}$ 总结了本节中讨论的物理控制方法。

标题为 “物理控制方法” 的表；4 列-方法、条件、作用模式和使用示例。分组为：热、冷、压力、干燥、辐射、超声和过滤。加热。沸腾，海平面 100 °C，变性蛋白质并改变膜；使用烹饪、个人使用、制备某些实验室培养基。干热烤箱，170 °C 持续 2 小时，变性蛋白质并改变膜、脱水、干燥；对耐热的医疗和实验室设备及玻璃器皿进行消毒。焚烧、暴露在火焰中、通过燃烧摧毁、火焰循环、微焚化炉。高压灭菌器，典型设置：121 °C，在 15 psi 下持续 15—40 分钟，变性蛋白质并改变膜，对微生物培养基、耐热医疗和实验室设备以及其他耐热物品进行灭菌。巴氏杀菌，72 °C 持续 15 秒 (HTST) 或 138 °C 持续 ≥ 2 秒 (UHT)，变性蛋白质并改变膜，防止牛奶、苹果汁、蜂蜜和其他可摄取液体变质。感冒。冷藏，0 °C 至 7 °C，抑制新陈代谢（减缓或阻止细胞分裂），保存食物或实验室材料（溶液、培养物）。冷冻，低于 −2 °C，停止新陈代谢，可能杀死微生物，长期储存食物、实验室培养物或医学标本。压力。高压处理，暴露在100—800 MPa的压力下，蛋白质变性并可能导致细胞裂解保存食物，Hyberbaric 氧气疗法。在1—3 atm的压力下吸入纯氧，抑制厌氧微生物的新陈代谢和生长，治疗某些感染（例如气坏疽）。 Desdication。简单干燥，干燥，抑制新陈代谢，干果，生干。减少水活性，添加盐或水抑制新陈代谢，并可能导致裂解、咸肉和鱼、蜂蜜、果酱和果冻。冻干，真空下快速冷冻，抑制新陈代谢保存食物、实验室培养物或试剂。辐射。电离辐射，暴露于X射线或伽玛射线，改变分子结构，引入DNA双链断裂，对香料和热敏感实验室和医疗物品进行灭菌；在欧洲用于食品消毒，但在美国尚未被广泛接受。非电离辐射，暴露在紫外线下，引入胸腺嘧啶二聚体，导致突变，实验室材料的表面消毒，水净化。超声处理、暴露于超声波、空化（空白空间的形成）会破坏细胞，裂解细胞，实验室研究以裂解细胞；清洁珠宝、镜片和设备。过滤。 HEPA 过滤，使用孔径为 0.3 µm 的 HEPA 过滤器，物理去除空气中的微生物，实验室生物安全柜，手术室，隔离装置，暖气和空调系统，吸尘器。膜过滤使用孔径为 0.2 微米或更小的膜过滤器，物理去除液体溶液中的微生物，去除维生素、抗生素和含有热敏成分的介质等热敏感溶液中的细菌。 — 图 $\PageIndex{12}$ ：物理控制方法

参见上图的替代文本。此图是一个由两部分组成的图的延续，其内容在上图的替代文本中进行了完整描述。 — 图 $\PageIndex{13}$ ：物理控制方法（续）

关键概念和摘要

加热是一种广泛使用且高效的控制微生物生长的方法。
干热灭菌规程通常用于实验室的无菌技术。但是，湿热灭菌通常是更有效的方法，因为它比干热更能穿透细胞。
巴氏杀菌用于杀死病原体并减少导致食物变质的微生物数量。 高温、短时巴氏杀菌通常用于对将要冷藏的牛奶进行巴氏杀菌；超高温巴氏杀菌可用于对牛奶进行巴氏消毒，无需冷藏即可长期储存。
冷藏会减缓微生物的生长；冷冻会停止生长，杀死一些生物。实验室和医学样本可以在干冰上或在超低温下冷冻，以便储存和运输。
高压处理可用于杀死食物中的微生物。用于提高血氧饱和度的高压氧疗法也被用于治疗某些感染。
长期以来，干燥一直被用来保存食物，通过添加盐或糖来加速干燥，这会降低食物中的水活性。
冻干结合了低温暴露和干燥，用于长期储存食物和实验室材料，但微生物仍然存在，可以补水。
电离辐射，包括伽马辐射，是消毒热敏感材料和包装材料的有效方法。 非电离辐射，如紫外线，无法穿透表面，但可用于表面消毒。
HEPA 过滤通常用于医院的通风系统和实验室的生物安全柜，以防止空气中的微生物传播。 膜过滤通常用于去除热敏感溶液中的细菌。

脚注

1 美国农业部。 “冷冻和食品安全”。2013。 http://www.fsis.usda.gov/wps/portal/...afety/CT_Index。已于 2016 年 6 月 8 日访问。
2 C. Ferstl。 “高压处理：对技术和监管要求的见解。” 值得深思的食物/白皮书。系列第 10 卷。加利福尼亚州利弗莫尔：国家食品实验室；2013年7月。
3 美国食品药品监督管理局。 “替代食品加工技术的微生物灭活动力学：高压加工。” 2000。www.fda.gov/FoodSciencer... /ucm101456.htm。已于 2106 年 7 月 19 日访问。
4 CL McCarty 等人。 “2015 年俄亥俄州与教会 Potluck Meal 相关的肉毒中毒大规模爆发。” 《发病率和死亡率周报》第64期，第29期（2015）：802—803。
凌晨 5 点 Johnson 等人。 “消费者接受电子束辐照的即食家禽肉。” 食品加工保存，28 号第 4 期（2004）：302—319。