Study on bacteriostatic activity of nanocerium dioxide against two aquatic pathogenic Vibrio spp.
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摘要:
纳米二氧化铈 (nCeO2) 是一种重要的新型高抗氧化性稀土金属氧化物。为开发高效、环保且无耐药性的新型抗菌剂，通过高温煅烧六水合硝酸铈[Ce(NO3)3·6H2O]研磨制得nCeO2，探究了nCeO2 对创伤弧菌 (Vibrio vulnificus) 和副溶血弧菌 (V. parahaemolyticus) 的抑菌活性，并利用罗氏沼虾 (Macrobrachium rosenbergii) 体内实验对nCeO2的抑菌效果进行验证。结果显示：1) 所得nCeO2较为纯净，颗粒直径为 25.03 nm，Zeta电位 (mV) 为 −5.65，在溶液中分散均匀。2) nCeO2对创伤弧菌和副溶血弧菌的最小抑菌浓度 (MIC) 分别为128和256 μg·mL−1，最小杀菌浓度 (MBC) 均为512 μg·mL−1；nCeO2对创伤弧菌和副溶血弧菌的抑菌环直径分别为21.50和17.42 mm。3) 3种浓度nCeO2 (1/2 MIC、1 MIC、2 MIC) 均能显著抑制2种弧菌的生长活力，同时提高其胞外碱性磷酸酶 (AKP) 活性、菌液相对导电率、胞外核酸和可溶性蛋白质含量 (p<0.05)。4) nCeO2 拌料饲喂显著降低了创伤弧菌和副溶血弧菌感染模型中罗氏沼虾的死亡率 (p<0.05)。研究表明nCeO2对副溶血弧菌和创伤弧菌体外和体内均具有良好的抑杀作用，其抗菌作用可能与其破坏菌体细胞壁、细胞膜完整性和细胞膜通透性有关。
Abstract:Nanocerium dioxide (nCeO2) is an important new type of rare earth metal oxide with high oxidation resistance. In order to develop new antimicrobial agents witch are efficient, environmentally friendly and non-resistant, we obtained nCeO2 from cerium nitrate hexahydrate by high temperature calcination. We sudied the in vitro antibacterial activity of nCeO2 on two kinds of aquatic pathogens (Vibrio vulnificus and V. parahaemolyticus), and verified the antibacterial effect of nCeO2 by in vivo experiment of Macrobrachium rosenbergii. The results show that: 1) The obtained nCeO2 was relatively pure. The particle diameter was 25.03 nm, the Zeta potential (mV) was −5.65, and the dispersion in the solution was relatively uniform. 2) The minimum inhibitory concentrations (MIC) of nCeO2 against V. vulnificus and V. parahaemolyticus were 128 and 256 μg·mL−1, respectively, and the minimum bactericidal concentrations (MBC) all were 512 μg·mL−1. The diameter of the inhibition ring was 21.50 mm for V. vulnificus and 17.42 mm for V. parahaemolyticus. 3) The three concentrations of nCeO2 (1/2 MIC, 1 MIC and 2 MIC) all significantly improved the extracellular AKP activity, relative conductivity of bacterial solution, nucleic acid content and soluble protein content in the extracellular (p<0.05). 4) The nCeO2 supplementation in the feed significantly reduced the mortality of M. rosenbrei in V. vulnificus and V. parahaemolyticus infection models (p<0.05). The results indicate that nCeO2 has a good inhibitory effect on aquatic pathogens V. vulnificus and V. parahaemolyticus, and the antibacterial action may be related to its destruction of cell wall membrane integrity and cell membrane permeability.
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大黄鱼是我国主要海产经济鱼类之一，其肉质细嫩鲜美、蛋白质高、胆固醇低，治疗贫血、滋补身体而成为海水鱼类中的极品，深受海内外消费者的青睐。随着网箱养殖的成功，大黄鱼的产量也逐年增加，其深加工产品亟待开发。其中新型淡腌黄鱼制品正在形成水产品加工的产业，但其科技含量有待提高。目前，淡腌黄鱼制品普遍采用真空包装并在-10℃以下冷冻贮藏流通的方式，由于是半干制品，实际中经常是在常温或冷藏流通，然而脱离冷冻条件，将给产品品质和安全带来潜在危害，因此，探讨常温和冷藏条件下，淡腌黄鱼制品的品质变化及造成腐败的原因有重要的实际意义[1]。然而，目前对淡腌鱼类的贮藏性，特别是0℃以上温度条件下贮藏性的研究较少，仅王慥等[2]做过一些研究。本文系统地考察了淡腌黄鱼在冷藏温度(5、10、15℃)和常温(25℃)贮藏过程中，微生物和脂肪氧化造成的品质下降情况，从而确定不同温度贮藏下产品的货架期及其主要影响因素，并对货架期终点的指标值进行探讨。对于目前的微生物预报技术预测食品的剩余货架期而言，必须要考虑食品中微生物生存的生态系统[3-5]。因此研究不同贮藏温度下产品中微生物生长的情况及研究腐败的优势菌并对其建模来监控产品品质及预测产品的货架期将有重要的实际意义[6]。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
从福建霞浦‘啊~奇人’冷冻食品公司购买的淡腌黄鱼产品，产品均为刚出厂产品，鲜度良好。平均重量为250 g，运回实验室后，分别贮藏于5、10、15、25℃条件下，或冻藏于-30℃冷冻柜中备用。
1.2 实验设计
对保存在不同温度条件下的样品，按一定时间间隔分别检测样品的细菌总数、挥发性盐基氮、过氧化值、感官变化及产品的水分含量、水分活度(aw)、氯化钠(NaCl)含量等。每次检测做平行实验，取平均值。
1.3 方法
1.3.1 挥发性盐基氮(VBN)的测定
将鱼肉绞碎研匀，取样品10 g，用10倍无氨蒸馏水置冰箱中抽提30 min，期间不断振荡，然后过滤，滤液为10%样品浸抽液，置冰箱中供测定用。按GB/T5009.44-2003测定挥发性盐基氮含量。
1.3.2 细菌总数的测定
按GB/T4789.2-2003[7]用稀释平板法测定细菌总数。
1.3.3 POV值的测定
参照文献[2]加以改进，称取黄鱼腹肉2~3 g，加入5 mL醋酸-氯仿混合液(3 : 2)，用小型组织捣碎器将鱼肉充分捣碎，后转入充氮的碘量瓶中，用醋酸-氯仿液洗涤容器及捣碎器3次(每次5 mL)，合并入碘量瓶，振荡5 min，加入1 mL饱和碘化钾溶液，振匀后置暗处反应2~3 min，取出加30 mL去离子水，用0.01N标准硫代硫酸钠滴定。由消耗的硫代硫酸钠溶液的总体积数，按下式计算POV值。
$$ \operatorname{POV}=\frac{N_{N a_2 \mathrm{~S}_2 O_3} \times V_{N a_2 S_2 O_3}}{W_{\text {样品 }(\mathrm{g})}} \times 1000\left(\mathrm{meq} \cdot \mathrm{~kg}^{-1}\right) $$ 1.3.4 感官评定
感官评定小组由5~6人组成，人员基本固定，在进行正式评定前，小组成员经过一段时期的训练，掌握评分标准。检定时，先对产品的色泽、气味、感官等方面进行检定，然后蒸煮10 min后，对熟品的气味、色泽、口味、质地等方面进行评定。后将评分汇总进行统计处理。评分等级为0~4分。感官等级评定标准见表 1。
表 1 淡腌黄鱼贮藏期间感官变化评分标准Table 1 Sensory changes in lighted salted P.crocer during storage等级
scales色泽
color气味
odor口感
texture外观
appearance0 肉质白色，体表鲜亮，透明 咸香味， 肉质鲜嫩，口感适中，有嚼劲，有鱼香味 肉有弹性，体表干燥清洁 1 肉稍有红色，体表较鲜亮，略不透明 咸香味下降，稍有鱼腥味 肉粘着性下降，有鱼香味，有嚼劲 肉有弹性，体表有少量渗出液， 2 肉色失去光泽，肉发红黄色，透明度下降 鱼腥味加大，略有香味， 嚼劲下降，较有鱼香味 肉中有黑色肉丝有较多渗出液， 3 肉色发乌 有异味，香味较少 有很少嚼劲，无味 肉中有少量白色斑点 4 体表发红褐色 有臭味 肉质嚼起发涩，口中无味， 有大量白点，体表有黏液 2. 结果与讨论
2.1 淡腌黄鱼不同温度下保藏的感官变化随保存时间的变化
淡腌黄鱼在贮藏期间的感官会随保存时间的延长而变化，主要在色泽、气味、肉质、口感等方面，这是由于微生物及化学变化引起的。感官等级评定标准见表 1，4分及4分以上为感官终点，即产品腐败。评定结果见表 2。
表 2 各贮藏温度下淡腌黄鱼达到不同等级的天数Table 2 Days corresponding to the sensory scores of lighted salted P.crocer stored at different temperatured 贮藏温度
T等级scales 1 2 3 4 5℃ 6 11 15 20 10℃ 4 9 12 14 15℃ 3 4.5 6 8 25℃ 2 3.5 4 4.5 从表 1、2看出，各贮藏温度下，在腐败终点时感官变化较明显。淡腌黄鱼在5、10、15、25℃贮藏下，感官评分达到等级3时货架期分别为15、12、6、4 d，而达到等级4时货架期分别为20、14、8、4.5 d。这与王慥等[2]报导的淡腌鲐鱼在5、20℃贮藏货架期分别为15、5 d基本相似。也表明在感官评分达到3时，产品进入初期腐败。同时与鲜黄鱼0、5、10℃贮藏货架期分别为15、8.25、4.5 d相比，淡腌黄鱼的货架期明显延长，这是由于腌制和真空包装抑制了部分微生物活动，从而降低了产品的腐败速度。而产品在贮藏中随着贮藏温度的降低，感官变化明显变慢。温度越高，感官变化越快。5~25℃条件下贮藏淡腌黄鱼产品，其保藏期均较短。
2.2 淡腌黄鱼在不同温度下保藏的VBN随产品保存时间的变化
淡腌黄鱼产品由于其盐分(2.5%)较低，水分含量较高(60%)，因此脱离冷链流通将极易导致微生物的繁殖导致产品腐败，挥发性氨基氮(VBN)[6]将随之增高，并且随保存时间的延长而增高。淡腌黄鱼保存的温度越高，挥发性氨基氮值增加也越快；反之，增加较缓。本实验是将产品保存在5、10、15、25℃4个温度下，分别按3、2、1、0.5~0.8 d的时间段测定了其挥发性盐基氮的值，结果见图 1。
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图 1 淡腌黄鱼在不同温度下贮藏的VBN变化Fig. 1 Changes of VBN in lighted salted P.crocer stored at different temperature由图 1可见，15、25℃保藏的产品VBN值呈直线上升，而5、10℃保藏的产品则在保藏初期出现一个相对的缓慢期，后期VBN值迅速上升。淡腌黄鱼在5℃贮藏中TVB-N变化的缓慢期比10、15、25℃长得多，15、25℃保藏中的TVB-N上升比5、10℃明显快。5℃保藏第17天、10℃保藏第12天TVB-N值才开始明显增加，而15℃保藏第4.5天TVB-N值就开始明显增加。而后期达到初期腐败点30 mg · 100 g－1[2]时，VBN值变化幅度均加大，并且其对应的天数与感官评分所得的天数基本一致。
2.3 淡腌黄鱼在不同温度下的微生物增长随保藏时间的变化
对不同温度下贮藏的淡腌黄鱼进行细菌总数的测定，对微生物生长情况进行汇总，见图 2。
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图 2 淡腌黄鱼在不同温度下的微生物增长随保藏时间的变化Fig. 2 Changes of viable count in lighted salted P.crocer during storage at different temperature产品在保藏期间其细菌总数随保存时间的延长而增加；保存的温度越低，细菌总数增加的越缓慢。5和25℃保藏，细菌总数达到最大时的天数分别为15、7 d，相差1倍以上。5和10℃相比也有较大的差异，相差大约5 d。这表明淡腌黄鱼产品不能脱离冷链流通，否则将导致微生物的快速增长。由图 2中也可得出4个温度下保藏，得到的最大菌数基本一致，均达到8~9 log10CFU · g-1。达到较高菌数的时间与感官评分及VBN的天数保持一致，这也表明三者之间存在一定的相关性。
2.4 不同温度下POV变化随产品保存时间的变化
在不同贮藏条件下，POV变化情况见图 3。
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图 3 不同温度下淡腌黄鱼POV值与保存时间关系图Fig. 3 Changes of POV in lighted salted P.crocer stored at different temperature淡腌黄鱼属脂肪较高的鱼种(脂肪含量大约12%)，因此在保藏期间常出现脂肪氧化现象。由图 3中可见，4个温度下保藏，尽管产品均出现峰值但数值不高。实验中25和15℃下贮藏时，在贮藏3~4 d出现峰值，然后迅速下降。而5和10℃下贮藏时，在贮藏1周后出现峰值，然后下降，但较15和25℃缓慢。且5和10℃的峰值相差不大，这也表明降低贮藏温度可延缓氧化的进行。结合上述分析，发现POV值的变化情况与细菌总数、感官评分及VBN的变化保持一致，这表明4者之间有一定的相关性。
3. 小结
淡腌黄鱼产品在15、25℃保藏VBN值呈直线上升，而5、10℃保藏的产品则在保藏初期出现一个相对的缓慢期，后期VBN值迅速上升。5和25℃保藏，细菌总数达到最大时的天数分别为15、7 d，相差1倍以上。5和10℃相比也有较大的差异，相差大约5 d。4个实验温度下，保藏后期达到的最大菌数基本一致，均为8~9 log10CFU · g-1；25和15℃下保藏时，产品的POV在3~4 d出现峰值，然后迅速下降。而5和10℃下保藏时，在保藏1周后出现峰值，然后下降且两者的峰值相差不大。感官评分值与VBN值、POV、细菌总数的变化趋于一致，表明几者之间的相关性很好。淡腌黄鱼5、10、15、25℃条件下保藏，货架期分别为20、14、8、4.5 d。这对目前市场上流通的淡腌黄鱼(aw 0.930~0.950，水分含量60%)来说，要想保持较长的货架期则需要新的工艺条件及保藏技术。建议这种产品可通过稍加重盐分含量，使其在5%左右，也适当降低水分含量，使其保持在50%左右。这样不但延长产品的货架期，而且不影响产品的感官及风味。而消费者只需在食用前轻微脱盐即可。
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图 1 所制得纳米二氧化铈的表征
注：a. 纳米二氧化铈X射线粉末衍射测试结果；b. 纳米二氧化铈透射电镜结果。
Figure 1. Characterization of test nCeO2
Note: a. Results of XRD test; b. Transmission electron microscope of nCeO2.
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图 2 不同质量浓度纳米二氧化铈下创伤弧菌/副溶血弧菌的生长曲线
Figure 2. Growth curves of V. vulnificus/V. parahaemolyticus with different mass concentrations of nCeO2
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图 3 不同浓度纳米二氧化铈下创伤弧菌/副溶血弧菌的胞外AKP酶活性和相对导电率
注：相同处理时点情况下，不同浓度纳米二氧化铈处理组中，*. p<0.05；同一颜色不同英文字母上标表示相同浓度纳米二氧化铈处理下不同时间点差异显著 (p<0.05)。
Figure 3. Extracellular AKP activities and relative conductivity of V. vulnificus/V. parahaemolyticus with different concentrations of nCeO2
Note: In the group treated with the different concentrations of nano-cerium dioxide at the same time point, *. p<0.05; Different lowercase letters within the same color indicate significant differences at different time points under the treatment of the same concentration of nano-cerium dioxide (p<0.05).
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图 5 拌料纳米二氧化铈对罗氏沼虾创伤弧菌/副溶血弧菌感染模型累积死亡率的影响
注：感染模型组与空白对照组比较，*. p<0.05，**. p<0.01；纳米二氧化铈+感染组与感染模型组比较，#. p<0.05，##. p<0.01。
Figure 5. Effects of mixed material nCeO2 on cumulative mortality of V. vulnificus/V. parahaemolyticus infection model of M. rosenbergii
Note: Infection model group compared with the blank group, *. p<0.05, **. p<0.01; nCeO2+infection model group compared with the infection model group, #. p<0.05, ##. p<0.01.
表 1 纳米二氧化铈对2种水产病原弧菌的最小抑菌浓度和最小杀菌浓度
Table 1 MIC and MBC of nCeO2 against two aquatic pathogenic Vibrio species
菌种
Strain最小抑菌浓度
MIC/(μg·mL−1)最小杀菌浓度
MBC/(μg·mL−1)比值
MBC/MIC创伤弧菌 V. vulnificus 128 512 3 副溶血弧菌 V. parahaemolyticus 256 512 2 
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表 2 纳米二氧化铈对2种水产病原弧菌的抑菌效果
Table 2 Antibacterial effects of nCeO2 on two aquatic pathogenic Vibrio species
菌种
Strain抑菌环直径
Zone of inhibition/mm敏感性
Sensitivityn1 n2 n3 平均 Mean 创伤弧菌
V. vulnificus22.79 19.89 21.83 21.50±1.48 +++ 副溶血弧菌
V. parahaemolyticus17.55 18.14 16.59 17.42±0.78 ++ 注：+++. 极敏感；++. 高敏感。 Note: +++. Extremely sensitive; ++. Highly sensitive.
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