脈沖強光技術在食品工業中的應用與展望

唐明禮，陳妍婕，王曉琳，劉麗霞，王勃，劉賀，何余堂，惠麗娟，馬濤

(渤海大學化學化工與食品安全學院，渤海大學糧油科學與技術研究所，遼寧錦州，121013)

脈沖強光(PL)是新興的冷殺菌加工技術，可減少健康風險并保持食品原有品質和營養價值。1999年，PL已獲得美國藥品食品監督管理局(FDA)批準在食品加工、生產處理等方面的應用［1］。PL技術利用高能量(高達35MW)、瞬時(10-2～10-3ms)、廣光普(200～1 100 nm)來滅活微生物［2-6］，其滅活機制主要來自于UV-C光化學效應形成的胸腺嘧啶二聚體阻止了DNA復制，紅外的熱效應使光修復機能失活，以及水分的蒸發對膜結構的破壞［7-9］，圖1為PL殺菌裝置和原理圖，PL表面殺菌實驗柜由動力單元、惰性氣體燈單元、處理室和自動控制單元組成，它的工作電壓為2 800V，脈沖能量100～500J，脈沖次數為0～100次，頻次每秒可達4次，PL自動化程度高、操作簡單，將樣品均勻地分布在無菌的石英板上，通過調整石英板來實現樣品與脈沖氙燈之間的距離，根據實驗條件對操作界面進行參數設置達到實驗所需條件。與紫外系統相比，PL具有較大的輸入能量，非常短的時間內可在食品表面產生大量的能量，但根據FDA法規，脈沖光強光處理食品的能量密度不能超過12 J/cm2［10］。PL 具有成本效益、高處理系統、納入生產線能力、處理時間短、無化學物質殘留、FDA承認可用于包裝材料的處理、保持食品的原有屬性、非常短的時間內微生物的數量顯著降低等特點［11］，表明PL是很有潛能的工具來減少食品表面、包裝材料、加工環境中的致病菌及腐敗菌。

圖1 PL殺菌裝置及原理圖Fig.1 PL sterilization devices and schematics

1 PL的影響因素

預防食品污染是食品生產中的重要問題，PL殺菌是復雜的過程，針對特定食品及微生物，需了解影響PL殺菌效果的影響因素，以此優化PL參數設置，保證微生物安全，提高食用安全性。

1.1 微生物對PL的敏感性不同

PL處理刀片表面接種的單細胞增生李斯特菌和大腸桿菌，處理后單細胞增生李斯特菌減少4.57個log值，大腸桿菌可減少4.62個 log值［12］，這表明大腸桿菌比單細胞增生李斯特菌具有較強的耐受性。Levy等［13］報道了 PL對不同微生物殺菌效果的影響，白色念珠菌和釀酒酵母細胞較其他菌株細胞如蠟樣芽胞桿菌等對脈沖光抵抗性較強，與細菌相比，細菌的芽孢比營養細胞抵抗性強，蠟狀芽孢桿菌孢子和巨大芽孢桿菌孢子抵抗性較強，黑曲霉的孢子是所測試微生物中耐受性最強的。Anderson等［14］也得出細菌芽孢比營養細胞的失活需要更強烈的照射、熱效應以及脈沖光處理的結論，不同微生物對脈沖敏感性的程度為革蘭氏陰性菌＞革蘭氏陽性菌＞真菌孢子。

1.2 PL設置參數影響其殺菌效果

脈沖次數對殺菌效果的影響。Cheigh等［15］研究了PL對固體培養基上單細胞增生李斯特菌的影響，殺滅效果與脈沖次數呈正比，在每次脈沖1.75 J/cm2條件下，脈沖300次可減少4個log值，增加次數為900次時，其數量可減少6個log值。殺滅效果隨脈沖次數增加而增強的趨勢也適用于真空包裝的雞柳上的鼠傷寒沙門氏菌和腸炎沙門氏菌［16］。

脈沖時間對殺菌效果的影響。脈沖時間2 s時大腸桿菌、腸炎沙門氏菌即可全部滅活，空腸彎曲菌由原來的6.89降到0.60個log值，30s全部死亡，同時也說明空腸彎曲菌具有較強的抵抗性［17］。Keklik等［18］應用不同的時間及距離等條件對雞肉香腸表面的李斯特菌進行了殺菌效果研究，處理時間60s，未包裝和真空包裝的香腸表面可分別減少1.5和1.6個log值。

PL光譜范圍對殺菌效果的影響。300 nm以上脈沖光在能量密度0.2～1.75 J/cm2條件下處理瓊脂上枯草芽孢桿菌孢子的滅菌率將近0，而全光譜可減少6個log值;300 nm以上、能量密度1.5 J/cm2，黑曲霉數量減少2個log值，全光譜減少將近6個log值。這表明300 nm以下的光譜在PL殺菌中扮演重要的作用［13］。

脈沖電壓對殺菌效果的影響。對輸入電壓1、1.5、2、2.5kV，對瓊脂上枯草芽孢桿菌進行了測試，隨著輸入電壓的增加，其減少的對數值也在逐漸增加。2.5kV處理電壓其數量可減少6個 log值［13］，Schaefer等［19］研究發現，脈沖處理中減少輸入電壓可減少UV-C的百分含量。

此外，不同的基質也可影響其效果，已經證實PL對固體表面滅菌比液體更有效［20］。

2 PL應用領域及研究進展

PL對減少食品表面微生物、提高食用品質方面具有積極的影響。PL能有效滅活金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、隱孢子蟲等大量微生物，廣泛用于食品工業中，主要包括牛奶、果汁、蔬菜、水果、雞蛋、牛肉、香腸等。

2.1 PL在果蔬中的應用及研究進展

我國是最大的果蔬生產國和果蔬制品加工基地，但病原微生物和腐敗微生物可引起果蔬的食品安全、腐爛變質等問題［21］，病原微生物引起的食物中毒也逐漸增加，嚴重危害人類的安全。

減少微生物的污染、保持產品品質、延長貨架期是果蔬加工過程中的關鍵。Xu等［22］對大蔥進行表面和浸蘸接種分別模擬操作者手臂不衛生、加工處理和沖洗過程造成的污染，PL對大蔥根和莖表面接種的大腸桿菌進行了處理，結果發現脈沖對表面接種的大腸桿菌殺菌效果顯著，其數量可減少4.1～5.2個log值。浸蘸接種的大腸桿菌殺菌效果較差，原因是細菌能夠隨著接種液流到蔥葉內部和莖上緊密層次的凹陷中，這將保護細菌避免強光的危害。用能量密度2.68和5.36 J/cm2脈沖光處理番茄，表面微生物顯著減少，脈沖處理的番茄在處理3 d之后，表面出現褶皺、變軟及重量損失，但整個貯藏過程抗血酸含量保持不變，脈沖處理可減少腐敗菌的數量不會降低營養價值［23］。Oms-Oliu等［7］研究了 PL 對鮮切蘑菇質量和抗氧化性質的影響，當使用4.8、12、28J/cm2脈沖光處理蘑菇時，微生物的數量可減少0.6～2.2個log值，在4.8J/cm2處理條件脈沖光強光能夠延長鮮切蘑菇的貨架期，沒有顯著影響其質構和抗氧化性質。腸炎沙門氏菌已是多數蛋類污染爆發的致病菌，它既可分布在雞蛋的表面也可通過蛋殼的氣孔進入雞蛋內部，嚴重影響其食用安全性。為此，Hierro等［24］研究了PL對雞蛋表面腸炎沙門氏菌的影響。在0.7J/cm2脈沖光處理雞蛋，數量可減少6.7個log值。并且隨著脈沖能量的增加，沙門氏菌的數量逐漸減少。

尤其對于鮮切果蔬，切割降低了果蔬對外界環境的抵抗能力以及加工工具上的微生物增加了侵染機會。PL可減少微生物與果蔬組織接觸的機會，有效預防鮮切果蔬的腐敗變質問題。

2.2 PL在即食肉制品中的應用及研究進展

即食肉制品隨著快捷、簡單等現代生活方式的改變，其消耗量逐年增加，即食肉制品主要包括火腿、香腸、豬肉和牛肉等。但工具、操作者及機械設備上的環境微生物可能污染這些產品，對消費者安全構成威脅。這些微生物主要包括大腸埃希菌、沙門氏菌、李斯特菌及金黃色葡萄球菌等致病菌及酵母菌、霉菌等腐敗菌［25-27］。致病菌可引起食源性疾病，腐敗微生物可導致食品感官品質的下降，如質構改變、彈性變差、異味和褪色等［28-29］。為減少相關疾病的發生，采用PL技術最大程度使它們失活。

為提高即食肉制品的安全性及延長貨架期，采用PL對食品進行處理。從圖2可知，不同微生物的滅活率與脈沖能量成正比。圖2-a～圖2-b［30］顯示香腸和里脊片中李斯特菌和鼠傷寒沙門氏菌數量最大減少1.5～1.8個log值，鼠傷寒沙門氏菌比單細胞增生李斯特菌具有較強的抵抗性。但隨著能量的增加，這種差異性逐漸減少。圖2-c～圖2-d［31］為PL對火腿和臘腸李斯特菌的影響，數量最大減少值為1.78和1.11個log值，臘腸具有較低的滅菌率，原因是臘腸是一種乳膠體，提供了很多的裂縫，這保護了細菌免受光的危害。產品的表面形態極大程度地影響了脈沖光強光的滅菌效果［32］。脈沖后直接計數、黑暗條件下4h，結果并沒有顯著性差異，說明李斯特菌無光復活現象。圖2-d［33］可知，牛肉片中大腸桿菌的最大減少量為1.2個log值，沙門氏菌可減少1個log值，單細胞增生李斯特菌可減少0.8個log值。

連續照射后病原微生物減少的對數值在不同的肉產品之間不同。原因可能是肉的不同成分影響脈沖光的滅菌效果，肉中脂肪和蛋白質含量增加，PL處理效果降低［20］。

圖2 不同種類微生物在脈沖處理后的數量變化情況Fig.2 Effect of PL treatment on the reduction of microbial population［31-34］

PL在殺滅微生物時是否對產品的色澤、風味、氧化程度等造成影響，表1列出了脈沖對理化性質的影響。

表1 脈沖處理對肉制品理化性質的影響Table 1 Effect of PL treatment on physicochemical properties of meat

根據以上研究可知，不同產品在處理及貯藏中顏色均有一定程度的變化，Faustman等［35-37］認為，肉的褪色可能由于表面水分流失、血紅素氧化和血紅蛋白變化造成的。但keklik等［16］發現輕微及中度的脈沖處理，并沒有觀察到真空和無包裝的雞脯肉顏色參數發生顯著性變化。樣品硬度的降低主要是由于脈沖使火腿組織被破壞的緣故，可溶性蛋白、肌原纖維蛋白及火腿的結締組織都會影響火腿的硬度［34］。脈沖光處理的樣品氧化過程較快，可能是熱效應促進其氧化，并且氧化反應產生的過氧化物也使肉中脂質的氧化穩定性降低［38］。相反，Elmnasser等［39］敘述了 PL并不能引起脂質的氧化。

脈沖能否顯著影響色澤及感官性質還取決于產品的類型及性質。所以在保證較好殺菌效果的同時，應減少處理劑量來保持產品的感官品質。

2.3 PL在食品包裝方面的應用及研究進展

對食品包裝材料滅菌來滿足食品微生物安全及延長貨架期。常使用過氧化氫等化學試劑或聯合熱處理對包裝材料進行殺菌，但包裝材料表面可殘留化學物質，這不僅會改變包裝食品的性質，還危害消費者的健康，因此食品行業尋求非化學方法來對食品包裝材料滅菌［40］。PL可對包裝材料進行殺菌處理，而且處理的效果較明顯。Keklik等［16］對包裝材料進行較溫和的處理，發現包裝材料的力學性能發生了很小的變化，這表明脈沖光可在食品包裝滅活表面的致病菌及腐敗菌。為比較不同材料上微生物的滅活率以期獲得脈沖光在包裝材料中的應用，表2為PL對不同材料的處理結果。

表2 PL對食品包裝材料的殺菌效果Table 2 Effect of PL sterilization on food packaging materials

材料表面性質如凹凸度、粗糙度、反射率等都會影響PL的殺菌效率，原因是表面的粗糙度及裂縫在處理期間可保護細胞。通過Haughton等人可看出PVC較其他材料可取得較大的滅菌率，更適宜脈沖處理，聚苯乙烯與其他材料相比表面具有更多的多孔性質，不銹鋼表面較光滑均不適宜脈沖光處理。通過Ringus等［42］研究發現，EP、MET 有微米范圍的粗糙度，可允許細菌細胞隱藏其中，具有較低的滅菌率，不適合脈沖處理。UV光可減少表面材料的疏水性，改變了材料的表面結構。由于PL含有一定量的紫外線，為了解脈沖光對包裝材料的影響，應檢測材料的結構、表面疏水性、透氣率等是否變化。

3 PL技術的應用前景與展望

由病原微生物引起的食物中毒是食品加工最為重視的問題，PL也獲得美國藥品食品監督管理局(FDA)批準在食品加工、生產及處理方面的應用，同時PL具有操作安全、殺菌均勻、減少環境污染等優點。隨著該殺菌技術和設備的成熟，也可用于加工設備的殺菌，取得了顯著的社會和經濟效益，因為設備的不適當清洗以及不良的衛生狀態，最終污染食品。為實現PL工業化應用，需積累大量可靠的數據，以保證食品的微生物安全，實現PL的規?；?、商業化。

雖然PL比傳統熱殺菌具有明顯的優勢，能夠最大程度保持食品的營養成分，但想要取得規模應用和商業成功，還有許多問題需要研究和解決。PL是表面殺菌，對產品的厚度有要求，表面死亡的菌體及產品表面凹凸度對下面的微生物起到一定的保護作用，導致殺菌率降低，PL作為一種新型技術，為滿足消費者對食品的質量及安全性要求，PL可以與臭氧、微生物防腐劑等其他殺菌技術串聯使用來取得較好的殺菌效果［43］;PL也可引起殺菌產品表面溫度升高，Ringus等［41］應用PL處理食品包裝材料，當處理能量為8 J/cm2時，表面溫度增加了2～3℃;Wambura等［34］使用PL處理將近20℃的切片火腿，當火腿距離氙燈4.5、8.3、14.6 cm、處理60 s，溫度分別增加到 38、37和31℃。所以當處理熱敏性物質時，應該考慮降低PL的處理能量，延長處理時間。隨著科學技術的發展，PL將逐漸克服上述缺點并趨于成熟完善。

除了微生物殺菌，PL脈沖強光技術應向基因工程、細胞工程等高技術領域滲透，可應用于植物和微生物育種方面，PL處理可能誘發細菌菌落特征和細胞形態變異、生物體遺傳物質結構的改變，從而培育成新的優良品種。

PL能有效控制食品中的有害微生物，一定程度可預防和控制微生物危害發生的風險，保障了消費者健康，提升了食品質量安全。同時企業也可以引進此技術，保證食品安全，最大程度造福于人類，PL將會在食品領域發揮更大的作用，有著更為廣闊的應用空間及發展前景。

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