脉冲强光在食品杀菌中的应用研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-09-16 08:17 热度：

摘 要：摘要脉冲强光是一种新兴的非热杀菌技术。它利用瞬间产生的高能脉冲光达到杀菌效果，无化学物质残留且杀菌效果好，对食品中营养成分特别是抗氧化物质具有较好的保持作用。本文

　　摘要脉冲强光是一种新兴的非热杀菌技术。它利用瞬间产生的高能脉冲光达到杀菌效果，无化学物质残留且杀菌效果好，对食品中营养成分特别是抗氧化物质具有较好的保持作用。本文结合近10年的研究，综述脉冲强光处理对细菌、真菌、病毒等食品中常见微生物的杀菌效果，脉冲强光处理对色泽、硬度、风味、总酚、抗氧化物质等食品品质的影响以及包装材料和食品接触面对于脉冲强光处理效率的影响，为脉冲强光杀菌技术应用于食品的生产提供参考。

　　关键词脉冲强光;杀菌效果;食品品质;包装材料;影响因素

　　自1996年脉冲光技术被美国食品与药物管理局(FoodandDrugAdministration，FDA)批准用于食品工业以来，脉冲强光(PulsedLight,PL)作为一种新兴的非热杀菌技术受到越来越多的关注。PL是表面杀菌技术，在食品杀菌保鲜方面有大量研究。目前在无菌包装和卫生包装工艺中，普遍采用过氧乙酸和过氧化氢等消毒剂消毒，和这些非热杀菌技术相比，PL具有成本低、效率高、安全性高等优点[1]。在过去的几十年里，研究人员开展了大量PL应用研究，证实PL在果蔬、肉类、蛋类、奶类等食品中的杀菌保鲜作用[2-6]。此外，PL对复杂食品基质的体内实验也有大量报道。然而，由于缺乏统一标准，且实验重现性不高，因此限制了其在食品工业中的发展[7]。

　　PL具有和太阳相似的波长光谱200-1100nm，包括紫外光区200-400nm，可见光区400-700nm，红外光区700-1100nm[8]。其中70%为紫外光区，是PL中的主要光谱区[6]。脉冲强光以交流电为电源，主要包括动力单元、氙灯单元和冷却系统。动力单元主要提供高压直流电流，交流电经过变压器升压，对电容器充电，产生高压直流电流，直流电流通过强光发生器产生直流高压，经过系统触发器产生高压脉冲。两端氙灯电离产生PL，放电后，电压下降，等待下一次放电。PL能量高，放电时间短，产生的能量为太阳光到海平面强度的2×104倍[9-10]。

　　脉冲强光频率通常采用1-20次闪光数/s，表面能量密度为0.01-50J•cm-2[11]。其对食品表面微生物有较好的杀灭效果，符合巴氏杀菌的基本要求。不同微生物对脉冲强光的敏感性有所不同。研究表明，不同微生物对PL敏感性排序为革兰氏阴性菌>革兰氏阳性菌>细菌芽孢>真菌孢子[8,12-13]。PL处理参数主要是样品和脉冲灯之间距离、脉冲数和总能量，优化这些参数可以达到最佳的杀菌效果。

　　本文总结脉冲强光处理对一些常见食品中微生物的杀菌效果以及对食品品质、营养指标保持等方面的影响，分析包装材料和食品接触面对脉冲强光处理效率的影响因素，为脉冲强光非热杀菌技术应用于食品杀菌保鲜提供参考。

　　1脉冲强光处理对食品中微生物的影响

　　脉冲强光具有非常宽的光谱，主要起作用的是紫外光，对于细菌、真菌、孢子、病毒等都具有较好的杀灭效果。脉冲强光的抗菌作用机理主要是光化学效应和光热效应共同发挥作用，导致DNA损伤、细胞膜和细胞壁破裂等，从而达到抗菌效果[14-15]。

　　在连续流动的脉冲强光系统对果汁灭菌作用的研究中，发现细胞损伤，尤其是细胞膜损伤是PL杀灭细菌的一个重要机制[16]。Cheigh等[17]通过观察食源性病原体单核细胞增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)、大肠杆菌(Escherichiacoli)O157:H7在PL处理后的透射电镜图发现，细菌的细胞结构被严重破坏，细胞壁、细胞质膜及内部组织均被破坏。Ferrario等[18]研究了PL对苹果汁中酿酒酵母的杀灭作用机制。流式细胞术和透射电子显微镜观察结果表明，酿酒酵母细胞的活力丧失不仅是由于细胞壁和细胞质膜的损伤，而且导致胞内细胞器紊乱。除了细菌和真菌，PL对病毒也具有较好的杀灭效果。Vimont等[19]用小鼠诺如病毒(MNV-1)代替人类诺如病毒，通过对小鼠诺如病毒形态观察、病毒蛋白和RNA完整性的分析，发现PL处理能够破坏小鼠诺如病毒结构，引起病毒蛋白和RNA降解。

　　不同微生物对脉冲强光的敏感性不同，而不同的食品基质也会影响脉冲强光的杀菌效果，表1总结了PL对于几种常见食品中不同微生物的杀灭效果。总体来说，不同微生物对PL抵抗力顺序为：真菌孢子>细菌芽孢>寄生生物>病毒≥植物性细菌[20]。研究发现，革兰氏阴性菌对于PL的敏感性高于革兰氏阳性菌[21,22]。PL对真菌(霉菌、酵母)的影响非常显著。张佰清等[23]运用光流量为0-37.302mJ.cm-2PL处理黑曲霉、灰霉、啤酒酵母和热带假丝酵母。结果表明，杀菌效率与光流量成正比，且在最大光流量时，霉菌致死率达到99.04%，酵母菌致死率达到100%。

　　1.1细菌

　　细菌对PL处理的敏感性较强。短乳杆菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌、无毒李斯特菌、沙门氏菌、鼠伤寒沙门菌、副溶血性弧菌等是PL处理的食品中最常见的细菌[37]。Ignat等[24]运用1.75J·cm-2和15.75J•cm-2PL处理鲜切苹果，短乳杆菌分别减少3.0和3.75lg(CFU/cm2)，而单核细胞增生李斯特菌分别减少2.7和3.82lg(CFU/cm2);苹果切片天然微生物的细菌总数为(2.62±0.15)lg(CFU/cm2)，经17.5J•cm-2PL照射后，细菌总数因小于1.70lg(CFU/cm2)而未检出，且在7d贮藏期内，细菌总数不断增加。Gomez等[25]研究了PL对鲜切苹果中接种的大肠杆菌、无毒李斯特菌的杀菌作用，在11.9J•cm-2和71.6J•cm-2PL照射下，大肠杆菌分别减少了(0.34±0.06)和(0.56±0.05)lg(CFU/cm2)，贮藏7d后略有增加;无毒李斯特菌分别减少了(0.30±0.05)和(1.0±0.2)lg(CFU/cm2)，7d贮藏期内不断减少。这证明高强度PL对无毒李斯特菌的抑制作用比大肠杆菌更强。Bialka等[27]研究表明PL对鲜切草莓中大肠杆菌和沙门氏菌的灭菌效果非常接近，在5.4J•cm-2和64.42J•cm-2PL处理后，大肠杆菌和沙门氏菌分别减少1.3，2.3和1.0，2.3lg(N/N0);和较高通量PL相比，较低通量PL的杀菌效果随着PL通量的增加更加明显。Leng等[31]运用31.5J·cm-2PL处理小番茄，和对照组相比，沙门氏菌降低了2.3个lg(CFU/g)，该结果和Bialka等[27]的研究结果一致。PL还可以用于蛋壳表面沙门氏菌的灭活。Lasagabaster等[32]运用0.35，0.7和2.1J•cm-2PL处理蛋壳，沙门氏菌分别减少了3.5，4.3和4.9lg(CFU/cm2)。肉制品中的微生物灭活也可采用脉冲强光技术实现。鼠伤寒沙门菌和副溶血性弧菌是肉制品中两类重要的致病菌。Hierro等[34]研究发现，0.7和11.9J•cm-2PL处理后，生牛肉片中鼠伤寒沙门菌减少了0.3和1.0个对数值，而金枪鱼片中副溶血性弧菌的总数减少了0.2和1.0个对数值，杀菌效果随着PL通量的增加而提高，且在金枪鱼片和生牛肉片中的杀菌效果趋势接近。Keklik等[38]运用60-67J•cm-2PL处理生牛肉片，对鼠伤寒沙门菌的最大杀菌程度为2.4个对数值。

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　　1.2真菌

　　酿酒酵母、拓展青霉和灰葡萄孢霉是果蔬中常见的真菌，降低其水平有利于果蔬贮藏和品质的保持。Ferrario等[18]运用11.9J•cm-2和71.6J•cm-2PL处理苹果汁，酿酒酵母分别减少0.7和3.9lg(CFU/mL);灭活曲线和投射电镜表明，PL通量小于11.9J•cm-2时，PL敏感性较强的细胞因受损而失活，而当PL通量大于11.9J•cm-2，PL抵抗性更强的微生物逐渐积累损伤。PL处理使得部分微生物细胞成为可存活但不可培养细胞(viablebutnotcultivablecells，VBNC)，这可能缩短果汁保质期[39]。天然橙汁和草莓汁在200-400nm紫外光区表现出高吸光度，这会降低PL中作用于微生物的紫外光剂量，导致酿酒酵母减少量小于1.0lg(CFU/mL)[29]。此外，微生物负荷也是影响PL对果汁杀菌效率的一个重要因素，因为高密度菌群中的微生物分层，最上层被杀灭，下层微生物因为阴影效应而得以存活[40]。Maftei等[26]运用16J•cm-2PL处理接种量为3×105CFU/mL和2.3×104CFU/mL的苹果汁，酿酒酵母分别减少1.3和3.21lg(CFU/mL)，而在32J•cm-2PL处理下，酿酒酵母分别减少2.66和3.76lg(CFU/mL)，这表明PL对低密度微生物污染的杀菌效果更明显。灰葡萄孢是葡萄、蔬菜中一种能够引起植物灰霉病、导致果蔬腐烂的坏死性真菌[41]。Bernal等[28]研究表明，11.9和23.9J•cm-2PL处理草莓后，对照组和PL处理组的感染果实百分比[IF(%)]显著增加，贮藏10d后，PL处理组IF比对照组低16%-20%，贮藏12d后，对照组和PL处理组结果接近，但是PL处理使得草莓腐烂延迟2d，这为短期贮藏草莓提供了一种可行方法;11.9和23.9J•cm-2PL处理下，蛋白胨水中灰葡萄孢子总数分别降低2和3.5lg(N/N0)，当PL通量大于11.9J•cm-2时，大多数真菌细胞因亚损伤而进入“VBNC”状态，需要进一步研对“VBNC”状态以更好阐明PL处理对真菌孢子的影响。

　　1.3病毒

　　病毒会通过食物或者环境传染给人类，导致严重的传染性疾病，如2019年12月爆发的新型冠状病毒肺炎，给人类带来了重大的灾难。PL处理对于体外病毒的杀灭效果非常明显，1.88J•cm-2PL照射悬浮在磷酸盐缓冲溶液中的F-特异性RNA噬菌体MS2(ATCC15597-B1)，初始接种密度为9.1lgPFU，处理效果达到(5.63±0.49)lgPFU;大于4J•cm-2PL处理，处理效果达到8lgPFU;运用9.4J•cm-2PL处理黑胡椒粉末、大蒜和薄荷粉末，ATCC15597-B1分别减少(0.64±0.52)、(0.12±0.09)、(0.68±0.47)lgPFU，这表明复杂食品基质会严重降低PL处理杀灭病毒的效果[42]。Vimont等[19]对常见的小鼠诺如病毒(MNV-1)进行研究，对悬浮在磷酸盐缓冲液中的小鼠诺如病毒进行2.07J•cm-2PL处理，其中病毒接种量为105PFU.mL-1，基本实现对诺如病毒的完全灭活(>104lgPFU);研究还发现，浊度会显著降低PL处理效果，3.45J•cm-2PL处理200散射浊度(NTU)的浑水，小鼠诺如病毒仅仅降低3lgPFU，这是由于溶液在254nm处透光率降低，导致其对紫外光吸收度，降低PL中紫外光处理效果。大多数果汁的浊度低于200NTU，且微生物负荷较低，所以不需要对PL设备进行改进就可以处理果汁[36,43]。

　　2脉冲强光处理对食品品质的影响

　　2.1色泽

　　脉冲强光技术对于食品的作用不仅体现在杀菌，同时还会对食品品质产生较大的影响。色泽是影响食品品质的一个重要指标，研究表明，低剂量脉冲强光对食品色泽有一定的保护作用，而高剂量脉冲强光会引起食品色泽的变化。Ignat等[24]运用0-157.5kJ

　　.m2处理苹果，发现低剂量PL照射苹果色泽变化不明显，高剂量(157.5kJ·m-2)PL照射显著加速了苹果的褐变。Gomez等[25]以2.4-221.1J•cm-2PL处理鲜切苹果片，发现高剂量PL照射同样会引起苹果片变暗，光学显微镜图表明，苹果细胞壁降解，原生质膜和叶绿体被破坏。红色是草莓的天然颜色，PL处理会引起红色变暗，降低草莓品质。Cao等[2]运用不同通量PL处理草莓，处理条件分别为3J•cm-2(0.05J•cm-2/pulse，L3)、3J·cm-2(0.1J•cm-2/pulse，H3)、5J•cm-2(0.1J•cm-2/pulse，H5)，和对照组相比，3种PL处理的草莓明暗度(L*)没有显著差异，在20d贮藏期内，L*呈略微下降趋势，L3和H3的红绿值(a*)没有显著差异，而H5中a*值降低，可能是H5PL处理条件促进了红色素降解，这表明高强度PL处理草莓会影响草莓色泽。Pataro等[16]运用1-8J•cm-2PL处理西红柿，在(20±2)℃下贮藏21d，对照组和处理组的西红柿色泽均没有显著差异。PL处理对肉制品色泽的影响也有大量报道。PL处理显著降低了牛肉的a*和b*(黄蓝值)，对于L*没有显著影响，而b*在大于8.4J•cm-2PL剂量时有显著差异，a*在大于2.1J•cm-2PL剂量时有显著差异，所以在牛肉中a*对PL更加敏感。Hierro等[34]研究表明，4.2J•cm-2PL处理显著提高了牛肉贮藏过程中的L*;在PL处理的金枪鱼片中，b*对PL更加敏感，0.7J•cm-2PL处理显著降低b*;a*和L*对PL不敏感，8.4J•cm-2PL处理才对金枪肉片有显著影响，在此PL剂量下，L*提高，a*降低，导致肌肉透明度丧失，红色变淡，因此高剂量PL处理会降低金枪鱼片和牛肉色泽，影响消费者可接受度。

　　2.2硬度

　　在评价果蔬的新鲜度时，硬度通常被认为是品质参数之一。西红柿是一种非常容易软化的果蔬，而PL处理能够引起西红柿硬度降低。Aguilo-Aguayo等[30]研究表明，5.36J•cm-2PL处理西红柿，20℃贮藏15d后，西红柿表皮出现严重的褶皱，硬度降低，且重量损失10%，这可能和Luksiene等[44]指出的PL处理过程中的产热、引起果实脱水失重有关。然而，芒果和草莓的研究结果与西红柿相反。PL处理有利于鲜切芒果硬度的保持，防止软化。Charles等[45]指出，8J•cm-2PL处理鲜切芒果，在6℃下贮藏7d后，鲜切芒果硬度增加了1.5N，而对照组硬度降低了1.5N左右。Avalos-llano等[46]研究表明，4，8J•cm-2PL处理能够降低鲜切草莓软化发生率，(5±1)℃贮藏14d后，处理组基本保持初始硬度不变，对照组硬度显著降低;12，16J•cm-2PL处理后，草莓硬度下降程度跟对照组接近。这表明，PL处理对果蔬硬度效果因果蔬而异。

　　2.3风味

　　食品风味是吸引消费者的一个重要因素，包括甜、酸、苦、辣、咸、涩、鲜，由许多赋予食品芳香的化合物构成，这使食品的风味非常复杂。Ignat等[24]运用0-0.1575J•m2处理苹果，发现0.1575J•cm-2PL处理鲜切苹果的风味显著下降，低剂量PL处理后，苹果风味变化不显著;研究者还观察到高强度PL下产生的“熟味”，在贮藏过程中消失，这可能是由于酯类和其它化学物发生的光诱导反应。Koh等[47]研究表明，PL处理对哈密瓜香气浓度的保持具有一定的作用，PL处理组具有更低的呼吸速率，而且可以通过杀菌避免不良气味的形成，最终保持果香。也有研究表明，PL结合含钙的可食用涂层可以捕获芳香化合物，延缓果蔬衰老，从而最大程度保持香气[48]。干腌火腿具有一种强烈而特别的风味，PL处理会使火腿产生不良风味。8.4J•cm-2PL处理干腌火腿，4℃和20℃下贮藏30d，试味员观察到硫臭味和金属味，试味员也在4.2J•cm-2或者更高通量PL处理的牛肉中观察到硫臭味[34]，这可能是由于PL处理肉制品过程中产生高铁血红蛋白，促进了脂质氧化[49]。

　　2.4多酚

　　众所周知，成熟果实中含有很多天然生物活性物质，多酚作为一种主要的抗氧化成分。果蔬中多酚含量跟收获后加工处理方式有很大关系。脉冲强光杀菌技术为保持总酚含量提供了潜在可能[50]。在成熟柿子中，不同PL处理对于总酚含量没有显著差异。在未成熟柿子中，和对照组相比，2J•cm-2PL处理柿子的总酚含量有显著差异，且2，6J•cm-2PL处理使得总酚含量峰值提前，这是由于PL处理促进原花青素合成，使得可溶性丹宁含量增加，最终多酚含量提高[51-52];6J•cm-2PL处理组中的总酚含量最稳定。PL处理或将有助于降低柿子收敛性[53]。PL处理对草莓中总酚含量没有影响。Cao等[54]运用不同剂量PL处理草莓，与对照组相比，3个处理组在处理后20d贮藏期间，总酚含量没有显著差异，且轻微上升，在第10天达到总酚含量的峰值。Avalos-llano等[46]运用4-16J•cm-2PL处理鲜切草莓，结果表明PL处理对于总酚含量没有显著影响。

　　2.5抗氧化能力

　　PL处理在一定程度上能够保持甚至提高果蔬的抗氧化能力。Cao等[54]运用不同剂量PL处理鲜切草莓，结果表明，PL处理不影响整个贮藏期内鲜切草莓的抗氧化能力。主成分分析表明，相比总花青素，总酚和维生素C和抗氧化能力更相关，而16J•cm-2以下PL对维生素C和总酚含量没有影响，所以对鲜切草莓抗氧化能力没有影响[46]。柿子的抗氧化能力非常高，2和6J•cm2PL处理显著提高了未成熟柿子的抗氧化能力，使得抗氧化能力峰值提前，这和总酚含量变化的结果相似，说明抗氧化能力和总酚含量存在一定相关性[53]。

　　2.6其它成分

　　脉冲强光除了影响色泽、硬度、风味、多酚等，还显著影响食品中的一些重要成分，如维生素、蛋白质、酶等。PL处理可以显著提高蘑菇中维生素D2含量，Kalaras等[55]观察到，蘑菇经过2.373J•cm-2PL处理后，维生素D2含量从0.005μg/g干重快速增加到12.6μg/g干重，且在低强度PL照射下，维生素D2生成量和PL通量符合零级动力学;9.492-14.238J•cm-2PL范围内，随着PL的增加维生素D2含量不断增加，质量浓度达到最大27μg/g干重，但不符合零级动力学。Koyyalamudi等也[56]报道了类似的结果，在0-47.46J•cm-2PL照射下，维生素D2、PD2、T2和L2剂量-反应曲线呈非线性函数关系。此外，PL中的紫外光能够诱导麦角甾醇产生光异构体D2、PD2、T2和L2，这或将有助于工业生产维生素D2[57]。

　　脉冲强光还可以通过改变蛋白质结构，降低β-乳球蛋白抗原性及提高蛋白质溶液的发泡能力和发泡稳定性[58-59]。Innocente等[60]运用0.26-26.25J•cm-2PL处理生牛乳，导致94%碱性磷酸酶的失活，这是光化学效应(紫外光)和光热效应(可见光和红外光)共同作用的结果，即通过光诱导化学修饰和热损伤灭活生牛乳中的碱性磷酸酶(ALP)的活性。

　　脂肪氧合酶(LOX)容易引起食品酸败，PL处理可以灭活脂肪氧合酶的活性。以初始LOX活性为(136±10)μmol/L共轭二烯/min为例，96J•cm-2PL处理可将LOX活性降低至可忽略水平(<1%RA)，这是因为PL处理引起氨基酸氧化及α-螺旋含量降低，而游离巯基显著增加表明蛋白质因二硫键断裂展开，最终蛋白质因疏水相互作用聚集而失活，这完全是光化学效应的结果[61]。——论文作者：王龑，郑勇，杨开

文章名称：脉冲强光在食品杀菌中的应用研究进展

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