脈沖強(qiáng)光技術(shù)及其在食品殺菌中的應(yīng)用

南 楠，袁勇軍，戚向陽，*，孫智達(dá)，莊吟潮

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢430070；2.浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波315100；3.寧波純亮殺菌設(shè)備有限公司，浙江寧波315193）

脈沖強(qiáng)光技術(shù)及其在食品殺菌中的應(yīng)用

南 楠1，袁勇軍2，戚向陽2，*，孫智達(dá)1，莊吟潮3

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢430070；2.浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波315100；3.寧波純亮殺菌設(shè)備有限公司，浙江寧波315193）

脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)是一種非熱物理殺菌新技術(shù)，它利用瞬時(shí)、高強(qiáng)度的脈沖光能量短時(shí)間內(nèi)殺滅固體食品和包裝材料表面以及透明液體食品中各類微生物，能有效地保持食品的品質(zhì)。目前的研究主要集中在脈沖強(qiáng)光技術(shù)在食品滅菌中的應(yīng)用。本文綜述了脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物的滅活機(jī)制及其在食品應(yīng)用中的現(xiàn)狀，討論了脈沖強(qiáng)光技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，及其關(guān)鍵控制因素對(duì)殺菌效果的影響。

脈沖強(qiáng)光，殺菌機(jī)理，食品，應(yīng)用

脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)是近年出現(xiàn)的對(duì)食品表面、包裝材料及器械進(jìn)行快速滅菌的一種非熱物理殺菌新技術(shù)，它利用惰性氣體燈發(fā)出與太陽光譜相近、波譜范圍由紫外線至紅外線區(qū)域的強(qiáng)烈脈沖閃光來殺滅固體表面、氣體和透明液體中的微生物。這種技術(shù)最早出現(xiàn)在70年代后期的日本，開始主要應(yīng)用于醫(yī)療器械表面消毒和透明藥劑溶液滅菌，隨著該殺菌技術(shù)和設(shè)備的成熟，逐漸過渡應(yīng)用到食品殺菌保藏中。1996年美國食品及藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)采用脈沖強(qiáng)光作為控制食品表面微生物的滅菌手段。至此，脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)開始應(yīng)用于食品的保藏和加工。脈沖光的產(chǎn)生需要兩部分裝置來完成，如圖1所示［1］：其一是具有功率放大作用的高能量密度的電容，它能夠在相對(duì)較長的時(shí)間內(nèi)（幾分之一秒）積蓄電能，而后在短時(shí)間內(nèi)（微秒或毫秒級(jí)）將該能量釋放做功，產(chǎn)生高強(qiáng)度的脈沖電能。這樣在每一工作循環(huán)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的功率（而實(shí)際消耗平均功率并不高），從而起到功率放大的作用；另外還有一光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將高強(qiáng)度脈沖電能經(jīng)過脈沖充氣閃光燈或其它脈沖強(qiáng)光源轉(zhuǎn)化產(chǎn)生波長范圍為200～1100nm的高強(qiáng)度的瞬時(shí)脈沖光［2-3］。

圖1 脈沖強(qiáng)光產(chǎn)生原理圖

1 殺菌機(jī)理

脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物的殺滅是光熱和光化學(xué)效應(yīng)共同作用的結(jié)果，兩者的相對(duì)重要性取決于輻照劑量和目標(biāo)微生物［4］。DNA吸收紫外光產(chǎn)生的光化學(xué)效應(yīng)是脈沖強(qiáng)光殺滅微生物的主要原因。微生物受紫外線照射時(shí)最容易受影響的是其體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸，尤其是可誘導(dǎo)DNA中的環(huán)丁烷胸腺嘧啶的形成，阻礙DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄而造成細(xì)胞死亡，并可能引起細(xì)胞變異。除了基因外，微生物體內(nèi)的酶類也會(huì)吸收UV-C和UV-B，對(duì)微生物產(chǎn)生明顯的傷害［5］。但研究顯示在殺菌過程中光熱效應(yīng)也會(huì)發(fā)生，將大腸桿菌接種在一種聚合體表面，然后在不同條件下對(duì)其進(jìn)行脈沖強(qiáng)光處理，同時(shí)測定大腸桿菌細(xì)胞的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，在累積熱量沒有達(dá)到閾值能量之前，溫度沒有絲毫的上升，但是累積熱量一但超過這個(gè)點(diǎn)，溫度會(huì)迅速超過120℃［6］。一些研究者用“平均閾能水平”在描述這個(gè)臨界點(diǎn)，在累積能量超過這個(gè)水平時(shí)，殺菌效果會(huì)明顯提升［7］，研究者還發(fā)現(xiàn)過度的加熱會(huì)使細(xì)胞內(nèi)水分的汽化，形成小的蒸汽流，撐破細(xì)胞膜。Wekhof［6］等在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻照劑量超過0.5J/cm2時(shí)，細(xì)菌吸收紫外線產(chǎn)生的高溫使自身被過度加熱而導(dǎo)致細(xì)胞破裂，達(dá)到滅菌目的。因此，脈沖強(qiáng)光殺菌是一個(gè)復(fù)雜的作用過程，其中DNA結(jié)構(gòu)的變化是主要原因，細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和其他大分子的破壞是次要的原因［8］。

表1 脈沖強(qiáng)光處理對(duì)微生物的體外滅活效果

2 脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物的殺滅作用

脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物的影響程度由大到小為：革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌孢子。表1［9］對(duì)比了脈沖強(qiáng)光對(duì)不同微生物的殺滅效果。蠟狀芽孢桿菌等革蘭氏陽性菌對(duì)脈沖強(qiáng)光的抗性要高于沙門氏菌、大腸桿菌等革蘭氏陰性菌，可能與其細(xì)胞壁組成和自身的保護(hù)修復(fù)機(jī)制有關(guān)。黑曲霉素孢子、鐮刀菌孢子表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性與其顏色有關(guān)，其抗性的強(qiáng)弱取決于所含的黑色素對(duì)紫外光的吸收能力。黑曲霉素孢子比大刀鐮刀菌孢子更具有抗性，是因?yàn)楹谇顾劓咦又械纳乇却蟮剁牭毒咦又械纳啬芪崭嗟淖贤饩€UV-C，從而減弱紫外光對(duì)孢子的損害［10］。在長期運(yùn)用脈沖強(qiáng)光殺菌中，要注意微生物對(duì)其產(chǎn)生的抗性問題，目前對(duì)這方面的報(bào)道還不是很多，需要進(jìn)一步的研究。

3 脈沖強(qiáng)光技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

3.1 在液體食品中的應(yīng)用

許多液體（如水等）都對(duì)紫外線、可見光都具有較高的透明度，但是對(duì)奶制品、糖溶液和酒等液體食品來說透明度有限，增加溶質(zhì)的濃度可以降低紫外線光的穿透力。在水溶液中，光的穿透力越低，脈沖強(qiáng)光的殺菌作用就越差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明用輻照劑量為12.6J/cm2，照射56s，可對(duì)牛奶進(jìn)行冷巴氏殺菌［11］，但是要對(duì)裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以減少殺菌時(shí)間，避免產(chǎn)生過高的溫度，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)。與連續(xù)紫外殺菌相比，脈沖強(qiáng)光由于其短暫的脈沖持續(xù)時(shí)間（300ns～1ms），可以有效地降低殺菌過程引起的氧化反應(yīng)［7］。脈沖強(qiáng)光殺菌后的牛奶，蛋白質(zhì)中氨基酸的組成沒有什么變化，也沒有出現(xiàn)脂肪氧化的現(xiàn)象［12］。

3.2 在果蔬食品中的應(yīng)用

研究者發(fā)現(xiàn)，用脈沖強(qiáng)光對(duì)大白菜、韭蔥、紅辣椒、胡蘿卜和羽衣甘藍(lán)進(jìn)行表面滅菌，脈沖強(qiáng)光輻照劑量為0.3J/cm2，兩個(gè)脈沖處理后，蔬菜表面的微生物下降范圍為1.6（胡蘿卜）到2.6（紅辣椒）個(gè)數(shù)量級(jí)。把經(jīng)過三個(gè)脈沖處理后的樣品放在20℃的環(huán)境中儲(chǔ)藏7d，除了生割冰山萵苣在儲(chǔ)藏48h后發(fā)現(xiàn)變色現(xiàn)象以外，其他的蔬菜都沒有發(fā)生品質(zhì)變化。據(jù)研究者推測，蔬菜在經(jīng)過0.4ms的脈沖強(qiáng)光處理后，在7℃條件下保藏，菌落數(shù)每下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)，貨架期將延長將近4d［13］。

江天寶［14］對(duì)熟地瓜干殺菌效果和品質(zhì)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，脈沖強(qiáng)光可以有效地殺滅熟地瓜干表面染菌，20s處理可使大腸桿菌數(shù)量降低5個(gè)數(shù)量級(jí)；經(jīng)過25s的處理，熟地瓜干的感官品質(zhì)（色澤、氣味、質(zhì)地、味道）沒有顯著變化，理化品質(zhì)（總糖含量、蛋白質(zhì)含量）變化率都不超過0.30%。

而且脈沖強(qiáng)光能夠抑制蔬菜中酶的活性，由于蛋白質(zhì)在280nm具有強(qiáng)的吸收峰，脈沖強(qiáng)光寬波段光譜能夠很好地抑制酶的活性。Dunn［15］等用輻照劑量為3J/cm2，2～5個(gè)脈沖處理，可以抑制馬鈴薯片的褐變。從經(jīng)處理樣品中提取出的多酚氧化酶的活性要低于未處理樣品，脈沖強(qiáng)光也可以增加蔬菜的呼吸速率，Gomez Lopeze［16］研究發(fā)現(xiàn)脈沖強(qiáng)光可以將生割冰山萵苣的呼吸速率提高80%，但在同樣條件對(duì)生割大白菜則沒有作用。

3.3 在其他食品中的應(yīng)用

江天寶［17］考察了脈沖強(qiáng)光對(duì)烤鰻的殺菌效果，考察了閃照時(shí)間、閃照距離和菌液濃度對(duì)殺菌效果和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在照射距離8cm，照射時(shí)間20s、染菌濃度6.3×104cfu/mL條件下，烤鰻的殺菌率達(dá)到100%，感官品質(zhì)沒有顯著變化，過氧化值和酸價(jià)的變化率分別為0.28%和0.27%。而且脈沖強(qiáng)光對(duì)烤鰻貯藏品質(zhì)影響也較小，過氧化值、酸價(jià)變化率不超過0.80%，變化幅度均低于0.50%。但殺菌時(shí)間越長，貯藏期間烤鰻品質(zhì)變化越大。

Dunn J［18］等研究了脈沖強(qiáng)光對(duì)在蛋殼表面上沙門氏菌的殺滅效果，結(jié)果表明脈沖強(qiáng)光可以有效地殺滅蛋殼表面的微生物，用照射劑量為0.5J/cm2的脈沖強(qiáng)光照射8個(gè)脈沖后，蛋制品上的腸道沙門菌可減少8個(gè)數(shù)量級(jí)。

脈沖強(qiáng)光也用來對(duì)粉狀食品和種子的滅菌。脈沖強(qiáng)光可使接種于玉米粉中的黑曲霉數(shù)量下降4.96個(gè)數(shù)量級(jí)［19］；能使接種于紫花苜蓿種子的大腸桿菌157∶H7下降超過4個(gè)數(shù)降級(jí)［20］。但是脈沖強(qiáng)光僅能使接種于小麥粉和胡椒粉中的釀酒酵母數(shù)量下降不到1個(gè)數(shù)量級(jí)［7］。

4 影響脈沖強(qiáng)光殺菌效果的因素分析

4.1 紫外線光譜成分

目前認(rèn)為脈沖強(qiáng)光殺菌中紫外線具有重要的作用，同時(shí)紫外線不同光譜波段會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生一定程度的影響。Woodlin［21］等在研究脈沖強(qiáng)光對(duì)無害李斯特菌的殺滅效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，紫外線UV-C和UV-B波段（lambda＜300nm）起主要?dú)⒕饔茫琔V-A波段（300nm＜lambda＜400nm具有一定的殺菌能力，但效果相對(duì)不明顯，可見光和近紅外光（lambda＞400nm）幾乎沒有什么效果。他們指出，紫外線在脈沖強(qiáng)光殺菌中起重要作用，對(duì)脈沖光路光源成分或紫外線波段范圍的較小改變，會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。Wang［22］等用單色器檢測了輻照劑量為6mJ/cm2，波長范圍為230～360nm的光譜對(duì)大腸桿菌的滅菌效果，結(jié)果顯示最大滅活波長為270nm，300nm以上波段沒有滅菌效果。將黑曲霉接種在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面，用過濾掉UV-C波段的脈沖強(qiáng)光處理，殺菌效果比過濾前降低了3～5倍［23］。

4.2 食品組分

食品的組成成分也影響脈沖強(qiáng)光的殺菌效果，Gomez-lopez［16］等把三種菌分別接種在添加了食品組分的瓊脂培養(yǎng)基表面，培養(yǎng)后進(jìn)行脈沖強(qiáng)光殺菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)和油脂的添加會(huì)降低脈沖強(qiáng)光的殺菌效果，而添加水和淀粉則對(duì)殺菌效果沒有什么影響。Robert［24］等研究發(fā)現(xiàn)在緩沖鹽水溶液中添加蛋白質(zhì)會(huì)降低病毒的滅菌效果。因此，高蛋白和高油脂含量的食品不適合運(yùn)用脈沖強(qiáng)光殺菌，相反，蔬菜和水果類運(yùn)用脈沖強(qiáng)光殺菌則可取得較好的效果。

4.3 照射物料的表面性質(zhì)和狀態(tài)

在脈沖強(qiáng)光殺菌過程中，微生物的載體應(yīng)當(dāng)被充分的重視，不同的載體對(duì)殺菌過程產(chǎn)生很大的影響。固態(tài)食品表面顏色越深、樣品厚度越厚，殺菌效果越差。雖然脈沖強(qiáng)光與紫外殺菌相比具有較強(qiáng)的穿透力，但這種穿透力十分有限，藏于食品表層下部的病原性微生物不被完全殺死。另外，在殺菌過程中食品表面你能否被完全照射到，以及食品物料之間的相互蔭蔽都會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生一定的影響。同樣，蔭蔽效應(yīng)也存在于液態(tài)食品和生物懸浮液的殺菌中。對(duì)于液體食品和微生物懸浮液來說，液體的吸光作用取決于其吸光系數(shù)和體液的濃度和厚度，隨著液體中溶質(zhì)濃度的增大，紫外線的穿透力將下降，殺菌效果也變差。所以關(guān)鍵要解決的問題是采用一種合適的方法，在殺菌過程中使液體流動(dòng)起來，不斷地把微生物帶到離光源近的區(qū)域進(jìn)行殺菌［25］。

4.4 樣品相對(duì)于燈的距離、位置

樣品離燈越近，殺菌效果越顯著，可能是距離的縮短增強(qiáng)脈沖強(qiáng)光的光化學(xué)和光熱作用。樣品在處理室中所處的位置都會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生影響，將部分樣品放在燈的正下方時(shí)，這部分樣品可取得很好的殺菌效果，但其處理室其他位置的樣品則幾乎沒有殺菌效果；但是當(dāng)把這部分樣品偏離正下方放置室，其殺菌效果要小于正下方時(shí)的效果，但處理室其它位置的樣品也具有了一定的殺滅效果［26］。

5 結(jié)論

脈沖強(qiáng)光殺菌是一種新的非熱殺菌技術(shù)，這種技術(shù)與傳統(tǒng)的殺菌方法相比，具有處理時(shí)間短、對(duì)環(huán)境污染少、操作控制方便、不用與物料和器械直接接觸等優(yōu)點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)大幅度的降低微生物的菌群數(shù)量，有效殺死食品表面的致病菌和腐敗菌，無化合物殘留，對(duì)食品品質(zhì)的破壞較小。脈沖強(qiáng)光在微生物的體外滅菌方面具有很明顯的效果，但對(duì)食品體系自身攜帶的微生物的滅菌效果、殺菌后微生物菌體生理生化方面的影響、食品品質(zhì)的變化等方面還有待于進(jìn)一步的研究。避免食品的過度加熱、取得較好的穿透能力和處理均一性等技術(shù)問題也需要得到很好的解決。另外，脈沖強(qiáng)光技術(shù)與熱殺菌、光敏劑等其他技術(shù)的聯(lián)用在食品殺菌技術(shù)中具有很好的研究價(jià)值。

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Pulsed light and its applications in food sterilization

NAN Nan1，YUAN Yong-jun2，QI Xiang-yang2，*，SUN Zhi-da1，ZHUANG Yin-chao3
（1.Food Science and Technology Department，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；2.Faculty of Bioscience and Environmental Science，Zhejiang Wanli University，Ningbo 315100，China；3.Ningbo Pulselight Sterilization Device Co.，Ltd.，Ningbo 315193，China）

The sterilization technology of pulsed light（PL）was one kind of no-thermal physical sterilization technology，which using momentary and intense light energy to kill microorganism on the surface of solid food and package material or in the transparent liquid food material.ln the process of the sterilization，there were little changes of nutritional and sensory properties in the food.The present reviews were focused on the application of PL for food sterilization.This paper provided a general review of the mechanisms of microbial inactivation，and applications of PL treatments on foods.The advantages and disadvantages of PL and critical process parameters that were needed to be optimized for a better efficiency of PL were also discussed.

pulsed light；sterilization mechanism；food；applications

TS201.1

A

1002-0306（2010）12-0405-04

2009-09-15 *通訊聯(lián)系人

南楠（1984-），男，在讀碩士研究生，主要從事食品科學(xué)與天然產(chǎn)物化學(xué)功能成分的研究。