柵欄技術在鮮切果蔬中的應用研究進展

陳 晨，胡文忠*，姜愛麗，劉程惠，何煜波

(大連民族學院生命科學學院，生物化學工程國家民委-教育部重點實驗室，遼寧 大連 116600)

鮮切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是食品工業中一種新興產品，是新鮮果蔬原料經過挑選、清洗、去皮、切分、消毒、包裝等生產工藝形成的速食果蔬制品，也稱最少加工果蔬[1]。鮮切果蔬自20世紀50年代問世后，因其具有品質新鮮、營養衛生和食用方便等優點而迅速發展。鮮切果蔬的加工操作(如去皮、切割及切片等)會使果蔬的組織結構破壞、營養成分外流，極有利于微生物生長繁殖。微生物污染可使鮮切產品品質降低，貨架期縮短，從而影響產品的經濟價值，也會產生食源性疾病危害公共健康。據統計[2]，自1990年以來，美國至少發生了713例果蔬微生物性食品安全事件，其中有25%為鮮切果蔬產品，平均每爆發1起果蔬微生物性食品安全事件會致使48人感病。因此，微生物控制是鮮切果蔬質量安全控制中的關鍵問題。隨著對鮮切果蔬殺菌技術研究的深入，人們逐漸認識到單一的殺菌措施通常存在一定的缺陷，采用柵欄技術科學合理地組合各種殺菌措施，發揮其協同效應，形成對微生物的多靶攻擊，才能有效抑制微生物的生長繁殖，保證鮮切果蔬的衛生質量和食用安全。本文對柵欄技術在鮮切果蔬中的應用進展進行綜述，以期為鮮切果蔬的防腐保質提供一定的參考。

1 柵欄技術與微生物控制

控制鮮切果蔬的微生物污染最重要的是要打破微生物的內平衡。微生物的內平衡是指在正常狀態下微生物內部環境的穩定和統一，并具有一定的自我調節能力。當外界環境發生變化時，微生物通過內平衡機制抵抗外界的壓力[3]。例如微生物的生長需要其內部pH值維持在一個較窄的范圍內，如果偏離了最適pH值會使微生物的生長減慢或者停止甚至死亡。通過加酸來降低環境pH值時，微生物會通過pH值內平衡機制阻止質子進入細胞內部，這一過程需要消耗能量，當微生物無法產生足夠的能量阻止質子進入時，內部的pH值會降低，導致微生物的生長停止甚至死亡。柵欄技術是于1976年由德國專家Leistner[4]提出的一套控制食品保質期的系統科學理論，該理論認為食品要達到可貯性和衛生安全性，其內部必須存在能夠阻止食品所含腐敗菌和病原菌生長繁殖的因子，通過這些因子打破微生物的內平衡，從而抑制微生物的腐敗和產毒，保持食品品質。

應用柵欄技術控制鮮切果蔬微生物污染的關鍵是要確保致使微生物新陳代謝的能量耗盡。當柵欄因子作用于微生物時，一方面會促使其合成有助于抵抗不利環境的抗應激蛋白，使得微生物的抵抗能力增強，從而阻礙柵欄技術對微生物污染的控制[5]；另一方面抗應激蛋白合成基因的激活需要消耗能量，當多種柵欄因子同時作用于微生物時，需要消耗大量能量來合成抗應激蛋白，這樣會促使微生物能量消耗殆盡而死亡。通常作用微生物不同靶器官的柵欄組合(例如細胞膜、DNA或酶系統)要比作用同一靶器官的柵欄組合(柵欄的累積效應)更能有效抑制微生物的生長，柵欄因子針對微生物細胞中的不同目標進行攻擊，這樣就可以從多方面打破微生物的內平衡，發揮柵欄因子的協同作用。此外，不同類型、不同強度非致死柵欄因子的聯合作用比單一高強度的柵欄因子更有效。將不同類型的非致死柵欄作用于微生物細胞，能夠增加其能量的消耗，致使用于維持生長所需的能量轉移到維持內平衡中，從而使微生物代謝能量耗盡最終導致死亡。而采用單一的高強度柵欄因子作用時會阻止內平衡機制的啟動，因此不會使微生物的代謝能量耗盡，并且存活下來的微生物細胞耐受能力會提高[6]。

2 鮮切果蔬中應用的柵欄因子

柵欄因子是指能夠控制食品中微生物生長繁殖的措施，包括溫度(高溫殺菌、低溫抑菌)、pH值(調節酸堿度)、氧化還原電勢(降低氧化還原值)、添加抗菌劑、物理殺菌處理等，每種食品都有其固有的一套柵欄因子，這些柵欄因子的交互作用不僅能保證食品中微生物的穩定性，還與食品的總質量密切相關[7]。以下主要介紹鮮切果蔬中常用的柵欄因子及其組合方式。

2.1 初始帶菌量

初始帶菌量是指鮮切加工前原料果蔬的含菌量。初始菌量越低，越有利于其他殺菌因子發揮作用，因此有必要采取措施降低鮮切果蔬的初始帶菌量。在原料果蔬生長期間，使用完全腐熟的有機肥，避免使用受糞便污染含菌量多的水灌溉[8]；采收后可以運用空氣冷卻、冰冷卻、真空冷卻等方式將果蔬預冷處理，進而除去田間熱，降低微生物的侵染程度；在加工前要仔細清洗，清洗不僅能清除果蔬表面的污垢，還能除去表面大量微生物；有些果蔬鮮切后仍需進行二次清洗，洗除切面上的微生物和果蔬汁液，可抑制貯后微生物生長繁殖。為了加強清洗的效果，在水中常加入檸檬酸、電解水、次氯酸鈉等殺菌劑或采用超聲波等輔助清洗，可以殺死部分微生物，延長鮮切產品貨架期及改善其感官質量[9]。

2.2 溫度

微生物的生長、代謝和繁殖與環境溫度具有直接相關性。適度的熱處理可以在保證殺菌效果的基礎上，降低鮮切果蔬呼吸率，延長貨架期，且不會破壞產品的感官和營養品質。Fan等[10]研究表明香瓜在鮮切前采用67℃的水清洗配合鮮切后0.5kGy的γ射線輻照處理能夠有效降低內源性微生物的總量并且不會影響產品的顏色、硬度等感官品質。

低溫可以抑制微生物的生長繁殖。在生產實踐中，控制合理的溫度對于鮮切果蔬加工很有必要。通常原料果蔬收獲后多置于5℃冷藏；在修整和剝皮過程中，環境溫度一般保持在10～15℃；加工后的鮮切產品冷卻到2～5℃貯藏為宜[11]。值得一提的是，即使在低溫條件下，也會有部分嗜冷微生物生長繁殖，因此低溫貯藏還需與其他柵欄因子相結合，來延長鮮切果蔬的貨架期。

2.3 pH值

微生物的生長、繁殖都需要一定的pH值條件，過高或過低的pH值環境會抑制微生物的生長。一般來說，把食品體系的pH值降低到3.0～5.0的范圍內就可以限制能夠生長的微生物種類。鮮切果蔬常采用檸檬酸、苯甲酸、山梨酸、醋酸等有機酸抗菌劑降低pH值，再聯合氣調包裝等柵欄因子來有效控制微生物污染。鮮切香瓜在氣調包裝之前在低濃度的檸檬酸溶液中浸泡30s，能夠抑制微生物的生長并且避免透明化和變色[12]。Uyttendaele等[13]報道用2%的乳酸浸漬鮮切胡蘿卜1min(輕柔搓洗)，能有效降低微生物的總量，對接種的氣單胞屬病原菌的生長有明顯抑制效果。但要注意有機酸的添加要使鮮切果蔬的口味保證在可接受范圍內。

2.4 化學殺菌措施

2.4.1 液體殺菌劑

液體殺菌劑可以添加在原料果蔬的清洗去污及鮮切后的二次洗滌用水中，處理方式可以是浸泡、噴霧或噴淋等，也可以涂擦在原料果蔬或鮮切產品的表面，起到殺菌的作用。目前食品工業常用的液體殺菌劑主要是傳統含氯殺菌劑(氯水、次氯酸鈉、次氯酸鈣等)，這些殺菌劑價格低廉且具有較好的殺菌效果，但在使用的過程中容易產生對人體有害的副產物，許多歐洲國家嚴令禁止將次氯酸鈉用于鮮切果蔬的殺菌中。因此，安全高效的殺菌劑應該是未來鮮切果蔬微生物控制的發展趨勢。

過氧化氫(H2O2)是一種強氧化劑和殺菌劑，采用H2O2處理鮮切產品能夠有效延長其貨架期，減少致病致腐微生物的數量。Ukuku等[14]分別采用2.5% H2O2和1% H2O2、25μg/mL Nisin、1%乳酸鈉、0.5%檸檬酸組成的聯合清洗劑處理香瓜，后者的殺菌效果明顯優于前者，聯合清洗劑處理的香瓜在鮮切后無致病菌殘留，并且內源性微生物數量也較前者低。由于H2O2安全性問題有待進一步論證，所以食品和藥物管理局(FDA)并未允許H2O2作為鮮切產品殺菌劑使用，只允許應用于其他食品加工和包裝中。

過氧乙酸(peroxyacetic acid)是由過氧化氫和醋酸組成的混合物，其殺菌副產物為乙酸、氧氣、二氧化碳和水，不會對人體和環境產生傷害。Abadias等[15]研究表明，經80mg/L過氧乙酸清洗過的鮮切蘋果在低溫條件下貯藏6d后，使接種的大腸桿菌、沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌等典型致病菌的數量降低2～3個對數值。過氧乙酸的缺點是穿透力不強，雖然低濃度條件下對于懸浮的微生物效果明顯，但是對緊附著在鮮切產品表面的微生物作用不明顯[16]。

酸性電解水主要通過電解食鹽或稀鹽酸水溶液得到，其良好的殺菌效果與較低的pH值、高氧化還原電位及一定的有效氯濃度密切相關。Koseki等[17]研究了酸性電解水和貯藏溫度兩種柵欄因子對鮮切萵苣和甘藍的微生物生長的影響，結果顯示酸性電解水處理能夠有效降低鮮切萵苣和甘藍初始帶菌量，在1℃條件下貯藏微生物總量沒有明顯變化，但是在10℃條件下貯藏微生物數量明顯上升，3d便上升到與自來水清洗的樣品一致，由此表明酸性電解水與低溫貯藏聯合能夠有效抑制微生物的生長。Koide等[18]發現采用45℃的電解水處理鮮切胡蘿卜殺菌效果明顯優于45℃的自來水和18℃的電解水，并且對鮮切胡蘿卜的硬度和影響成分影響較小。電解水的缺點是保質期較短，在生產中可通過購置安裝電解水機解決這一問題。

2.4.2 氣體殺菌劑

氣體殺菌劑可以以氣態形式高濃度熏蒸殺菌或在貯藏室以低濃度間斷循環進行空氣環境殺菌，也可以溶于水形成殺菌溶液用于原料果蔬的清洗去污及鮮切后果蔬的二次洗滌。目前鮮切果蔬微生物控制中常用的氣體殺菌劑主要有臭氧和二氧化氯等。

臭氧(ozone)是由三個氧原子構成的極不穩定的氧分子，具有很強的氧化性，殺菌迅速無殘留，且不會產生副產物[19]，液態和氣態臭氧在鮮切果蔬的微生物控制中均有較好的應用并且常與其他柵欄因子聯合使用。例如Aguayo等[20]研究顯示鮮切番茄在5℃貯藏室內采用(4±0.5)μL/L的臭氧氣體每隔3h處理30min，在貯藏期間能夠顯著抑制微生物生長且不會影響鮮切番茄的品質。Chauhany等[21]報道利用臭氧水處理的鮮切胡蘿卜片微生物總量降低2個對數值，隨后采用氣調包裝在低溫條件貯藏，有效地控制了微生物的生長，并且抑制胡蘿卜片的木質化現象。需要注意的是臭氧水使用濃度過大易腐蝕加工設備，且對人體健康有潛在危害，因此在使用臭氧對鮮切果蔬微生物處理時，要合理調控其濃度，并與其他柵欄因子聯合使用，盡量避免對加工設備和人體健康造成損傷，降低對產品品質和營養成分的影響。

二氧化氯(ClO2)是一種易溶于水的氣體殺菌劑，比傳統含氯殺菌劑的殺菌能力更強且水溶液不會產生氯胺類等致癌物質[22]。Chen等[23]研究表明，經過100mg/L ClO2水溶液處理后的鮮切萵苣片，能夠顯著降低微生物總量，在4℃條件下貯存6d后，微生物總量控制在可接受的范圍內，同時還抑制了多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，保持了良好的感官品質。由于氣體的滲透能力要高于液體，所以氣態ClO2的殺菌效果要優于液態ClO2[24]，但ClO2氣體本身不穩定，在空氣中達到10%時就會發生爆炸，而其水溶液卻是十分安全的。總體來說，ClO2具有較強的殺菌能力和較高的安全性，已逐漸成為含氯殺菌劑的替代品，是鮮切果蔬清洗殺菌的理想用品。

2.5 天然殺菌劑

天然生物殺菌劑是一類從自然界中提取、純化獲得的一類抗菌物質，包括動物源(如殼聚糖、溶菌酶)、植物源(如中草藥、香辛料)和微生物源天然殺菌劑(如苯乳酸、聚賴氨酸)。這些天然抗菌物質可以采用浸蘸、熏蒸、噴灑或與保鮮紙及涂膜劑等載體結合的方式應用于鮮切果蔬，有些還可以作為可食用涂膜材料對鮮切果蔬進行涂膜處理來控制微生物污染[25]。

鮮切菠蘿采用殼聚糖涂膜處理后，微生物總量在貯藏期間明顯降低，在殼聚糖膜中加入香草醛(一種植物源天然抗菌劑)后，抗菌效果增強，但會使其營養物質含量降低，10℃貯藏8d后的VC的含量僅為初始的10%[26]。Karag?zlü等[27]研究報道鮮切萵苣和馬齒筧分別采用不同濃度的薄荷精油和羅勒精油浸泡處理后，聯合低溫貯藏能夠明顯降低接種的沙門氏菌和大腸桿菌的數量，濃度越高殺菌效果越好，且薄荷精油的殺菌效果要優于羅勒精油。Ukuku等[28]采用Nisin與EDTA在20℃條件下聯合清洗香瓜5min，鮮切后再用Nisin-EDTA溶液清洗1min，于5℃低溫條件下貯藏能夠有效降低鮮切香瓜的微生物總量，延長貨架期。此外，Nisin分別與EDTA、山梨酸鉀和乳酸鈉聯合清洗香瓜還能夠有效清除接種的沙門氏菌，且能夠降低沙門氏菌轉移到鮮切產品的數量[29]。

2.6 物理殺菌技術

2.6.1 輻照殺菌技術

輻照(irradiation)又稱輻射，是指利用電磁波射線或加速電子照射被殺菌的物料從而殺死微生物的一種殺菌技術。輻照是一種公認的安全、無任何化學變化的非熱殺菌技術，在鮮切果蔬微生物控制中常用的是短波紫外線輻照(UV-C)和γ射線輻照技術。

鮮切甜瓜在包裝前采用1200J/m2的UV-C處理10min，在6℃貯藏14d后微生物總量與未處理的相比減少2個對數值[30]。但UV-C的穿透能力較弱，適合鮮切果蔬的表面殺菌，在實際應用時可將低劑量的UV-C與其他柵欄因子聯合使用，提高其殺菌效果。例如Hadjok等[31]研究了化學殺菌劑(H2O2)、UV-C和溫度3種柵欄因子組合對新鮮萵苣微生物的抑制情況，最終確定了最優的柵欄因子組合條件：15%的H2O2、37.8mJ/m2的UV-C、溫度為50℃，在該條件處理的萵苣葉表面和內部的沙門氏菌分別降低4.12和2.84個對數值，明顯高于H2O2和UV-C單獨處理。

γ射線輻射的穿透力很強，其殺菌范圍并不僅局限于鮮切果蔬表面，還能達到其內部組織。目前，世界衛生組織已將輻射殺菌納入安全有效的食品處理方法中，并制定了相應的標準，在許多國家已獲得批準使用，我國國家標準GB14891.5—1997《輻照新鮮水果、蔬菜類衛生標準規定輻照處理的新鮮水果、蔬菜總體平均吸收劑量應不大于1.5kGy，但尚未對鮮切果蔬出臺相應的標準。在實際應用中，為避免輻射殘留對人體健康的影響，可將低劑量的輻射與其他柵欄因子聯合使用以提高殺菌效果。鮮切萵苣采用0.15～0.5kGy的γ射線輻照聯合0.8～2.0mg/L的氯水清洗后，運用氣調包裝能夠有效降低微生物數量延長貨架期，且不會對鮮切萵苣的品質產生影響[32]。

2.6.2 高壓殺菌技術

高壓殺菌的機理是通過高壓的作用來破壞微生物的組織結構，同時抑制酶活性和促使細胞內DNA 變性，從而達到殺菌的目的。高壓殺菌適合應用于質地較硬的鮮切果蔬微生物控制中，因為在過高的壓力作用下，柔嫩的果蔬組織結構會遭到破壞，造成萎焉變軟、汁液外流，從而降低產品質量。目前鮮切果蔬常用的高壓殺菌方法有高靜壓技術和高壓二氧化碳技術。

高靜壓技術(high hydrostatic pressure，HHP)是將食品物料以某種方式包裝以后，放入液體介質中，通過100～1000MPa壓力作用而實現滅菌的殺菌技術[33]。HHP常與其他柵欄因子聯合使用來增強其殺菌效果，例如將150MPa的HHP與0.75mg/mL的蕓香草精油聯合使用，殺菌效果與350MPa的HHP相近[34]。但是HHP無法抑制果蔬內的褐變酶類的活性，因此采用HHP殺菌時，還應與低溫貯藏或氣調包裝等柵欄因子相結合來控制鮮切果蔬的褐變[35]。

高壓二氧化碳技術(high pressure carbon dioxide，HPCD)是結合壓力與二氧化碳作用的新型非熱殺菌技術。鮮切甜椒采用15kPa的CO2聯合80kPa或50kPa O2處理后，腐敗微生物及腸桿菌的生長受到了抑制，且無異味產生，感官品質良好[36]。雖然HPCD對微生物的生長有很好的抑制作用，但有時也會對鮮切果蔬的品質產生影響。Valverde等[37]報道在55℃的條件下采用HPCD處理鮮切梨，能夠使啤酒酵母菌降低5個對數值，且對pH值和含糖量無影響，但卻使VC含量降低、酶促褐變加劇，并且質地變軟。

2.6.3 脈沖光殺菌技術

脈沖光(plused light，PL)是采用強烈的白光閃照的方法進行滅菌的技術，其殺菌機理目前尚未完全明確，可能是由于其瞬時、高強度的脈沖光能量對菌體細胞中的DNA、細胞膜、蛋白質和其他大分子產生不可逆的破壞作用，從而殺滅微生物[38]。鮮切蘑菇采用12J/cm2的PL處理能夠分別使大腸桿菌和李斯特菌的數量降低3個和2個對數值[39]。Ramos-Villarroel等[40]采用12J/cm2的PL處理鮮切鱷梨并聯合低溫貯藏，能夠有效降低微生物的數量，但是PL處理會造成鮮切鱷梨的呼吸紊亂，因此在采用PL殺菌時，要采用聯合適宜的包裝方法并加入抗褐變劑等方法，以保證其品質。

2.6.4 超聲波殺菌技術

頻率高于20kHz的機械波稱為超聲波(ultrasound)。超聲波能夠產生高頻率的超聲震蕩，使微生物細胞壁和細胞膜發生破裂，引起結構變化，同時超聲波的空化效應能夠在液體中產生局部瞬間高溫高壓交變變化，從而殺死其中的微生物[41]。超聲波殺菌具有高效環保的優點，且不會影響鮮切果蔬的品質及營養價值，但是超聲波存在殺菌不徹底的問題，可以將超聲波與其他柵欄因子聯合使用來解決這一問題。Sagong等[42]采用40kHz的超聲波與2%的有機酸聯合處理鮮切萵苣5min后，能夠使大腸桿菌、沙門氏菌和單細胞增生李斯特菌的數量分別下降2.75、3.18和2.87個對數值，要比二者單獨使用時數量多下降0.8～1.0個對數值，且貯藏7d后，鮮切萵苣的質構和顏色均未發生改變。Huang等[43]對鮮切蘋果和鮮切萵苣設置了超聲波與ClO2處理2種柵欄因子，使接種的沙門氏菌及大腸桿菌的數量顯著降低。

2.7 氣調包裝

氣調包裝(modified atmosphere packaging，MAP)，是當前較先進的可廣泛應用的貯藏保鮮技術，它根據不同果蔬產品的生理特性，用2種或多種氣體組成的混合氣體取代包裝體內的氣體，借助果蔬產品的呼吸作用與包裝材料的選擇性滲透，構造更適合產品保藏的環境氣氛，有效地降低果蔬的生理消耗，防止無氧呼吸所引起的發酵、腐爛，以延長果蔬產品的保鮮貯運周期[44]。

低O2和高CO2的貯藏環境，能夠抑制切分后鮮切果蔬大多數好氧微生物的生長繁殖。一般情況下，1～8kPa O2和10～20kPa CO2的MAP結合冷藏技術(0～5℃)能夠顯著延長鮮切果蔬的貨架期。鮮切哈密瓜采用4kPa O2和10kPa CO2的MAP，置于5℃貯藏，能有效降低微生物的總量，使貨架期延長至9d[45]。也有研究表明高氧的氣調包裝對鮮切果蔬微生物的生長有抑制作用。Allende等[46]用95kPa O2包裝的蔬菜沙拉在4℃貯藏8d后，乳酸菌和腸桿菌科微生物的生長受到了抑制，但嗜冷性細菌和李斯特氏菌屬的生長則不受影響。除了氣調體系組分外，包裝材料對控制微生物污染也有重要影響，Lee等[47]研究發現鮮切甘藍采用高氧(70kPa O2+15kPa CO2)、不透氣的材料包裝要比高O2、透氣的包裝材料更能有效降低微生物的數量，而采用兩種包裝材料進行的低氧(5kPa O2+15kPa CO2)處理卻對微生物的生長無影響。

在實踐應用中，通常將MAP與其他柵欄因子相結合來控制鮮切果蔬微生物的生長，即在鮮切加工過程中采用物理或化學方法進行殺菌處理后，選擇適宜的MAP條件進行低溫貯藏，能夠有效地延長貨架期。例如鮮切香蕉在保鮮過程中，運用0.75%抗壞血酸、1%氯化鈣、0.75%半胱氨酸混合液浸泡3min，角叉菜膠涂膜處理后，在3% O2、10% CO2、5℃的條件下可以貯藏5d，在此期間微生物的總量可控制在可接受的范圍內，且顏色、硬度、pH值等感官品質沒有發生明顯變化[48]。

3 結 語

我國是果蔬生產大國，產量居世界首位，但果蔬加工業的總體水平遠落后于發達國家，果蔬加工轉化能力僅為總產量的8%左右，而美國等發達國家能達到40%[49]。發展鮮切果蔬產業對于提高果蔬的加工利用率，增加果蔬產品附加值，促進我國果蔬產業發展具有重要意義。目前鮮切果蔬的生產在歐美等發達國家已經形成比較完備的體系，而在我國起步較晚，仍存在產品種類少、商品化處理水平和保鮮能力低以及貨架期短等問題。最值得關注的是，在我國，由于殺菌保鮮技術還不夠成熟，致使鮮切果蔬在流通過程中因微生物污染損失嚴重，嚴重制約了我國鮮切果蔬產業的發展。將柵欄技術應用于鮮切果蔬的微生物控制，對不同的鮮切果蔬設置特定的柵欄因子及強度，可有效控制微生物的生長和繁殖，延長產品貨架期，提高鮮切果蔬的經濟效益。此外，將柵欄技術與危害分析及關鍵控制點(HACCP)、良好生產規范(GMP)和微生物預報技術(PM)等有機結合將是未來鮮切果蔬控制微生物污染和延長貨架期的重要途徑。

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