脈沖強光對食品中常見微生物的影響

唐明禮，馬 濤，王 勃，馮敘橋（渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州121013）

脈沖強光對食品中常見微生物的影響

唐明禮，馬 濤，王 勃，馮敘橋*
（渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州121013）

脈沖強光是一種新興的非熱殺菌技術，能顯著殺滅食品中常見的微生物，從而延長食品的貨架期，一般是通過設定脈沖強光的光照能量、閃照次數、處理電壓等參數來達到最佳的殺菌效果。脈沖強光對食品中的大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、霉菌、金黃色葡萄球菌和單細胞增生李斯特菌有明顯的殺滅和抑制作用。與熱殺菌相比，脈沖強光能最大程度地保持食品的色、香、味，并具有高效、安全等優點，在食品加工領域具有廣泛的應用前景。

脈沖強光，微生物，滅活

微生物是影響食品品質和安全的關鍵因素，為保證食品的質量和延長貨架期，需要發展和完善滅活微生物的方法。最常使用的殺菌技術是巴氏殺菌（干熱或蒸汽）、輻照、煙熏以及真空脫氣等。然而，已有相關文獻報道表明，上述常用的殺菌技術在滅活微生物的同時，也對食品造成不良影響，如引起食品褪色、維生素損失、味道改變等。非熱殺菌技術既不影響食品感官和營養的品質，又能確保食品中微生物的安全，所以脈沖強光引起了越來越多研究者的注意[1]。脈沖強光殺菌技術是一種新興的美國FDA（美國食品與藥品監督管理局）允許使用的非熱處理技術，它利用瞬時、高強度、廣波譜來滅活食品或包裝材料中的微生物、對食品生產設備進行消毒[2]，在非常短的處理時間內食品中致病菌和腐敗菌的數量顯著減少。具有能源消耗少、無殘留有毒化合物、靈敏性高等優點[3]。

食品中微生物超標是引發食物中毒和食源性疾病的主要原因之一，微生物不僅威脅人類健康，也會引起食品的腐敗變質，造成巨大的損失。在我國，由微生物危害導致的食品安全問題達到總量的40%[4]。脈沖強光對微生物具有殺滅作用，能延長食品的保質期，節約能源，在預防微生物危害導致的食品安全問題方面，與其他方法相比，具有明顯優勢。本文在介紹脈沖強光殺菌技術原理的基礎上，概述了脈沖強光對食品中常見微生物的影響，分析了脈沖強光殺菌技術存在的不足，展望了脈沖強光在食品中的應用前景。

1 脈沖強光的殺菌原理

脈沖強光殺菌設備是以交流電為電源，利用產生的強光進行殺菌，它由一個動力單元和一個惰性氣體燈組成。動力單元是一個能夠提供高電壓高電流的部件，為惰性氣體燈提供能量，惰性氣體燈能發出紫外線至近紅外區域的光線（圖1）[5]。脈沖強光的光譜與到達地球的太陽光譜相近，但強度卻是地球上太陽光的千倍至數萬倍[6]，脈沖強光殺死微生物是各種光譜的復合作用，是強烈的熱效應、紫外線的化學致死作用的組合，它們共同引起微生物的死亡[7]。輻射導致細菌DNA結構上的改變，形成了對DNA具有致命的胸腺嘧啶的二聚體，從而防止了細菌細胞復制和細胞分裂[3]。一些研究已經顯示出使微生物滅活的紫外波段在250～260nm之間[8]。江天寶、陸則堅教授通過對脈沖強光進行人工分離也得出了殺滅微生物的光譜成分也是紫外波段，其他波段起到協同增效的作用[5]，但光照強度、處理時間、波長范圍、微生物的種類、食品種類、樣品與氙燈之間的距離等都會影響脈沖強光的效率[9]。

圖1 脈沖強光殺菌裝置原理圖Fig.1 Sterilization device schematic of pulsed light

2 脈沖強光對各類微生物的影響

2.1 脈沖強光對大腸桿菌的影響

1971年美國14個州因進口的奶酪被腸侵襲性大腸桿菌（Escherichia coli）污染造成近400人發生疾病，從而確定了大腸桿菌為食源性病原體。早在十八世紀就有證據顯示大腸桿菌可能引起嬰兒腹瀉。在1993年美國肉源性疾病爆發，經確認也是由大腸桿菌引起的[10]。致病性大腸桿菌可通過污染飲水、食品等引起疾病，嚴重可威脅到人們的生命。不同研究者研究了脈沖強光對大腸桿菌的影響（表1），馬鳳鳴和張佰清[11]認為大腸桿菌的菌液厚度與殺菌率成反比，菌液厚度越大，殺菌效果越不明顯，因為脈沖強光屬于表面殺菌，液面厚度降低了光的穿透率。各因素對殺菌效果的影響順序為：閃照次數＞光照強度＞菌液厚度。蔣明明[12]研究了閃照次數、輸入電壓和生物負荷對大腸桿菌殺菌效果的影響，在閃照次數上與張佰清取得了相同的結論。此外，他還研究了外在因素（pH、溫度、濁度）對大腸桿菌的影響，當溫度為17℃、濁度小于5、pH為7.0時殺菌率較小，pH對大腸桿菌的影響不大。從表1可以看出，大腸桿菌能殺死甚至能100%的殺死大腸桿菌，從不同的食品基質中可以看出，脈沖強光的應用范圍非常廣，不同的研究者取得的結果不同，是因為各種因素都會影響脈沖強光的殺菌效果，比如食品的成分、不同地區的微生物種類、微生物之間的競爭作用等。Aderson等[13]認為不同細菌對脈沖強光的敏感性為革蘭氏陰性菌＞革蘭氏陽性菌＞真菌的孢子，革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌對脈沖強光的抵抗力不同是由于革蘭氏陽性菌的細胞壁是由多層肽聚糖組合在一起，形成一個20～80nm厚的、剛性的細胞結構，而革蘭氏陰性菌在膜外只形成1～2nm薄的肽聚糖，因此，革蘭氏陽性菌厚厚的細胞壁會保護它們。大腸桿菌是革蘭氏陰性菌，因此對脈沖強光比較敏感，故脈沖強光可以對食品、包裝材料、食品設施中的大腸桿菌殺菌。

食品中的大腸桿菌影響了食品的貨架期，并嚴重影響食用安全性。通過以上研究者可發現脈沖強光對大腸桿菌具有較強的殺滅作用，這可以解決貨架期及安全性等問題。脈沖強光在食品生產過程中可解決大腸桿菌的二次污染，也具有其他殺菌方法所不及的作用。因此，脈沖強光保證了果蔬保鮮、果汁生產、肉制品安全、用餐工具消毒等方面的微生物安全。

2.2 脈沖強光對枯草芽孢桿菌的影響

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）是革蘭氏陽性產芽孢菌，是食品中常見的一種污染菌。脈沖強光的能量是影響枯草芽孢桿菌殺菌效果的重要因素，對于不同的食品基質，光的能量分布不同。這因為食品基質的光學性質和相對于光源的相對距離不同導致的[17]。所以不同的食品相同的能量對它的殺菌效果是不同的。

表1 脈沖強光對大腸桿菌的影響Table 1 Effect of treatment with pulsed light on Escherichia coli

Hierro和Ganan[18]研究了脈沖強光對火腿和臘腸片以及對它們貨架期的影響，當能量為8.4J/cm2時，枯草芽孢桿菌的數量分別減少了1.78cfu/cm2和1.11cfu/cm2，對火腿的感官品質沒有影響，并且延長了30d的貨架期，而處理能量在2.1J/cm2以上時就會影響臘腸片的感官品質，且脈沖強光不會延長臘腸片的保質期。Nicorescu等[19]脈沖處理了枯草芽孢桿菌菌懸液和接種于香料中的枯草芽孢桿菌（靜止生長期），當用能量0.6J/cm2處理菌懸液時，枯草芽孢桿菌的數量可減少8個log值；掃描電鏡的結果表明，脈沖強光的處理對細菌的形態學沒有影響；脈沖強光對接種枯草芽孢桿菌的香料（香菜、紅辣椒、黑胡椒）處理后，枯草芽孢桿菌的數量只減少1個對數值，但它嚴重損壞了它的壁層結構。對DNA結構的觀察結果表明，脈沖強光改變了枯草芽孢桿菌DNA的結構，從而導致其死亡。上述材料表明，脈沖強光通過不同的機制滅活固態和液態的枯草芽孢桿菌。Wuytack[20]也認為脈沖強光對微生物的滅活主要原因是DNA結構的改變，少數的原因是膜損壞和蛋白質的改變以及其他大分子的變性。Levy和Aubert等[21]研究了脈沖強光對不同的基質材料（聚苯乙烯、瓊脂、鋁、玻璃）接種的枯草芽孢桿菌的影響，在處理條件2.5kV、能量為0.5J/cm2時，所有基質材料上的枯草芽孢桿菌的數量可以減少3個對數值；當1.8J/cm2處理時，孢子可以減少4個對數值。用掃描電鏡觀察接種在聚苯乙烯材料上的枯草芽孢桿菌的孢子時，處理的和未處理的孢子結構都非常相近，結構基本沒有改變。此外，他們發現芽孢比菌體細胞更具有抵抗性。

通過以上等的研究表明，脈沖強光是一種可行的滅活食品中或包裝材料中病原菌的處理技術，為了獲得脈沖強光對食品的較高殺菌效率，需要研究和優化對枯草芽孢桿菌的殺菌模型，這樣不僅可以提高殺菌效率，還可以為各種食品提供殺菌公式，為人們的健康提供了保障。

2.3 脈沖強光對霉菌的影響

Hugh和Jennifer等[22]通過測量胞內蛋白的損失來研究脈沖強光對霉菌細胞的損壞，使用熒光顯微鏡和碘化丙啶來評價脈沖強光對細胞膜滲透性的影響。對樣品脈沖90次后，將近90%的霉菌細胞顯示出熒光特性，這表明經過脈沖強光處理之后，霉菌的細胞結構受到顯著損傷。Jun等[23]用脈沖強光處理接種在玉米粉懸浮液中的黑曲霉，結果發現當處理電壓為2.5～3.8kV時，黑曲霉的減少量分別為1.352～4.954個對數值。處理電壓在2.0kV、處理時間在20s和100s時，黑曲霉的減少量分別為0.176個對數值和1.352個對數值，滅菌效率隨著電壓和處理時間的增加而增加。霉菌增殖是限制食品貨架期的重要因素之一，上述研究結果說明脈沖強光可以顯著地減低食品中霉菌的數量，能夠最大程度地抑制霉菌的增值，可延長食品的貨架壽命。但是為了保持食品的原有品質，應該考慮處理的能量密度。

2.4 脈沖強光對金黃色葡萄球菌的影響

食品受金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）污染后，不僅可以引起腐敗變質，而且金黃色葡萄球菌產生的腸毒素（Enterotoxin）可引起人類胃腸炎等多種疾病[24]。Krishnamurthy[25]使用脈沖強光處理磷酸鹽緩沖液5s后，金黃色釀膿葡萄球菌的數量可以減少7個對數值。張佰清[26]研究了脈沖強光對金黃色葡萄球菌的殺菌效果，在電壓3kV、閃照次數16次時，金黃色葡萄球菌的致死率可達99%。脈沖強光在滅活很多的微生物包括食品腐敗菌和食源性致病菌方面很有效，但國內外對金黃色葡萄球菌的研究報道還比較少，為了擴大脈沖強光的影響力以及應用范圍，應該加大力度研究脈沖強光對金黃色葡萄球菌的影響。

2.5 脈沖強光對單細胞增生李斯特菌的影響

單細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）在環境中無處不在，對各種環境具有抵抗性，例如低pH、高鹽濃度。這使得李斯特菌在加工環境中能夠持久生存[27]。李斯特菌可引起血液和腦組織感染，很多國家都已經采取措施來控制食品中的李斯特菌，并制定了相應的標準。而且李斯特菌也是一種食物中毒的病原，很容易導致疾病的發生，且作為很多動物的疾病已有充分記載，人類感染病例也并不少見。為此，許多學者研究了脈沖強光對李斯特菌的影響。

Uesugi和Moraru[8]用脈沖強光處理未包裝的香腸，當處理能量為9.4J/cm2時，單細胞增生李斯特菌的數量可以減少1.37個log值。Choi和Cheigh等[28]研究了脈沖強光對嬰幼兒食品（嬰幼兒飲料、嬰兒餐和嬰幼兒乳粉）中李斯特菌的影響，發現微生物的存活數量隨著電壓的升高、處理時間的延長而呈指數降低；當處理電壓在25kV時，微生物的數量急劇減少；在25kV、處理時間為100μs時，微生物的數量減少了5個對數值。此外，研究結果還表明脈沖強光雖然對嬰幼兒餐具有滅菌效果，但其滅菌效率低于對嬰幼兒飲料的殺菌效率，這可能是由于嬰幼兒餐具的粘度和透明度降低了脈沖強光的穿透率；嬰兒餐具的顏色也可減少光的吸收。故食品的顏色、粘度以及透明性可能影響脈沖強光對嬰幼兒飲料的殺菌效率。Artíguez和Lasagabaster等[29]研究了影響脈沖強光在連續的流通式裝置中對英諾克李斯特菌的影響。隨著脈沖能量的增加，英諾克李斯特菌的數量逐漸減少。當處理能量為10J/cm2時，菌的數量可以減少5個對數值，然而介質水的溫度增加不超過7℃；但液體的流速為5L/min、比流速1L/min時，細胞的減少數量要多，原因在于快的流速有利于液體的流動、混合、翻滾，加快了菌體暴露在能量燈光下。Ringus和Moraru[30]研究了脈沖強光對不同粗糙度和反射率的包裝材料[包括LDPE（低密度聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯）、MET（聚乙烯超級金屬化的聚對苯二甲酸乙二醇酯）、TR（聚乙烯涂布紙板）和EP（聚乙烯涂布的鋁箔紙板）上英諾克李斯特菌的影響，結果表明增加材料表面的粗糙度和反射率可以降低滅菌率。處理效果最好的是HDPE和LDPE，李斯特菌的數量減少都在7個對數值以上，并認為沒有直接暴露在脈沖燈光下的包裝材料也是有效的。

綜上所述，脈沖強光對的腦細胞增生李斯特菌具有廣泛的殺滅作用。為了殺滅食品中李斯特細菌，一些其他的新興技術比如超高壓、電子輻照技術、天然抗菌素已經用于研究控制食品中的微生物[31]。

3 脈沖強光在食品工業殺菌中應用存在的問題

殺菌是食品工業中的核心技術，雖然脈沖強光克服了傳統殺菌技術上的缺點，能夠最大程度保持食品的營養成分，但它也存在不足之處。

3.1 脈沖強光僅是一種表面殺菌技術

脈沖強光是一種表面殺菌技術，穿過食品的厚度有限，很容易使食品表面的微生物失活，但死亡的微生物及食品表面凹凸不平會遮蔽光的穿透，對下層的菌體起到一定的保護作用，導致殺菌效率降低。Moraru和Uesugi[32]做過對Vienna（維也納）香腸的研究，脈沖強光對香腸的穿透厚度只有2.3mm。Artíguez和Lasagabaster等[29]認為液體厚度為2.15mm時，微生物失活率比液面厚度為6.32mm時要高，因為薄的液體層能夠保證菌體直接暴露在燈源下，導致殺菌率升高。對動態連續波紫外線處理的液態食品的報道也證明厚度降低可以減少微生物的數量[33]。此外，包裝材料表面反射率和粗糙度是影響滅活率的重要因素，反射性好的材料比反射性差的殺菌率低，并認為食品表面的粗糙度會嚴重影響脈沖強光的效率[34]。所以脈沖強光只是一種表面殺菌，需要其他殺菌技術來輔助脈沖強光技術以獲取更好的殺菌效果。

3.2 可能引起包裝材料的結構變化

由于在很短的時間內高能量傳遞到食品表面，脈沖強光可能會引起包裝材料的理化性質和化學結構的改變。由于脈沖強光對基質（食品或包裝材料）發出大量的紫外線，所以材料的結構和理化性質很容易受到影響。例如已經報道了紫外線能夠引起某些物體表面的疏水性降低，這顯示了表面的結構性質發生了改變[35]。

3.3 食品表面溫度的升高

Ringus和Moraru[30]認為脈沖強光引起了材料表面溫度的升高，處理能量為8J/cm2時，表面溫度增加了2～3℃，當能量為16J/cm2時，溫度將增加的更多，所以當包裝材料里面的物質是熱敏性物質時，應該考慮脈沖強光的處理能量。

4 展望

脈沖強光具有殺菌均勻、操作安全、減少環境污染等優點，因此廣泛應用于果汁、鮮切果片、雞蛋、香料、香腸、牛肉片等制品的殺菌[36-38]。為得到更好的殺菌效果以及防止食品的交叉污染，脈沖強光應與不同的殺菌技術（臭氧殺菌、微生物防腐劑、磁力殺菌等）相結合以克服單一的殺菌技術的不足和缺陷。臭氧是快速、高效殺菌劑，消毒后分解產物為氧氣，因此具有無毒、無害、無殘留等特點，可被廣泛應用于防腐、殺菌方面[39]。臭氧不僅可利用臭氧氣體對物質進行殺菌，而且還可以溶解于水，形成臭氧水進行殺菌[40]。它作為氣體，擴散性好，濃度均勻，不僅作用于物體表面而且還可作用于食品的內部，因此可提高殺菌效率，克服了脈沖強光殺菌不足的優點。微生物防腐劑、磁力殺菌都是非熱殺菌，都具有安全、高效等特點。如果將它們與脈沖強光聯合起來殺菌，將會在食品領域具有良好的應用及發展前景。

除了對微生物殺菌，脈沖強光可廣泛應用于微生物和動植物育種。通過尋求能量、次數、頻率等參數的最佳組合，使處理方法向有利的變異方向進行。經過脈沖強光處理可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，甚至發生突變，進而培育成新的優良品種。脈沖強光在植物方面可誘變的植物主要有水稻、燕麥、大麥、棉花、番茄等。在動物育種方面，脈沖強光可引起胚胎畸形以及提高禽孵化率及生長發育等，研究內容可包括雞卵、魚卵和蠶卵的誘變。此外，脈沖強光還可用于農作物助長、殺蟲、除草等方面。脈沖強光技術應向基因工程、細胞工程等高技術領域滲透，加快農作物與微生物的定向進化，為農業和食品業提供豐富的種質資源。隨著食品工業的發展以及現代高端檢測技術的出現，脈沖強光將會給食品工業帶來新的發展和轉變。

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Effect of treatment with pulsed light on common microorganisms in food

TANG Ming-li，MA Tao，WANG Bo，FENG Xu-qiao*
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Food Safety Key Lab of Liaoning Province，Jinzhou 121013，China）

Pulsed light is a new kind of non-heated sterilization technology，which extends the shelf life of food by significantly killing common microorganisms in food.Pulsed light achieves optimal bactericidal effect by setting parameters such as light energy，numbers of flashes，processing voltage to appropriate levels.It shows obvious bactericidal and/or inhibition effect on microorganisms like Escherichia coli，Bacillus subtilis，mold，Staphylococcus aureus，and Listeria monocytogenes.Compared with heat sterilization，pulsed light keeps food color，smell and taste in a better state and exerts high efficiency and safety features，with a broad application prospects in food processing.

pulsed light；microorganism；inactivation

TS201.1

A

1002-0306（2014）14-0385-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.076

2013－10－11 *通訊聯系人

唐明禮（1988-），男，在讀碩士研究生，研究方向：農產品加工與貯藏。