脈沖強光在食品工業中的研究和應用進展

張瑞雪，張文桂，管 峰，袁勇軍

（浙江萬里學院生物與環境學院，浙江 寧波 315100）

脈沖強光在食品工業中的研究和應用進展

張瑞雪，張文桂，管 峰，袁勇軍*

（浙江萬里學院生物與環境學院，浙江 寧波 315100）

脈沖強光是一種非熱物理殺菌新技術，利用氙氣燈瞬時高強度、廣譜的脈沖光來殺滅固體表面、氣體和透明液體中營養細菌及芽孢、真菌和真菌孢子、病毒和原生動物等腐敗病原微生物，具有能耗低、殺菌效率高、對產品質量和營養的負面影響較低等優點。本文綜述了脈沖強光設備的工作原理、殺菌機理、殺菌影響因素及在果蔬、食品包裝材料、水處理等中的研究和應用進展。

脈沖強光；殺菌；殺菌機理；應用

脈沖強光（pulsed light，PL）又稱脈沖紫外光[1]、高強度寬譜脈沖光[2]、脈沖白光[3]，是一種新型的非熱殺菌技術。PL技術起源于20世紀70年代后期的日本，1984年在美國注冊專利，1996年美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）允許在食品加工中使用，規定PL處理食品的劑量不能超過12 J/cm2[4]。PL對固體表面、氣體和透明液體中的微生物均有較好的殺滅作用[5-8]。PL開始主要應用于醫療器械表面和透明藥劑溶液殺菌消毒，隨著該殺菌技術和設備的成熟，逐漸過渡應用到食品殺菌保藏中[9]。PL具有耗能低、瞬時、廣譜等優點[10]，市場前景廣闊。

1 脈沖強光工作原理和設備

PL以交流電為電源，由一個動力單元和一個氙燈單元組成。氙燈接收由動力單元提供的高壓電流脈沖能量，能發出由紫外（ultraviolet，UV）至近紅外區域的光譜，包括UV光區（180～400 nm）、可見光區（400～700 nm）、近紅外光區（700～1 100 nm），與太陽光譜分布相似，但每一次脈沖的光強度約為到達海平面處太陽光強度的2×104倍[11]。輸入的市電經設備變壓器升壓后，對高壓直流發生器的電容器進行充電，通過強光發生器（氙燈兩端）形成直流高壓。經系統觸發器產生高壓脈沖，升壓后電流觸發產生瞬時電感使氙氣電離導通形成持續時間極短的閃光。電容放電后，高壓下降，為下一次閃光積蓄能量[12]。最早的商業化設備為PureBrightTM系統，目前主要是德國的SteriBeam系統和美國的Xenon系統[13]。在我國，周萬龍[14]、馬鳳鳴[15]等自主設計PL殺菌裝置以用于研究。

PL系統可設計為固定批次處理或連續流動操作。一個基本的PL對固體樣品批次處理系統，將樣品置于處理室，通過沿著位于腔室壁上的一個或多個燈發出PL進行處理（圖1）；連續PL系統，需要固體樣品和燈之間相對運動，設置樣品通過PL的速率來實現所需處理時間。PL系統用于液體樣品根據所需處理時間控制透明管內流量[16]（圖2）。

圖1 固體批次處理脈沖系統Fig. 1 Typical schematic for a batch PL system for solid foods

圖2 液體樣品連續流動系統Fig. 2 Typical scheme for a continuous PL system for liquid food

2 脈沖強光殺菌機理

2.1 光化學作用

UV波段通常被認為是PL發揮殺菌效應的主要區域，DNA變性是殺菌的主要原因。微生物在PL照射下DNA吸收UV波段波長（200～280 nm），DNA逐漸開始裂解，結構改變，形成對DNA不利的胸腺嘧啶二聚體，阻礙DNA復制和細胞分裂，微生物自身的新陳代謝機能出現障礙，遺傳性出現問題，導致細胞死亡或孢子鈍化[17]。UV光譜中對微生物的殺菌作用最重要的是UV-C波段（200～275 nm）。UV-C可引起DNA雙鏈、單鏈斷裂，誘導環丁烷嘧啶二聚體產生（圖3）。Wang等[18]利用單色儀過濾光譜發現殺滅Escherichia coli的有效波長為230～360 nm，270 nm達最大殺菌性能，300 nm以上未發現有殺菌現象，證明PL起殺菌作用的光譜成分主要是UV，其中UV-C在殺菌中起重要作用。江天寶[19]采用不同的光學玻璃材料來過濾PL中不同光譜成分來研究殺菌效果，發現不同玻璃材料過濾的PL殺菌效果都有一定程度的減弱，即可見光、紅外光、UV均對各種微生物存在殺菌效果，UV殺菌效果尤為突出，缺失UV-C光譜與全光譜殺菌效果相差大，復合任意兩種光譜較單一光譜殺菌效果都會增強。結果表明UV在PL殺菌光譜作用中占重要作用，UV-C尤為明顯，可見光和紅外線對PL殺菌具有協同增效作用。

圖3 PL殺菌機理Fig. 3 Mechanism of sterilization by PL

微生物自身存在修復系統，對UV所引起損傷作用可及時修復。光復活作用意味著UV損傷的逆轉，在可見光（340～400 nm）照射下，黑暗條件下與嘧啶二聚體結合的光裂合酶被激活，環丁烷二聚體單體化[20]。Lasagabaster等[21]研究在不同溫度和光照條件對PL處理后的Listeria innocua生長的影響。在37 ℃和4 ℃兩種處理溫度下，PL均使L. innocua菌體濃度大幅降低（＞3 lg（N0/N））。而在日光照射下PL處理后可培養的L. innocua數量較黑暗條件下高2.2 lg（N0/N）。結果表明，PL閃照處理后，L. innocua光修復機制的裂合酶活性仍然存在。光修復機制的裂合酶活性不僅依賴于光，而且依賴時間。由于PL的瞬時性，從PL可見光部分獲得的修復時間受到限制，因而PL的光修復有限。有報道證實Staphylococcus aureus和L. monocytogenes最優光修復作用波長在360～380 nm，低劑量脈沖時，光修復補償水平較低，小于1 lg（N0/N），在高劑量脈沖時，光修復將受到抑制[22]。除對DNA損傷外，微生物的蛋白質吸收UV輻射后，因蛋白質結構被破壞而變性，導致酶失活及細胞死亡[23]。同時UV還可與臭氧共同作用，使臭氧經過照射后與水分子反應生成了具有強氧化性·OH，從而達到消毒殺菌目的[13]。

2.2 光熱作用

PL中的近紅外光能輻射能量，使細胞表面局部溫度升高至50～150 ℃，破壞細菌的細胞壁，使細胞液蒸發，徹底破壞細胞結構，導致死亡[6]（圖3）。PL產生的熱效應與熱處理不同，只使物體表面溫度快速升高，沒有顯著的體積、溫度變化[24]。

2.3 光物理作用

PL除具有光化、光熱作用外，還存在光物理作用，PL的穿透性和瞬時沖擊性損壞細胞壁和其他細胞成分，導致細胞死亡（圖3）。PL系統中矩形波脈沖在周期一定的情況下，脈沖功率的峰值隨著占空比的增大而增大，脈沖信號頻率范圍減小。脈沖信號頻帶作用范圍擴大，脈沖信號功率譜頻帶范圍越寬，信號的高頻分量就越加豐富，對位移電流密度的影響較大，會引起器件的脈沖效應[25]。有研究結果表明脈沖形式提供能量主要表現在脈沖次數和脈沖持續時間，在達到相等總能量的情況下，脈沖提供的功率較連續光輻照功率更大，每次脈沖的持續時間更短，峰值功率越高，具有更高的滲透能力[26]。

3 脈沖強光處理效果的影響因素

PL殺菌是復雜的過程，針對不同處理對象，需了解影響PL殺菌效果的因素，以此優化PL參數設置。

3.1 脈沖強光對不同微生物殺菌效果

國內外很多學者對PL對不同微生物的殺菌效果進行了研究，總結其研究結果如表1所示。

表1 脈沖強光對不同微生物的殺菌效果Table 1 Sterilization eff i ciency of different microorganisms by PL

由表1可以看出，不同的微生物對PL的敏感性不同，Artíguez等[31]研究了PL對B. subtilis和Geobacillus stearothermophilus的營養細胞和芽孢的殺菌效果，實驗結果表明PL的殺菌作用隨著細菌濃度的增大而減小，低細菌濃度時，營養細胞較芽孢更為敏感；較高細菌濃度時，芽孢比營養細胞更為敏感；在相同細菌濃度時，B. subtilis營養細胞比G. stearothermophilus細胞對PL更敏感；G. stearothermophilus孢子不能耐受PL。Ogihara等[37]研究了PL在液體環境中對食源性病原菌的殺滅效果。一次脈沖閃照處理（500 J、10 cm）13 種食源性微生物（Streptococcus faecalis、Enterobacter cloacae、Enterobacter aerogenes、E. coli、Serratia marcescens、L. monocytogenes、S. aureus、Aeromonas hydrophila、Providencia alcalifaciens、Pseudomonas aeruginosa、Salmonella enteritidis、Salmonella typhimurium、Yersinia enterocolitica），液體環境中除了E. aerogenes和S. typhimurium外，其他食源性微生物菌減少都超過6 個數量級。E. aerogenes和S. typhimurium能產生細胞外物質吸收部分UV，比其他微生物具有更高的UV耐受力。結果表明，革蘭氏陰性菌對PL照射敏感性較革蘭氏陽性菌更低。

3.2 脈沖強光參數影響殺菌效果

脈沖總能量是PL殺菌效果最重要的決定因素。脈沖閃光燈發出的能量與到達樣品表面的能量不同，受到脈沖次數、單次脈沖能量、脈沖頻率、閃照距離、傳播介質（空氣、水、蘋果汁等）的影響。由于PL的光線穿透力有限，樣品厚度以及處理對象成分都會影響PL的殺菌效果。

王勃等[38]利用響應面法優化PL對面包表面細菌的殺菌工藝，結果表明，采用PL殺菌技術可以有效殺滅面包表面污染的細菌，實驗因素對殺菌效果影響主次順序為：閃照次數＞閃照能量＞閃照距離。Cheigh等[28]研究PL對固體培養基上L. monocytogenes的殺菌影響，殺菌效果與脈沖次數呈正相關，每次脈沖條件為1.75 mJ/cm2，脈沖300 次可減少4 lg（N/N0）；增加次數到900 次，數量可減少6 lg（N/N0）。殺菌效果隨脈沖次數增加而增加的趨勢在干腌肉中的L. monocytogenes和S. enterica同樣適用[27]。Maftei等[32]分別采用不同脈沖數（5、10、15、20、30和40）對蘋果汁中Penicillium expansum的殺菌研究發現，隨著脈沖次數的增加，殺菌效果也隨之增加。5 次減少1.2 lg（CFU/mL），當脈沖數為40時減少3.21 lg（CFU/mL）。

脈沖處理時間對殺菌效果的影響隨著處理時間的延長而增強。Yi等[35]自行設計了半工業規模的PL系統，測試了40、32、20、12 L/min流速條件下對應處理89、113、179、290 s的殺菌效果，隨著處理時間的延長，E. coli C600數量由減少了2.21 lg（N/N0）變為減少了4.79 lg（N/N0）。

脈沖電壓對殺菌效果的影響隨著電壓的增加而增強。輸入電壓分別為1.0、1.5、2.0、2.5 kV，對瓊脂上B. subtilis進行殺菌處理。隨著輸入電壓的增加，細菌數量的對數差值也逐漸增大。2.5 kV處理電壓可減少6 lg（N/N0）的B. subtilis[39]。

不同的基質影響光的穿透性，因此菌液深度不同也會影響殺菌效果。Nicorescu等[40]研究PL對懸浮液和香料中B. subtilis營養細胞殺菌的影響，結果發現B. subtilis濃度在液體條件下且PL為0.6 J/cm2時減少了8 lg（CFU/mL），細胞形態不受影響；B. subtilis濃度在香料中且PL為10 J/cm2時減少了1 lg（CFU/mL），其細胞壁結構嚴重破壞。結果表明PL對液體和固體狀態下的作用機制不同，其所導致的殺菌效果也有很大區別。

4 脈沖強光的應用進展

4.1 脈沖強光在果蔬中的應用

新鮮果蔬高水分、高糖、低pH值等特征有利于微生物繁殖，加速果蔬變質、縮短貨架期，造成巨大的經濟損失。為有效延長果蔬的貨架期，有較多學者將PL應用于果蔬加工中。

Ramos-Villarroel等[29]用PL（12 J/cm2）對鱷梨、西瓜、蘑菇表面接種的L. innocua和E. coli進行處理，結果發現脈沖對表面接種的L. innocua和E. coli均具有殺菌作用，分別減少0.91～1.1 lg（CFU/g）和1.92～2.97 lg（CFU/g），L. innocua對PL更耐受，經脈沖處理后鮮切水果可于4 ℃貯存至少兩個星期。Salinas-Roca等[41]采用PL（20 次脈沖，每次脈沖0.4 J/cm2）、蘋果酸浸泡（2%蘋果酸（malic acid，MA））及可食涂層（2%藻酸鹽涂層（alginate coating，ALC））處理3 種方法相結合對鮮切芒果的安全性和質量進行研究，結果表明接種于芒果表面的L. innocua數量在MA-PL和PL-ALC-MA處理后分別減少了4.5 lg（CFU/g）和3.9 lg（CFU/g），在4 ℃貯藏14 d后，其微生物總數仍低于6 lg（CFU/g）。在4 ℃貯藏過程中芒果的顏色參數和總可溶性固形物含量有所降低，pH值接近新鮮程度，綜上，PL結合不同處理方法可以盡量延長貨架期。Oms-Oliu等[42]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、28 J/cm2PL處理蘑菇時，微生物的數量可減少0.6～2.2 lg（CFU/g），4.8 J/cm2處理鮮切蘑菇可在5 ℃條件下保存15 d，沒有顯著影響其質構和抗氧化性質。

Llano等[43]發現鮮切蘋果表面褐變程度會隨著PL強度的增大而加深。通過光學顯微鏡下觀察果肉細胞微觀結構，可以將褐變原因歸因于切割后的蘋果細胞失去了區域化功能，使得酶與底物接觸機會更多，而過高劑量的PL能加速組織褐變。Ramos-Villarroel等[44]認為PL會給鮮切西瓜的色澤、硬度等品質帶來副作用，可能因為使用不當的強度（12 J/cm2）促進了酚酶活性升高，引起的熱效應加速組織水分蒸發。同時PL也會降低花色苷的含量[45]。

PL還可以應用于對果蔬中農藥殘留的光降解。Baranda等[46]研究了PL對農藥殘留的降解作用，1.8～2.3 J/cm2的PL可以使初始質量濃度為1～1 000 μg/L農藥含量減少50%，低于法律規定質量濃度，且無有害降解產物產生。由于PL的短時性，高脈沖使得有害副產物衍生物所需物質無法形成，因而PL可應用于農殘光降解。

鮮切果蔬由于其便利性而受到廣大消費者青睞。微生物控制對保證鮮切果蔬品質至關重要。切割這一步驟降低了果蔬對微生物的抵抗力并且在加工過程中易造成二次污染。PL可有效減少微生物和鈍化酶活力。PL應用于果蔬保鮮要控制輻照劑量在一定范圍內，在減少微生物、鈍化酶活力和延長貨架期的同時，又要防止高脈沖劑量造成褐變等不利因素產生。

PL除保證果蔬的品質安全外，還有利于改善果蔬品質，如提高葡萄、香菇中白藜蘆醇含量，芒果中非酶抗氧化活性等。de Almeida Lopes等[47]研究發現低劑量（0.6 J/cm2）的PL處理‘Tommy Atkins’芒果在20 ℃貯藏7 d后芒果的顏色加深，總抗氧化活性提高130%，非酶抗氧化活性增強，同時不改變芒果細胞組織。有研究發現PL處理后的葡萄中白藜蘆醇質量濃度比未處理的葡萄升高2.5 倍，釀造的葡萄酒中含有0.58 mg/L的反式白藜蘆醇[48]。PL在葡萄酒制作過程中，可提高抗氧化物質外，還能有效降低SO2的含量[49]。

4.2 PL在即食肉制品中的應用

即食肉制品是一類無需加熱處理便可在出售地點食用的食品，主要包括醬鹵肉、熏燒烤肉、肉干、熏煮香腸火腿、發酵肉、熟制腌臘制品等[50]。因食用方便快捷，已成為我國居民喜愛的一類食品，但是即食肉制品在加工過程中易造成二次污染。

為提高即食肉制品的安全性并延長貨架期，可采用PL對食品進行處理。Ganan等[27]研究PL對即食干腌肉制品中接種于表面的L. monocytogenes和S. enterica的殺菌作用。結果表明當脈沖能量在11.9 J/cm2時，兩種菌分別減少1.5 lg（CFU/cm2）和1.8 lg（CFU/cm2），并在滅菌后室溫貯存30 d后感官以及顏色等均未出現變化。Nicorescu等[51]對PL對豬肉和鮭魚的滅菌作用和感官屬性進行了研究，PL對生的烤豬排、熟的烤豬排、生三文魚中接種的Pseudomonas fluorescens具有顯著的殺菌效果，減少3.4 lg（CFU/g）；在30 J/cm2脈沖能量下豬排的色澤具有顯著變化，在3～10 J/cm2的條件下，不引起脂質過氧化，但丙二醛含量大幅升高。

4.3 PL在食品包裝材料中的應用

食品生產中的污染可以從食品接觸表面和包裝材料轉移到食物本身，導致食品腐敗變質，病原微生物還會引起公共衛生問題，因而對包裝材料的滅菌也是非常必要的。全世界有超過100 家工廠合并PL系統到包裝線中用于消毒，并有研究證實使用PL系統幾乎瞬時減少超過5 lg（CFU/cm2）芽孢[52]。對包裝材料的研究重點集中在物理穩定性、機械穩定性以及化學遷移和可能產生的安全問題方面。Haughton等[53]研究了PL技術（3 Hz，每次脈沖最大505 J，脈沖維持時間360 μs）去除生雞肉及其包裝材料表面的微生物，主要研究對PL輻照接種于包裝材料（不銹鋼、聚乙烯砧板、黑色聚丙烯托盤（black polypropylene tray，BPP）、白色聚丙烯托盤（white polypropylene tray，WPP）、藍色聚丙烯托盤、鋁盤（aluminium tray，AL）、聚烯烴（polyolefin，PO）、聚乙烯聚丙烯、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC））表面的Campylobacter jejuni、E. coli、S. enteritidis殺菌效果。結果發現，距離14 cm、脈沖時間1 s，除BPP和PO材料，其余材料表面C. jejuni全部殺滅；延長脈沖時間到5 s，所有材料表面C. jejuni全部殺滅。脈沖距離11.5 cm、脈沖時間5 s，PVC和AL上的E. coli全部殺滅，其他材料減少了1.5～4.7 lg（CFU/cm2）E. coli。相同脈沖條件處理后，在PVC和WPP上的S. enteritidis全部殺滅，而其他材料減少了2.52～4.5 lg（CFU/cm2）S. enteritidis。Levy等[54]接種單層Bacillus subtilis到聚苯乙烯上，PL對其進行處理后發現，不論采取何種方法（點樣和噴灑）接種至聚苯乙烯上，其處理后濃度均顯著減少，大于6 lg（spore/cm2）。Gómez-López等[55]研究PL對接種于低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚乙烯鋁箔紙板層壓板、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯涂層紙板表面的L. innocua的殺菌效果，0.67 J/cm2劑量脈沖1～12 次分別減少1.9～7.1、1.7～7.2、1.0～3.5、1.0～4.4、1.1～4.5 lg（CFU/coupon），說明PL對不同材料表面細菌的殺滅效果不同。

材料表面的性質如凹凸程度、粗糙度、反射率等均會影響PL的殺菌效率。此外，由于PL中含有的UV可降低材料表面的疏水性，為了解PL對包裝材料的影響，還應檢測材料的結構、表面疏水性、透氣率等。

4.4 PL在水處理中的應用

目前國內外水處理中的消毒方法有很多，包括生物法、化學法和物理法。我國在水處理中經常采用的消毒方法主要有氯消毒、臭氧消毒和UV消毒，但這些方法均存在一些安全隱患。因此，有學者研究PL作為一種相對安全的消毒方法應用于水處理中。

Feng Daolun等[56]研究了PL對壓載水中Heterosigma akashiwo的殺菌作用，結合TiO2膜共同作用在300 V的脈沖峰值電壓、15 Hz頻率和5 ms脈沖寬度下，對H. akashiwo的殺菌率達99.89%，比傳統UV壓艙水處理系統能耗效率高1.51～2.51 倍。Cryptosporidium parvum在一般水處理中很難去除，PL（6.29 μJ/cm2）處理90 s即可減少4 lg（N/N0），通過毒理學評價PL處理的水未表現出任何毒性[36]。Kasahara等[57]研究PL對山羊乳中E. coli殺菌效果及其感官屬性，PL在10 J/cm2條件下E. coli減少6 lg（CFU/mL），芳香物發生改變，但物理性質和組成成分無顯著變化，這是因為致密介質的高光吸收，使得PL的穿透有限。PL的殺菌作用與飲料的光學性質有關，PL可使礦泉水和等滲飲料中P. aeruginosa減少7 lg（N/N0）（0.97 J/cm2），使蘋果汁、碳酸飲料、酸梅湯中P. aeruginosa減少7 lg（N/N0）（12.17～24.35 J/cm2）。PL能滲透到液體中的決定因素是高透射和低消光系數，消光系數與殺菌作用呈指數（曲線）函數關系[33]。

4.5 脈沖強光在其他方面的應用

PL最早是應用于醫藥方面的，醫院中隔離房間的空氣要求高，傳統采用UV消毒，英國一所醫院對PL設備應用于隔離房間的消毒效果進行評價，結果發現PL可以減少78.4%的細菌，能減少5 lg（CFU/mL）耐藥菌。PL對隔離室中內表面的微生物有顯著殺菌作用，但是不能徹底從環境中去除微生物污染。PL所采用的脈沖氙氣-UV燈深受醫院清潔和工作人員好評，對病人流動影響程度最小[58]。

PL可以誘導大分子物質的改變。Panozzo等[59]研究了PL對谷蛋白結構和免疫應答反應的影響。谷蛋白引起免疫反應即過敏反應。谷蛋白光反應性受水合作用影響，PL誘導面筋粉褐變，通過二硫化物的交換促使部分水化面筋蛋白解聚，使谷蛋白免疫活性明顯降低，達到降低過敏反應的目的。

PL在皮膚治療中也有顯著的效果，PL對成纖維細胞具有增殖作用，可以誘導基因表達和細胞外基質蛋白的產生，可用于治療真皮細胞外蛋白綜合征[60]。PL還能改善治療良性色素病變、血管病變、紅斑痤瘡、粉刺等[61]。

5 結 語

在食品工業中病原微生物的控制是最為重要的環節，PL在1996年就已被FDA批準使用于食品加工、生產及處理方面。PL殺菌技術具有操作簡單、快速、無殘留、對環境污染小等特點，使得PL具有巨大的商業潛力。實現其工業化，需要積累大量可靠數據，以保證食品的安全。

PL比傳統的殺菌方法具有優勢，但是要將其商業化仍然存在一些問題需要研究和解決。PL對固體表面及透明液體具有較好的殺菌效果；而由于存在遮光效應、光的折射、反射、散射等的作用，PL對于顏色較深液體、凹凸不平的物體表面的殺菌效果較低；PL滲透力有限，樣品厚度也會影響滅菌效果。多種殺菌技術串聯使用能有效提高殺菌效果，互補殺菌技術中的缺陷。如結合水輔助PL對果蔬等熱敏性食物，可避免由于溫度造成的不利影響[62]。PL結合蘋果酸浸泡也能有效提高其殺菌效果[8]。PL與聲熱處理[63]、超聲波技術[17]、熱處理[64]結合均能有效提高殺菌效果。對于復合殺菌方法需要大量實驗對其進行研究，技術的先后順序是其研究的一個重點。

PL作用機制研究較少，主要集中對微生物學的研究，最為常見的是通過電子顯微鏡觀察PL對微生物形態的影響，但是從分子生物學角度去研究PL作用機理相對較少。例如UV照射后大腸桿菌存在phr位點的產物酶和uvrA、uvrB、uvrC基因編碼的核酸外切酶復合物可以對損傷的部位進行修復，但是PL造成的多為不可逆殺菌作用，PL對這些基因是否存在影響鮮有研究。有研究顯示固體狀態下和液體條件下PL的殺菌機理有所區別，缺少研究闡明PL的具體殺菌過程和機制。對于耐受PL的微生物，其耐受機制也有待進一步研究。

PL除了應用于殺菌外，對光催化、光誘導方面的研究也可作為未來研究的方向之一，例如利用PL誘導產生抗菌肽，誘導葡萄、花生、香菇等中的白藜蘆醇等抗氧化成分的產生的研究也是食品工業中的研究方向之一。

[1] SHARMA R R, DEMIRCI A. Inactivation of Escherichia coli O157:H7 on inoculated alfalfa seeds with pulsed ultraviolet light and response surface modeling[J]. Journal of Food Science, 2003, 68:1448-1453. DOI:10.1111/j.1745-4565.2002.tb00334.x.

[2] ROBERTS P, HOPE A. Virus inactivation by high intensity broad spectrum pulsed light[J]. Journal of Virological Methods, 2003, 110:61-65. DOI:10.1016/S0166-0934(03)00098-3.

[3] MARQUENIE D, MICHIELS C W, VAN IMPE J F, et al. Pulsed white light in combination with UV-C and heat to reduce storage rot of strawberry[J]. Postharvest Biology and Technology, 2003, 28: 455-461. DOI:10.1016/S0925-5214(02)00214-4.

[4] Food and Drug Administration. Pulsed light for the treatment of food:21 CFR 179. 4—1996[S]. USA: Food and Drug Administration, 1996.

[5] ROWAN N J, VALDRAMIDIS V P, GóMEZ-LóPEZ V M. A review of quantitative methods to describe efficacy of pulsed light generated inactivation data that embraces the occurrence of viable but non culturable state microorganisms[J]. Trends in Food Science &Technology, 2015, 44: 79-92. DOI:10.1016/j.tifs.2015.03.006.

[6] HUANG Y X, SIDO R, HUANG R Z, et al. Application of water-assisted pulsed light treatment to decontaminate raspberries and blueberries from Salmonella[J]. International Journal of Food Microbiology, 2015, 208: 43-50. DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2015.05.016.

[7] GARVEY M, STOCCA A, ROWAN N. Development of a combined in vitro cell culture-quantitative PCR assay for evaluating the disinfection performance of pulsed light for treating the waterborne enteroparasite Giardia lamblia[J]. Experimental Parasitology, 2014,144: 6-13. DOI:10.1016/j.exppara.2014.06.001.

[8] TAKESHITA K, SHIBATO J, SAMESHIMA T, et al. Damage of yeast cells induced by pulsed light irradiation[J]. International Journal of Food Microbiology, 2003, 85: 151-158. DOI:10.1016/S0168-1605(02)00509-3.

[9] HUANG Yaoxin, CHEN Haiqiang. Inactivation of Escherichia coli O157:H7, Salmonella and human norovirus surrogate on artificially contaminated strawberries and raspberries by water-assisted pulsed light treatment[J]. Food Research International, 2015, 72: 1-7.DOI:10.1016/j.foodres.2015.03.013.

[10] HSU L, MORARU C I. A numerical approach for predicting volumetric inactivation of food borne microorganisms in liquid substrates by pulsed light treatment[J]. Journal of Food Engineering,2011, 105: 569-576. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2011.03.025.

[11] CHEN B Y, LUNG H M, YANG B H B, et al. Pulsed light sterilization of packaging materials[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2015, 5: 1-9.DOI:10.1016/j.fpsl.2015.04.002.

[12] FENG Daolun, SHI Jidong, SUN Dan. Inactivation of microalgae in ballast water with pulse intense light treatment[J]. Marine Pollution Bulletin, 2015, 90: 299-303. DOI:10.1016/j.marpolbul.2014.09.006.

[13] GóMEZ-LóPEZ V M, RAGAERT P, DEBEVERE J, et al. Pulsed light for food decontamination[J]. Trends in Food Science &Technology, 2007, 18: 464-473. DOI:10.1016/j.tifs.2007.03.010.

[14] 周萬龍, 高大維, 任賽玉, 等. 自控脈沖強光殺菌裝置的試驗研究[J].華南理工大學學報(自然科學版), 1998, 26(7): 69-71. DOI:10.3321/j.issn:1000-565X.1998.07.013.

[15] 馬鳳鳴, 張佰清, 徐江寧. 脈沖強光殺菌裝置的初步設計研究[J]. 包裝與食品機械, 2005, 23(4): 10-11; 16. DOI:10.3969/j.issn.1005-1295.2005.04.004.

[16] 袁勇軍, 唐敏, 陳偉, 等. 脈沖強光對連續流動狀態下黃酒殺菌效果及品質的影響[J]. 中國釀造, 2011, 30(1): 71-74. DOI:10.3969/j.issn.0254-5071.2011.01.021.

[17] FERRARIO M, GUERRERO S. Effect of a continuous flowthrough pulsed light system combined with ultrasound on microbial survivability, color and sensory shelf life of apple juice[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016, 34: 214-224.DOI:10.1016/j.ifset.2016.02.002.

[18] WANG T, MACGREGOR S J, ANDERSON J G, et al. Pulsed ultraviolet inactivation spectrum of Escherichia coli[J]. Water Research,2005, 39(13): 2921-2925. DOI:10.1016/j.watres.2005.04.067.

[19] 江天寶. 脈沖強光殺菌技術及其在食品中應用的研究[D]. 福州: 福建農林大學, 2007: 48-55. DOI:10.7666/d.y1175396.

[20] CONDóN S, áLVAREZ I, GAYáN E. Non-thermal processing:pulsed UV Light[J]. Encyclopedia of Food Microbiology, 2014: 974-981. DOI:10.1016/B978-0-12-384730-0.00398-0.

[21] LASAGABASTER A, DE MARA?óN I M. Survival and growth of Listeria innocua treated by pulsed light technology: impact of post-treatment temperature and illumination conditions[J]. Food Microbiology, 2014, 41: 76-81. DOI:10.1016/j.fm.2014.02.001.

[22] LUO W, CHEN A J, CHEN M, et al. Comparison of sterilization efficiency of pulsed and continuous UV light using tunable frequency UV system[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies,2014, 26: 220-225. DOI:10.1016/j.ifset.2014.10.002.

[23] UESUGI A R. Mechanisms of inactivation and microbial inactivation kinetics in the pulsed light treatment of foods[D]. USA: Cornell University, 2011: 22-50.

[24] CACACE D, PALMIERI L. High-intensity pulsed light technology[M]// SUN D W. Emerging Technologies for Food Processing, New York: Academic Press, 2014: 239-258. DOI:10.1016/B978-0-12-411479-1.00013-9.

[25] ARTíGUEZ M L, LASAGABASTER A, DE MARA?óN I M.Factors af f ecting microbial inactivation by pulsed light in a continuous flow-through unit for liquid products treatment[J]. Procedia Food Science, 2011, 1: 786-791. DOI:10.1016/j.profoo.2011.09.119.

[26] GóMEZ-LóPEZ V M. Pulsed light technology[G]// Reference Module in Food Sciences. Netherland: Elsevier, 2016: 1-5. DOI:10.1016/B978-0-08-100596-5.03304-7.

[27] GANAN M, HIERRO E, HOSPITAL X F, et al. Use of pulsed light to increase the safety of ready-to-eat cured meat products[J]. Food Control, 2013, 32: 512-517. DOI:10.1016/j.foodcont.2013.01.022.

[28] CHEIGH C, HWANG H J, CHUNG M S. Intense pulsed light (IPL)and UV-C treatments for inactivating Listeria monocytogenes on solid medium and seafoods[J]. Food Research International, 2013, 54: 745-752. DOI:10.1016/j.foodres.2013.08.025.

[29] RAMOS-VILLARROEL A Y, MARTIN-BELLOSO O, SOLIVAFORTUNY R. Combined effects of malic acid dip and pulsed light treatments on the inactivation of Listeria innocua and Escherichia coli on fresh-cut produce[J]. Food Control, 2015, 52: 112-118.DOI:10.1016/j.foodcont.2014.12.020.

[30] USLU G, DEMIRCI A, REGAN J M. Disinfection of synthetic and real municipal wastewater effluent by flow-through pulsed UV-light treatment system[J]. Journal of Water Process Engineering, 2016, 10:89-97. DOI:10.1016/j.jwpe.2016.02.004.

[31] ARTíGUEZ M L, DE MARTINEZ I M. Inactivation of spores and vegetative cells of Bacillus subtilis and Geobacillus stearothermophilus by pulsed light[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2015, 28: 52-58. DOI:10.1016/j.ifset.2015.01.001.

[32] MAFTEI N A, RAMOS-VILLARROEL A Y, NICOLAU A I, et al.Inf l uence of processing parameters on the pulsed-light inactivation of Penicillium expansum in apple juice[J]. Food Control, 2014, 41: 27-31. DOI:10.1016/j.foodcont.2013.12.023.

[33] HWANG H J, CHEIGH C I, CHUNG M S. Relationship between optical properties of beverages and microbial inactivation by intense pulsed light[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies,2015, 31: 91-96. DOI:10.1016/j.ifset.2015.06.009.

[34] HAYES J, KIRF D, GARVEY MARY, et al. Disinfection and toxicological assessments of pulsed UV and pulsed-plasma gasdischarge treated-water containing the waterborne protozoan enteroparasite Cryptosporidium parvum[J]. Journal of Microbiological Methods, 2013, 94: 325-337. DOI:10.1016/j.mimet.2013.07.012.

[35] YI J Y, LEE N H, CHUNG M S. Inactivation of bacteria and murine norovirus in untreated groundwater using a pilot-scale continuousflow intense pulsed light (IPL) system[J]. LWT-Food Science and Technology, 2016, 66: 108-113. DOI:10.1016/j.lwt.2015.10.027.

[36] MARQUENIE D, LAMMERTYN J, GEERAERD A H, et al.Inactivation of conidia of Botrytis cinerea and Monilinia fructigena using UV-C and heat treatment.[J]. International Journal of Food Microbiology, 2002, 74(1/2): 27-35. DOI:10.1016/S0168-1605(01)00719-X.

[37] OGIHARA H, MORIMURA K, URUGA H, et al. Inactivation of food-related microorganisms in liquid environment by pulsed xenon flash light treatment system[J]. Food Control, 2013, 33: 15-19.DOI:10.1016/j.foodcont.2013.02.012.

[38] 王勃, 劉昕, 馬濤, 等. 響應面法優化脈沖強光對面包表面細菌的殺菌工藝[J]. 食品科學, 2014, 35(18): 74-77. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201418014.

[39] LEVY C, AUBERT X, LACOUR B, et al. Relevant factors af f ecting microbial surface decontamination by pulsed light[J]. International Journal of Food Microbiology, 2012, 152(3): 168-174. DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2011.08.022.

[40] NICORESCU I, NGUYEN B, MOREAU-FERRET M, et al. Pulsed light inactivation of Bacillus subtilis vegetative cells in suspensions and spices[J]. Food Control, 2013, 31: 151-157. DOI:10.1016/j.foodcont.2012.09.047.

[41] SALINAS-ROCA B, SOLIVA-FORTUNY R, WELTI-CHANES J, et al. Combined effect of pulsed light, edible coating and malic acid dipping to improve fresh-cut mango safety and quality[J]. Food Control, 2016, 66: 190-197. DOI:10.1016/j.foodcont.2016.02.005.

[42] OMS-OLIU G, AGUILó-AGUAYO I, MARTíN-BELLOSO O, et al. Ef f ects of pulsed light treatments on quality and antioxidant properties of fresh-cut mushrooms (Agaricus bisporus)[J]. Postharvest Biology and Technology,2010, 56(3): 216-222. DOI:10.1016/j.postharvbio.2009.12.011.

[43] LLANO K R A, MARSELLéS-FONTANET A R, MARTíNBELLOSO O, et al. Impact of pulsed light treatments on antioxidant characteristics and quality attributes of fresh-cut apples[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016, 33: 206-215.DOI:10.1016/j.ifset.2015.10.021.

[44] RAMOS-VILLARROEL A Y, ARON-MAFTEI N, MARTíNBELLOSO O, et al. Influence of spectral distribution on bacterial inactivation and quality changes of fresh-cut watermelon treated with intense light pulses[J]. Postharvest Biology and Technology, 2012, 69:32-39. DOI:10.1016/j.postharvbio.2012.03.002.

[45] 王正東, 戚向陽, 曹少謙. 脈沖強光處理對楊梅汁中酚類物質、色澤及抗氧化活性的影響[J]. 果蔬學報, 2012, 29(4): 661-667.DOI:10.13925/j.cnki.gsxb.2012.04.001.

[46] BARANDA A B, BARRANCO A, DE MARA?óN I M. Fast atrazine photodegradation in water by pulsed light technology[J]. Water Research, 2012, 46: 669-678. DOI:10.1016/j.watres.2011.11.034.

[47] DE ALMEIDA LOPES M M, SILVA E O, CANUTO KIRLEY, et al.Low fluence pulsed light enhanced phytochemical content and antioxidant potential of ‘Tommy Atkins’ mango peel and pulp[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016, 33: 216-224. DOI:10.1016/j.ifset.2015.12.019.

[48] GUERRERO R F, PUERTAS B, FERNáNDEZ M I, et al. Induction of stilbenes in grapes by UV-C: comparison of different subspecies of Vitis[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2010,11(1): 231-238. DOI:10.1016/j.ifset.2009.10.005.

[49] GUERRERO R F, PUERTAS B, JIMENEZ M J, et al. Monitoring the process to obtain red wine enriched in resveratrol and piceatannol without quality loss[J]. Food Chemistry, 2010, 122(1): 195-202.DOI:10.1016/j.foodchem.2010.02.057.

[50] 翟明爽, 徐斐, 曹慧, 等. 即食熟肉制品中主要致病菌的半定量風險評估[J]. 微生物學雜志, 2014, 34(2): 92-98. DOI:10.3969/j.issn.1005-7021.2014.02.019.

[51] NICORESCU I, NGUYEN B, CHEVALIER S, et al. Effects of pulsed light on the organoleptic properties and shelf-life extension of pork and salmon[J]. Food Control, 2014, 44: 138-145. DOI:10.1016/j.foodcont.2014.03.052.

[52] HEINRICH V, ZUNABOVIC M, BERGMAIR J, et al. Post-packaging application of pulsed light for microbial decontamination of solid foods[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2015,30: 145-156. DOI:10.1016/j.ifset.2015.06.005.

[53] HAUGHTON P N, LYNG J, MORGAN D J, et al. Efficacy of highintensity pulsed light for the microbiological decontamination of chicken, associated packaging, and contact surfaces[J]. Foodborne Pathogens and Disease, 2011, 8(1): 109-117. DOI:10.1089/fpd.2010.0640.

[54] LEVY C, BORNARD I, CARLIN F. Deposition of Bacillus subtilis spores using an airbrush-spray or spots to study surface decontamination by pulsed light[J]. Journal of Microbiological Methods, 2011, 84: 223-227. DOI:10.1016/j.mimet.2010.11.021.

[55] GóMEZ-LóPEZ V M. Pulsed light and packaging[G]// Reference Module in Food Sciences. Netherland: Elsevier, 2016: 1-4.DOI:10.1016/B978-0-08-100596-5.03279-0.

[56] FENG Daolun, XU Shihong, LIU Gang. Application of immobilized TiO2photocatalysis to improve the inactivation of Heterosigma akashiwo in ballast water by intense pulsed light[J]. Chemosphere,2015, 125: 102-107. DOI:10.1016/j.chemosphere.2014.11.060.

[57] KASAHARA I, CARRASCO V, AGUILAR L. Inactivation of Escherichia coli in goat milk using pulsed ultraviolet light[J].Journal of Food Engineering, 2015, 152: 43-49. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2014.11.012.

[58] HOSEIN I, MADELOSO R, NAGARATNAM W, et al. Evaluation of a pulsed xenon ultraviolet light device for isolation room disinfection in a United Kingdom hospital[J]. American Journal of Infection Control, 2016, 44: 157-161. DOI:10.1016/j.ajic.2016.01.044.

[59] PANOZZO A, MANZOCCO L, LIPPE G, et al. Ef f ect of pulsed light on structure and immunoreactivity of gluten[J]. Food Chemistry, 2016,194: 366-372. DOI:10.1016/j.foodchem.2015.08.042.

[60] CUERDA-GALINDO E, DíAZ-Gil G, PALOMAR-GALLEGO M A, et al. Intense pulsed light induces synthesis of dermal extracellular proteins in vitro[J]. Lasers in Medical Science, 2015, 30(7): 1931-1939. DOI:10.1007/s10103-015-1787-5.

[61] GONZáLEZ-RODRíGUEZA J, LORENTE-GUALR. Current indications and new applications of intense pulsed light[J]. Actas Dermo-Sifiliográficas, 2015, 106(5): 350-364. DOI:10.1016/j.ad.2014.10.004.

[62] HUANG Y X, CHEN H Q. A novel water-assisted pulsed light processing for decontamination of blueberries[J]. Food Microbiology,2014, 40: 1-8. DOI:10.1016/j.fm.2013.11.017.

[63] MU?OZ A, CAMINITI I M, PALGAN I, et al. Effects on Escherichia coli inactivation and quality attributes in apple juice treated by combinations of pulsed light and thermosonication[J].Food Research International, 2012, 45(1): 299-305. DOI:10.1016/j.foodres.2011.08.020.

[64] MARQUENIE D, GEERAERD A H, LAMMERTYN J, et al.Combinations of pulsed white light and UV-C or mild heat treatment to inactivate conidia of Botrytis cinerea and Monilia fructigena[J].International Journal of Food Microbiology, 2003, 85(1/2): 185-196.DOI:10.1016/S0168-1605(02)00538-X.

Advances in Research and Application of Pulsed Light in Food Industry

ZHANG Ruixue, ZHANG Wengui, GUAN Feng, YUAN Yongjun*
(College of Biological and Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China)

Pulsed light (PL) is a non-thermal sterilization technology which uses instantaneous high intensity broad spectrum pulsed light emitted by a xenon lamp for microbial decontamination. PL treatment can inactivate a wide variety of pathogenic and spoilage microorganisms which are present on a solid surface, in gases or in transparent liquids including bacteria,spores, fungi, fungal spores, viruses and protozoa, and has the advantages of low energy consumption, high bactericidal efficiency, and low negative impact on the product quality and nutrition. This paper reviews the working principle of a PL generator, the mechanism and af f ecting factors of microbial inactivation by PL, and recent advances in the application of PL in the sterilization of vegetables and fruits and food packaging materials and in water treatment.

pulsed light; sterilization; microbial inactivation mechanism; application

10.7506/spkx1002-6630-201723048

TS201.6

A

1002-6630（2017）23-0305-08

張瑞雪, 張文桂, 管峰, 等. 脈沖強光在食品工業中的研究和應用進展[J]. 食品科學, 2017, 38(23): 305-312.

10.7506/spkx1002-6630-201723048. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Ruixue, ZHANG Wengui, GUAN Feng, et al. Advances in research and application of pulsed light in food industry[J]. Food Science, 2017, 38(23): 305-312. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723048. http://www.spkx.net.cn

2016-08-01

浙江省重中之重學科學生創新項目（CX2016012）；寧波市高校院所研發投入補助項目（2011B22012）；

寧波市江北區農業項目（2012B04）

張瑞雪（1991—），女，碩士研究生，研究方向為食品化學工程與安全控制。E-mail：ruixuefennian@aliyun.com

*通信作者：袁勇軍（1976—），男，副教授，博士，研究方向為微生物及其生物技術。E-mail：yuan2007019@aliyun.com