脈沖強光殺菌技術在食品保鮮領域的研究進展

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(渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧省食品安全重點實驗室,遼寧省高等學校生鮮食品產業技術研究院,遼寧錦州 121013)

食源性疾病是由通過攝食進入人體的病原體引起人體感染或中毒的疾病,普遍存在于各類食物中,已成為全球性的安全問題[1]。而新鮮農產品往往含有由細菌引起的污染物,可能引起傳染病[2]。隨著鮮切果蔬工業化生產規模的不斷擴大,由沙門氏菌、大腸桿菌和單核細胞增生性李斯特菌等致病菌引起的食源性疾病的危害越來越大。鮮切產品沒有進一步的清洗、冷鏈沒有得到妥善維護、切割過度使植物組織完整性受損,這些過程都會使微生物大肆生長,在一些生魚和生肉的食品中也很常見[3]。

脈沖強光又被稱為脈沖紫外光、高強度寬譜脈沖光、脈沖白光,是一種新型的非熱殺菌技術[4],對透明液體、固體、氣體中的微生物均具有較好的殺菌作用。隨著脈沖強光殺菌技術的不斷完善以及設備的不斷優化,該技術已逐漸應用到食品殺菌保藏中。采用脈沖強光殺菌技術解決食源性疾病的研究成為了現階段的研究熱點,本綜述主要總結近十年來脈沖強光殺菌技術在食品保鮮中一些新的研究發現和應用領域,有助于讀者了解脈沖強光殺菌技術的最新概況。

1 食品殺菌技術

熱殺菌技術具有較強的可控性與可靠性,包括:巴氏殺菌、超高溫殺菌、輻照等,可以有效預防由于微生物引起的食品安全問題,且應用廣泛,但是熱殺菌技術會引起食品顏色變化、感官品質下降、營養破壞等問題[5]。非熱殺菌技術包括脈沖強光殺菌、臭氧殺菌、高密度二氧化碳殺菌和超聲波殺菌等,食品非熱殺菌技術在殺菌過程中溫度不升高或升溫幅度很小,既不影響食品的感官和營養品質以及自然風味,又能確保食品中微生物的滅活[6]。脈沖強光技術在食品保鮮領域中已經廣泛研究了15年,其原理是將可見光、紅外線和紫外線協同作用于微生物,通過閃照瞬時和高強度的脈沖光能量對微生物細胞壁、蛋白質和核酸結構產生作用,使細胞變性而失去生物活性,抑制其生長繁殖,從而達到殺菌目的[7]。脈沖殺菌與其它殺菌技術相比,具有簡便、滅菌時間短、重復性好、效率高等特點,在殺菌的同時能更好的保存食品的營養成分[8]。因此,采用脈沖強光的方式對食物進行殺菌,可以有效地降低食源性疾病的發病率。

2 脈沖強光殺菌技術影響微生物滅活的因素

目前認為閃照次數、放電電壓、樣品和燈源之間的距離等儀器參數以及微生物的菌株年齡、微生物對脈沖強光的敏感性、對光的吸收程度和光譜范圍等都對微生物的滅活程度有影響。

2.1 儀器的殺菌參數

有研究表明,殺滅微生物的決定性因素是撞擊細胞的總能量[9]。目標物和燈源之間的高電壓、短距離及較多的閃照次數都增加了撞擊能量,從而殺滅微生物[10]。較高的輸入電壓、較低的靶與閃光燈之間的距離以及較高的閃爍次數可以引起撞擊能量的增加,從而更好的殺滅微生物。但是在不同的實驗中,儀器參數設置(包括能量輸出、閃照次數、電壓和劑量等)、實驗過程設置(如體外實驗通常在水或緩沖液中進行,還有的在瓊脂、塑料、玻璃和金屬等表面進行)和實驗數據都存在差異,這就導致不能直接比較不同研究中所獲得的微生物滅活數據[11-12]。2016年西班牙Gómez-López(戈麥斯-洛佩茲)團隊提出一種新方法用于規范實驗室規模的脈沖光實驗中使用的能量,便于我們對不同的研究中所獲得數據進行比較[13]。

2.2 微生物的菌株年齡

微生物的菌株年齡對脈沖強光實驗的結果也具有顯著的影響[14]。以較高代謝活性呈指數生長的微生物比休眠的微生物更容易受到脈沖強光的損傷,因為它們不能迅速抵消DNA、脂質和蛋白質的損傷,而休眠的細胞能夠有效保護細胞損傷的修復機制,阻止脈沖強光的傷害[15]。Farrell等[15]通過研究發現,處于老齡狀態(生長24 h)的白色念珠菌對脈沖強光的敏感性低于14 h的白色念珠菌培養物,對于生長16 h和24 h的大腸桿菌培養物,具有相同的趨勢。Cudemos等[16]同樣發現熒光蠟狀芽孢桿菌和釀酒酵母在靜止狀態時比在潛伏期或指數生長期對脈沖強光的抗性更強。

2.3 微生物對脈沖強光的敏感性

許多研究證實,脈沖強光適于滅活各種不同的微生物,包括營養細菌、細菌芽孢、霉菌孢子、酵母、病毒或寄生蟲等。體外調查報告顯示,脈沖強光處理后活菌數顯著減少,最大的失活水平在4～7個log單位內[17]。到目前為止,只有少數研究報道了大量不同的菌種接受脈沖強光處理后的失活情況。Gómez-López等[18]發現不同的細菌、酵母菌、霉菌孢子和內孢子經脈沖強光處理后,共減少了1.2～5.9個log單位。Farrell等[15]發現一系列不同的致病細菌經脈沖強光處理后,共減少了7個log單位;微生物對脈沖強光的敏感性一般是由細胞內在因素決定的,這些因素決定了由脈沖強光誘導的細胞損傷抵抗或修復的能力。細胞的結構特性,如細胞膜和細胞壁的組成,以及它們的色素沉著可能是吸收獨特光譜的原因,從而保護內部結構免受入射輻射。根據現有數據發現,微生物的敏感性順序為真菌孢子>細菌芽孢>酵母菌、寄生蟲、病毒>營養細菌[19-20]。迄今為止,沒有任何一項研究對所有不同的微生物群進行直接比較,而且,在標準化條件下,酵母菌、寄生蟲和病毒的抗性也尚未被研究[21]。

2.4 微生物的吸光性

當微生物存在于含有光吸收溶質(如蛋白質或分散顆粒)的液體中時,微生物的吸光性也是影響脈沖強光殺菌效果的一項重要因素[22]。這可能是因為這些液體在脈沖強光處理過程中,撞擊細胞的光子數量顯著減少,從而降低了脈沖強光殺傷微生物的效果[23]。2014年,Aguirre團隊發現,當細胞位于瓊脂表面以下,特別是阻礙光穿透的帶有顏色的瓊脂,脈沖強光對英諾克李斯特菌滅活效率急劇減少[24]。Artiguez等[25]發現,β-乳球蛋白和β-酪蛋白的蛋白質溶液中對無害李斯特菌的脈沖強光滅活程度有影響,對脈沖強光效率的影響與溶液濃度具有相關性。

微生物色素沉著引起的光吸收變化也同樣影響脈沖強光殺菌效果。黑色素吸收大量的能量保護微生物細胞,使其免受輻射傷害,黑曲霉黑色的分生孢子與淡黃色和白色孢子相比,其抗性更高。枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪芽孢桿菌的內孢子比它們的營養細胞更具抗性,然而懸浮液中大量的細胞會引起逆向趨勢,營養細胞比其相應的孢子失活更少,這是由于營養細胞的光吸收更高,增加了保護作用[26]。

2.5 脈沖強光光譜范圍

脈沖強光中100～280 nm的紫外光部分(UV-C區)已被證明是微生物失活的脈沖強光光譜的決定性部分,該區域具有很強的殺菌能力。微生物在UV-C照射下DNA逐漸開始裂解,若該損傷沒有及時得到修復,會引起基因突變和細胞死亡從而達到殺菌的效果[27]。Woodlng等[28]證實低于300 nm的紫外波長對于滅活微生物是非常重要的,當波長范圍處于300～400 nm時進行殺菌,無害鏈球菌輕微減少,若消除全部紫外線則導致完全喪失殺菌作用。WANG等[29]發現,脈沖強光滅活大腸桿菌最有效的波長為270 nm,大于300 nm時沒有滅活作用。瓊脂表面的枯草芽孢桿菌滅活的有效波長為225～280 nm,大于280 nm的波長對滅活幾乎沒有作用[30]。Ramos等[31]同樣證實單獨的可見光和近紅外輻射沒有顯著的殺菌效果,這與DNA和蛋白質通常在250～280 nm出現吸收光譜保持一致。在氙閃光燈中產生閃光的施加放電電壓會影響發射的光譜,較高的電壓導致光譜向較低波長的移動,因此UV-C占的比例較高,這就增加了殺菌效果[13,30]。

3 脈沖強光殺菌技術在食品保鮮領域的應用

3.1 脈沖強光殺菌技術在果蔬保鮮領域的應用

在過去的幾年里,關于脈沖強光對植物性食品進行微生物滅菌已經有大量的研究,尤其是在全球范圍內鮮切產品產量不斷提高的條件下,要對鮮切產品的微生物安全風險和保質期限制進行廣泛調查[32]。到目前為止,對許多不同種類的果蔬都進行了測試,最大的滅活效率可以達到1～3個log單位,但是很難對全部微生物進行滅活。趙越[33]對鮮切白菜、油麥菜進行混合接種,并進行脈沖強光殺菌試驗,結果表明,該殺菌技術不僅能有效殺菌,還能良好的保留油麥菜及白菜的營養成分和感官品質。在微生物劑量-應答曲線中往往可以觀察到拖尾現象,進一步增加脈沖強光劑量也不能殺滅微生物,這就意味著脈沖強光進行微生物滅活受到一定的限制[34]。鮮切產品表面殘存部分微生物是不可避免的,因此脈沖強光處理后產品的儲藏過程也是食品保鮮需要考慮的一個因素。

關于脈沖強光對鮮切果蔬質量的影響一直存在不同意見。通常鮮切果蔬的腐敗可以通過紋理、顏色、化學成分或感官屬性的改變來判斷。一部分學者認為脈沖強光處理對新鮮農產品營養成分的形成起到促進作用。2015年,Pataro報道稱脈沖強光處理綠色番茄后發現總類胡蘿卜素、番茄紅素和總酚的形成顯著增加了,番茄的營養價值隨之增加[35];2016年,Lopes報道稱脈沖強光處理增加了芒果中植物化學物質的濃度[36]。Kramer等[37]研究表明使用脈沖強光殺菌的方式對綠豆芽進行處理是一種創新的殺菌方式,通過減少產品表面上的活菌數來提高鮮切產品的安全性,但是脈沖強光殺菌主要適用于表面殺菌。Ignat等[38]得出結論,脈沖強光殺菌技術可對鮮切蘋果片進行有效殺菌,可有效提高產品安全性并保證質量,但是,若將鮮切蘋果片暴露在過度的脈沖強光下,會產生蘋果片的褐變反應并導致關鍵細胞損傷。脈沖光劑量過大會對鮮切果蔬的感官屬性等參數產生負面影響,這種負面影響呈劑量依賴性[27]。因此,找到合適的工藝參數,最大限度消除對產品品質變化最小的負面影響,不僅保證了對產品的溫和處理,也確保了使大量的微生物滅活。

3.2 脈沖強光殺菌技術在肉類保鮮領域的應用

目前為止,已經有一些研究表明了脈沖強光殺菌技術對新鮮肉類、魚類或其他相關產品的適用性。一些研究發現,脈沖強光的劑量依賴性會對產品質量產生負面影響,例如,三文魚、金槍魚以及一些肉類在高劑量的脈沖強光處理下會發生變色,這可能是高劑量的脈沖強光導致產品表面過熱產生的變色[39-41]。Nicorescu等[42]研究了生豬肉和烤豬肉經脈沖強光殺菌處理后保質期、微生物變化、感官特性的變化,研究發現脈沖強光殺菌處理不會導致測試樣品過熱,并發現自然存在的好氧菌群對于脈沖強光處理更加敏感,因此豬肉樣品的微生物安全性和保質期得到改善。劉娜等[43]為了提高即食肉制品的安全性并延長其貨架期,采用脈沖強光殺菌技術對肉制品進行滅菌處理,結果表明經脈沖強光照射處理后的腌臘肉制品在儲藏過程中的品質變化明顯優于未經處理的樣品。脈沖強光處理的樣品氧化過程較快,可能是熱效應促進其氧化,并且氧化反應產生的過氧化物也使肉中脂質的氧化穩定性降低[39]。所以在保證較好殺菌效果的同時,應減少處理劑量來保持產品的脂質氧化穩定性和感官品質。

3.3 脈沖強光殺菌技術在其它食物保鮮領域的應用

脈沖強光對飲料中微生物滅活的范圍可變性較高,主要取決于飲料的濁度[44]。高度透明的液體,脈沖強光可進行有效的消毒,但是在橙汁和牛奶等有濁度的飲料中,脈沖強光對微生物的滅活效率較低。若采用間歇式或連續式湍流處理模式,脈沖強光的滅活效率可以得到顯著提高[21]。2015年,Artíguez和de Maranon發表文章稱連續稀釋乳清透過率曲線下面積與脈沖光連續處理下英諾克李斯特菌滅活有線性關系,那么連續流動的脈沖光反應器的設計就顯得十分重要[45]。脈沖強光保鮮技術在焙烤食品中也有應用,對由聚乙烯袋包裝的面包切片進行脈沖強光處理試驗,結果表明透過包裝袋經脈沖強光處理過的樣品,對面包表面的細菌殺菌率達到99.99%[46]。脈沖強光技術在年糕產業上具有應用潛力,因其對年糕腐敗菌有顯著的殺滅效果,但枯草芽孢桿菌及其芽孢的脈沖強光滅活機理尚待研究[47]。

4 總結與展望

脈沖強光殺菌在食品工業中是一項新型的冷殺菌技術,具有高效、節能、環保等特點,對各類微生物的殺菌效果都十分明顯且處理時間可以控制在數秒之內。現階段可用的數據都表明了該殺菌技術在提高食品安全性及延長保質期方面有著巨大的潛力。目前脈沖強光用于食品保鮮還處于研究階段,研究問題包括食品物料狀態及帶菌狀況對脈沖強光殺菌效果、對脈沖強光表現高抗的食品腐敗微生物類群及其產生抗性的機理分析、脈沖強光與其它殺菌技術聯合殺菌效果的研究及脈沖強光殺菌對食品成分及其品質影響的研究和建立不同種類食品脈沖強光殺菌最優化條件數據庫等。在實際生產中,可以考慮脈沖強光聯合超聲、聲熱處理、臭氧等技術來提高殺菌效果,使這項技術在日益發展迅速的食品行業中更好的發展,最大程度造福人類。