脈沖強光殺菌技術綜述

謝姝鴿 韓秋漪 李福生 吳再銳 王軍元 張善端

1復旦大學電光源研究所（上海 200433）

2寧波方太廚具有限公司（浙江 寧波 315336）

0 脈沖強光產(chǎn)生機理

脈沖強光殺菌技術是一種利用瞬時峰值能量極強的脈沖光輻射殺菌的新型技術，其發(fā)生裝置主要由脈沖光源、升壓模塊、觸發(fā)模塊和儲能電容組成[1]，脈沖強光產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 脈沖強光產(chǎn)生原理[2]

雖然都是將電能轉(zhuǎn)化為輻射能，但脈沖光源與一般光源最大的區(qū)別是同時具有陰極和陽極以及觸發(fā)電極[3]。常用的脈沖光源為管狀的脈沖氙燈，由透紫外的石英管制成；兩端封接有鎢電極，外部纏繞多圈觸發(fā)金屬絲作為觸發(fā)電極；燈內(nèi)填充＜1 atm的氙氣。實際使用時，電源首先完成交直流轉(zhuǎn)換，并在極短時間內(nèi)對儲能電容充電到特定電壓。同時觸發(fā)模塊對觸發(fā)電極施加數(shù)千伏的高壓脈沖，使燈內(nèi)填充的氙氣發(fā)生預電離，然后電離產(chǎn)生的電子擊穿形成寬度約幾微米的軸向非均勻放電通道。氣體電離后產(chǎn)生的電子在通道電場的作用下從陰極向陽極加速運動，促進氣體進一步電離，導致電子數(shù)雪崩式增長。此時儲能電容中的能量被電離后的氣體釋放，可發(fā)出波長范圍為200～1 100 nm的脈沖光，直到儲存能量不足以再使電離氣體進行火花放電為止[4]。總的來說，脈沖強光發(fā)生裝置通過充電、觸發(fā)、放電的過程輸出脈沖強光，其重復頻率可通過設置觸發(fā)時間控制[5]。

儲能電容積累電能時間為0.1～1 s，比10～100 μs的釋放能量時間長3～5個數(shù)量級，增強了脈沖光的輻射效果[6]。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖強光的瞬時功率密度（輻照度）可達到光譜相近的太陽光的數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍[7]，這是其能在殺菌領域廣泛應用的主要原因。

1 脈沖強光殺菌技術

1.1 脈沖強光殺菌機理

脈沖氙燈的光譜功率分布如圖2所示，可見脈沖強光的波長可以覆蓋200～1 100 nm寬波段，除了在紫外波段有很高的峰值，在可見區(qū)和近紅外區(qū)也都有較高的輻射強度。因此脈沖強光的殺菌機理和一般的紫外殺菌不同，除了紫外波段起主要作用，其他波段也有一定的殺菌能力。這種協(xié)同效應使殺菌更全面徹底，且這種破壞作用不可逆[8]。

圖2 脈沖氙燈的光譜功率分布

綜合現(xiàn)有研究，脈沖強光的殺菌機理主要包括以下三個方面。（1）光化學反應。脈沖強光光譜中的紫外波段可使核酸形成胸腺嘧啶二聚體，損壞細菌，破壞細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)核酸，影響基因的轉(zhuǎn)錄和復制，阻礙生命活動必需蛋白質(zhì)的合成，從而影響細胞的正常繁殖[9]。脈沖強光既可以分解微生物細胞膜蛋白，導致細胞膜被破壞、變形，失去對細胞的屏障保護作用[10]；也可以通過促使微生物內(nèi)酶的分解生成大量的游離態(tài)蛋白，導致液泡膨脹，細胞破裂[11]。（2）閃照熱效應。脈沖強光光譜中的可見和紅外部分對細菌細胞或孢子有熱效應，導致了酶和其他細胞成分的鈍化。高強度輻射光熱作用導致細胞內(nèi)水分蒸發(fā)膨脹，使細胞破裂[12]。（3）脈沖效應。脈沖強光的穿透性和瞬時高能機械沖擊損壞了細胞壁和其他細胞成分，導致細菌死亡。

1.2 脈沖強光殺菌優(yōu)勢

（1）高穿透性：脈沖強光裝置通過在極短時間（微秒級別）內(nèi)實現(xiàn)電能到光能的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)遠超紫外光源的峰值功率，光譜范圍寬，從而擁有較高的穿透性[13]。（2）低溫：由于脈沖強光釋放能量是以時間極短的脈沖形式，冷卻時間充足，因此熱量并不會堆積。雖然其殺菌機理包含光熱作用，但并不會導致溫度的顯著變化[14]。（3）即時控制：控制模塊可以實現(xiàn)脈沖強光的瞬時啟停，而且啟動前不需要預熱[15]。（4）高峰值能量：脈沖強光以脈沖形式釋放光能，可以實現(xiàn)遠超紫外光源的峰值能量[16]。（5）高適配性：脈沖強光裝置可以根據(jù)實際應用環(huán)境靈活地選擇合適的形狀、空間分布和輸入?yún)?shù)，從而滿足不同場合的需要，具有很好的適配性[17]。（6）安全：脈沖強光裝置常用填充氣體為稀有氣體氙氣，和常用的紫外殺菌燈（低壓汞燈）相比，不存在重金屬汞泄露的風險，同時也不會有臭氧超標等問題[18]。

2 脈沖強光殺菌效果

2.1 脈沖強光對細菌的殺滅效果

周萬龍等[19]使用單脈沖能量為700 J的脈沖強光殺菌裝置，分別對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌進行不同時間的輻照實驗。其中每個脈寬＜800 μs，脈沖間隔6 s。實驗發(fā)現(xiàn)，30個脈沖以后，大腸桿菌數(shù)量減少5個數(shù)量級，枯草芽孢桿菌全部被殺死。實驗還發(fā)現(xiàn)和初始菌液濃度以及輸入能量相比，重復次數(shù)對殺菌效果影響最大。

Macgregor等[20]用波長范圍為200～530 nm的脈沖強光照射培養(yǎng)基上的大腸桿菌和單核細胞增生李斯特氏菌，脈寬1～512 μs。實驗發(fā)現(xiàn)，64個脈寬為1 μs的脈沖光就可以殺滅99.9%的大腸桿菌和99%的單核細胞增生李斯特氏菌，大腸桿菌對脈沖強光的抵抗力較弱。

Krishnamurthy等[21]在37 ℃條件下培養(yǎng)金黃色葡萄球菌24 h，然后對實驗組進行劑量為5.6 J/cm2的脈沖強光照射5 s，對照組不做處理。結果顯示，經(jīng)脈沖強光照射后的葡萄球菌數(shù)量減少了7～8個數(shù)量級，證明了脈沖強光顯著的殺菌作用。

由這些結果可見，脈沖強光可以在幾秒到幾分鐘的時間內(nèi)，將細菌滅活2個數(shù)量級以上，滅活速度很快。

2.2 脈沖強光對真菌的殺滅效果

Gómez-López等[22]實驗發(fā)現(xiàn)，啤酒酵母菌在受到劑量為0.1 J/cm2的脈沖強光輻照時，平均每次照射會使得酵母菌數(shù)量減少6～8個數(shù)量級。實驗還發(fā)現(xiàn)重復次數(shù)越多，每次輻照時間越長，被殺滅的酵母菌數(shù)量越多。

Marquenie等[23]分別用脈沖強光、UVC和加熱對霉菌和仁果鏈核盤菌孢子進行殺菌操作。實驗發(fā)現(xiàn)脈沖強光和UVC的殺菌速度顯著快于加熱處理，這是因為這兩種殺菌方式具有光化學效應和光熱效用的協(xié)同作用。實驗還發(fā)現(xiàn)霉菌被完全殺滅所需時間短于仁果鏈核盤菌孢子，說明孢子相比霉菌對脈沖強光的抵抗力較弱。

3 相關參數(shù)對殺菌效果的影響

3.1 裝置本身的光電參數(shù)

常見脈沖強光裝置原理如圖3所示。

圖3 常見脈沖強光裝置原理[24]

儲能電容的能量計算公式如下：

式中：W為單脈沖光輸入能量，J；C為儲能電容容量，μF；V為輸入電壓，kV。

結合圖3和公式（1），儲能電容容量和輸入電壓可以控制單脈沖輸入的電能，還可以通過改變重復頻率控制一定時間內(nèi)的累積能量，從而決定殺菌效果[25-26]。

廖云輝[8]通過控制單一變量分別研究了輸入電壓、電容容量和重復頻率對脈沖強光殺菌效率的影響，同等情況下每組實驗取三次的平均值，每次實驗輻射時間均為2 min。（1）電壓的影響。固定電容容量70 μF，重復頻率1 Hz，輸入電壓600～1 000 V，平均殺菌效率68.2%～78.9%。可見輸入電壓越大，脈沖強光的殺菌效率越高。這是因為儲能電容中的存儲能量與輸入電壓成正比關系，輸入電壓增大會增加脈沖強光輻射能量，而輻射劑量又會直接決定殺菌效果。因此，可以通過增大輸入電壓更好地殺菌。（2）電容容量的影響。固定輸入電壓800 V，重復頻率1 Hz，電容容量30～110 μF，平均殺菌效率67.4%～78.9%，脈沖強光的殺菌效率和電容容量成正比。由式（1）可知，當輸入電壓不變時，單脈沖光輸入能量與電容容量成正比，和實驗結果是相符的。（3）重復頻率的影響。固定輸入電壓800 V，電容容量70 μF，平均殺菌效率72.7%～79.5%，可見重復頻率增加會使得殺菌效率增加。但值得注意的是，隨著頻率的增加，對應殺菌效率增速越來越慢，最后達到一個上限值后，重復頻率就不再對提升殺菌效率有作用。這是因為當重復頻率過高使得每次的閃照時間少于氙燈的實際放電時間時，可能會導致放電不充分。即前一次放電還未完成，下一次電容儲能己經(jīng)開始，因此單位時間內(nèi)脈沖氙燈的殺菌效率不會和重復頻率呈正線性相關關系。

另外，光譜特性對殺菌效果也有很大的影響。脈沖強光光譜覆蓋200～1 100 nm整個波段，光譜范圍廣，且在紫外、可見光、紅外均有較強的輻射強度。這三個波段對應的峰值大小以及每個波段內(nèi)光譜的分布情況都會直接影響殺菌效果[27]。江天寶[2]實驗發(fā)現(xiàn)UV-C在脈沖強光殺菌中具有重要的作用，而可見光和紅外光對脈沖強光殺菌起的作用較小，可能是因為其殺菌主要只能依靠熱效應和光化學效應，對微生物的滅活作用較弱。除此以外，實驗還發(fā)現(xiàn)脈沖強光中各種光譜對殺滅微生物具有明顯的協(xié)同增效作用，并不是各種光譜成分殺菌作用簡單的疊加。這種協(xié)同作用機制也是后續(xù)需要研究的問題。

3.2 脈沖光源的特性參數(shù)

以脈沖氙燈為例，在滅菌過程中，脈沖氙燈的長度、材料、氙氣壓等都能通過影響脈沖強光的光譜功率分布和輻射通量影響脈沖強光的殺菌效果。

3.3 脈沖光源滅菌環(huán)境參數(shù)

實際滅菌操作時，溫度、相對濕度、空氣流通速度和微生物附著濃度等外部環(huán)境參數(shù)都會對殺菌效果產(chǎn)生直接影響。另外，滅菌作用時間、滅菌對象與脈沖強光裝置間的距離、脈沖光源輻照面積等相關參數(shù)也對殺菌效果有影響。

3.4 滅活微生物的特性

因為不同種類的微生物對脈沖強光的輻照耐受力不同，所以不同微生物實現(xiàn)完全滅活所需脈沖強光能量不同。研究表明，對一些常見的微生物，脈沖強光滅活真菌的難度大于細菌；真菌中霉菌滅活最為困難，其次是酵母菌；細菌中滅活大腸桿菌最容易。

同時，微生物存在狀態(tài)也會影響殺菌效果，當微生物存在形式是菌塊或者菌團時，存在對光的遮擋效應，可以抵抗部分脈沖強光輻照，減弱其受到的傷害。這是真菌比細菌更難滅活的原因之一。

此外，微生物附著物體的特性也會影響殺菌效果。物體的透過率決定了脈沖強光的穿透深度，透過率越高，穿透能力就越強，實現(xiàn)整體殺菌就越容易。對于空氣和水，在紫外和可見光區(qū)均有很高的透過率，使得脈沖強光可以輕松地對其進行整體殺菌。對于糖液、酒等液體，較差的透過率使得脈沖強光穿透比較困難，實現(xiàn)整體殺菌所需能量值較高。當物體完全不透明時，脈沖強光只能對表面殺菌，無法實現(xiàn)徹底殺菌。

4 總結

目前對脈沖強光殺菌的研究不夠全面。對于殺菌機理，大部分研究局限于理論分析層面，具體實驗結果匱乏。對于應用領域，現(xiàn)有研究大多局限于脈沖強光對微生物殺滅的效果，在實際生活中的應用也基本局限于食品和飲用水殺菌。