LEDs技術在果蔬殺菌保鮮領域應用研究進展

范劉敏，張嶸，董閃閃，相啟森

鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450001）；河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室（鄭州 450001）

新鮮水果和蔬菜富含糖類、維生素、礦物質、膳食纖維等多種營養成分，在均衡飲食、維持機體健康等方面發揮重要作用。隨著社會發展和生活水平提高，消費者對于新鮮果蔬的需求量不斷增大。然而，果蔬在生長、采收、運輸和加工等環節極易受到各種微生物的污染，導致腐敗變質甚至引發食源性疾病[1-2]。近年來，隨著消費者對食品品質和安全要求的提高，超高壓、脈沖電場、超聲波、冷等離子體、微酸性電解水等非熱加工技術成為食品加工技術和食品安全領域的研究熱點[3-4]。

近年來，發光二極管（Light-emitting diodes，LEDs）技術作為一種新型非熱物理殺菌技術，被應用于食品殺菌保鮮、飲用水消毒、食品接觸材料消毒等領域[5-7]。綜述LEDs技術在果蔬殺菌保鮮領域的應用研究進展，分析LEDs處理對果蔬品質的影響，探討LEDs殺菌機理和影響因素，旨在為今后LEDs技術在果蔬領域的應用提供理論參考。

1 LEDs技術介紹

LEDs是一種可以直接將電能轉換為光能的固體電致發光半導體器件，其核心結構是由Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料構成的p—n結[8]。施加電壓時，電流從p側流到n側，導致導帶電子和價帶上的空穴復合。當電子-空穴相互作用導致電子從高能態回到低能態時，能量會以光子形式釋放出來，從而產生電致發光現象[9]（見圖1）。根據半導體材料種類和禁帶寬度的不同，LEDs可以發出紅光（610～700 nm）、橙光（590～610 nm）、黃光（570～590 nm）、綠光（500～570 nm）、藍光（400～500 nm）、紫外（UVA 315～400 nm、UVB 280～315 nm、UVC 200～280 nm）等不同波長的單色光，同時也可以將單色LED與熒光粉結合或將不同顏色比例的單色光組合生成白光等組合光[10-11]。

相對于傳統光源，LEDs技術具有發射波長集中、光電轉化效率高、光子通量或輻照度低、熱輸出小、體積小、攜帶方便、易于集成到電子系統、壽命長等優點[12-14]，在果蔬采后保鮮[15-16]、植物生長[17]等領域應用廣泛。

圖1 LEDs工作原理

2 LEDs技術在果蔬殺菌中的應用

果蔬在貯藏和加工等環節極易受到微生物污染，引起腐敗變質、貨架期短縮，造成巨大的經濟損失和健康危害。國內外研究表明，LEDs可有效失活草莓[18]、卷心菜[19]、鮮切哈密瓜[20]、木瓜[21]等果蔬表面的食源性致病菌和致腐菌，有效延長產品貯藏期（表1）。

表1 LEDs技術在果蔬殺菌中的應用

3 LEDs殺菌效果的影響因素

3.1 波長

波長是影響LEDs殺菌效果的關鍵因素之一。Ghate等[25]研究藍光（461 nm）、綠光（521 nm）和紅光（642 nm）LEDs對大腸桿菌O157：H7、沙門氏菌、李斯特菌和金黃色葡萄球菌的失活作用，結果發現在相同溫度和照射劑量下，藍光LEDs的殺菌效果最好。同樣地，Kumar等[26]發現當其他條件相同時，藍光LEDs（405和460 nm）對蠟樣芽孢桿菌、植物乳桿菌和副溶血性弧菌的殺滅效果明顯優于綠光LEDs（520 nm），且405 nm LEDs的殺菌效果最好。Subedi等[27]研究結果表明，在1 199 J/cm2照射劑量下，UVA（395和365 nm）和藍光（455 nm）LEDs處理使小麥粉中沙門菌分別降低2.48，2.22和1.61 log CFU/g。Oguma等[28]研究發現，UVC（265 nm）和UVB（280 nm）的殺菌效果優于UVA（310 nm）LEDs。

3.2 照射劑量

LEDs的照射劑量是影響其微生物滅活的又一關鍵因素。照射劑量是指被微生物所吸收的光的能量[29]，為照射強度（mW/cm2）與照射時間（s）的乘積，一般表示為mJ/cm2或J/m2。一定照射劑量范圍內，LEDs對微生物的殺滅效果隨照射劑量升高而增強。但照射劑量越高，所需時間更長，能耗也越高，因此，應根據果蔬產品特性對照射劑量進行優化。

3.3 微生物種類

研究證實，LEDs對不同種微生物的殺菌效果存在差異。Kim等[30]研究266～279 nm波長UVC-LEDs滅活革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和酵母菌的效果，結果發現在照射劑量0.2 mJ/cm2時，大腸桿菌O157：H7降低約5 log CFU/mL，沙門氏菌降低約3 log CFU/mL，李斯特菌失活少于1 log CFU/mL，金黃色葡萄球菌減少2 log CFU/mL左右。畢赤酵母和釀酒酵母的失活不到1 log CFU/mL。Kim等[31]在另一項研究也發現類似現象，革蘭氏陰性菌對LEDs最敏感，革蘭氏陽性菌次之，酵母霉菌等最不容易被滅活。

3.4 產品表面特性

待處理樣品粗糙度、表面疏水性等性質均會影響LEDs的殺菌效果。Kim等[32]研究食品接觸材料的表面性質對UVC-LEDs失活大腸桿菌O157：H7、沙門氏菌和李斯特菌效果的影響。結果發現，玻璃、聚氯乙烯、不銹鋼、聚四氟乙烯、硅材料的粗糙度依次增大、疏水性依次遞減，但經UVC-LEDs處理，接種在其表面的微生物的失活率依次降低。這表明UVCLEDs的殺菌效果與待處理樣品表面粗糙度和疏水性密切相關。但有關于果蔬表面特性（色澤、粗糙度等）對LEDs殺菌效果影響的研究未見報道，有待進一步研究。

3.5 其他影響因素

在實際應用中還應考慮光照、溫度等外界環境因素對LEDs殺菌效果的影響。一方面在LEDs照射過程中應嚴格避光，減少DNA修復對殺菌效果的影響[33]；另一方面，有研究發現低溫脅迫有利于LEDs對微生物失活[34]。

4 LEDs殺菌機制

4.1 藍光LEDs殺菌機制

研究證實，藍光LEDs的殺菌作用與微生物細胞中的內源性卟啉類化合物（最大吸收波長405 nm）等有關[35-37]。吸收藍光后，卟啉類化合物能夠被激發到更高的能態，在其返回基態過程中，卟啉分子與氧分子、氧化物等發生反應并生成單線態氧、過氧化氫和超氧陰離子等活性氧。這些活性氧能夠造成微生物細胞膜、DNA等氧化損傷，從而導致其失活[38-40]。

4.2 UV-LEDs殺菌機制

UV-LEDs在照射過程中也會產生羥基自由基、過氧化氫等活性氧，從而誘導DNA、蛋白質和細胞膜等發生氧化損傷，最終造成微生物失活[41]。有效波長在260～265 nm UV-LEDs處殺菌效果最強，上述波長范圍與DNA最大吸收波長范圍相一致。在UVC作用下，DNA中的嘧啶和嘌呤堿基發生化學反應形成環丁烷嘧啶二聚體（CPDs）和6-4光產物（6-4PP）等產物，干擾正常的RNA轉錄和DNA復制，最終導致細胞死亡[42]。與UVC相比，暴露于UVB-LEDs產生的CPDs、6-4PPs較少，但仍在殺菌中發揮重要作用。

5 LEDs處理對果蔬品質的影響

在有效殺滅果蔬表面微生物的同時，LEDs處理也可能對果蔬品質造成影響。

5.1 LEDs處理對果蔬理化指標的影響

Souza等[24]研究了UVC-LEDs（277 nm）對蘋果理化品質的影響。結果表明，未處理和UVC-LEDs處理的蘋果在貯藏期間，其理化品質均有所下降，表現為果皮和果肉硬度下降、總酸度降低、可溶性固形物含量和蘋果質量均無明顯變化；在相同貯藏時間內，UVC-LEDs處理組蘋果與未處理組樣品理化參數均無顯著性差異（p＞0.05）。Aihara等[19]發現采用365 nm UVA-LEDs處理鮮切卷心菜后，其質量和維生素C含量均無顯著變化。Kim等[21]研究表明，與對照組相比，405 nm LEDs處理對鮮切木瓜維生素C、β-胡蘿卜素、番茄紅素、類黃酮含量和抗氧化能力均無顯著性影響。因此，LEDs處理在有效滅活果蔬表面微生物的同時，能夠較好地保持果蔬的營養成分和抗氧化活性等。

5.2 LEDs處理對果蔬感官品質的影響

果蔬色澤是評價果蔬感官品質的重要指標之一，直接影響消費者對果蔬產品的接受度。Kim等[22]發現鮮切芒果經405 nm LEDs在不同溫度下（4，10和20 ℃）處理，其黃度指數（YI值）無顯著變化（p＞0.05）。然而Ghat等[23]研究不同溫度（7，16和25 ℃）下LEDs（460 nm）處理對鮮切菠蘿色澤的影響，結果發現照射強度為254.7 mW/cm2時，鮮切菠蘿的YI值分別降低至25.48，38.63和47.87，顯著低于未處理組（YI值分別為78.41，75.75和86.75）。上述差異可能與所用的果蔬原料有關。460 nm LED光照可使菠蘿含有的β-胡蘿卜素（450 nm和478 nm處有吸收峰）發生降解從而造成菠蘿YI值降低[23]。因此，LEDs處理能夠在一定程度上保持新鮮果蔬色澤，但是高劑量長時間處理可能導致天然色素等組分發生降解，引起色澤發生顯著變化。

6 結語與展望

近年來，LEDs技術作為一種非熱加工技術，具有殺菌效果強、綠色無污染、能耗低等優點，在生鮮果蔬殺菌保鮮領域具有廣闊的應用前景。LEDs殺菌效果受波長、照射劑量、食品理化特性和微生物種類等因素的影響，在實際應用中應加以考慮。此外，目前關于LEDs在果蔬領域的應用多集中于殺菌保鮮，對果蔬營養和感官品質影響的研究尚不夠充分。同時，LEDs存在成本高、散熱性較差等問題，有待在今后的工作中進一步研究和改進，以推動LEDs技術在食品工業領域的廣泛應用。