非熱加工技術在果蔬保鮮中的應用

翟婭菲*，田佳麗，相啟森，禹曉，申瑞玲，王章存

鄭州輕工業學院食品與生物工程學院（鄭州 450001）

水果和蔬菜是某些關鍵營養成分和膳食纖維的主要來源。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，新鮮果蔬已成為人們日常生活中必不可少的農產品[1]，然而果蔬中豐富的營養物質使得微生物易于在其中繁殖。新鮮果蔬的微生物污染可能有多種來源，包括農場環境、采后處理、加工設備的接觸以及貯藏和零售過程中對果蔬的處理[2]。攜帶于農產品表面的微生物生長需要營養物質，果蔬則是天然的培養基。果蔬表面的水分會促進微生物的生長，有的微生物自身可以生成生物胞外酶，作用于碳水化合物，分解的產物一部分用來組成微生物細胞的物質，另一部分轉化為代謝所需的能量。在各類微生物存在的情況下，果蔬成分被分解，同時產酸產氣、變臭、變色，使果蔬變質[3]。果蔬變質使果蔬行業面臨巨大的經濟損失。此外，腐敗的農產品也是導致全球人類疾病暴發的重要來源[4]，果蔬變質已成為亟待解決的問題。

目前，已有許多研究來評估食品殺菌與微生物及食品品質之間的關系。熱殺菌技術是指單獨加熱或與其他成分一起加熱，以確保除嗜溫菌或嗜熱菌之外的微生物失活[5]，延長保質期并避免食物變質。熱殺菌在有效殺滅微生物的同時，食品的感官特性和營養成分會受到熱處理的影響。與熱殺菌相比，非熱加工技術有利于保持食品的新鮮、風味、顏色和營養特性，特別是一些熱不穩定化合物，如抗壞血酸和多酚[6]。因此，新型的非熱加工技術在食品保鮮方面具有潛在的應用價值。綜述了近年來國內外非熱加工技術在預防果蔬變質中的研究進展，包括殺菌劑、低溫等離子體、紫外線、脈沖光殺菌及其聯合處理，以期為今后果蔬保鮮提供一些策略。

1 殺菌劑

傳統的清洗處理雖然可以很好地去除果蔬表面的泥土，但是對于微生物的影響不明顯。因此，將殺菌劑應用于農產品的清洗處理中，對于殺滅微生物以及抑制微生物的生長尤為重要。被應用于清洗的殺菌劑包括氯、二氧化氯、溴、磷酸三鈉、有機酸、過氧乙酸還有電解水[7]。

氯產品在食品加工中已經應用幾十年，是20世紀食品工業中使用最廣泛的殺菌劑。傳統的含氯殺菌劑有Cl2、NaClO、Ca(ClO)2和ClO2等，一般要求有效氯含量為100～200 mg/kg，溶液中形成的次氯酸易分解，產生新生態氧，起到殺菌消毒作用[8]。研究表明ClO2可通過抑制孢子萌發，改變灰葡萄孢菌絲的形態并破壞質膜，從而有效抑制灰葡萄孢菌的生長，控制灰葡萄孢菌引起的青椒和冬棗的灰霉病[9]。

殘留的氯產品殺菌劑對人體及環境會造成一定傷害。而電解水作為一種新型的殺菌劑，能有效緩解這一問題。弱酸性電解水是一種新型消毒劑，它是通過在設有分離膜的電解池中電解稀氯化鈉、鹽酸或兩者的混合溶液而產生的，無色、無味且對人體和環境無害，已在日本和美國的食品表面直接使用。弱酸性電解水由于能夠產生可利用的氯化合物，包括CLO-，高氯酸和Cl2[10]，從而可達到良好的殺菌效果。Ye等[11]通過酸性電解水誘導大腸桿菌失活并研究了細菌的失活機制。結果表明，酸性電解水的pH為6.40，氧化還原電位為910 mV，有效氯濃度為60 mg/L，體積比為20：1時，殺菌效果最佳。在處理10 min內，細胞形態發生了變化，表現為細胞膨脹，細胞伸長和膜通透性增加。同時，細菌細胞中釋放出活性氧物質。說明酸性電解水能夠誘導大腸桿菌失活和凋亡。Zhang等[12]將微酸性電解水應用于芹菜、香菜的保鮮中，結果發現弱酸性電解水可以有效減少芹菜和香菜上的天然微生物，在有效氯濃度為30 mg/L下處理5 min，25 mg/L下處理7 min可將芹菜和香菜上的酵母和霉菌降低到不可檢測的水平。在4和20 ℃下儲存，芹菜和香菜的微生物數量保持較低水平。試驗證明微酸性電解水在消除芹菜和香菜表面上的微生物方面非常有效，可用于抵抗新鮮產品中的天然微生物。

然而，某些類型的農產品通常在收獲后直接在田間包裝，不需要或只需要很少的處理或衛生處理。而且消毒之后的農產品存在潛在的健康影響，一些化學食品防腐劑（如次氯酸鈉和氯）也引起了人們的關注[13]。因此，近年來開發了更多新型的物理殺菌方法，來進一步滿足消費者對新鮮和安全食品日益增長的需求。

2 低溫等離子體

低溫等離子體殺菌被認為是一種新型的非熱加工技術，與傳統的加工方法相比，冷等離子體能耗低、溫度要求低，主要用于微生物滅活和食品去污[14]。等離子體處理系統主要由高頻等離子體發生器和陶瓷電極組成。等離子體是物質的第4種狀態，是一種部分電離的氣體，由離子、紫外光子、電子、自由基、分子和被激發的原子等活性物質組成。這些活性物質可以與蛋白質相互作用并改變其構象[15]。許多研究表明等離子體處理在果蔬殺菌方面有潛在的應用價值。

Tian等[16]研究表明等離子體活化水可引起細菌的氧化應激反應，導致細胞內活性氧積累，進而使膜電位下降和膜完整性受損，并最終導致細菌細胞死亡。Xiang等[17]將等離子體活化水應用于綠豆芽的保鮮中。結果表明，處理30 min后，綠豆芽上總的好氧細菌總數、霉菌和酵母菌的數量分別減少2.32和2.84個對數值。在4 ℃儲存6 d后，處理過的綠豆芽細菌總數比對照組相少3.6個對數值，霉菌和酵母菌也有相應地減少。此外，處理之后的綠豆芽的抗氧化能力、總酚和類黃酮含量以及感官特性均未見明顯變化。袁圓等[18]用不同電壓條件下處理蒸餾水得到的等離子體活化水處理生菜，結果發現隨電壓的升高，等離子體活化水對生菜的殺菌效果顯著提高，在75 kV處理組中菌落總數降低1.15 lg（CFU/g），大腸菌群數較對照組低1.38 lg（MPN/100 g）。但是，該處理對葉綠素和維生素C含量產生了不良影響。此外，低溫等離子體還被應用于藍莓、蘑菇等多種果蔬的保鮮中（表1）。低溫等離子體處理可能是一種理想的食品殺菌方法，但由于不同農產品本身特征影響殺菌條件有待探索。

表1 低溫等離子體在果蔬中的應用

3 紫外殺菌

紫外光屬于100～380 nm的電磁波，自1910年以來，紫外線輻射已被廣泛應用于水消毒[24]。紫外發光二極管（UV-LED）照射也是近年來出現的一種有潛力應用于食品工業的方法。紫外線根據波長范圍分為UVA、UVB和UVC區域。其中UV-C殺菌效果最大。與UV燈相比，UVC-LED的一些獨特性使其更適合應用，如溫度無關的輻照度輸出，體積小，無汞，相對較長的壽命，以及無限的開關周期[25]。其無需預熱時間即可達到最大輻照劑量，從而能夠實現瞬間殺菌的效果。輻照過程中細菌DNA會強烈吸收紫外光，形成嘧啶二聚體，從而引起核酸損傷，足夠水平的二聚體會導致細菌細胞死亡[26]。同樣，輻照產生的活性氧在細胞內也會破環核酸及細胞成分，從而達到殺菌滅活微生物的效果[27]。

表2總結了紫外在果蔬中的應用情況。Aihara等[28]用UVA-LED處理卷心菜，結果表明隨輻照時間的增加，細菌失活數量增加，處理90 min時細菌失活量達3.23個對數值。與對照組相比，照射后的卷心菜品質和維生素C含量均沒有顯著的變化。對于菠菜葉片而言，高劑量的紫外照射雖然可以達到很好的滅活微生物的效果，但是菠菜的總抗氧化活性和多酚含量較對照組有所降低[29]。而在黃瓜的處理中，與未處理組相比，輻照一定時間之后總酚含量有所增加[30]。

表2 紫外殺菌在果蔬中的應用

4 脈沖光殺菌技術

脈沖光（PL）由一系列非常短的高強度脈沖的廣譜白光組成，包括紫外光（54%）、可見光輻射（26%）和紅外線（20%）[34]。已知脈沖光可以通過產生光化學和光熱損傷而導致微生物細胞死亡。光化學損傷滅活與通過紫外線輻射誘導DNA鏈斷裂和嘧啶二聚體形成有關。加熱是一種局部現象，可能會隨著熱應力的產生而終止[35]。Llano等[36]在用脈沖光處理蘋果的過程中，在水果表面沒有記錄到溫度的變化，證明大多數滅活是通過非熱機制實現的。

Lee等[37]對黃曲霉孢子、短小芽孢桿菌和大腸桿菌進行強脈沖光處理后觀察微生物的形態，結果發現強脈沖光處理比低溫等離子體處理對微生物細胞的損害更大，黃曲霉孢子萎縮，短小芽孢桿菌孢子和大腸桿菌 O157：H7破裂。較高通量的脈沖光會引發光熱效應，并且細胞中水分的汽化可能會增加細菌內部的壓力，從而導致細胞壁被破壞，影響微生物的形態。但這不足以提高產品溫度[38]。

脈沖光處理后的番茄中嗜冷細菌、霉菌和酵母菌的數量較未處理組明顯減少，脈沖通量越大，微生物的抑制效果越好。在滅活微生物的同時，脈沖光處理也會加快硬度的降低，這可能與西紅柿水分蒸發和脈沖光對酶活性的影響有直接的關系[39]。表3總結了近期關于脈沖光應用于果蔬保藏的研究。在油麥菜和白菜的處理中，脈沖電壓達到2 500 V時，蔬菜表面混合菌的致死率達98%以上，而且對于蔬菜的品質均無顯著影響[40]。

表3 脈沖光殺菌技術在果蔬中的應用

5 柵欄技術

如上所述，單一加工技術的應用可能對降低某些食物表面微生物的效果有限。各種殺菌技術的結合為抑制微生物提供了一種新的策略。柵欄技術就是一種通過結合不同的保鮮技術來確保食品安全的方法[44]。合適的障礙組合可以有效提高食品的微生物安全性、儲存穩定性、營養特性和感官質量。近年來，新興的非熱技術與傳統的跨欄方法相結合已經得到了廣泛的探索。

柵欄技術在滅菌中經常表現出累加或協同效果。Xiang等[45]的研究表明等離子體活化水和溫熱的聯合處理具有協同殺菌作用，葡萄上的釀酒酵母在55 ℃下經等離子體活化水處理30 min后，最大失活率為5.85 log 10 CFU/g，明顯高于25 ℃下進行的等離子體活化水處理以及55 ℃條件下進行的無菌蒸餾水處理的結果。同時，葡萄在不同溫度下進行30 min的等離子體活化水處理后，其總可溶性固形物、還原糖、pH、可滴定酸度、硬度、表面顏色、總酚、維生素C和抗氧化特性均未見明顯變化。UVC和二氧化氯氣體聯合處理菠菜葉和番茄，對其表面的大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌均表現出協同殺菌效果，聯合處理所實現的滅活作用均顯著高于單獨UVC和ClO2氣體滅活的總和。單獨使用二氧化氯處理過的菠菜葉的顏色在儲存過程中逐漸改變，顏色的改變可能是由于ClO2氣體的高氧化能力。未經處理的樣品與經UVCClO2氣體處理的樣品保存7 d，菠菜葉的顏色和質地無顯著差異[46]。有研究報告顯示，枸杞干果經臭氧和紫外復合處理后殺菌率高達98.99%，明顯優于單一的臭氧、紫外殺菌效果。經復合處理之后的枸杞色澤參數有所變化，其余理化指標與對照相比無顯著性差異，說明臭氧與紫外的復合處理不僅可以高效殺菌，而且能較好地維持枸杞的外觀品質[47]。上述表明，柵欄技術的研究可以進一步幫助新鮮農產品的保鮮，確保農產品的微生物安全性。

6 結語和展望

果蔬變質作為一個全球性的健康問題，有望通過一些創新的非熱殺菌技術來解決，如電解水、低溫等離子體、紫外線、脈沖光以及不同技術的結合。如上所述，這些非熱殺菌技術在抑制食品表面微生物、最大程度地保持食品品質方面顯示了潛在的應用前景。與單個處理相比，協同處理在大多數情況下具有更好的效果。此外，不同加工條件對農產品品質包括色澤、硬度、抗氧化性以及營養成分的影響不能以一概全，而且處理劑量與效果不一定呈正比，再加上不同農產品自身特性的區別，對于特定果蔬的殺菌仍需要進一步的研究。