生鮮食品冷鏈過程中消毒殺菌技術的研究進展

李曉燕，孟慶瑤，趙宜范，張麗紅，楊笑琳，劉昌通

（哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150028）

自新冠肺炎疫情暴發以來，國內進入常態化疫情防控狀態，但全球疫情仍在持續蔓延，目前已擴散到全球200多個國家和地區[1]。隨著氣溫的下降，新型冠狀病毒的活性得以增強，當溫度低于3 ℃時，平均溫度與新冠肺炎病例數呈正線性關系[2]。生鮮食品冷鏈過程中也存在新型冠狀病毒傳播的風險。有研究表明，將新型冠狀病毒添加到雞肉、三文魚和豬肉中并在4 ℃標準冷藏和?20 ℃標準冷凍21 d后，新型冠狀病毒的傳染性仍未下降[3]。在2020年6月北京新發地疫情和2020年7月大連疫情中，于進口冷鏈食品相關的環境拭子樣本檢測中均顯示新型冠狀病毒核酸陽性；在2020年9月青島疫情中，進口凍鱈魚外包裝也分離出新型冠狀病毒[4]。由此可見，關于生鮮食品冷鏈過程中消毒殺菌技術的研究十分關鍵。

包裝內的食品常采用的殺菌方法主要分為加熱殺菌和非加熱殺菌兩大類，其中非加熱殺菌（冷殺菌）即不用熱能來殺死微生物，而是通過物理或化學的方法進行殺菌，在保證食品在微生物方面安全性的同時保持食物固有的營養成分[5]。冷殺菌技術包括超高壓殺菌、臭氧殺菌、脈沖強光殺菌、紫外線殺菌、輻照殺菌等新型殺菌技術[6]。現行冷鏈食品裝卸、運輸等物流過程中常用醇類、過氧化物類、季銨鹽類以及含氯消毒劑進行生鮮食品外包裝消毒[7]。然而，過度接觸消毒化學品可能會導致意想不到的人類健康風險[8]，并且被洗掉的大部分消毒劑可能存在于城市廢水中，并且延伸到水生環境[9]。因此，探究可同時用于食品表面及外包裝的相對安全高效消毒殺菌技術有利于生鮮食品在冷鏈過程中的疫情防控。

針對現行冷鏈食品消毒技術的不足，本文綜述了可同時用于生鮮食品表面及外包裝的相對安全高效的消毒殺菌技術，且基于不同殺菌方法對新型冠狀病毒的滅活作用及其在食品冷鏈過程中的應用，本文目前重點研究臭氧殺菌技術和紫外線殺菌技術。

1 臭氧殺菌技術

1.1 臭氧殺菌技術的工作機理

臭氧（O3）是氧（O2）的同素異形體，分子量為48，常溫下是一種不穩定且具有特殊刺激性氣味的淡藍色氣體。液態臭氧為深藍色，比重為1.71，熔點為?183 ℃；固態臭氧為紫黑色，熔點為?251 ℃，氣態臭氧的臨界溫度為?12 ℃，沸點為?119 ℃[10?11]。臭氧化學性質活潑具有極強的氧化能力，可以同細菌的細胞壁中存在的蛋白質等有機物發生化學反應，使細胞壁通透性增加，細胞內容物流出，臭氧在破壞和分解細胞壁后迅速進入細胞，氧化細胞內酶或核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）、脫 氧 核 糖 核 酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA），從而生成死菌原體，故臭氧對病毒、細菌和霉菌等微生物具有很好的滅活效果[12]。

1.2 臭氧殺菌技術對新型冠狀病毒的滅活作用

在疫情階段，探究臭氧殺菌技術對新型冠狀病毒的滅活作用在保證生鮮食品冷鏈過程中的安全方面至關重要，許多學者在臭氧殺菌技術對新型冠狀病毒的滅活作用、傳播速度等方面進行了研究。Tizaoui等[13]研究發現臭氧可能是對抗新型冠狀病毒的有效氧化劑，臭氧可以攻擊病毒尖峰和包膜的蛋白質和脂質，從而破壞病毒的完整性，抑制病毒感染，臭氧滅活病毒的潛在攻擊部位如圖1所示[13]。Fernández-Cuadros等[14]研究發現臭氧可以直接或間接氧化滅活病毒，并可以刺激細胞和體液免疫系統，在早期新冠肺炎感染階段有用，臭氧可以改善氣體交換，減少炎癥，并調節抗氧化系統，因此它可用于過度炎癥或細胞因子風暴期，以及低氧血癥和/或多器官衰竭期。Wang等[15]研究表明臭氧可以通過調節一種負責產生白細胞介素IL-1β和白細胞介素IL-18的細胞溶質復合物來顯示其抗炎活性，它可以保護受新型冠狀病毒肺炎影響的患者肺部免于發生缺血再灌注損傷。Ran等[16]使用基本繁殖數(R0)對新冠肺炎的傳染性進行了量化，根據中國國家環境中心獲得的2019 年 12 月 10 日～ 2020 年 2 月 29 日期間1642個站的空氣污染物（包括臭氧在內的其他標準污染物）監測數據，提取污染物的值，并通過有溫度和絕對濕度調整的回歸分析來探索R0和每種污染物之間的關聯，研究發現新冠肺炎R0與每日1 h最大臭氧濃度呈負相關，如圖2所示[16]，表明環境臭氧與降低新冠肺炎傳播率有關。Cattel等[17]對2011年1月～2020年7月發表的280篇關于臭氧治療方面的文章進行研究，通過分析臭氧作為輔助手段聯合藥物進行治療時得到的有益效果，提示了一種全身臭氧治療的新的免疫治療方法，提出了對于新型冠狀病毒肺炎患者，全身臭氧治療聯合抗病毒藥物是合理可行的。

圖1 臭氧滅活病毒的潛在攻擊部位Fig.1 Potential attack site of ozone inactivation virus

1.3 臭氧殺菌對冷鏈過程中生鮮產品保鮮效果的影響

圖2 基本繁殖數和每日1 h最大臭氧濃度的變化關系Fig.2 Relationship between basic reproduction number and maximum ozone concentration per 1 h per day

在臭氧殺菌技術對新型冠狀病毒有效滅活的基礎上，探究其對冷鏈過程中生鮮產品保鮮效果的影響更有利于臭氧殺菌技術在疫情階段的實施。臭氧殺菌技術因具有高效、無殘留以及經濟適用性的特點，被廣泛應用于食品行業[18]。肖嵐等[19]將冷卻豬肉放置在臭氧保鮮液中浸泡2 min后置于（3±0.5）℃環境中冷藏，試驗結果表明經臭氧處理可有效抑制冷卻豬肉中細菌的生長繁殖，從而改善冷卻豬肉在貯藏期的保鮮效果，且臭氧濃度在4 mg/L時保鮮效果最佳。石英子等[20]將新鮮雞胸肉放置在5 mg/L的臭氧處理45 min后置于4 ℃冷藏，試驗結果表明5 mg/L的臭氧抑菌效果顯著且可使雞胸肉保鮮期延長至7 d。李夢釵等[21]將新鮮草莓經不同濃度的臭氧處理后放置于?1～1 ℃的保鮮庫中儲存，試驗結果表明經濃度為20 mg/kg臭氧處理后的草莓儲藏期可達到30 d左右，果實色澤鮮艷，有效保持了其原有的品質。Glatman等[22]研究發現經臭氧處理冷凍前的羅非魚，可使冷凍羅非魚的貯藏壽命延長12 d，在0 ℃貯藏條件下提高了羅非魚的品質。Cárdenas等[23]研究了氣態臭氧對牛肉品質的影響。在0和4 ℃時表面顏色不變的牛肉樣品中，141.12 mg/m3的臭氧劑量確保了大腸桿菌的數量下降，且隨著溫度的降低牛肉中微生物大量減少。Tabakoglu等[24]研究發現將桑葚放置在臭氧濃度為5.14 mg/m3溫度為（2±1）℃的冷室中，可有效降低大腸桿菌的數量，具有良好的保鮮效果。綜上所述，臭氧殺菌技術可有效抑制冷鏈過程中生鮮食品表面微生物的生長繁殖，具有保證冷鏈過程中生鮮食品品質、延長生鮮食品貯藏期的特點。

1.4 臭氧殺菌技術對冷鏈過程中食品外包裝消毒的有效性及應用現狀

臭氧的強氧化作用使其成為了一種新型消毒劑與殺菌劑[25]，對裝載于冷藏集裝箱內的進境食用動物產品，采用ZA-YD-20G型臭氧發生器向冷藏集裝箱內輸入10 g臭氧1 h并靜置15 min后可使動物產品外包裝紙箱表面自然菌殺滅率達到99.7%[26]。采用XFG-K30開式臭氧發生器與微機控制進行食品冷庫消毒，可使真菌和細菌殺滅率控制在80%以上[27]。20世紀80年代末，日本夏普公司將電子自動除臭器（由交流供電的微型臭氧發生器）安裝在冰箱內構成的新一代“無臭冰箱”，可有效殺滅多種細菌病毒，延長食品貯藏期[28]。此外，國內目前已有企業將臭氧殺菌技術應用在生鮮產品的保鮮及冷凍包裝前的消毒過程中[29]。由于臭氧具有一定的毒性，即當臭氧濃度大于200 μg/m3時會引起人眼、鼻、喉刺痛；臭氧濃度在1300～2000 μg/m3時會引起呼吸困難；臭氧濃度在2000～4000 μg/m3時會使人眼和呼吸器官有急性灼燒感，以及神經發生障礙等現象[30]。故涉及臭氧的過程中應采用適當的預防措施進行規劃，防止出現明火或人員操作過程中暴露于臭氧的現象發生[31]。綜上所述，臭氧殺菌技術對冷鏈過程中生鮮食品外包裝消毒具有積極作用，且可用于冷庫、冰箱等生鮮食品低溫儲藏場所的消毒，但由于臭氧毒性的限制，應用時能夠加速臭氧覆蓋與揮發時間的消毒殺菌技術還需進一步研究。

2 紫外線殺菌技術

2.1 紫外線殺菌技術的工作機理

紫外線可分為波長為315～400 nm的長波紫外線（Ultraviolet A，UVA），波長為280～315 nm的中波紫外線（Ultraviolet B，UVB），波長為200～280 nm的紫外線照射區（Ultraviolet C，UVC），以及波長為100～200 nm的真空紫外線區（Ultraviolet D，UVD），其中UVA波長最長，能量最低；UVB可導致皮膚曬黑、曬傷和皮膚癌；UVC具有適合微生物滅活的高能量；真空紫外線可被所有物質吸收[32]。UVC的殺菌機制是對RNA和DNA進行破壞，往往會導致核酸鏈中嘧啶殘基之間形成二聚體，這種修飾的結果是環丁烷嘧啶二聚體（Cyclobutane Pyrimidine Dimmers，CPDs）的產生導致DNA分子的變形，這可能導致細胞復制的缺陷并導致細胞死亡[33]。有研究表明，260～270 nm的紫外線波長能量能夠被微生物的核酸強烈吸收，可以有效消滅微生物[34?35]。故采用UVC進行消毒殺菌可起到良好的滅殺效果。

2.2 紫外線殺菌技術對新型冠狀病毒的滅活作用

Kitagawa等[36]研究發現波長為222 nm的紫外線在照射強度為0.1 mW/cm2條件下照射30次可將新型冠狀病毒的活菌數降低至無法檢測的水平，研究結果表明222 nm紫外線照射對新型冠狀病毒的滅活有效，紫外線殺菌技術可用于新冠肺炎的感染預防和控制。Heilingloh等[37]研究發現波長為254 nm，照射劑量為1048 mJ/cm2的紫外線，照射濃度為5×106TCID50/mL的新型冠狀病毒9 min可致其完全失活，研究結果表明紫外線可以對高滴度的新型冠狀病毒起到快速滅活作用。Gerchman等[38]通過研究發現波長在286 nm的紫外線發光二極管可使冠狀病毒得到有效滅活。Inagaki等[39]研究發現強度為3.75 mW/cm2的紫外線持續輻射60 s能夠使新型冠狀病毒失活，并中斷病毒RNA的轉錄、翻譯和復制。Rathnaainghe等[40]研究了由兩個高功率紫外線汞燈相對垂直配置以及一個簡單的機動傳送系統共同制成的紫外線照射系統，研究結果表明波長為254 nm，照射劑量為1.5 J/cm2的紫外線照射每2.5 cm2接種的106點狀單位新型冠狀病毒的N95口罩120 s可導致新型冠狀病毒減少100%。

2.3 紫外線殺菌對冷鏈過程中生鮮食品保鮮效果的影響

紫外線殺菌技術具有環保簡便且不會造成二次污染的優點，被廣泛應用于食品貯藏、物質養護及水質潔凈等方面[41]。許多學者對此進行了研究。賀瑩[42]將波長為253.7 nm的紫外線殺菌燈照射抽真空的帶魚樣品15 min后對試驗樣品進行氣調包裝，并置于4 ℃條件下貯藏，試驗結果表明使用紫外線殺菌技術結合氣調處理的帶魚其貯藏期可延長至15 d。Hassan等[43]研究了添加劑量分別為3.5、7.0 和10 kJ/m2的紫外線照射后對4 ℃冷藏情況下辣椒、茴香和香菜中微生物、生物活化性化合物和抗氧化活性的影響，試驗結果表明輻射量的增加可有效抑制微生物的生長，提高辣椒、茴香和香菜的抗氧化活性，故紫外線輻射殺菌處理可用于提高食品營養價值，延長貨架期。González-Aguilar等[44]研究了不同紫外線照射時間對鮮切芒果5 ℃冷藏情況下的影響，研究發現紫外線輻照提高了鮮切芒果的抗氧化能力，但其內的維生素C含量會隨貯藏時間的延長而降低。Wang等[45]將鮮切蓮藕分別進行1、5、10、20和40 min的紫外線輻照，并將紫外線輻照后的鮮切蓮藕置于4 ℃冷藏保存8 d，發現1.5～3 kJ/m2強度的紫外線對鮮切蓮藕的褐變度具有顯著的抑制作用，可提高鮮切蓮藕的品質。綜上所述，紫外線殺菌技術可有效抑制冷鏈過程中生鮮食品微生物的生長，提高鮮切果蔬的抗氧化能力，延長貨架期。

2.4 紫外線殺菌技術對冷鏈過程中食品外包裝消毒的有效性及應用現狀

紫外線殺菌技術可用于對空氣、物體表面、水等介質的滅菌和消毒[46]。15 W紫外線在移動的包裝材料上方20 mm處進行垂直照射，完全滅活0～10個/cm2的細菌僅需4.8 s，完全滅活100 個/cm2的細菌僅需5.6 s[47]。此外，紫外線殺菌技術也廣泛應用于冷庫、冰箱等食品低溫貯藏的場所，如搭載異形紫外線殺菌消毒燈的冰箱，可對水、空氣和物品表面等進行殺菌消毒[48]。在冷庫中常用0.33～3 W/m3紫外光連續照射6 h以達到殺滅微生物的作用[49]。紫外線殺菌技術的應用限制主要集中在兩方面，一個是紫外線波長對人的危害，一個是紫外線引起的食品有機分子結構破壞。Buonanno等[50]研究發現不管細菌的耐藥性如何，在200～222 nm波長范圍內的遠紫外線均可以有效殺死細菌，并且不會對人產生與常規殺菌紫外線照射相關的皮膚損傷效應。遠紫外線燈可能被證明是對總有人在的空間進行消毒的理想選擇[51]。由于紫外線的穿透力低，需要更高的劑量來處理大面積的食品，長時間暴露在紫外線下會影響食物的質量，因此，紫外線的照射劑量和暴露時間還需進一步優化[52]，以防止食品有機分子結構被破壞而造成的食品脂肪氧化、維生素損失等現象。

3 結論與展望

臭氧殺菌技術和紫外線殺菌技術對新型冠狀病毒滅活有效，且二者在生鮮食品表面及外包裝具有良好的殺菌效果，在消毒的同時還能起到延長貯藏時間的作用，可用于疫情下生鮮食品在冷鏈過程中的消毒殺菌，為疫情防控提供幫助。但由于臭氧和紫外線的物理化學特性限制，使臭氧殺菌技術和紫外線殺菌技術在疫情期間的使用具有一定的局限性，為此可從以下幾個方面進行研究：

a. 由于臭氧具有一定的毒性且易爆炸，故在生鮮食品冷鏈運輸過程中使臭氧充分覆蓋生鮮食品外包裝并加速臭氧揮發的技術有待進一步研究。

b. 紫外線波段會對人體產生不同程度的危害，紫外光用于生鮮產品低溫貯藏時會造成食品有機分子結構的破壞，故接下來的研究可針對紫外線波長、照射距離、照射強度以及紫外線設備等方面進行改進。

c. 考慮到現階段的疫情形勢，其他冷殺菌技術如輻射殺菌、超高壓殺菌等殺菌消毒技術對新型冠狀病毒的滅活作用還有待研究，進而達到切斷新型冠狀病毒傳播途徑，保證冷鏈過程中生鮮食品的安全，并有效控制疫情的目的。