脈沖強光殺菌機制及其在肉類食品中作用效果的研究進展

謝艷英，安格爾，包璐瑩，黃志博，夏秀芳

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030)

肉類食品不僅是消費者重要的營養物質來源，同時豐富的營養素也是微生物生長繁殖的良好培養基。當肉及肉制品的加工技術和貯藏方法不合理時，極易引起微生物的污染而導致其失去原有的營養價值，甚至會產生毒素，因此殺菌技術在提高肉類食品的營養價值和保證其安全性等方面至關重要。熱殺菌方法滅菌效果明顯，但是對食品的營養物質破壞較大[1]。而非熱殺菌技術除了高滅菌率、又能減少營養損失、保持原有的品質[2]。其中脈沖強光技術是近幾年廣泛應用到肉類食品中的殺菌技術。

脈沖強光(pulsed light, PL)是利用惰性氣體閃光燈在紫外光、可見光和紅外光的頻率范圍內(200～1100 nm)產生短時間、高功率的強廣譜脈沖光輻射，實現對微生物的滅活，又被稱為高強度脈沖紫外光、強光脈沖、寬光譜白光等[3]。此技術對食品中污染微生物具有滅菌速度快、反應條件溫和及無殘留等特點[4]，已被廣泛應用于未包裝或包裝后食品的表面殺菌[5]。同時，由于PL對食品中常見的沙門氏菌、大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌及金黃色葡萄球菌等病原微生物的滅活效果好[6]，并且對溫度、pH等外部因素要求較低[7]，因此被廣泛應用于肉類食品的殺菌。

1 脈沖強光技術

1.1 脈沖強光技術的殺菌設備及工作流程

PL殺菌設備由動力裝置、處理裝置、控制裝置等三部分組成，如圖1所示[8]。用于實驗室研究和工業化殺菌的PL設備基本構造相同，僅在設備大小和相關參數(如電壓、功率等)有所區別。以寧波中物光電殺菌技術有限公司生產的PL為例，實驗室所用PL大小為600 mm×1200 mm×400 mm、電壓為220 V、額定功率為1 kW；用于工業化殺菌的PL典型尺寸為1500 mm×1800 mm×800 mm，電壓為380 V，額定功率為4～20 kW。工業化PL設備可根據生產線加工速度、進料方式、安裝空間及殺菌效果等設定相關參數，以便實現連續化生產。在殺菌設備中，動力裝置主要完成交流電向直流電的轉換、電壓的儲備、脈沖的形成及電能的瞬間釋放等[9]；處理室中一般包含閃光燈、樣品架、石英窗等材料裝置，處理時由閃光燈釋放的不同波長的脈沖光線經過石英窗的選通作用照射到樣品表面，進而對樣品進行有效殺菌。

圖1 脈沖強光殺菌處理的簡易裝置Fig.1 A simple device for pulse light sterilization

PL處理過程首先是將低功率低電壓的交流電經過高壓轉換，形成高壓直流電，然后傳輸到儲存電容器內。當電容器內的電壓累積到一定數值后，經過瞬時的脈沖高壓放電將電能輸送給惰性氣體(主要是氙氣[10])閃光燈。最后閃光燈將高功率的電脈沖轉換成瞬時高能量的光輻射，作用于樣品表面[11]。而微生物由于吸收光能(特別是紫外光)，造成自身結構的破壞和損傷，最終導致其死亡[12]。

1.2 脈沖強光技術的殺菌機制

與連續的紫外光破壞DNA使微生物代謝紊亂而失活的殺菌機制不同[12]，PL殺菌過程主要是通過光輻射作用于樣品表面而產生的光化學效應[13]，光物理效應和光熱效應[14]，以及三個效應的協同作用實現對微生物的徹底滅活(圖2)。

圖2 脈沖強光的殺菌機制Fig.2 Sterilization mechanism of pulsed strong light

光化學效應：微生物細胞內的生物大分子物質吸收脈沖光后，合成嘧啶二聚體(主要是胸腺嘧啶二聚體)，阻礙微生物細胞中DNA的自我復制[15]；同時光輻射可破壞微生物細胞內蛋白酶的化學和空間結構，喪失特定酶的活性[16]，實現對微生物的徹底滅活。

光物理效應：脈沖強光作用于微生物時，可造成其細胞結構性損傷、使細胞的完整性喪失、細胞通透性增加，致使微生物死亡，實現滅活效果[17]。

光熱效應：當微生物吸收瞬時高能量的脈沖光時，其表面產生瞬間過熱現象，破壞細胞結構，并造成細胞內容物泄露，最終導致細胞死亡[18]。PL對微生物的滅活除上述效應外，脈沖強光發揮殺菌作用時產生的臭氧也會使微生物被永久性的破壞，從而增加微生物的滅活率[19]。

1.3 脈沖強光殺菌效果的影響因素

PL的滅菌效果主要受到處理設備的工藝參數(如光譜范圍、脈沖劑量、處理時間等)、微生物特性(如菌株種類、污染程度、生長階段等)和食品基質(如表面光滑度、疏水性、內部微觀結構的致密性等)的影響。

對PPG信號進行周期分割的前提是，確定每個脈搏波的A點。PPG信號的二階導函數稱為加速度容積脈搏波（Acceleration Plethysmogram，APG），簡稱APG信號[17]。如圖3所示，APG信號中最早出現的正向波稱為a波，a波波峰對應PPG信號的A點[18-20]。相比PPG信號的A點，a波波峰更尖銳，特征更明顯。本文通過自適應閾值法，對APG信號的a波波峰進行識別，以確定A點。

1.3.1 PL的殺菌參數 脈沖強光的光譜范圍(λ取值范圍在200～1100 nm之間)與微生物的滅菌率有著密切的關系。其中紫外線區(λ=200～400 nm)對微生物的滅活起著主要作用，尤其是UV-C(λ=200～280 nm)的占比越高殺菌效果越明顯[20]。如當λ=180～1100 nm脈沖光處理單核細胞增生李斯特菌時，發現其菌落數減少了4.08 log CFU/mL，然而當從中去除λ<400 nm的紫外光譜時，滅活率降低了59.8%[21]。

1.3.2 脈沖劑量和處理時間 脈沖劑量越大，處理時間越長，滅菌效果就越明顯。如較高脈沖劑量(0.525 J/cm2)比較低低劑量(0.175 J/cm2)使得單細胞增生李斯特菌的滅活率增加了65.9%[22]。45 s的脈沖處理對沙門氏菌的滅活率比5 s提高了28.7%[23]。除此之外，PL處理對微生物的滅菌率與脈沖距離成反比。但是相對于脈沖劑量和處理時間，照射距離對滅菌效果的影響較小[24]。

1.3.3 微生物種類 肉類食品中受污染微生物的基本特性、菌落特征、濃度直接影響PL的處理效果。相比于較小的、革蘭氏陽性菌、內生孢子菌、分生孢子菌等微生物，PL對較大的細菌、革蘭氏陰性菌、營養型細菌、內生孢子更具殺傷力[25]。如單核細胞增生李斯特菌株對脈沖處理的抗性更大，而熒光菌株、沙門氏菌和大腸桿菌抗性較弱[26]。

1.3.4 食品基質 PL的滅菌效果與食品表面的光滑度及蛋白質等營養物質的疏水性密切相關。食品表面越光滑、親水性越高，越有利于PL滅活食品表面的微生物[27]。同時，食品包裝材料、食品中的雜質、食品顆粒大小[28]等可以通過改變脈沖光線在肉制品表面的漫反射和鏡面反射程度而影響PL的殺菌效果[29]。其中，脈沖強光處理對肉類食品中相關微生物的滅活效果如表1所示。

表1 PL處理對微生物滅活的效果Table 1 Effects of PL treatment on microbial inactivation

2 脈沖強光對肉類食品中病原微生物的殺菌效果

沙門氏菌、單核細胞增生李斯特菌及大腸桿菌屬于桿狀菌，并且在高營養基質中都具有莢膜，是畜禽和魚類等肉制品中常見的食源性病源微生物，可使人體產生發熱、組織感染及腹瀉等不良癥狀。脈沖強光作為一種可在短時間內滅活病原微生物和腐敗微生物的新技術，與連續的UV-C輻射相比，其對單核細胞增生李斯特菌和大腸桿菌的滅活效率更高[4]。目前，脈沖強光技術已廣泛用于畜禽、魚肉及其產品中腐敗菌和病原微生物的滅活，它可以有效降低由食源性表面病原體引起的公共健康風險、延長易腐爛食品的保質期，并提高易腐爛食品分發過程中的產量或經濟性[37]。

2.1 脈沖強光對肉類食品中沙門氏菌滅活效果

PL對肉類食品中沙門氏菌的滅活率會隨著脈沖劑量的增加而增加。其中在較低劑量的脈沖處理中，脈沖劑量與殺菌率成正比。如當利用11.9 J/cm2的脈沖劑量處理生牛肉、干腌豬腰肉和干腌香腸時，樣品表面的鼠寒沙門氏菌的滅活效果與0.7 J/cm2的脈沖處理相比時，其滅菌率分別增加了15.5%[34]、17.7%和17.4%[38]、雞腿肉表面沙門氏菌分別用1.27和0.46 J/cm2的單脈沖劑量處理后，滅菌率增加了11.0%[37]。但是與上述結果具有差異的是，當以1.25和1.117 J/cm2脈沖強光處理雞胸肉時，其表面沙門氏菌的滅活率降低了60.0%[39]，猜測造成該現象的原因可能與株型濃度或個人操作差異有關。

除了脈沖劑量外，滅菌速率因肉種類的不同又有所差異。如0.64 J/cm2的單脈沖處理使得豬皮表面沙門氏菌的滅菌率比里脊肉高68.79%。同樣地，4.2 J/cm2的脈沖劑量處理使得干腌香腸表面鼠傷寒沙門氏菌的滅活率比干腌豬腰肉的高1.7%[25]。較高的滅菌率可能與食品基質表面的光滑度和疏水性有關，但是值得注意的是，該脈沖處理可能導致了沙門氏菌以亞致死狀態存在于基質中，該現象在一定程度上限制了脈沖強光殺菌技術的應用。

2.2 脈沖強光對肉類食品中單核細胞增生李斯特菌滅活效果

脈沖強光對肉類食品中單核細胞增生李斯特菌的滅活效果與脈沖劑量和處理時間直接相關。一般情況下，滅菌率隨著脈沖劑量和處理時間的增加而增加，但是高劑量下該菌的滅活率增加效果并不明顯，如與0.7 J/cm2的脈沖劑量處理相比時，2.1、4.2、8.4 J/cm2的脈沖處理使金槍魚表面的單核細胞增生李斯特菌滅活率分別增加7.3%、10.9%、18.0%。然而當劑量增加到11.9 J/cm2時，滅菌率并沒有顯著增加[36]、冷熏鮭魚表面的單核細胞增生李斯特菌利用3.6 J/cm2的單脈沖處理時，其滅活率比1.2 J/cm2的脈沖處理增加41.7%，而當脈沖劑量增加到10.8 J/cm2時，其菌落減少量并無增多[40]、并且隨著處理時間由15 s延長到60 s，三文魚表面的單核細胞增生李斯特菌的滅活率從6.2%增加到17%[41]。

除上述因素外，肉類表面的光滑度、物質結構疏水性及微觀結構的分布，也影響著脈沖處理的效果。如1.75 mJ/cm2的脈沖光處理使對蝦、鮭魚和比目魚魚片表面的單核細胞增生李斯特菌分別減少了約2.2、1.9和1.7 log CFU/g[34]，而利用0.20 J/cm2的脈沖處理卻使鯰魚片中的菌落數減少1.5 log CFU/g[42]、利用8.4 J/cm2的脈沖劑量處理即食熟肉制品時發現，熟制火腿表面的單核細胞增生李斯特菌減少了1.78 log CFU/cm2，而在博洛尼亞香腸中僅減少了1.11 log CFU/cm2[43]、1.2 J/cm2的脈沖劑量則使兩種不同腸衣的法蘭克福香腸(羊腸衣和膠原蛋白腸衣)表面菌落分別減少3.65和4.75 log CFU/g[32]、當以9.4 J/cm2的劑量處理無腸衣包裹的維也納香腸時，其表面的單核細胞增生李斯特菌僅減少1.37 log CFU/g[44]。

2.3 脈沖強光對肉類食品中大腸桿菌滅活效果

肉類表面大腸桿菌的滅活效果與劑量相關，如當利用1.27 J/cm2的單脈沖劑量處理生雞腿肉時發現，大腸桿菌減少了2.02 CFU/cm2，與0.46 J/cm2的脈沖處理效果相比滅菌率增加14.5%[33]。還有研究發現，發酵薩拉米香腸利用3 J/cm2的單脈沖處理可以使其表面上大腸桿菌減少2.29 log CFU/g，滅活率達到30.5%，但是當進一步增加脈沖處理的劑量時并沒有增加微生物的失活水平[35]。除此之外，大腸桿菌的滅活率會隨著時間的延長而增加，并且30 s與15 s的脈沖處理相比，三文魚表面大腸桿菌的滅菌率增加32%[41]，雞腿肉在相同脈沖劑量下分別處理5和45 s后，大腸桿菌的滅菌率增加25%[23]。

2.4 脈沖強光對肉類食品中其他菌滅活效果

除了上述病源微生物以外，肉類中其他類微生物(如細菌、霉菌及酵母等)的存在嚴重威脅著產品的食用安全性和貨架期。利用脈沖強光處理也可以實現對該類腐敗菌的有效滅活，在一定程度上起到了食品保鮮保質的作用。脈沖劑量同樣對微生物滅活有影響，如1.27和0.46 J/cm2的單脈沖劑量處理生雞腿肉時發現，彎曲桿菌分別減少了2.09和1.78 log CFU/cm2[39]、經過3和10 J/cm2劑量的脈沖強光處理后，豬肉表面的熒光假單胞菌減少量分別為0.8和1.5 log CFU/g，滅活率分別為16%和30%[45]。

并且菌落的種類和密度也與滅菌率有關，如利用8 J/cm2的脈沖能量處理干腌肉時，其表面微球菌和葡萄球菌的數量下降了2.39 log CFU/g，霉菌和酵母的數量下降了1.17 log CFU/g，大腸桿菌全部滅活[31]。而菌落密度過大會引起所謂的“拖尾效應”[46]，該效應使得微生物的滅活曲線呈現S型，即當滅菌速率達到峰值后，此時隨著劑量的增加，滅菌率明顯下降甚至為0。除此之外還發現，微生物在發酵香腸中的存活時間與PL處理之間的間隔越長，該過程的致死性越低。如在發酵的薩拉米香腸切片表面微生物接種后60 s內進行單脈沖PL處理與間隔時間延長至30 min相比，滅菌率增加50%[47]。

2.5 脈沖強光對肉類包裝材料表面微生物的滅活效果

除了上述對原料肉表面微生物進行直接殺菌外，脈沖強光也可以透過包裝材料實現對肉類及其包裝材料表面的殺菌，其中該滅菌率與包裝材料的粗糙度、反射率和厚度成反比。如以8 J/cm2的脈沖劑量處理試驗材料表面的單核細胞增生李斯特菌時，其中在粗糙度最高的聚乙烯涂層的鋁箔紙板層壓板(EP)表面滅菌率最低，為43.75%，而在粗糙度最低的低密度聚乙烯(LDPE)表面滅菌率最高，為90.0%[48]。這是由于粗糙度較高且內含層壓板的材料直接阻止了脈沖強光與微生物的接觸，造成“陰影效應”降低了殺菌率。同時他們還觀察到包裝材料由于過分粗糙而使其自身產生的較高的鏡面反射或不規則的漫反射(如MET，EP和TR)導致了滅菌率的降低。該現象與Wooding等[49]提出的具有高反射率的表面可能會降低接種物的光吸收并導致滅活效果差的觀點一致。但是僅依據反射率并不能推測出脈沖強光的殺菌效果[50]。

除此之外，滅菌率還與包裝材料的微觀結構相關，如6 J/cm2的脈沖劑量使鋁板和聚氯乙烯-25材料上的大腸桿菌(4 log CFU/cm2)完全失活，與其他材料相比，脈沖處理對聚苯乙烯表面殺菌效果最差，這可能是聚苯乙烯表面的多孔性造成了微生物遮蔽效應[30]。同時脈沖強光的滅菌率也與包裝材料的透光率有關，透光率越高殺菌效果越明顯[47]，如用0.406 J/cm2的UV-C處理后，用透光率最高的聚乙烯膜(76%)包裝的博洛尼亞牛肉表面的大腸桿菌K-12的滅活率最高(1.48 log CFU/g)[51]。

3 脈沖強光處理對肉類品質的影響

3.1 色澤

脈沖強光處理后，通常會造成肉類食品的紅度(a*)和黃度(b*)值減小及亮度值(L*)增加，使肉色出現輕度的發白和失紅現象。其中色澤的變化程度與脈沖劑量有直接關系，如3.4和11.9 J/cm2劑量的脈沖強光處理使牛肉片分別a值降低1.9和6.4[48]、0.7 J/cm2脈沖處理對金槍魚L值無明顯變化，當劑量大于8.4 J/cm2時L值顯著增加(由55.4升高到61.3)[34]、豬肉用9.66和17 J/cm2劑量的處理b值分別出現變化不明顯和顯著下降(1.3)等[25]。而且不同種類的肉其色澤變化程度也不同，與牛肉相比，豬肉，魚肉及其他肉制品色澤較明顯，這可能與牛肉較高的肌紅蛋白含量有關。如11.9 J/cm2處理的發酵香腸，其L值顯著增加4.53，而牛肉則無明顯增加[38]、金槍魚和牛肉用8.4 J/cm2脈沖處理后a值分別降低6.4和2.4、同樣劑量處理的牛肉a*值降低量比豬肉多0.7等[48]。除此之外，脈沖強光處理后儲存天數也影響著其顏色的呈現，如豬肉在處理一周后L值減小[52]，切片火腿在處理7～14 d后L和b*值呈現下降趨勢，并且a*值有所增加。與脈沖強光處理結果不同的是，連續紫外光處理后樣品顏色并沒有發生上述波動的變化[44]。

3.2 中心溫度

利用低劑量的脈沖處理樣品時發現，其中心溫度無顯著上升，而在33.5 J/cm2的高劑量下的雞胸肉的中心溫度明顯升高[40]。與此結果相似的是，4.2和12.6 J/cm2的低脈沖劑量處理時，樣品的溫度曲線不受脈沖劑量的影響，而當使用25.2 J /cm2的劑量則會導致溫度快速升高，即在該劑量下脈沖處理10 s，切片火腿中心溫度上升6 ℃[52]，造成產品溫度的升高也限制了脈沖殺菌技術在食品中的應用。因此，在脈沖強光處理中選取合適的脈沖劑量處理(一般低于標準劑量12 J/cm2)，阻止樣品中心溫度發生顯著變化，避免脂質和蛋白質的快速氧化，進而可以在一定程度上保留樣品原有的風味和營養價值。

3.3 感官變化

脈沖強光引起肉類食品感官質量變化取決于肉的類型和脈沖強光處理的劑。較高劑量或較長時間的脈沖處理會使肉類食品產生硫磺或者蒸煮等異味，嚴重影響食品的可接受程度[29]。如17 J/cm2的脈沖使巴黎香腸和熟火腿發生感官品質(主要指氣味和風味)惡化[53]、高劑量的脈沖處理(12.81 J/cm2)會使豬肉皮和豬腰肉產生刺激性的氣味[54]，并且高劑量的脈沖處理還會影響肉類食品中蛋白質和脂質的氧化。與該研究結果類似的是，15 J/cm2的脈沖處理使發酵臘腸切片的蛋白質氧化程度顯著上升，其中與未處理的樣品相比，羰基含量增加28.0%，而30 J/cm2的脈沖處理則會使烤豬肉樣品內丙二醛含量增加了39.3%[35]。除此之外還發現，脈沖強光處理中肉質感官變化的敏感性與種類相關，如在脈沖強光處理過程中牛肉氣味變化高于豬肉[55]、熟肉和即食肉在用11.9 J/cm2劑量的脈沖處理后，幾乎沒有觀察到感官質量的顯著變化[56]，而11.9 J/cm2或者更高的脈沖劑量會使生牛肉片和金槍魚的氣味發生顯著變化，顏色變白，令人難以接受等[38]。

4 展望

脈沖強光滅活微生物具有速度快、能耗小特性，且對食品營養成分，品質破壞性小。在提高肉與肉制品的安全性及保證其營養品質等方面要優于傳統的熱殺菌技術，而且在處理過程中不添加對人體有害的化學物質，不產生有毒有害的殘留物。但在實際應用時脈沖強光處理的殺菌效果受到肌肉的組織狀態、表面光滑度、加工特性(如冷凍，腌制，烤制及成熟期長短)及參數設定的影響；而且脈沖強光技術因脈沖燈壽命短、設備及線路設計復雜等原因造成其是一個高成本的殺菌技術。

因此，可以通過增加脈沖燈紫外線含量、簡化線路提高脈沖強光技術殺菌效果、保持食品品質、降低成本，進一步推進脈沖強光技術在食品加工領域的應用。