發光二極管光照食品保鮮技術的應用進展及展望

董俊岑，高溯楠，陳健初

（浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江杭州 310058）

光照是影響食品儲藏過程中生理、品質變化的重要因素之一。不同于穿透性差的UV光[1]、成本高昂的脈沖光[2]以及有重金屬污染風險的低壓汞燈[3]等，可見光范圍內的LED光可以低安全隱患、高效地發揮作用。適當的LED光照有助于果蔬品質的維持，使其具有更好的耐儲性和商品性[4]。已有相關實驗證實LED光照射可以有效殺死煮熟雞肉表面[5]、哈密瓜表皮[6]、牛奶[7]、鮮切菠蘿[8]等冰箱儲存食品中存在的細菌；可以通過減緩乙烯產生速率，提高食品營養價值以及維持食品感官品質等途徑來調節食物儲藏過程中的品質變化，從而延長對應食品的儲藏期。但目前國內對于LED光照保鮮的研究還處于探索階段，相關創新性的研究、文獻綜述都鮮有報道[9?10]。本文論述了LED技術特征及在食品保鮮中的相關機理，LED運用在食品保鮮領域中存在的問題，并最后提出了LED保鮮技術在食品中應用的未來展望，為相關研究者提供參考。

1 LED技術概述

LED是一種可以直接將電轉化成光的固態半導體元件，能夠發出多種顏色的單色光[11]，同時具有電壓低、體積小、壽命長、操作簡單、成本低廉、無毒害及殘留物等優點，滿足消費者對于食品消費中安全、環保的需求[3?4]。此外，LED光質純凈，波長類型豐富，可以根據需要組合成復合光，使特定波長的光均勻照射農作物。這也正是常規照明設備不具有的功能[5?6]。因此LED光照技術近年來受到食品保鮮領域的重視[7]。

LED的發光效率很高，但是在LED發光時，在其p-n結處會產生大量熱量，從而降低其發光效率[3]。因此，對使用中的LED設備等進行及時冷卻十分關鍵。LED工作時自身的能量損失較低，且紅外輻射形式的輻射熱低，可減少熱量對食物或植物質量的不良影響，進而可以在較低溫度下有較高的工作效率并保障食品的原有質量[12?13]，這些特征均表明，LED在冷鏈運輸和低溫儲存過程中具有廣闊的應用前景和實際價值，同時在節約能源和降低成本方面具有較大的潛力，現在應該考慮如何進一步開發該技術以滿足食品工業的需求。

2 保鮮機理及應用

2.1 抑制食品表面微生物生長

Ghate等[8]研究表明LED照射可以通過光催化滅活以及光動力學滅活途徑對于食源性致病菌進行抑制。當特定波長的光照射細菌細胞時，細胞產生的內源性卟啉有助于形成導致細胞死亡的活性氧（ROS）[14]，如超氧陰離子、脂質過氧化物、羥基自由基和單態氧等。ROS可能攻擊細胞組件，如DNA、脂質和蛋白質，從而導致細菌死亡[15]。故通過該機理，LED可用于抑制食品表面的細菌生長。

目前研究人員主要通過405、460 nm藍光和520 nm綠光波段的LED光照射處理食物表面，針對蠟樣芽胞桿菌、沙門氏菌、李斯特桿菌、金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌等食源性致病菌的抑制能力進行相關研究，并證實了這些波長光的抑菌作用[16?17]。同時，基于多項LED藍光的抑菌實驗，Wang等[18]總結證明指出，在病原微生物中存在內源性的光敏發色團，而400～470 nm的藍光能針對這類微生物發揮明顯的滅活功效。

LED抑制微生物生長的作用機制首先被運用到鮮切水果保鮮中。Kim等[19]為解決鮮切水果易受溫度波動而引起微生物生長的問題，針對鮮切木瓜容易感染沙門氏菌的現象展開研究。研究人員發現，處于冷藏條件的鮮切木瓜經過405 nm波長的LED光照射36～48 h（1.3～1.7 kJ/cm2）后，木瓜表面的沙門氏菌含量出現明顯下降，相比無LED光照射以及其他溫度條件減少0.3～1.3 lg CFU/cm2（P<0.05），且不改變木瓜其他感官品質，有助于降低沙門氏菌的致病風險。該團隊進一步研究證實在低溫條件下405 nm波長的LED光對于鮮切芒果表面的O157:H7大腸桿菌、單增李斯特菌和沙門氏菌，有著相似的滅活效果[20]。此外，460 nm的LED也被證實可以運用到鮮切菠蘿的保鮮中，但對于菠蘿的顏色會有一定的影響[8]。

光照抑菌的效果同樣在一些肉制品和乳制品的保鮮研究中被證實。Li等[21]發現，在三文魚儲存和加工環境中使用405 nm波長的LED光照射可以最大限度地減少單增李斯特菌從食物接觸面到食品的交叉污染。而Kim等[5]證明用405 nm波長的LED光照射能有效地減少低溫下雞胸肉表面的腸桿菌菌落數。Srimagal等[7]證明在13.8℃恒溫培養條件下，用405 nm波長的LED光照射處理牛奶37.8 min可以獲得最佳滅菌效果和感官品質，同時顯著延長了牛奶的貨架壽命，經LED光照射處理后牛奶的貨架壽命為9 d，約為未處理對照樣品的兩倍。類似的，Hyun等[22]也發現450～470 nm的LED可通過破壞細胞膜來抑制切片奶酪包裝上的病原體。

基于以上研究發現，針對較多種類的食品LED都具有較好的滅菌效果。但也有研究表明，LED照射對于食品本身色澤會有所影響[8]，對食品中營養物質也可能存在破壞作用[23?24]。因此，在應用LED照射技術來抑制食物表面微生物生長時應在考慮食品表面細菌生長情況外，充分考慮食品中主要營養成分以及食品色澤的變化情況，探究是否能外源添加相關成分來進一步增強抑菌效果。

2.2 減緩果蔬產品乙烯產生及呼吸速率

張娜等[25]研究發現，625 nm波長的LED光照射可以有效減緩果蔬采后儲存中的呼吸強度，同時降低乙烯的生成速率。與對照組相比，實驗組的西蘭花呼吸強度及乙烯生成速率高峰都從第10 d推遲到了第15 d，有效減緩了果蔬營養消耗，增強了耐儲性。與此同時，經LED照射的西藍花呼吸強度高峰相比于未經光照的對照組減少了20.63 CO2mg·kg?1·h?1，乙烯生成速率高峰減少了0.18μL·kg?1·h?1。625 nm波長的LED光照射有效減少了果蔬對于營養物質的消耗，增強了耐儲性。Olarte等[26]發現該效應與LED照射調控植物光合作用有關，LED光照會對含葉綠素果蔬產生明顯的呼吸抑制作用，這可能是由于含葉綠素果蔬在儲藏過程中同時進行著光合作用吸收CO2而釋放O2使其呼吸作用表征速率減慢。Ma等[27]研究發現西蘭花（Brassica oleraceaL. var.italica）經紅光照射后有更好的色澤和更低的呼吸速率。

另一方面，果蔬采后保鮮過程中，呼吸速率和乙烯釋放速率直接影響了果蔬的成熟情況。尤其對于長距離運輸的食物，成熟度是儲藏品質的重要一環。在Dhakal等[28?29]的研究中表明，藍色LED光（440～450 nm）照射西紅柿，可以在延長其儲藏時間的同時增加其硬度。而與此相對的是，藍色LED光（470 nm）照射會增加草莓呼吸速率和乙烯釋放量，促進果皮脫綠和果肉軟化[30]，和此類似的是，Huang等[31]也證實了藍色、紅色及綠色LED光對于香蕉有促進成熟的效應，其中藍色效果最為明顯。

由此可見，LED光照技術可以作為一種果蔬長距離運輸中的保鮮技術，有利于產品營養成分損失減少、維持適宜的成熟度。同種類型的LED光對于不同的果蔬乙烯產生以及呼吸速率的作用效果有所差異，而不同成熟度的同種產品所需要的儲藏條件也會有所不同。需要進一步探究不同的產品適宜的LED照射條件，包括儲存溫度、處理時間和強度，以最大程度地減少各種果蔬產品的營養損失。

2.3 提高食品營養價值

光可以促進植物中各種次生代謝產物以及抗氧化物質的積累，從而有利于提高食品儲藏過程中的營養價值。其中抗氧化物質的積累對于防御因光脅迫而產生的氧化物質（ROS）具有積極作用[32]，且這些化合物的抗氧化能力通常被認為可以直接降低氧化應激或間接調節抗氧化酶的生物活性而潛在地有益于人類健康[33]?？偟膩碚f，不同波長的LED光照射有助于調節不同種類的果蔬積累有益的植物化學素，從而在儲藏中提升果蔬的營養價值[3]。

在較早期的研究中發現，將柑橘（Citrus unshiu Marc）用紅色LED光照射可以增加其類胡蘿卜素的含量[34]。Kanazawa等[30]的研究指出將草莓用綠色LED光（500～600 nm）照射可以增加其花青素的積累，其中綠色LED光照組在每天照射98μmol·m?2·s?1LED光5 min，6 d后，其花葵素糖苷含量是對照組的3.5倍。Kim等[35]研究發現，用525和630 nm波長的LED光照射未成熟的草莓3～4 d，可顯著增加草莓的花色苷含量，光照4 d比未經光照的對照高21%，比剛收獲的草莓的花色苷含量提高45%。

而在近期的研究中發現，LED照射可能是減少西蘭花（Brassica oleraceaL.var.italic）采后植物化學素下降的有效物理方法。研究發現，綠色LED光照射可以增加西蘭花的葉綠素含量，而紅色LED光和黃色LED光照射有助于增加西蘭花的酚類化合物含量。同時，綠色、紅色、黃色LED光對于西蘭花的抗壞血酸等有益抗氧化劑化合物的合成都有好處[36]。除此之外，Routray等[37]在對藍莓的研究中發現，藍光可以在較短的時間內提高藍莓中的酚類化合物含量以及單體花色苷的含量，從而具有提高其抗氧化活性的作用。Kokalj等[38]也發現藍光照射可能有助于櫻桃采后花青素的合成，從而提高櫻桃的品質。

此外，相對于LED燈單一波長的照射，多種波長按比例的混合光也對特定植物化學素的生產積累和維持表現出更好的效果。一項研究表明，與在完全紅色LED燈照射下生長的香菜相比，紅光（638 nm）與藍光（447 nm）呈5:1的光照條件可以讓香菜表現出更高的抗氧化活性[39]。一項類似的研究發現，紅色LED照射有利于大白菜和羽衣甘藍的栽培，其中全紅光照射有利于顯著提高這兩種植物中芥子油苷的含量，而紅藍光兩種光的組合照射有利于產生黃酮和多酚類物質[40]。對此，Oday等[41]提出，補充的藍光可能是通過調節苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyasa）來促進抗氧化酚類物質與類黃酮的生物合成。

部分食品在LED照射后可能出現天然成分分解等質量下降問題。Mana等[23]發現食品中廣泛存在的天然多酚化合物在LED照射下會出現分解，如兒茶素、沒食子酸等。Liang等[24]也發現牛奶等食品中含有的天然成分核黃素會在藍光照射下出現被細菌吸收的情況。

基于以上研究發現，LED照射對于不同食品的作用效果有所不同，在促進某些食品營養物質積累的同時可能不利于其他種類食品的儲存。因此，將LED光照作為促進食品營養物質積累的手段仍然存在一定風險。由于目前對于LED光照促進營養物質合成的分子機理研究較為缺乏，從而無法有針對性地調控LED波長，進而控制特定的營養成分合成而避免其余營養物質的損失。未來的研究需要側重LED照射對營養物質合成分子層面上的影響，從而為LED光照保鮮提供更多的可能性。

2.4 維持食品感官品質

食品保鮮過程中，如何維持感官品質也是決定儲藏時間的重要一環，而一些科學家發現合理的LED光照射恰能實現這個目標。一項研究發現，通過LED照射可以顯著提高火雞肉、牛肉等零售肉的顏色保持時間以及維持更適宜的內外溫度[42]。Yan等[43]發現低強度LED白色光照射采后小白菜可以上調與光合作用相關基因的表達，激活光合作用，誘導芥子油苷和葉綠素等植物化學素的生物合成，進而延緩衰老過程。照射過程中，維持小白菜葉綠素水平可以延遲采后保鮮過程中小白菜在感官質量層面的下降，而合成的芥子油苷可以帶給小白菜額外的微生物與昆蟲抗性。Lee等[44]發現紅色LED燈照射處理可以使白菜維持更高的水分含量，進而維持口感；Muneer等[45]也發現類似的結果，其通過對不同波長照射下葉片水壓的變化發現，藍光LED燈照射可能具有加強蒸騰作用的效果，進而導致保鮮期間水分的流失。因此，在選擇適宜波長的LED燈來指導生產實踐時，應當同時考慮對應波長是否會影響食品的感官品質等因素，以保障食品保鮮后仍能加工出符合預期的產品。

綜合以上研究，LED光照可以對食品從抑制微生物生長、調節乙烯釋放和呼吸速率、營養成分的積累以及感官品質的維持方面進行保鮮。常見食品LED光照保鮮作用機理參見表1。

表1 LED光照食品保鮮對象及作用機理Table 1 Objects and mechanism of LED illumination food preservation

3 問題及發展

3.1 存在問題

3.1.1 增加植物營養物質積累機制有待進一步深入研究 LED光雖然已經被證實對果蔬的營養物質維持或積累有明顯的促進作用，且不同食物的不同營養物質分別有對應的最適波長，但該現象在分子遺傳層面等作用機理的相關研究仍相對欠缺。Thwe等[48]發現豆芽中的FtPAL和FtF3'H基因在芽苗暴露于LED燈照射2 d后，觀察到最高的轉錄水平；Liu等[49]研究發現不同光處理下，類黃酮含量與基因表達之間存在顯著相關性，LED光照可能參與調節編碼這些酶的基因，這有助于通過LED燈開發出富含抗氧化等代謝產物的新型蔬菜。基于此，更多的分子生物學、生物信息學等手段，如基因組學、蛋白質組學、代謝組學也應當被用于探究多種植物營養物質的積累機制，來進一步擴展研究和生產。

3.1.2 對于真菌的作用機理研究缺乏 現有LED光殺菌效果的研究對象多是常見食源性致病細菌，但對另一大食品污染源——真菌的研究較少，事實上，在食品保存過程中，如何采取合理、有效、針對性強的方法來延緩食品變質以及病原體的侵害一直是農業與食品科學家面臨的重大挑戰。Liao等[50]通過對柑橘、甜橙體外真菌研究后發現，藍光照射可有效抑制這類水果表面三種真菌的菌絲體生長，進而可能有助于抑制果實腐爛，機理可能是藍光照射刺激加強宿主防御反應。

但是，目前針對真菌抑制作用的研究[51]仍局限于水果，且對于食品、光波長照射以及病原體之間相互作用的機理也僅限于假設推論。因此，加強對于其他種類食物的真菌污染抑制作用機理的研究將使LED光在殺菌方面的功能更加完善，同時也更具有現實意義。

3.1.3 研究對象局限性 目前，大部分LED光照食品保鮮相關研究都圍繞果蔬儲藏展開，但是對于其他種類食物儲藏過程中的作用研究非常局限。而要將LED光照保鮮技術運用到日常生活中，非果蔬類食品的保鮮研究是不可或缺的一環。同時，在探究LED燈對次生代謝產物光合作用調節的相關實驗指出，除去LED燈的波長外，植物化學物質種類、光的強度、光的周期等因素也會對植物的生長產生較大的影響[39]。而目前在LED等食品保鮮儲藏的研究中對因素的控制和選擇上仍比較局限，可以進一步探究非波長因素的作用情況，更系統地優化食品保鮮過程。

3.1.4 缺乏消費者對LED光照食品接受度研究 已經有較多研究證實LED對食品品質有提高或保持作用，有部分研究涉及到了LED光照過程中對食品的色澤和營養成分損失的影響[8,23?24]。但總體而言，缺乏嚴格評估經LED光照后消費者對食品的接受度的相關研究[3]。這需要全面地對食品在使用LED光照保鮮后的感官品質進行評估，從食品的風味、色澤、口感、氣味等多方面進行考量。由于食品保鮮的最終目的在于提供營養豐富、安全且消費者接受度高的產品，對于LED光照后的食品感官評定就顯得尤為重要。未來可以通過對生活中常見的冷藏保鮮食品、果蔬產品等進行LED光照后的感官評定研究來彌補這一空缺，同時進行營養成分含量測定、有害微生物量檢測，從多方面去評估LED光照保鮮的綜合效果。

3.2 應用展望

3.2.1 建立食物保鮮光譜 考慮到LED光在食品保鮮中的明顯優勢，LED光照保鮮將是未來食品保鮮中非常重要的技術。隨著研究的深入和覆蓋面的增加，LED光保鮮波長數據庫可以被逐步建立，方便保鮮設計過程中根據不同生產需求來獲得目標食品的特定波長。如Alrifai等[41]就以不同LED波長對多種蔬菜次生代謝產物作用的相關研究為基礎，繪制了與生成抗氧化活性化學物質相關的電磁光譜圖。食品保鮮LED光譜圖的建立將大大提高該技術運用到生產中的可操作性，從而在未來提高目標保鮮食品的營養品質。

3.2.2 在家庭冷藏室和冷鏈運輸中的應用 由于LED光在低溫環境中的工作效率較高，且LED光對于部分食品的保鮮效果也在溫度較低時最好[8]，較低光強的LED光因此具有廣泛的商業用途。比如安裝在冰箱里，不僅可以起到照明作用，還可以同時提升儲藏食物的品質。同時由于LED光具有可調光的優勢，所以可以在設計冰箱和冷藏車時利用該功能，針對不同的食品提供不同的針對性光照保鮮。

3.2.3 建立多過程光控的保鮮工廠 目前，食品保鮮中調控LED燈波長等特質來優化食品保存已經取得成功，比如三文魚[21]、藍莓[24]等，具體涉及領域有延緩蔬菜衰老、增加采后食品營養等[3]。但是，實際生產應用中，食品保存以及光線照射在空間、時間等維度上都對光控環節的精度、抗干擾性等提出了復雜要求，進而建設多過程可控可調的保鮮工廠成為了新的全球發展方向[52]，例如將LED集成到電子系統中；例如通過輸入信號來調控不同LED光的組成比例和照射周期等[53]。目前，飛利浦已經在美國嘗試建設LED光源室內農場[54]，倫敦、英國等地也將多環節光控的植物工廠建設提上日程[55]。

4 結論

總的來說，LED光照保鮮具有低成本、低能耗，安全高效的優勢?，F已發現在保鮮過程中，LED光照對于果蔬等營養物質的積累以及代謝調節具有明顯作用。同時，特定波長的LED光對于食物表面病原微生物具有明顯的滅活效果，但是對于其分子遺傳層面作用機制以及對更多食品及結合最佳波長下的光強度、光周期缺乏進一步的研究，可以進一步加強基因組學、蛋白質組學、代謝組學等新興技術在該領域的運用以及更系統地分析LED燈非波長因素的作用效果。最后，建立LED光照保鮮光譜、普及LED于冷鏈運輸和建立多過程光控的保鮮工廠可能是未來應用的重要方向。