脈沖強光殺菌技術在飲料包裝領域的應用研究

陸健鋒 周衛林 楊亞軍

安全是消費者選擇食品的第一要素，傳統的熱殺菌給食品帶來了很高的安全系數，但也破壞了其中的營養成分，因此，脈沖強光、超高壓技術、電子束、脈沖電場等“冷”殺菌技術引起了越來越多的關注。早在2014年，江蘇新美星包裝機械股份有限公司就創新研發出國內第一代電子束滅菌（EDS）設備，并投入商業化運行，成為中國第一家、全球第二家將EDS 技術成功應用到PET瓶裝飲品的液體包裝解決方案供應商。時至今日，新美星可以為海內外客戶提供各種安全、高效、節能、環保、經濟的殺菌技術，降低能源消耗，更好地保護了生態環境。本文主要介紹脈沖強光在飲料包裝材料上的殺菌成效，與業界同仁共享、共勉，共同推動行業技術的升級迭代。

1 介紹

脈沖強光是一種能在極短時間內（數十至數百微秒），以光輻射形式釋放出高能量，由此產生極高峰值功率的光能[1]。其特點在于：

（1）在短時間內突變，又迅速返回初始值的脈沖過程。

（2）與UV殺菌相比，具有更寬泛的光譜。

（3）能量高，光強度相當于地表太陽光強度的數千乃至數萬倍。

（4）燈管內充填物是無污染的惰性氣體— 氙氣。

脈沖強光燈輸出的光譜取決于電流密度，當電流密度從幾十A/cm2增加到幾千A/cm2，紫外光譜強度比紅外光譜增加得快，在低電流密度時，色溫為5000K，而在高電流密度下達10000K。通常脈沖強光燈效率為60%，也就是說輸入電能的60%能夠轉換成200 ～1000nm 的光能[2]。脈沖強光燈效率與充入氣體的壓強、電流密度和電路設計有關，電流密度增加, 其總效率會增加,充入氣體壓強增加, 總效率也會增加，直到飽和點。脈沖強光燈將電能轉化為光能時會有熱能的釋放，因此需要對釋放的熱能進行合理冷卻。脈沖強光燈的冷卻系統分為自然冷卻、強迫空冷以及水冷。

脈沖強光的殺菌機理分為三方面。

首先是光化學作用。紫外線照射微生物時，核酸物質(DNA、RNA)中的胸腺嘧啶、胞嘧啶之間將會發生光化學反應，生成CPD 或PP 二聚物，使微生物核酸物質受損，阻礙DNA 復制與轉錄而造成細胞死亡，并可能引起細胞變異。除紫外光譜段，其他光譜段起到協同殺菌作用[3]。

其次是光熱學作用。當每平方厘米面積上的峰值功率達到103W 以上時，在物體表面或水中的微生物將被加熱到＞100℃，因時間極短，微生物無法正常降溫，導致細胞內水分汽化，形成小的蒸汽流，撐破細胞膜而死亡。

最后是脈沖作用。脈沖強光的瞬時沖擊導致微生物的細胞壁和其他細胞成分的損壞，抑制或破壞酶的活性，從而對細菌產生致死作用。1996 年美國食品藥品管理局(FDA)批準脈沖光在食品消毒領域的應用[4]。

G. Pataro 等[5]人使用脈沖強光技術對蘋果汁、橙汁進行殺菌試驗，結果發現4J/cm2處理后，蘋果汁和橙汁中的大腸桿菌下降4Log 和2.9Log，李斯特菌分別下降2.98Log 和0.93Log，同時檢測到兩種細菌菌株存在細胞損傷，從而證實膜損傷是脈沖強光滅活細菌的重要原因。脈沖強光技術應用于大棗、枸杞、干果、檳榔、蔬菜水果[6]保鮮等各類固體物料表面的連續殺菌處理，也應用于乳品、飲料、醫藥等行業的包裝材料表面在線殺菌。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

材 料： PET 片（2.5×2.5cm） PET 瓶坯 PET 空瓶（380mL） HDPE 瓶蓋（28 口）

指示菌：萎縮芽孢桿菌ATCC9372 中國工業微生物菌種保藏管理中心

培養基：大豆酪蛋白消化物培養基 青島高科技工業園海博生物技術有限公司

氯化鈉：分析純 國藥集團化學試劑有限公司

吐溫20：分析純 國藥集團化學試劑有限公司

無菌取樣袋：EPR-3070 EPR - 4590 EPR -7012 Labplas 公司

脈沖強光裝置：PE50-C 上海帕乇真空技術有限公司

電熱式壓力蒸汽滅菌器：XFH-50CA 浙江新豐醫療器械有限公司

超凈工作臺：SW-CJ-1D 蘇州凈化設備有限公司

隔水式電熱恒溫培養箱：GNP-9160BS-Ⅲ 上海新苗醫療器械制造有限公司

電熱恒溫鼓風干燥箱：101-A 上海尚儀儀器設備有限公司

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品準備與接種

（1）PET片、瓶坯、空瓶、瓶蓋使用75%的酒精浸泡30min，再使用無菌水沖洗后放置于50℃烘箱中進行干燥。

（2）配置107CFU/mL菌懸液，將100μL的菌液接種于PET片表面。

（3）配置105CFU/mL菌懸液，將10μL的菌液接種于瓶坯底部、瓶坯內側壁。

（4）配置105CFU/mL菌懸液，將10μL的菌液接種于空瓶的瓶口、瓶頸、瓶身、瓶底、瓶底邊緣。

（5）配置105CFU/mL菌懸液，將100μL的菌液接種于瓶蓋底部、側壁。

2.2.2 樣品殺菌與處理

（1）將PET片置于脈沖強光燈，開啟設備，分別經1、 2、 3、 4、 5、 6 、7次脈沖照射。

（2）將瓶坯置于脈沖強光燈，開啟設備，經3次脈沖照射。

（3）將空瓶置于脈沖強光燈，開啟設備，瓶口經3次脈沖照射，其余經6次脈沖照射。

（4）將瓶蓋置于脈沖強光燈，開啟設備，經3次脈沖照射。

（5）上述滅菌后的樣品用100mL洗脫液在無菌袋中洗脫，分別稀釋不同梯度后，涂布到平板上，經培養后形成肉眼可見的菌落，采用平面菌落計數法

進行統計。

2.2.3 數據計算

殺菌效率SE=Log(N0殺菌前菌落數)-Log(N 殺菌后菌落數)

3 結果與分析

3.1 脈沖強光在PET 表面的殺菌效率

脈沖強光的殺菌效率與照射距離、照射次數、細菌種類、物體表面粗糙度、照射角度等因素相關，通常情況下，菌種對脈沖強光敏感性排序如下：革蘭氏陰性菌＞革蘭氏陽性菌＞真菌孢子＞細菌孢子，并且真菌孢子的顏色在抵抗脈沖強光殺菌過程中可以起到保護作用，這是因為細胞壁中存在深色顏料（比如黑色）吸收了更多的UV-C 光，從而保護DNA 免受紫外線照射引起的損傷[7]。本實驗選用萎縮芽孢桿菌作為測試菌種。脈沖強光的穿透率比較低，指示菌的接種方法會影響測試結果的準確性。McDonald 等人用2μL 萎縮芽孢桿菌懸浮液進行點接種，菌懸液每滴濃度為101至106cfu。測試結果表明，當每滴濃度＞105cfu 時，脈沖強光殺菌效率發生改變[8]。這是因為高濃度的菌懸液在干燥之后形成菌族，上面一層的菌對下層的菌起到了保護作用，因此本實驗接種后不會采用自然干燥，這樣有利于提高殺菌效果。在實際應用中，滅菌前可以增加水沖洗步驟，有效去除包裝容器內的異物。如果被消毒物體的表面粗糙度過高，光線不會發生反射，并且細菌有可能隱藏在陰影處，從而導致殺菌效率下降。

如圖1 所示，在同等距離條件下，增加脈沖次數，當劑量增加到4.09 J/cm2，對PET 表面的殺菌效率可以達到6.26 Log，因此設備研發過程中，如果受距離限制，可以通過增加脈沖次數來提高殺菌效率。

3.2 脈沖強光在瓶坯內表面的殺菌效率

如圖2 所示，瓶坯放置于脈沖強光燈下方5cm 處，經3 次脈沖強光照射，TS1（瓶坯內側壁）殺菌效率為0.03±0.01 Log，TS2（瓶坯內底部）殺菌效率為0.07±0.02 Log。由于瓶坯形狀狹長，沒有足夠的光線進入瓶坯內部，導致TS1 和TS2 殺菌強度很弱。TS2 垂直于光線，雖然比TS1 距離光源更遠，但殺菌強度更大，說明殺菌效果與照射角度也有關系。如果只是把光源放置于瓶坯上方，對瓶坯內部很難起到殺菌作用，因此需要借助一些輔助光學工具，如反射板、透鏡等來優化光的線路，從而達到理想的殺菌強度。

圖2

3.3 脈沖強光在空瓶內表面的殺菌效率

如圖3 所示，空瓶放置于脈沖強光燈下方5cm 處，TS1（瓶口內壁）經3 次脈沖強光照射，TS2（瓶頸內壁）、TS3（瓶身內壁）、TS4（瓶內底部）、TS5（瓶內底邊緣）經6 次脈沖強光照射。TS1 殺菌效率為2.55±0.05 Log，TS2、TS3、TS4、TS5 殺菌效率為0 Log。結果表明，光源放置于空瓶上方對空瓶內部（除瓶口外）沒有殺菌效果，這是因為從瓶口進入瓶內的光線很少，不足以提供足夠的能量殺滅細菌，需要優化光源設計，比如使用棒狀燈管，伸入空瓶內部進行發光殺菌。

圖3

3.4 脈沖強光在瓶蓋內表面的殺菌效率

如圖4 所示，瓶蓋放置于脈沖強光燈下方5cm 處，經3 次脈沖強光照射，TS1（瓶蓋內底部）殺菌效率為3.46±0.05 Log，TS2（瓶蓋內側壁）殺菌效率為1.98±0.05 Log。TS1 照射角度優于TS2，因此TS1 殺菌效果比TS2好。從光線傳播角度分析，瓶蓋很多地方是無法照射到的，這些地方被稱為“陰影”[9]，比如防盜環里面、螺紋L 角，這些地方都是殺菌“死角”。某種情況下脈沖強光對于瓶蓋可以達到6log 的殺菌強度，但這不代表可以達到無菌狀態，需要進行更多優化才能滿足無菌要求。

圖4

4 結論

脈沖強光是一項快速并且對環境友好的殺菌技術，目前應用到水處理、空氣殺菌、食品加工、制藥、農副產品等眾多領域，經過合理的結構設計優化，在飲料包裝材料消毒滅菌領域一定會取得理想的殺菌效果。