新型綠色農產品清洗減菌技術研究進展

歷翔宇，肖更生，吳繼軍，徐玉娟，溫靖，王治同，林羨*

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118；2.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所，農業部功能食品重點實驗室，廣東省農產品加工重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東 廣州 510225）

近年來，人們對生鮮農產品需求日益增加，隨之而來的微生物安全問題也不斷出現，生鮮農產品在加工、包裝和運輸過程的任何一個環節都有可能被微生物污染，從而導致貨架期的縮短，甚至引發食源性疾病[1]。據報道，食源性疾病大多是由微生物污染引發的[2]。受污染農產品導致的食源性疫情通常涉及的致病微生物包括大腸桿菌、沙門氏菌、志賀氏菌、單核細胞增生李斯特菌、蠟樣芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌等[3]。

采收后，農產品的表面清洗是微生物控制的重要環節。用流動的清水清洗農產品，能夠有效去除表面可見的泥土及雜質，但去除微生物的效果十分有限。為了加強減菌效果，在清洗過程中經常會加入含氯殺菌劑等化學殺菌劑，此做法易造成化學殘留的風險，對人體健康存在潛在危害。考慮到食品安全問題，近年來新型綠色表面清洗減菌技術受到了研究人員的關注，在清洗的同時實現農產品表面減菌，從而減少生鮮農產品微生物安全隱患，并更好地維持食品的感官和營養品質。本文對各種新型綠色表面減菌技術的工作原理及其在食品工業上的應用進行介紹，并對各種清洗減菌技術優缺點進行比較，同時討論各技術存在的局限性和應用前景，以期為農產品表面清洗減菌技術相關研究和應用提供參考。

1 物理清洗減菌技術

物理清洗減菌技術具有無化學殘留、對農產品感官品質及營養成分影響小的特點，符合消費者對食品少添加、少殘留的需求。目前，物理清洗減菌技術主要有超聲波清洗技術和微納米氣泡清洗技術。物理清洗減菌技術對農產品的減菌效果見表1。

表1 物理清洗減菌技術對農產品的減菌效果Table 1 Bacterial reduction effects of physical cleaning and bacterial reduction technologies for agricultural products

1.1 超聲波清洗

超聲波是通過物體振動產生的聲波，其振動頻率通常大于20 kHz。超聲波主要是由具有磁致伸縮或具有壓電效應的晶體振動而產生。其中，低頻超聲波（20 kHz～100 kHz）適用于食品領域，可通過單獨或與化學消毒劑結合使用以進行農產品的清洗減菌、去除農殘，且具有環保、安全無毒等優點[11]。

1.1.1 超聲波清洗技術原理

超聲波清洗農產品以達到去除農殘和殺滅表面微生物的機理可歸因于超聲波產生的空化效應。空化效應是在均質的液體介質中形成的小氣泡（空腔）受到壓力突然下降而觸發的快速的物理現象[11]。超聲波對微生物的滅活有兩種機制，一種是空化氣泡爆炸產生巨大的液壓沖擊波和熱量，從而破壞細胞壁和細胞質膜對細胞形成物理損傷。另一種則是當空化氣泡破裂時，污染物分子和水分子一起被分解，水分子裂解產生的活性羥自由基進入細胞，與其內部成分發生反應，造成微生物細胞失活。這種羥自由基對有機污染物有強烈氧化作用，因此在減少農產品表面微生物的同時還可降解農產品表面農殘[7]。

1.1.2 超聲波清洗技術應用

超聲波作為一種清洗減菌方式對多種農產品有顯著的減菌效果。農產品、微生物種類以及操作條件都對超聲波清洗的減菌效果有所影響。超聲清洗可顯著減少卷心菜、生菜、歐芹和草莓表面的大腸桿菌，但在同樣的功率和處理時間下，減菌效果存在明顯差異[7]，這種差異的存在可能是由于農產品表面的光滑程度影響了微生物的附著能力。使用40 kHz超聲波處理萵苣，隨著處理時間的延長，其表面大腸桿菌、沙門氏菌和李斯特菌均逐漸減少直至完全滅活，并且未對其造成顏色和感官上的不良影響[6]。在一定功率范圍內，超聲功率越高，萵苣表面大腸桿菌O157：H7減少量越多[5]。與果蔬類農產品相比，超聲波技術應用于牛肚表面清洗，可使牛肚表面的微生物減菌率大幅提高，減菌量達 6.56 lg（CFU/g）[9]。

為了提高超聲波的減菌效果，不少研究者將超聲波與其他技術組合應用并獲得良好的效果。Afari等[5]發現，超聲波和電解水結合，顯著增加了電解水的氧化還原電位，但不影響游離氯濃度和pH值，可使萵苣表面大腸桿菌和沙門氏菌減少 4.4lg（CFU/g）和 4.3lg（CFU/g），顯著優于單獨使用超聲波的減菌效果。Seymour等[7]分別使用水、氯化水、以水為介質的超聲波清洗和以氯化水為介質的超聲波清洗萵苣，所得萵苣表面沙門氏菌的減少量分別達 0.7、1.7、1.5、2.7 lg（CFU/g），該結果也證實了超聲波可以增強洗滌劑的減菌效果。

1.2 微納米氣泡清洗

微納米氣泡是指直徑在數十微米和數十納米之間的微小氣泡，與傳統氣泡相比，具有體積小、比表面積大、在液體中停留時間長、傳質效率高、zeta電位高以及能產生羥自由基等優勢。現有的裝備主要通過加壓溶解氣體法、分散空氣法、電化學方法、超聲空化和溶液置換法等方式產生微納米氣泡[12]。近年來，作為一種高效環保的氣液相處理工藝，微納米氣泡已經廣泛應用于醫療、環境污染控制、海洋、農業和食品加工領域。

1.2.1 微納米氣泡清洗技術原理

微納米氣泡的清洗減菌作用與其高效的氣體轉移和潛在的活性氧自由基生成能力有關[13]。微納米氣泡比表面積大、氣體溶解能力強，能夠把氣體轉移到水中，形成氣泡。氣泡在破裂時產生能量和羥基自由基，從而產生殺菌作用，同時有助于對農產品表面雜質進行吸附、洗滌，起到清洗污物和清除附著在農產品表面微生物的作用[14]。

1.2.2 微納米氣泡清洗技術應用

Lee等[15]分別使用微納米氣泡、臭氧及二者協同作用處理板栗，結果發現，微納米氣泡清洗可明顯減少板栗表面微生物，進而減緩板栗在貯藏過程的腐爛。而微納米氣泡和微納米氣泡結合臭氧協同處理對板栗表面微生物的抑菌效果明顯優于單獨使用臭氧處理組，其原因與微納米氣泡對氣體溶解力強，從而提高了氣體在應用過程的穩定性有關。因此，微納米氣泡清洗在使用過程中通常協同一些殺菌劑，以提高單一處理的減菌效果。例如，使用次氯酸鈉電解水結合超細微納米氣泡處理白菜樣品，可明顯減少白菜表面活菌數[10]。微納米氣泡結合二氧化碳處理鮮切蔥，可有效地降低鮮切蔥表面的菌落總數，并減緩鮮切蔥變質速度和延長保鮮期[16]。微納米氣泡結合臭氧水清洗水產品，能有效延長產品貨架期，且對水產品的肉質無明顯損傷，明顯提高臭氧的利用率[17]。

2 化學清洗減菌技術

近年來，電解水、二氧化氯、有機酸和臭氧等化學減菌處理因其減菌效率高、廣譜性強、副產物和殘留物毒性低或無毒性的優點，在食品行業中的關注度逐年上升。化學清洗減菌技術對農產品的減菌效果見表2。

表2 化學清洗減菌技術對農產品的減菌效果Table 2 Sterilization effects of different chemical cleaning and bacterial reduction technologies for agricultural products

續表2 化學清洗減菌技術對農產品的減菌效果Continue table 2 Sterilization effects of different chemical cleaning and bacterial reduction technologies for agricultural products

2.1 電解水清洗

電解水又稱電生功能水、離子水或電位水，是稀鹽溶液在電解槽內被電解，從而使其pH值、有效氯濃度（available chlorine concentration，ACC）及氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）等指標發生改變所產生的具有特殊功能的酸性（pH≤3.0）、弱酸性（pH5.0～6.5）、中性（pH7.0～8.0）和堿性（pH10.0～13.0）電解水的總稱[43]。電解槽通電后，帶負電荷的離子向陽極移動，氧化生成鹽酸、次氯酸。帶正電荷的離子向陰極移動，被還原生成氫氧化鈉。當陽極和陰極被膜隔開時，陽極富集H+產生低pH值的酸性電解水，陰極產生富集OH-的堿性電解水，當陰陽兩極不隔開時則產生弱酸性或中性電解水[44]。由于電解水具有高效廣譜的殺菌能力和低成本的運行費用，電解水滅活食源性病原體或去農殘的應用被廣泛關注。

2.1.1 電解水清洗技術原理

電解水的殺菌效果主要取決于其pH值、ORP和有效氯濃度值的大小。1）pH值：細菌生長的理想pH值為4～9，酸性電解水較低的pH值可對微生物細胞外膜造成刺激，使其主要活性成分次氯酸（HClO）進入微生物細胞，從而破壞細胞內酶并導致細胞死亡；2）ORP值：需氧細菌適宜生長的ORP范圍是200 mV～800 mV，厭氧細菌適宜生長ORP范圍是-700 mV～200 mV，而電解水高ORP（≥750mV）的特性會改變微生物細胞內電子流，破壞細胞膜，氧化細胞內的酶，導致微生物細胞死亡；3）有效氯濃度（如 HClO、Cl2和 ClO-）：HClO 是電解水中最活躍的氯，能有效破壞微生物細胞膜，并與微生物DNA和線粒體發生反應，從而導致微生物死亡[22]。Zeng等[45]研究了電解水對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌機制，發現電解水處理1 min加劇了細菌膜的通透性，導致電導率增加，以及細胞內DNA、K+和蛋白質迅速泄漏。透射電鏡結果進一步表明，電解水的抗菌機制與微生物細胞膜屏障的破壞、細胞膜通透性的改變、細胞內容物的流出和關鍵酶的失活有關。

2.1.2 電解水清洗技術應用

電解水因其操作簡單、成本低、安全且環保，現已作為次氯酸鈉消毒的新興替代品廣泛用于農產品的清洗減菌。研究表明電解水處理可顯著減少豆芽、卷心菜、牛肉、雞蛋等表面微生物且不影響農產品品質[18，22-23，25]。Puligundla 等[19]發現使用電解水清洗花椰菜苗，可使其表面的霉菌和酵母菌均大幅減少，但不損害花椰菜苗水分水平、總酚含量、1，1-二苯基-2-苦基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除活性、還原糖含量和感官特性等品質。電解水的pH值、ORP和有效氯濃度值等參數是影響其殺菌效果的重要因素。研究表明，隨著電解水pH值的降低，其對鮮切香菜表面大腸桿菌的減菌效果明顯提高[24]。電解水pH值的下降、有效氯濃度的增加可提高紅甘藍表面霉菌、酵母菌、鼠傷寒沙門氏菌的減菌效果[20]。此外，處理時間也會影響減菌效果，隨著處理時間的延長，芹菜表面需氧菌總數在7 min內從7.61 lg（CFU/g）顯著降低至2.98 lg（CFU/g）[24]。可見，電解水具有很好的殺菌能力，在適當的操作條件下不會對產品質量造成顯著影響，適用于農產品的清洗減菌。

近年來，也有研究發現電解水與其他方法結合使用可以更好地發揮減菌作用。Hao等[26]先后使用酸堿電解水清洗香菜，所得表面需氧菌和沙門氏菌減少量遠高于單一使用酸性或堿性電解水。Liu等[21]采用電解水結合溫熱處理西蘭花，顯著減少了其表面微生物，并維持了原有的品質和營養價值。

2.2 等離子體活化水清洗

等離子體是除固、液、氣物質外的第四種狀態，是由中性氣體在大氣或低壓下通過放電、電暈放電、介質阻擋放電、微波、射頻波或滑動電弧放電產生的激發或未激發的分子、原子、自由電子、具有正負電荷的離子以及自由基等的集合體[46]。等離子體活化水（plasma active water，PAW）是通過冷大氣等離子體（cold atmospheric plasma，CAP）處理水，操作過程中控制其電壓、載氣、溫度、脈沖或頻率而生成的。與未經處理的水相比，PAW具有較低的pH值、較高的電導率和較高的氧化還原電位[47]。

2.2.1 等離子體活化水清洗技術原理

等離子體暴露于水中后產生的活性氧（reactive oxy gen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）是PAW中破壞細菌的關鍵成分。其中，ROS包括·OH、H2O2、O3、單線態氧（1O2）和 O2-·等，被認為是主要的殺菌劑，可通過破壞細胞壁、細胞膜，并進入細胞造成內部成分的損傷而使微生物致死。RNS包括NO2、NO2-和 NO3-等，能在水溶液中形成 HNO2、HNO3，可導致水溶液酸化而使微生物失活。此外，活性氧和活性氮的協同作用也是等離子體滅菌的重要機制之一[48]。

2.2.2 等離子體活化水清洗技術應用

由于具有非熱、能耗低、抗菌效果好、無化學殘留及無二次污染等特點，PAW處理在食品清洗減菌方面受到了極大的關注。研究表明，低溫等離子體活化水能在消除農產品微生物污染的同時維持農產品品質。等離子體活化水處理可使生鮮黃魚和雞蛋表面腸炎沙門氏菌明顯減少但不影響其理化指標及感官特性[30-31]。等離子體活化水處理可顯著減少綠豆芽上的酵母菌和霉菌，并維持綠豆芽的抗氧化能力、感官特性以及總酚含量和類黃酮含量[27]。研究還表明，使用等離子體活化水清洗楊梅，可使楊梅貯藏期間的微生物數量減少1.1 lg（CFU/g），且在貯藏期間楊梅的硬度、顏色等感官指標明顯優于未處理組[28]。

操作條件（如電壓、放電時間）、處理時間、微生物和農產品種類等是影響等離子體活化水減菌效果的重要因素。使用電壓分別為6、8、10 kV的條件下生成的等離子體活化水清洗蘋果，蘋果表面需氧菌減少量分別為（0.37±0.03）、（1.05±0.07）、（0.28±0.04）lg（CFU/g）[29]，由此可見只有最適合的電壓才會得到最好的減菌效果。激活放電時間越長，等離子體活化水對草莓表面清洗減菌的效果越好[28]。還有研究表明等離子體活化水處理黃魚，黃魚表面沙門氏菌隨處理時間的延長而減少[30]。與表面不平整的農產品相比，表面光滑的農產品上的微生物種群更容易被滅活[49]。此外，有研究表明等離子體活化水與其他技術結合使用可以獲得更好的減菌效果。Royintarat等[34]采用超聲波和等離子體活化水聯合處理雞肉、Liao等[33]使用等離子體活化水結合溫熱處理水稻、Xiang等[32]使用等離子體活化水聯合溫熱處理葡萄，結果發現聯合處理的減菌效果均優于單一處理。

2.3 有機酸清洗

有機酸是具有酸性的有機化合物，在食品工業中被廣泛用作新型殺菌劑并被普遍認為具有使用安全性[50]。常見的有機酸包括醋酸、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、酒石酸和丁二酸等。目前，研究者已確證了其在多種食品基質中的抗菌活性。

2.3.1 有機酸清洗技術作用機制

有機酸是通過降低微生物細胞的環境和細胞pH值干擾膜的運輸和滲透性，從而殺死微生物[51]。有機酸以未解離和解離的形式存在，未解離的分子可以穿透微生物膜，進入微生物細胞，隨后遇到接近中性的pH值環境，分解成帶電荷的陰離子和質子。解離的有機酸可以導致細胞內部酸化，消除細胞膜上的電化學質子梯度，使細胞內酶失活并抑制細胞的代謝反應[52]。

2.3.2 有機酸清洗技術應用

大部分有機酸被美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）認定為“一般認定安全”，安全系數較高，已被用作各種農副產品的殺菌劑。有機酸的殺菌效果與酸的種類和濃度、處理時間、微生物和農產品種類等因素密切相關。在果蔬類農產品中，有機酸清洗可顯著減少歐芹、生菜、蘋果、胡蘿卜的表面微生物，但減菌效果差異較大，減菌率達1.12 lg（CFU/g）～5.40 lg（CFU/g）[35-37，41]。其中，采用 1.9%醋酸清洗生菜的減菌效果最顯著，清洗10 min后生菜表面大腸桿菌減少5.4 lg（CFU/g）[53]。與其他清洗減菌方式相比，有機酸在肉類農產品中的應用更廣泛。研究表明，有機酸清洗使牛肉表面的菌落總數減少1 lg CFU/cm2～1.6 lg CFU/cm2，使雞胸肉表面的沙門氏菌含量減少1.3 lg（CFU/g）～3.2 lg（CFU/g）[38-39]。

此外，為了提高有機酸減菌效果，Sabillón等[42]使用5%乳酸協同氯化鈉溶液對小麥進行處理，結果發現小麥表面需氧中溫細菌和大腸桿菌分別減少3.1 lg（CFU/g）和 4.5 lg（CFU/g）。Sengun 等[41]使用4.46%檸檬酸和4.03%醋酸清洗胡蘿卜，30 min后胡蘿卜表面沙門氏菌被完全殺滅。

3 精油清洗減菌技術

精油是從草本植物和香料（如花、葉、種子、根和水果）中提取的具有揮發性和芳香性的油狀液體。部分精油如肉桂、丁香、百里香、迷迭香、鼠尾草和牛至精油等因具有抗菌和抗氧化的特性，可作為殺菌劑用于農產品的表面減菌[54]。植物精油具有天然、無毒以及廣譜殺菌性的特點，是一種極具潛力的農產品殺菌劑。精油清洗減菌技術對農產品的減菌效果見表3。

表3 精油清洗減菌技術對農產品的減菌效果Table 3 Sterilization effects of different essential oil cleaning and bacterial reduction technologies for agricultural products

3.1 精油清洗減菌技術原理

精油中的主要抗菌成分有酸、醛、酮、酚類、萜烯類、脂肪醇和異黃酮等物質。精油中各種成分的協同作用決定了它的抗菌活性[59]。精油抗菌通常是多作用機制的，其主要作用位點包括微生物細胞壁、細胞膜、DNA、呼吸和能量代謝，精油可直接作用于微生物細胞膜，破壞細胞膜結構，進而增加細胞膜通透性，使重要離子和不溶性化合物從細胞中滲出，最終導致細胞死亡[60]。研究表明，肉桂精油可以破壞大腸桿菌細胞壁的完整性，抑制細胞壁成分的合成，從而起到減菌作用[61]。巖野青蒿精油與微生物DNA相互作用，導致DNA鏈斷裂[62]。瓦倫西亞橙精油可以影響金黃色葡萄球菌的基因表達，并促進細胞溶解[63]。同時，精油還可以通過抑制致病菌細胞中營養物質的吸收和運輸，干擾營養物質的吸收、運輸和代謝，從而抑制甚至阻止病原菌產生能量導致其停止生長和繁殖[64]。

3.2 精油清洗減菌技術應用

由于精油具有環境無污染和生物安全的特性，因此被FDA認定為可用的食品添加劑[65]。研究表明，植物精油可有效減少萵苣、菠菜、番茄、芥菜等農產品表面的致病菌[53-55]。精油的抗菌效率與精油類別和濃度、保持時間、微生物和農產品種類等因素密切相關。Khaleque等[66]使用不同濃度丁香精油對牛肉進行處理后發現，10%的丁香精油能完全滅活牛肉表面單增李斯特菌，而5%的丁香精油未能有效滅活牛肉表面單增李斯特菌。使用濃度為0.05%的肉桂葉、肉桂皮和牛至精油處理紅芥菜葉，結果發現接種在紅芥菜葉上的單核細胞增生李斯特菌分別減少了 0.62、0.55、0.78lg（CFU/g）[53]。生菜在0.05%牛至精油中浸泡1 min后，其表面單核細胞增生李斯特菌、鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌O157：H7 種群的減少量分別為 3.44、2.31、3.05 lg（CFU/g）[56]。因此，在使用精油對農產品進行清洗減菌時有必要對處理參數及精油種類進行篩選。還有研究表明，復合精油處理農產品會得到更好的減菌效果。例如，肉桂精油和葡萄籽提取物聯合使用以去除香腸的產氣莢膜梭菌，在40 d貯藏期結束時產氣莢膜梭菌減少了1.72 lg（CFU/g），而單獨使用肉桂精油和葡萄籽提取物對產氣莢膜菌無顯著影響[58]。使用0.5%的丁香精油和百里香精油處理辣椒表面，發現兩種精油處理后辣椒表面沙門氏菌被完全殺滅[57]。

4 展望

生鮮農產品具有典型的易腐、易爛、保質期短的特點，因此其食品安全問題尤為突出。提高對生鮮農產品的質量安全水平對保障群眾的身體健康意義重大，也是農產品減損、推進質量興農、綠色興農的重要手段。通過表面清洗減菌技術，可同時清除農產品表面污物和降低初始菌含量，為生鮮農產品貯運過程的食品安全控制提供了重要保障。近年來，天然、安全高效的綠色保鮮加工技術已成為國際保鮮加工行業發展的趨勢。其中，物理清洗減菌技術具有綠色、環保、無殘留、對農產品感官及營養成分影響小的特點，符合消費者對食品少添加、少殘留的需求。生物清洗減菌技術，同樣具有綠色、環保等優點。廣譜性強、副產物和殘留物毒性低或無毒性的化學清洗減菌技術也日益受到青睞。這些新型綠色保鮮加工技術符合行業發展需求，具有廣闊的應用前景。

為了提高保鮮的綜合效果，生鮮農產品的清洗減菌技術正由單一技術向多種技術相結合的復合型技術發展。盡管各類新型綠色清洗減菌技術都具有安全、低毒的特點，但不同類型的清洗減菌技術也存在一定的短板，比如物理清洗減菌技術具有減菌效果較差的問題，化學清洗減菌技術存在影響農產品風味的缺點，生物清洗減菌技術減菌穩定性差并有可能改變農產品風味。此外，不同種類農產品也因特性差異需要特定的清洗減菌技術，以達到高效減菌和食品品質保持的目的。因此復合型清洗減菌技術的應用需求不斷增加，物理、化學或生物技術的結合將是農產品表面清洗減菌技術的未來發展趨勢。