氣體二氧化氯在果蔬殺菌保鮮方面的研究與應(yīng)用

耿鵬飛，高貴田，薛 敏，趙金梅，谷留杰

（陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710062）

食品安全一直是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，而人類(lèi)食品絕大多數(shù)都來(lái)自于農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)產(chǎn)品在采收前后，一些病原微生物如細(xì)菌、霉菌等會(huì)通過(guò)多種途徑侵襲，不僅會(huì)給食品加工行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還對(duì)人類(lèi)身體健康造成極大的威脅。最新研究表明，隨著人們對(duì)果蔬產(chǎn)品消費(fèi)需求的逐步上升，伴隨而來(lái)的一些食源性疾病也與日俱增[1]。因此，為了最大限度的降低經(jīng)濟(jì)損失，提高食品的安全性，對(duì)果蔬進(jìn)行采后殺菌保鮮具有極其重要的意義。

二氧化氯（ClO2）作為一種安全高效的殺菌劑，在中國(guó)和美國(guó)都被允許用于新鮮水果和蔬菜的殺菌保鮮[2-3]。有研究發(fā)現(xiàn)，ClO2不但能高效地殺滅果蔬表面的病原微生物，還能顯著地延長(zhǎng)果蔬保存的貨架期而且不會(huì)降低果蔬的品質(zhì)[4]。近年來(lái)，液體ClO2殺菌技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但由于其液態(tài)特性的影響，使其在殺菌消毒的應(yīng)用方面受到了一些限制。如今，氣體ClO2制備及應(yīng)用的研究已取得了突破性成果，必將給果蔬加工行業(yè)帶來(lái)巨大的影響。本文綜述了ClO2的殺菌保鮮機(jī)理及氣體ClO2的特性與優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮方面的研究，指出氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮方面的應(yīng)用前景及存在的問(wèn)題，并提出相關(guān)建議。

1 二氧化氯的理化性質(zhì)

ClO2在室溫下是一種具有刺激性氣味的氣體，顏色會(huì)隨著濃度的增大而呈現(xiàn)出由黃綠色到橙黃色的變化。分子量為67.45，沸點(diǎn)11℃，熔點(diǎn)-59℃，氣體密度為3.09kg/m3，液體密度為1.64kg/L。ClO2氣體易溶于水，室溫下的溶解度是氯氣的5倍，在水中以水合分子存在，不易發(fā)生水解反應(yīng)。ClO2在酸性溶液中比較穩(wěn)定，在堿性溶液中會(huì)迅速發(fā)生歧化反應(yīng)，生成亞氯酸鹽和氯酸鹽的混合物。

2 二氧化氯的殺菌保鮮機(jī)理

早期的研究表明ClO2是通過(guò)將部分氨基酸氧化從而抑制蛋白質(zhì)的合成導(dǎo)致細(xì)胞死亡[5]，后來(lái)很多學(xué)者認(rèn)為ClO2主要是通過(guò)對(duì)細(xì)胞外膜造成損傷，導(dǎo)致細(xì)胞膜的滲透功能喪失從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[6-7]。有報(bào)道稱(chēng)對(duì)細(xì)胞遺傳物質(zhì)造成損傷也可能是ClO2發(fā)揮效用的一個(gè)因素[8]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)ClO2處理會(huì)使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生變化，表面變得凹凸不平，并被不同程度的拉長(zhǎng)，進(jìn)而影響細(xì)胞正常的分裂和生理代謝功能[9]。由于ClO2能夠高效的殺滅多種微生物，極大的降低了果蔬采后的腐爛率，而且ClO2能迅速有效的阻止果蔬中蛋氨酸合成乙烯，并破壞已生成的乙烯，從而延緩果實(shí)衰老，對(duì)果蔬起到長(zhǎng)久保鮮的效果[10]。

3 氣體二氧化氯的特性與優(yōu)點(diǎn)

普通的氯系消毒劑殺菌效率較低，還會(huì)產(chǎn)生一些如三氯甲烷、氯代酸等對(duì)人體危害極大的副產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)證明這些物質(zhì)具有致突變性和致癌性，有的具有致畸性和神經(jīng)毒性作用，可引起肝、腎和腸道腫瘤[11-13]。而ClO2較其他用于殺菌的氯產(chǎn)品具有更高的氧化能力而且并不產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物[14]。

由于細(xì)胞膜表面張力及一些特殊結(jié)構(gòu)（如氣孔、裂縫）的影響，使液體ClO2的殺菌效率受到很大的影響，而氣體ClO2具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性、穿透性、使用均勻性，因此，氣體ClO2具有比液體ClO2更廣泛的殺菌面積和更強(qiáng)的殺菌效果[15-17]。研究表明，在相同濃度和處理?xiàng)l件下，氣體ClO2要比液體ClO2的殺菌效率高8lg CFU以上[18]。

4 氣體二氧化氯處理對(duì)果蔬上細(xì)菌和真菌的殺滅作用

4.1 對(duì)果蔬上細(xì)菌的殺滅作用

新鮮果蔬產(chǎn)品在采收前后可能受到多種細(xì)菌侵染，在果蔬上最常見(jiàn)的食源性致病細(xì)菌是沙門(mén)氏菌（Salmonella）、O157∶H7型大腸桿菌（Escherichia coli O157∶H7）和單核細(xì)胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）[19]，國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣體ClO2對(duì)細(xì)菌殺滅作用的研究大多集中在這三種菌上。Mahmoud等[20-22]研究了氣體ClO2對(duì)O157∶H7型大腸桿菌，單核細(xì)胞增生李斯特菌和腸道沙門(mén)氏菌的殺滅效果，將三種菌分別接種在草莓表面，用不同濃度的氣體ClO2處理草莓10min，結(jié)果表明：用5mg/L的氣體ClO2處理后O157∶H7型大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和腸道沙門(mén)氏菌數(shù)目分別減少了4.6、4.7、4.3lgCFU，而且氣體ClO2處理不影響草莓顏色，將貨架期從原先的8d延長(zhǎng)到16d，以生菜和甜瓜為實(shí)驗(yàn)材料也取得了類(lèi)似的結(jié)果，在生菜葉子上分別接種了O157∶H7型大腸桿菌和腸道沙門(mén)氏菌，用5mg/L的氣體ClO2對(duì)兩種菌分別處理14.5min和19min，結(jié)果兩種菌的數(shù)目均減少了5lg CFU；在甜瓜上分別接種了O157∶H7型大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和Poona型沙門(mén)氏菌，用氣體ClO2分別處理了6、8、10min，結(jié)果Poona型沙門(mén)氏菌減少了5lg CFU，O157∶H7型大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌分別減少了4.6和4.3lg CFU。Trinetta等[23-25]以西紅柿為材料研究了高濃度氣體ClO2短時(shí)間處理對(duì)沙門(mén)氏菌的殺滅效果，處理前沙門(mén)氏菌的量為（6.03±0.11）lg CFU/cm2，材料用濃度為8、10mg/L的氣體ClO2分別處理60s和120s，結(jié)果沙門(mén)氏菌的量分別降到了3.09、2.17lg CFU/cm2，而用10mg/L的氣體ClO2處理180s，沙門(mén)氏菌的量則降到了1.16lg CFU/cm2。在研究氣體ClO2對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特菌殺滅效果上也取得理想的結(jié)果，用2mg/L的氣體ClO2處理30min可使單核細(xì)胞增生李斯特菌減少5lg CFU/cm2以上。隨后他們?cè)谖骷t柿、甜瓜和草莓上分別研究了氣體ClO2對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特菌、沙門(mén)氏菌以及O157∶H7型大腸桿菌三種混合菌的殺滅效果，結(jié)果表明：沙門(mén)氏菌減少了幾乎5lg CFU/cm2，而O157∶H7型大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌只減少了約3lg CFU/cm2，說(shuō)明O157∶H7型大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌對(duì)氣體ClO2的耐受性要強(qiáng)于沙門(mén)氏菌。Popa等[26]用濃度為4mg/L的氣體ClO2處理表面接種了單核細(xì)胞增生李斯特菌，spp型沙門(mén)氏菌和O157∶H7型大腸桿菌的藍(lán)莓12h，結(jié)果三種菌的數(shù)量分別減少了3.94、3.62、4.25lg CFU/g。Lee等[27]用氣體ClO2處理接種O157∶H7型大腸桿菌，單核細(xì)胞增生李斯特菌和Typhimurium型沙門(mén)氏菌的生菜葉子，3h后細(xì)菌數(shù)量分別減少了6.9、5.4、5.4lg CFU。

關(guān)于氣體ClO2對(duì)果實(shí)上其他細(xì)菌作用效果的研究國(guó)外也有一些報(bào)道。Mahovic等[28]研究了氣體ClO2處理對(duì)西紅柿采后細(xì)菌性軟腐病的影響，在西紅柿上對(duì)軟腐歐文氏菌（Erwinia carotovora）進(jìn)行人工刺傷接種后，分別用88mg劑量的氣體ClO2處理24h，用99mg氣體ClO2處理2h，并在室溫下放置3d，結(jié)果并沒(méi)有出現(xiàn)果實(shí)腐爛現(xiàn)象，而對(duì)照組果實(shí)的腐爛率達(dá)到91.3%，表明氣體ClO2能有效控制細(xì)菌性軟腐病的發(fā)生。Lee等[29]研究了氣體ClO2對(duì)酸土環(huán)脂芽孢桿菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）的殺菌效果，接種了酸土環(huán)脂芽孢桿菌孢子的蘋(píng)果用4.32mg/L的氣體ClO2處理60min，在室溫下儲(chǔ)藏7d后對(duì)細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果殺菌率在5lg CFU以上。

4.2 對(duì)果蔬上真菌的殺滅作用

國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，氣體ClO2對(duì)果蔬上的真菌也有很好的殺滅效果。Jin等[30]研究了氣體ClO2處理對(duì)葡萄表面幾種霉菌的影響，結(jié)果表明：隨著氣體ClO2濃度和處理時(shí)間的增加，對(duì)灰霉菌、青霉菌及鏈格孢菌的殺滅效果也越強(qiáng)，當(dāng)用10mg/m3的氣體ClO2對(duì)葡萄處理30min時(shí)，三種霉菌的數(shù)量均減少了4lg CFU以上。在研究氣體ClO2處理對(duì)葡萄品質(zhì)影響的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：處理后VC和還原糖的含量均較對(duì)照組高。Trinetta等[31]從西紅柿上分離出了Alternaria alternata和Stemphylium vesicarium兩種真菌，然后接種到PDA培養(yǎng)基上，用濃度為10mg/L的氣體ClO2處理平板，結(jié)果表明：處理3min便會(huì)抑制這兩種菌的菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)。而兩種菌在果實(shí)刺傷接種后處理的結(jié)果表明：對(duì)接種Stemphylium vesicarium和Alternaria alternata的果實(shí)分別處理5min和7min能極大地降低果實(shí)的腐爛率。Sy等[32]用濃度為4.1、6.2、8mg/L的氣體ClO2分別對(duì)藍(lán)莓、草莓和紅莓進(jìn)行30、60、120min的處理，結(jié)果表明：用8mg/L的氣體ClO2處理120min對(duì)霉菌的殺菌效果最好，藍(lán)莓、草莓和紅莓上的霉菌數(shù)量分別減少了2.06～2.32，4.07～4.16和2.56lg CFU/g。申小靜等[33]研究了氣體ClO2對(duì)鮮棗表面青霉菌的殺菌效果，并研究了氣體ClO2濃度、殺菌時(shí)間和殺菌溫度三種因素對(duì)青霉菌殺菌率的影響，結(jié)果表明：殺菌率會(huì)隨著氣體ClO2濃度和處理時(shí)間的增加而增大，而三種因素對(duì)青霉菌的影響大小依次為：氣體ClO2濃度＞殺菌時(shí)間＞殺菌溫度。Wu等[34]研究了氣體ClO2處理對(duì)土豆表面微生物數(shù)量的影響，用5個(gè)不同濃度的氣體ClO2分別處理2、3、4g土豆樣品2.5h和5h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氣體ClO2的濃度、處理時(shí)間和處理的樣品量的不同都會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生影響，用40mg/L的氣體ClO2處理4g樣品5h對(duì)霉菌的殺滅率最高，霉菌的減少量在5lg CFU以上。Vandekinderen等[35]用（0.08±0.02）mg/L的氣體ClO2在室溫下對(duì)幾種食源性微生物處理1min，結(jié)果表明：氣體ClO2對(duì)霉菌的殺滅效果不是很理想，這可能與氣體ClO2的濃度、處理時(shí)間以及處理環(huán)境的不同有很大的關(guān)系。

5 氣體二氧化氯處理對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)成分和生理特性的影響

氣體ClO2不但具有高效的殺菌作用，而且能降低果蔬的腐爛率，延長(zhǎng)果蔬的貨架期。Guo等[36]用氣體ClO2對(duì)鮮切哈密瓜處理了12h，然后在溫度為5℃，相對(duì)濕度為95%的冷庫(kù)里貯藏19d，期間對(duì)哈密瓜的品質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)照組的哈密瓜在第8d的時(shí)候霉?fàn)€率已經(jīng)達(dá)到80%，而經(jīng)過(guò)氣體ClO2處理后的果實(shí)，直到出庫(kù)時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)霉?fàn)€情況，這就表明氣體ClO2處理可顯著防止果實(shí)腐爛。在貯藏的第8d，對(duì)照組的失重狀況顯著增加，而處理組則增加的不明顯；處理組和對(duì)照組的可溶性固形物（TSS）含量都出現(xiàn)了增加，但在貯藏前期，處理組的可溶性固形物含量要顯著低于對(duì)照組；對(duì)照組的氨基酸（AA）含量在第3d的時(shí)候由3.15mg/100g增加到8.16mg/100g，而處理組的氨基酸含量并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，這與López-Gálvez等的研究結(jié)果一致[37]；在貯藏期間處理組丙二醛（MDA）含量的增加也顯著低于對(duì)照組，這表明ClO2不但能夠殺滅水果表面的微生物，還能夠防止果實(shí)的軟化成熟，這對(duì)于延長(zhǎng)水果的貨架期有非常重要的意義。

氣體ClO2處理還可降低果實(shí)的呼吸作用，處理組的呼吸峰值的出現(xiàn)較對(duì)照組晚，而且呼吸峰值也較對(duì)照組?。唤?jīng)過(guò)氣體ClO2處理以后還有效的降低了乙烯生成量，該研究表明氣體ClO2對(duì)水果有很好的保鮮效果。Du等[38]研究了經(jīng)氣體ClO2處理后青椒生理和貯藏品質(zhì)的變化，分別用0、5、10、20、50mg/L的氣體ClO2在（10±0.5）℃條件下將青椒處理40d，結(jié)果表明：用氣體ClO2處理可極大地降低青椒的腐爛率，相比對(duì)照組，腐爛率降低了50%以上，而且20mg/L和50mg/L的氣體ClO2處理會(huì)使青椒的呼吸速率顯著降低，但5mg/L和10mg/L的處理對(duì)呼吸作用的影響不明顯。用50mg/L氣體ClO2處理還降低了丙二醛的生成量，而其他濃度處理的影響則不明顯；該研究中氣體ClO2處理對(duì)青椒的失重率、VC、可滴定酸和可溶性固形物的含量均沒(méi)有顯著的影響。顧寧等[39]研究了經(jīng)氣體ClO2處理后葡萄中VC、還原糖和可滴定酸含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)氣體ClO2濃度為5、10mg/m3時(shí)，葡萄中VC的含量隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)先減少后上升的趨勢(shì)；當(dāng)氣體ClO2濃度為15mg/m3時(shí)，葡萄中VC和還原糖的含量隨著作用時(shí)間（10～60min）的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)；可滴定酸的含量隨氣體ClO2濃度增加和作用時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。綜上所述，氣體ClO2的應(yīng)用對(duì)果蔬的防腐保鮮作用有極其重要的意義。

6 展望

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視飲食的營(yíng)養(yǎng)與安全，這就對(duì)食品加工行業(yè)的技術(shù)要求越來(lái)越高。對(duì)果蔬加工行業(yè)來(lái)說(shuō)，防腐保鮮技術(shù)不成熟不但嚴(yán)重影響果蔬品質(zhì)，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，國(guó)內(nèi)在果蔬防腐保鮮方面的工作取得了一些成果，但依然存在例如殺菌效率低、產(chǎn)生有害副物質(zhì)、影響果蔬品質(zhì)等一系列問(wèn)題。氣體ClO2對(duì)果蔬上的微生物具有高效的殺菌作用，而且不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物，特別適合大面積環(huán)境的消毒殺菌。因此，氣體ClO2在果蔬加工領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于氣體ClO2的研究較少，仍有許多問(wèn)題亟待解決：

a.ClO2的殺菌機(jī)理尚未十分清楚。國(guó)內(nèi)外研究者分別以核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)菌、病毒等多種材料研究了ClO2的殺菌機(jī)理[40]，但在ClO2殺菌的致命靶點(diǎn)上仍有較大爭(zhēng)議；

b.氣體ClO2發(fā)生設(shè)備的研制相對(duì)滯后。國(guó)外已有公司生產(chǎn)氣體ClO2發(fā)生設(shè)備，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍以液體ClO2發(fā)生設(shè)備為主，僅個(gè)別科研機(jī)構(gòu)自主研發(fā)了氣體發(fā)生設(shè)備，使氣體ClO2在果蔬保鮮方面的應(yīng)用受到限制；

c.氣體ClO2在低溫條件下的液化情況不明確。果蔬采收后多在低溫條件下貯藏，而氣體ClO2在11℃下會(huì)發(fā)生液化，造成氣體ClO2濃度降低；

d.氣體ClO2在貯藏庫(kù)中的分布不均勻。ClO2氣體較空氣重，在貯藏庫(kù)中自然釋放會(huì)造成ClO2氣體空間分布不均勻，對(duì)殺菌效率和果實(shí)品質(zhì)產(chǎn)生一定影響；

e.缺乏氣體ClO2安全使用標(biāo)準(zhǔn)。氣體ClO2對(duì)呼吸系統(tǒng)有較強(qiáng)的刺激作用，過(guò)量吸入會(huì)導(dǎo)致急性肺損傷[41]，而且氣體ClO2具有一定的爆炸危險(xiǎn)性[42]，不規(guī)范使用會(huì)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失；

f.缺乏氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮過(guò)程中的應(yīng)用規(guī)范。氣體ClO2應(yīng)用濃度過(guò)高會(huì)增加成本，還可能對(duì)果蔬品質(zhì)造成傷害；

g.相對(duì)于傳統(tǒng)殺菌保鮮劑，氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮的應(yīng)用成本較高。

針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)創(chuàng)新思路，徹底搞清楚其防腐保鮮機(jī)理及對(duì)果蔬品質(zhì)的影響，研發(fā)性能優(yōu)良的氣體ClO2發(fā)生設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)需求，對(duì)氣體ClO2在果蔬貯藏庫(kù)中應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究，攻克相關(guān)技術(shù)難題，降低應(yīng)用成本，并依據(jù)研究成果制訂出氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮過(guò)程中安全使用標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用規(guī)范，這樣才能更好地將氣體ClO2應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏的領(lǐng)域中。

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