脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在食品保鮮領(lǐng)域的研究進(jìn)展

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(渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧省高等學(xué)校生鮮食品產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,遼寧錦州 121013)

食源性疾病是由通過(guò)攝食進(jìn)入人體的病原體引起人體感染或中毒的疾病,普遍存在于各類食物中,已成為全球性的安全問(wèn)題[1]。而新鮮農(nóng)產(chǎn)品往往含有由細(xì)菌引起的污染物,可能引起傳染病[2]。隨著鮮切果蔬工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,由沙門氏菌、大腸桿菌和單核細(xì)胞增生性李斯特菌等致病菌引起的食源性疾病的危害越來(lái)越大。鮮切產(chǎn)品沒(méi)有進(jìn)一步的清洗、冷鏈沒(méi)有得到妥善維護(hù)、切割過(guò)度使植物組織完整性受損,這些過(guò)程都會(huì)使微生物大肆生長(zhǎng),在一些生魚(yú)和生肉的食品中也很常見(jiàn)[3]。

脈沖強(qiáng)光又被稱為脈沖紫外光、高強(qiáng)度寬譜脈沖光、脈沖白光,是一種新型的非熱殺菌技術(shù)[4],對(duì)透明液體、固體、氣體中的微生物均具有較好的殺菌作用。隨著脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)的不斷完善以及設(shè)備的不斷優(yōu)化,該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到食品殺菌保藏中。采用脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)解決食源性疾病的研究成為了現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn),本綜述主要總結(jié)近十年來(lái)脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在食品保鮮中一些新的研究發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用領(lǐng)域,有助于讀者了解脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)的最新概況。

1 食品殺菌技術(shù)

熱殺菌技術(shù)具有較強(qiáng)的可控性與可靠性,包括:巴氏殺菌、超高溫殺菌、輻照等,可以有效預(yù)防由于微生物引起的食品安全問(wèn)題,且應(yīng)用廣泛,但是熱殺菌技術(shù)會(huì)引起食品顏色變化、感官品質(zhì)下降、營(yíng)養(yǎng)破壞等問(wèn)題[5]。非熱殺菌技術(shù)包括脈沖強(qiáng)光殺菌、臭氧殺菌、高密度二氧化碳?xì)⒕统暡⒕?食品非熱殺菌技術(shù)在殺菌過(guò)程中溫度不升高或升溫幅度很小,既不影響食品的感官和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)以及自然風(fēng)味,又能確保食品中微生物的滅活[6]。脈沖強(qiáng)光技術(shù)在食品保鮮領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛研究了15年,其原理是將可見(jiàn)光、紅外線和紫外線協(xié)同作用于微生物,通過(guò)閃照瞬時(shí)和高強(qiáng)度的脈沖光能量對(duì)微生物細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用,使細(xì)胞變性而失去生物活性,抑制其生長(zhǎng)繁殖,從而達(dá)到殺菌目的[7]。脈沖殺菌與其它殺菌技術(shù)相比,具有簡(jiǎn)便、滅菌時(shí)間短、重復(fù)性好、效率高等特點(diǎn),在殺菌的同時(shí)能更好的保存食品的營(yíng)養(yǎng)成分[8]。因此,采用脈沖強(qiáng)光的方式對(duì)食物進(jìn)行殺菌,可以有效地降低食源性疾病的發(fā)病率。

2 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)影響微生物滅活的因素

目前認(rèn)為閃照次數(shù)、放電電壓、樣品和燈源之間的距離等儀器參數(shù)以及微生物的菌株年齡、微生物對(duì)脈沖強(qiáng)光的敏感性、對(duì)光的吸收程度和光譜范圍等都對(duì)微生物的滅活程度有影響。

2.1 儀器的殺菌參數(shù)

有研究表明,殺滅微生物的決定性因素是撞擊細(xì)胞的總能量[9]。目標(biāo)物和燈源之間的高電壓、短距離及較多的閃照次數(shù)都增加了撞擊能量,從而殺滅微生物[10]。較高的輸入電壓、較低的靶與閃光燈之間的距離以及較高的閃爍次數(shù)可以引起撞擊能量的增加,從而更好的殺滅微生物。但是在不同的實(shí)驗(yàn)中,儀器參數(shù)設(shè)置(包括能量輸出、閃照次數(shù)、電壓和劑量等)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)置(如體外實(shí)驗(yàn)通常在水或緩沖液中進(jìn)行,還有的在瓊脂、塑料、玻璃和金屬等表面進(jìn)行)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都存在差異,這就導(dǎo)致不能直接比較不同研究中所獲得的微生物滅活數(shù)據(jù)[11-12]。2016年西班牙Gómez-López(戈麥斯-洛佩茲)團(tuán)隊(duì)提出一種新方法用于規(guī)范實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的脈沖光實(shí)驗(yàn)中使用的能量,便于我們對(duì)不同的研究中所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[13]。

2.2 微生物的菌株年齡

微生物的菌株年齡對(duì)脈沖強(qiáng)光實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也具有顯著的影響[14]。以較高代謝活性呈指數(shù)生長(zhǎng)的微生物比休眠的微生物更容易受到脈沖強(qiáng)光的損傷,因?yàn)樗鼈儾荒苎杆俚窒鸇NA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的損傷,而休眠的細(xì)胞能夠有效保護(hù)細(xì)胞損傷的修復(fù)機(jī)制,阻止脈沖強(qiáng)光的傷害[15]。Farrell等[15]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),處于老齡狀態(tài)(生長(zhǎng)24 h)的白色念珠菌對(duì)脈沖強(qiáng)光的敏感性低于14 h的白色念珠菌培養(yǎng)物,對(duì)于生長(zhǎng)16 h和24 h的大腸桿菌培養(yǎng)物,具有相同的趨勢(shì)。Cudemos等[16]同樣發(fā)現(xiàn)熒光蠟狀芽孢桿菌和釀酒酵母在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)比在潛伏期或指數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)脈沖強(qiáng)光的抗性更強(qiáng)。

2.3 微生物對(duì)脈沖強(qiáng)光的敏感性

許多研究證實(shí),脈沖強(qiáng)光適于滅活各種不同的微生物,包括營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌、細(xì)菌芽孢、霉菌孢子、酵母、病毒或寄生蟲(chóng)等。體外調(diào)查報(bào)告顯示,脈沖強(qiáng)光處理后活菌數(shù)顯著減少,最大的失活水平在4～7個(gè)log單位內(nèi)[17]。到目前為止,只有少數(shù)研究報(bào)道了大量不同的菌種接受脈沖強(qiáng)光處理后的失活情況。Gómez-López等[18]發(fā)現(xiàn)不同的細(xì)菌、酵母菌、霉菌孢子和內(nèi)孢子經(jīng)脈沖強(qiáng)光處理后,共減少了1.2～5.9個(gè)log單位。Farrell等[15]發(fā)現(xiàn)一系列不同的致病細(xì)菌經(jīng)脈沖強(qiáng)光處理后,共減少了7個(gè)log單位;微生物對(duì)脈沖強(qiáng)光的敏感性一般是由細(xì)胞內(nèi)在因素決定的,這些因素決定了由脈沖強(qiáng)光誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷抵抗或修復(fù)的能力。細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特性,如細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的組成,以及它們的色素沉著可能是吸收獨(dú)特光譜的原因,從而保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受入射輻射。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),微生物的敏感性順序?yàn)檎婢咦?細(xì)菌芽孢>酵母菌、寄生蟲(chóng)、病毒>營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌[19-20]。迄今為止,沒(méi)有任何一項(xiàng)研究對(duì)所有不同的微生物群進(jìn)行直接比較,而且,在標(biāo)準(zhǔn)化條件下,酵母菌、寄生蟲(chóng)和病毒的抗性也尚未被研究[21]。

2.4 微生物的吸光性

當(dāng)微生物存在于含有光吸收溶質(zhì)(如蛋白質(zhì)或分散顆粒)的液體中時(shí),微生物的吸光性也是影響脈沖強(qiáng)光殺菌效果的一項(xiàng)重要因素[22]。這可能是因?yàn)檫@些液體在脈沖強(qiáng)光處理過(guò)程中,撞擊細(xì)胞的光子數(shù)量顯著減少,從而降低了脈沖強(qiáng)光殺傷微生物的效果[23]。2014年,Aguirre團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)胞位于瓊脂表面以下,特別是阻礙光穿透的帶有顏色的瓊脂,脈沖強(qiáng)光對(duì)英諾克李斯特菌滅活效率急劇減少[24]。Artiguez等[25]發(fā)現(xiàn),β-乳球蛋白和β-酪蛋白的蛋白質(zhì)溶液中對(duì)無(wú)害李斯特菌的脈沖強(qiáng)光滅活程度有影響,對(duì)脈沖強(qiáng)光效率的影響與溶液濃度具有相關(guān)性。

微生物色素沉著引起的光吸收變化也同樣影響脈沖強(qiáng)光殺菌效果。黑色素吸收大量的能量保護(hù)微生物細(xì)胞,使其免受輻射傷害,黑曲霉黑色的分生孢子與淡黃色和白色孢子相比,其抗性更高。枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪芽孢桿菌的內(nèi)孢子比它們的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞更具抗性,然而懸浮液中大量的細(xì)胞會(huì)引起逆向趨勢(shì),營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞比其相應(yīng)的孢子失活更少,這是由于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的光吸收更高,增加了保護(hù)作用[26]。

2.5 脈沖強(qiáng)光光譜范圍

脈沖強(qiáng)光中100～280 nm的紫外光部分(UV-C區(qū))已被證明是微生物失活的脈沖強(qiáng)光光譜的決定性部分,該區(qū)域具有很強(qiáng)的殺菌能力。微生物在UV-C照射下DNA逐漸開(kāi)始裂解,若該損傷沒(méi)有及時(shí)得到修復(fù),會(huì)引起基因突變和細(xì)胞死亡從而達(dá)到殺菌的效果[27]。Woodlng等[28]證實(shí)低于300 nm的紫外波長(zhǎng)對(duì)于滅活微生物是非常重要的,當(dāng)波長(zhǎng)范圍處于300～400 nm時(shí)進(jìn)行殺菌,無(wú)害鏈球菌輕微減少,若消除全部紫外線則導(dǎo)致完全喪失殺菌作用。WANG等[29]發(fā)現(xiàn),脈沖強(qiáng)光滅活大腸桿菌最有效的波長(zhǎng)為270 nm,大于300 nm時(shí)沒(méi)有滅活作用。瓊脂表面的枯草芽孢桿菌滅活的有效波長(zhǎng)為225～280 nm,大于280 nm的波長(zhǎng)對(duì)滅活幾乎沒(méi)有作用[30]。Ramos等[31]同樣證實(shí)單獨(dú)的可見(jiàn)光和近紅外輻射沒(méi)有顯著的殺菌效果,這與DNA和蛋白質(zhì)通常在250～280 nm出現(xiàn)吸收光譜保持一致。在氙閃光燈中產(chǎn)生閃光的施加放電電壓會(huì)影響發(fā)射的光譜,較高的電壓導(dǎo)致光譜向較低波長(zhǎng)的移動(dòng),因此UV-C占的比例較高,這就增加了殺菌效果[13,30]。

3 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在食品保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在果蔬保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用

在過(guò)去的幾年里,關(guān)于脈沖強(qiáng)光對(duì)植物性食品進(jìn)行微生物滅菌已經(jīng)有大量的研究,尤其是在全球范圍內(nèi)鮮切產(chǎn)品產(chǎn)量不斷提高的條件下,要對(duì)鮮切產(chǎn)品的微生物安全風(fēng)險(xiǎn)和保質(zhì)期限制進(jìn)行廣泛調(diào)查[32]。到目前為止,對(duì)許多不同種類的果蔬都進(jìn)行了測(cè)試,最大的滅活效率可以達(dá)到1～3個(gè)log單位,但是很難對(duì)全部微生物進(jìn)行滅活。趙越[33]對(duì)鮮切白菜、油麥菜進(jìn)行混合接種,并進(jìn)行脈沖強(qiáng)光殺菌試驗(yàn),結(jié)果表明,該殺菌技術(shù)不僅能有效殺菌,還能良好的保留油麥菜及白菜的營(yíng)養(yǎng)成分和感官品質(zhì)。在微生物劑量-應(yīng)答曲線中往往可以觀察到拖尾現(xiàn)象,進(jìn)一步增加脈沖強(qiáng)光劑量也不能殺滅微生物,這就意味著脈沖強(qiáng)光進(jìn)行微生物滅活受到一定的限制[34]。鮮切產(chǎn)品表面殘存部分微生物是不可避免的,因此脈沖強(qiáng)光處理后產(chǎn)品的儲(chǔ)藏過(guò)程也是食品保鮮需要考慮的一個(gè)因素。

關(guān)于脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮切果蔬質(zhì)量的影響一直存在不同意見(jiàn)。通常鮮切果蔬的腐敗可以通過(guò)紋理、顏色、化學(xué)成分或感官屬性的改變來(lái)判斷。一部分學(xué)者認(rèn)為脈沖強(qiáng)光處理對(duì)新鮮農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分的形成起到促進(jìn)作用。2015年,Pataro報(bào)道稱脈沖強(qiáng)光處理綠色番茄后發(fā)現(xiàn)總類胡蘿卜素、番茄紅素和總酚的形成顯著增加了,番茄的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值隨之增加[35];2016年,Lopes報(bào)道稱脈沖強(qiáng)光處理增加了芒果中植物化學(xué)物質(zhì)的濃度[36]。Kramer等[37]研究表明使用脈沖強(qiáng)光殺菌的方式對(duì)綠豆芽進(jìn)行處理是一種創(chuàng)新的殺菌方式,通過(guò)減少產(chǎn)品表面上的活菌數(shù)來(lái)提高鮮切產(chǎn)品的安全性,但是脈沖強(qiáng)光殺菌主要適用于表面殺菌。Ignat等[38]得出結(jié)論,脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)可對(duì)鮮切蘋(píng)果片進(jìn)行有效殺菌,可有效提高產(chǎn)品安全性并保證質(zhì)量,但是,若將鮮切蘋(píng)果片暴露在過(guò)度的脈沖強(qiáng)光下,會(huì)產(chǎn)生蘋(píng)果片的褐變反應(yīng)并導(dǎo)致關(guān)鍵細(xì)胞損傷。脈沖光劑量過(guò)大會(huì)對(duì)鮮切果蔬的感官屬性等參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響,這種負(fù)面影響呈劑量依賴性[27]。因此,找到合適的工藝參數(shù),最大限度消除對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)變化最小的負(fù)面影響,不僅保證了對(duì)產(chǎn)品的溫和處理,也確保了使大量的微生物滅活。

3.2 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在肉類保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用

目前為止,已經(jīng)有一些研究表明了脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)對(duì)新鮮肉類、魚(yú)類或其他相關(guān)產(chǎn)品的適用性。一些研究發(fā)現(xiàn),脈沖強(qiáng)光的劑量依賴性會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響,例如,三文魚(yú)、金槍魚(yú)以及一些肉類在高劑量的脈沖強(qiáng)光處理下會(huì)發(fā)生變色,這可能是高劑量的脈沖強(qiáng)光導(dǎo)致產(chǎn)品表面過(guò)熱產(chǎn)生的變色[39-41]。Nicorescu等[42]研究了生豬肉和烤豬肉經(jīng)脈沖強(qiáng)光殺菌處理后保質(zhì)期、微生物變化、感官特性的變化,研究發(fā)現(xiàn)脈沖強(qiáng)光殺菌處理不會(huì)導(dǎo)致測(cè)試樣品過(guò)熱,并發(fā)現(xiàn)自然存在的好氧菌群對(duì)于脈沖強(qiáng)光處理更加敏感,因此豬肉樣品的微生物安全性和保質(zhì)期得到改善。劉娜等[43]為了提高即食肉制品的安全性并延長(zhǎng)其貨架期,采用脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)對(duì)肉制品進(jìn)行滅菌處理,結(jié)果表明經(jīng)脈沖強(qiáng)光照射處理后的腌臘肉制品在儲(chǔ)藏過(guò)程中的品質(zhì)變化明顯優(yōu)于未經(jīng)處理的樣品。脈沖強(qiáng)光處理的樣品氧化過(guò)程較快,可能是熱效應(yīng)促進(jìn)其氧化,并且氧化反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)氧化物也使肉中脂質(zhì)的氧化穩(wěn)定性降低[39]。所以在保證較好殺菌效果的同時(shí),應(yīng)減少處理劑量來(lái)保持產(chǎn)品的脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性和感官品質(zhì)。

3.3 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在其它食物保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用

脈沖強(qiáng)光對(duì)飲料中微生物滅活的范圍可變性較高,主要取決于飲料的濁度[44]。高度透明的液體,脈沖強(qiáng)光可進(jìn)行有效的消毒,但是在橙汁和牛奶等有濁度的飲料中,脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物的滅活效率較低。若采用間歇式或連續(xù)式湍流處理模式,脈沖強(qiáng)光的滅活效率可以得到顯著提高[21]。2015年,Artíguez和de Maranon發(fā)表文章稱連續(xù)稀釋乳清透過(guò)率曲線下面積與脈沖光連續(xù)處理下英諾克李斯特菌滅活有線性關(guān)系,那么連續(xù)流動(dòng)的脈沖光反應(yīng)器的設(shè)計(jì)就顯得十分重要[45]。脈沖強(qiáng)光保鮮技術(shù)在焙烤食品中也有應(yīng)用,對(duì)由聚乙烯袋包裝的面包切片進(jìn)行脈沖強(qiáng)光處理試驗(yàn),結(jié)果表明透過(guò)包裝袋經(jīng)脈沖強(qiáng)光處理過(guò)的樣品,對(duì)面包表面的細(xì)菌殺菌率達(dá)到99.99%[46]。脈沖強(qiáng)光技術(shù)在年糕產(chǎn)業(yè)上具有應(yīng)用潛力,因其對(duì)年糕腐敗菌有顯著的殺滅效果,但枯草芽孢桿菌及其芽孢的脈沖強(qiáng)光滅活機(jī)理尚待研究[47]。

4 總結(jié)與展望

脈沖強(qiáng)光殺菌在食品工業(yè)中是一項(xiàng)新型的冷殺菌技術(shù),具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn),對(duì)各類微生物的殺菌效果都十分明顯且處理時(shí)間可以控制在數(shù)秒之內(nèi)?，F(xiàn)階段可用的數(shù)據(jù)都表明了該殺菌技術(shù)在提高食品安全性及延長(zhǎng)保質(zhì)期方面有著巨大的潛力。目前脈沖強(qiáng)光用于食品保鮮還處于研究階段,研究問(wèn)題包括食品物料狀態(tài)及帶菌狀況對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌效果、對(duì)脈沖強(qiáng)光表現(xiàn)高抗的食品腐敗微生物類群及其產(chǎn)生抗性的機(jī)理分析、脈沖強(qiáng)光與其它殺菌技術(shù)聯(lián)合殺菌效果的研究及脈沖強(qiáng)光殺菌對(duì)食品成分及其品質(zhì)影響的研究和建立不同種類食品脈沖強(qiáng)光殺菌最優(yōu)化條件數(shù)據(jù)庫(kù)等。在實(shí)際生產(chǎn)中,可以考慮脈沖強(qiáng)光聯(lián)合超聲、聲熱處理、臭氧等技術(shù)來(lái)提高殺菌效果,使這項(xiàng)技術(shù)在日益發(fā)展迅速的食品行業(yè)中更好的發(fā)展,最大程度造福人類。