脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)綜述

謝姝鴿 韓秋漪 李福生 吳再銳 王軍元 張善端

1復(fù)旦大學(xué)電光源研究所（上海 200433）

2寧波方太廚具有限公司（浙江 寧波 315336）

0 脈沖強(qiáng)光產(chǎn)生機(jī)理

脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)是一種利用瞬時(shí)峰值能量極強(qiáng)的脈沖光輻射殺菌的新型技術(shù)，其發(fā)生裝置主要由脈沖光源、升壓模塊、觸發(fā)模塊和儲(chǔ)能電容組成[1]，脈沖強(qiáng)光產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 脈沖強(qiáng)光產(chǎn)生原理[2]

雖然都是將電能轉(zhuǎn)化為輻射能，但脈沖光源與一般光源最大的區(qū)別是同時(shí)具有陰極和陽(yáng)極以及觸發(fā)電極[3]。常用的脈沖光源為管狀的脈沖氙燈，由透紫外的石英管制成；兩端封接有鎢電極，外部纏繞多圈觸發(fā)金屬絲作為觸發(fā)電極；燈內(nèi)填充＜1 atm的氙氣。實(shí)際使用時(shí)，電源首先完成交直流轉(zhuǎn)換，并在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能電容充電到特定電壓。同時(shí)觸發(fā)模塊對(duì)觸發(fā)電極施加數(shù)千伏的高壓脈沖，使燈內(nèi)填充的氙氣發(fā)生預(yù)電離，然后電離產(chǎn)生的電子擊穿形成寬度約幾微米的軸向非均勻放電通道。氣體電離后產(chǎn)生的電子在通道電場(chǎng)的作用下從陰極向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)氣體進(jìn)一步電離，導(dǎo)致電子數(shù)雪崩式增長(zhǎng)。此時(shí)儲(chǔ)能電容中的能量被電離后的氣體釋放，可發(fā)出波長(zhǎng)范圍為200～1 100 nm的脈沖光，直到儲(chǔ)存能量不足以再使電離氣體進(jìn)行火花放電為止[4]?？偟膩?lái)說(shuō)，脈沖強(qiáng)光發(fā)生裝置通過(guò)充電、觸發(fā)、放電的過(guò)程輸出脈沖強(qiáng)光，其重復(fù)頻率可通過(guò)設(shè)置觸發(fā)時(shí)間控制[5]。

儲(chǔ)能電容積累電能時(shí)間為0.1～1 s，比10～100 μs的釋放能量時(shí)間長(zhǎng)3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，增強(qiáng)了脈沖光的輻射效果[6]。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖強(qiáng)光的瞬時(shí)功率密度（輻照度）可達(dá)到光譜相近的太陽(yáng)光的數(shù)千倍甚至數(shù)萬(wàn)倍[7]，這是其能在殺菌領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要原因。

1 脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)

1.1 脈沖強(qiáng)光殺菌機(jī)理

脈沖氙燈的光譜功率分布如圖2所示，可見(jiàn)脈沖強(qiáng)光的波長(zhǎng)可以覆蓋200～1 100 nm寬波段，除了在紫外波段有很高的峰值，在可見(jiàn)區(qū)和近紅外區(qū)也都有較高的輻射強(qiáng)度。因此脈沖強(qiáng)光的殺菌機(jī)理和一般的紫外殺菌不同，除了紫外波段起主要作用，其他波段也有一定的殺菌能力。這種協(xié)同效應(yīng)使殺菌更全面徹底，且這種破壞作用不可逆[8]。

圖2 脈沖氙燈的光譜功率分布

綜合現(xiàn)有研究，脈沖強(qiáng)光的殺菌機(jī)理主要包括以下三個(gè)方面。（1）光化學(xué)反應(yīng)。脈沖強(qiáng)光光譜中的紫外波段可使核酸形成胸腺嘧啶二聚體，損壞細(xì)菌，破壞細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)核酸，影響基因的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，阻礙生命活動(dòng)必需蛋白質(zhì)的合成，從而影響細(xì)胞的正常繁殖[9]。脈沖強(qiáng)光既可以分解微生物細(xì)胞膜蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞膜被破壞、變形，失去對(duì)細(xì)胞的屏障保護(hù)作用[10]；也可以通過(guò)促使微生物內(nèi)酶的分解生成大量的游離態(tài)蛋白，導(dǎo)致液泡膨脹，細(xì)胞破裂[11]。（2）閃照熱效應(yīng)。脈沖強(qiáng)光光譜中的可見(jiàn)和紅外部分對(duì)細(xì)菌細(xì)胞或孢子有熱效應(yīng)，導(dǎo)致了酶和其他細(xì)胞成分的鈍化。高強(qiáng)度輻射光熱作用導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分蒸發(fā)膨脹，使細(xì)胞破裂[12]。（3）脈沖效應(yīng)。脈沖強(qiáng)光的穿透性和瞬時(shí)高能機(jī)械沖擊損壞了細(xì)胞壁和其他細(xì)胞成分，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

1.2 脈沖強(qiáng)光殺菌優(yōu)勢(shì)

（1）高穿透性：脈沖強(qiáng)光裝置通過(guò)在極短時(shí)間（微秒級(jí)別）內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能到光能的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超紫外光源的峰值功率，光譜范圍寬，從而擁有較高的穿透性[13]。（2）低溫：由于脈沖強(qiáng)光釋放能量是以時(shí)間極短的脈沖形式，冷卻時(shí)間充足，因此熱量并不會(huì)堆積。雖然其殺菌機(jī)理包含光熱作用，但并不會(huì)導(dǎo)致溫度的顯著變化[14]。（3）即時(shí)控制：控制模塊可以實(shí)現(xiàn)脈沖強(qiáng)光的瞬時(shí)啟停，而且啟動(dòng)前不需要預(yù)熱[15]。（4）高峰值能量：脈沖強(qiáng)光以脈沖形式釋放光能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超紫外光源的峰值能量[16]。（5）高適配性：脈沖強(qiáng)光裝置可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境靈活地選擇合適的形狀、空間分布和輸入?yún)?shù)，從而滿足不同場(chǎng)合的需要，具有很好的適配性[17]。（6）安全：脈沖強(qiáng)光裝置常用填充氣體為稀有氣體氙氣，和常用的紫外殺菌燈（低壓汞燈）相比，不存在重金屬汞泄露的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也不會(huì)有臭氧超標(biāo)等問(wèn)題[18]。

2 脈沖強(qiáng)光殺菌效果

2.1 脈沖強(qiáng)光對(duì)細(xì)菌的殺滅效果

周萬(wàn)龍等[19]使用單脈沖能量為700 J的脈沖強(qiáng)光殺菌裝置，分別對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌進(jìn)行不同時(shí)間的輻照實(shí)驗(yàn)。其中每個(gè)脈寬＜800 μs，脈沖間隔6 s。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，30個(gè)脈沖以后，大腸桿菌數(shù)量減少5個(gè)數(shù)量級(jí)，枯草芽孢桿菌全部被殺死。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)和初始菌液濃度以及輸入能量相比，重復(fù)次數(shù)對(duì)殺菌效果影響最大。

Macgregor等[20]用波長(zhǎng)范圍為200～530 nm的脈沖強(qiáng)光照射培養(yǎng)基上的大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李斯特氏菌，脈寬1～512 μs。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，64個(gè)脈寬為1 μs的脈沖光就可以殺滅99.9%的大腸桿菌和99%的單核細(xì)胞增生李斯特氏菌，大腸桿菌對(duì)脈沖強(qiáng)光的抵抗力較弱。

Krishnamurthy等[21]在37 ℃條件下培養(yǎng)金黃色葡萄球菌24 h，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行劑量為5.6 J/cm2的脈沖強(qiáng)光照射5 s，對(duì)照組不做處理。結(jié)果顯示，經(jīng)脈沖強(qiáng)光照射后的葡萄球菌數(shù)量減少了7～8個(gè)數(shù)量級(jí)，證明了脈沖強(qiáng)光顯著的殺菌作用。

由這些結(jié)果可見(jiàn)，脈沖強(qiáng)光可以在幾秒到幾分鐘的時(shí)間內(nèi)，將細(xì)菌滅活2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，滅活速度很快。

2.2 脈沖強(qiáng)光對(duì)真菌的殺滅效果

Gómez-López等[22]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，啤酒酵母菌在受到劑量為0.1 J/cm2的脈沖強(qiáng)光輻照時(shí)，平均每次照射會(huì)使得酵母菌數(shù)量減少6～8個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)重復(fù)次數(shù)越多，每次輻照時(shí)間越長(zhǎng)，被殺滅的酵母菌數(shù)量越多。

Marquenie等[23]分別用脈沖強(qiáng)光、UVC和加熱對(duì)霉菌和仁果鏈核盤(pán)菌孢子進(jìn)行殺菌操作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈沖強(qiáng)光和UVC的殺菌速度顯著快于加熱處理，這是因?yàn)檫@兩種殺菌方式具有光化學(xué)效應(yīng)和光熱效用的協(xié)同作用。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)霉菌被完全殺滅所需時(shí)間短于仁果鏈核盤(pán)菌孢子，說(shuō)明孢子相比霉菌對(duì)脈沖強(qiáng)光的抵抗力較弱。

3 相關(guān)參數(shù)對(duì)殺菌效果的影響

3.1 裝置本身的光電參數(shù)

常見(jiàn)脈沖強(qiáng)光裝置原理如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)脈沖強(qiáng)光裝置原理[24]

儲(chǔ)能電容的能量計(jì)算公式如下：

式中：W為單脈沖光輸入能量，J；C為儲(chǔ)能電容容量，μF；V為輸入電壓，kV。

結(jié)合圖3和公式（1），儲(chǔ)能電容容量和輸入電壓可以控制單脈沖輸入的電能，還可以通過(guò)改變重復(fù)頻率控制一定時(shí)間內(nèi)的累積能量，從而決定殺菌效果[25-26]。

廖云輝[8]通過(guò)控制單一變量分別研究了輸入電壓、電容容量和重復(fù)頻率對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌效率的影響，同等情況下每組實(shí)驗(yàn)取三次的平均值，每次實(shí)驗(yàn)輻射時(shí)間均為2 min。（1）電壓的影響。固定電容容量70 μF，重復(fù)頻率1 Hz，輸入電壓600～1 000 V，平均殺菌效率68.2%～78.9%?？梢?jiàn)輸入電壓越大，脈沖強(qiáng)光的殺菌效率越高。這是因?yàn)閮?chǔ)能電容中的存儲(chǔ)能量與輸入電壓成正比關(guān)系，輸入電壓增大會(huì)增加脈沖強(qiáng)光輻射能量，而輻射劑量又會(huì)直接決定殺菌效果。因此，可以通過(guò)增大輸入電壓更好地殺菌。（2）電容容量的影響。固定輸入電壓800 V，重復(fù)頻率1 Hz，電容容量30～110 μF，平均殺菌效率67.4%～78.9%，脈沖強(qiáng)光的殺菌效率和電容容量成正比。由式（1）可知，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，單脈沖光輸入能量與電容容量成正比，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的。（3）重復(fù)頻率的影響。固定輸入電壓800 V，電容容量70 μF，平均殺菌效率72.7%～79.5%，可見(jiàn)重復(fù)頻率增加會(huì)使得殺菌效率增加。但值得注意的是，隨著頻率的增加，對(duì)應(yīng)殺菌效率增速越來(lái)越慢，最后達(dá)到一個(gè)上限值后，重復(fù)頻率就不再對(duì)提升殺菌效率有作用。這是因?yàn)楫?dāng)重復(fù)頻率過(guò)高使得每次的閃照時(shí)間少于氙燈的實(shí)際放電時(shí)間時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致放電不充分。即前一次放電還未完成，下一次電容儲(chǔ)能己經(jīng)開(kāi)始，因此單位時(shí)間內(nèi)脈沖氙燈的殺菌效率不會(huì)和重復(fù)頻率呈正線性相關(guān)關(guān)系。

另外，光譜特性對(duì)殺菌效果也有很大的影響。脈沖強(qiáng)光光譜覆蓋200～1 100 nm整個(gè)波段，光譜范圍廣，且在紫外、可見(jiàn)光、紅外均有較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度。這三個(gè)波段對(duì)應(yīng)的峰值大小以及每個(gè)波段內(nèi)光譜的分布情況都會(huì)直接影響殺菌效果[27]。江天寶[2]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)UV-C在脈沖強(qiáng)光殺菌中具有重要的作用，而可見(jiàn)光和紅外光對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌起的作用較小，可能是因?yàn)槠錃⒕饕荒芤揽繜嵝?yīng)和光化學(xué)效應(yīng)，對(duì)微生物的滅活作用較弱。除此以外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)脈沖強(qiáng)光中各種光譜對(duì)殺滅微生物具有明顯的協(xié)同增效作用，并不是各種光譜成分殺菌作用簡(jiǎn)單的疊加。這種協(xié)同作用機(jī)制也是后續(xù)需要研究的問(wèn)題。

3.2 脈沖光源的特性參數(shù)

以脈沖氙燈為例，在滅菌過(guò)程中，脈沖氙燈的長(zhǎng)度、材料、氙氣壓等都能通過(guò)影響脈沖強(qiáng)光的光譜功率分布和輻射通量影響脈沖強(qiáng)光的殺菌效果。

3.3 脈沖光源滅菌環(huán)境參數(shù)

實(shí)際滅菌操作時(shí)，溫度、相對(duì)濕度、空氣流通速度和微生物附著濃度等外部環(huán)境參數(shù)都會(huì)對(duì)殺菌效果產(chǎn)生直接影響。另外，滅菌作用時(shí)間、滅菌對(duì)象與脈沖強(qiáng)光裝置間的距離、脈沖光源輻照面積等相關(guān)參數(shù)也對(duì)殺菌效果有影響。

3.4 滅活微生物的特性

因?yàn)椴煌N類的微生物對(duì)脈沖強(qiáng)光的輻照耐受力不同，所以不同微生物實(shí)現(xiàn)完全滅活所需脈沖強(qiáng)光能量不同。研究表明，對(duì)一些常見(jiàn)的微生物，脈沖強(qiáng)光滅活真菌的難度大于細(xì)菌；真菌中霉菌滅活最為困難，其次是酵母菌；細(xì)菌中滅活大腸桿菌最容易。

同時(shí)，微生物存在狀態(tài)也會(huì)影響殺菌效果，當(dāng)微生物存在形式是菌塊或者菌團(tuán)時(shí)，存在對(duì)光的遮擋效應(yīng)，可以抵抗部分脈沖強(qiáng)光輻照，減弱其受到的傷害。這是真菌比細(xì)菌更難滅活的原因之一。

此外，微生物附著物體的特性也會(huì)影響殺菌效果。物體的透過(guò)率決定了脈沖強(qiáng)光的穿透深度，透過(guò)率越高，穿透能力就越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)整體殺菌就越容易。對(duì)于空氣和水，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)均有很高的透過(guò)率，使得脈沖強(qiáng)光可以輕松地對(duì)其進(jìn)行整體殺菌。對(duì)于糖液、酒等液體，較差的透過(guò)率使得脈沖強(qiáng)光穿透比較困難，實(shí)現(xiàn)整體殺菌所需能量值較高。當(dāng)物體完全不透明時(shí)，脈沖強(qiáng)光只能對(duì)表面殺菌，無(wú)法實(shí)現(xiàn)徹底殺菌。

4 總結(jié)

目前對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌的研究不夠全面。對(duì)于殺菌機(jī)理，大部分研究局限于理論分析層面，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果匱乏。對(duì)于應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)有研究大多局限于脈沖強(qiáng)光對(duì)微生物殺滅的效果，在實(shí)際生活中的應(yīng)用也基本局限于食品和飲用水殺菌。