光電殺菌技術(shù)在鮮切果蔬保鮮中應(yīng)用的研究進(jìn)展

張艷慧,胡文忠,劉程惠,陳 晨,高紅豆,孫小淵,張曉芳,馮 可

（大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,生物技術(shù)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116600）

鮮切果蔬,又稱最少加工果蔬或輕加工果蔬,即對(duì)新鮮果蔬進(jìn)行清洗、去皮、去核、切分、包裝和冷藏等處理,使其仍保持新鮮品質(zhì)且可供消費(fèi)者直接食用的產(chǎn)品[1]。近年來(lái),鮮切果蔬因其具有健康、營(yíng)養(yǎng)、方便等優(yōu)點(diǎn),深受消費(fèi)者的喜愛(ài),這也使得鮮切果蔬的生產(chǎn)量和消費(fèi)量在全球呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[2]。但由于鮮切加工處理會(huì)對(duì)果蔬產(chǎn)生機(jī)械傷害,引發(fā)一系列的生理生化反應(yīng)[3],使其比未加工的完整果蔬更容易發(fā)生組織軟化、褐變、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低和貯藏期間的微生物侵染等問(wèn)題,從而極大縮短了鮮切果蔬的貨架期[4],這也成為限制鮮切果蔬發(fā)展的瓶頸[5]。因此如何保持鮮切果蔬的品質(zhì)及延長(zhǎng)其貨架期,已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外科研人員的研究熱點(diǎn)。目前對(duì)鮮切果蔬的保鮮方法主要涉及物理方法、化學(xué)方法和生物保鮮劑處理等,其中物理方法因其具有操作簡(jiǎn)單、綠色、安全等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注和認(rèn)可。傳統(tǒng)的物理保鮮技術(shù)有低溫貯藏和氣調(diào)、臭氧、高壓處理等,光電殺菌技術(shù)是物理方法中的一類(lèi)新型殺菌技術(shù),主要有紫外線、脈沖光、高壓脈沖電場(chǎng)、發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）燈等,因其殺菌效果好,并能夠保存食品本身的生理活性、色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分,而受到廣泛關(guān)注,成為了近年來(lái)食品領(lǐng)域關(guān)注的保鮮技術(shù)[6],具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 紫外線照射技術(shù)在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用

紫外線是指波長(zhǎng)在10～400 nm的光線。根據(jù)波段可分為長(zhǎng)波紫外線UV-A（波長(zhǎng)315～340 nm）、中波紫外線UV-B（波長(zhǎng)280～320 nm）和短波紫外線UV-C（波長(zhǎng)200～280 nm）。紫外線的殺菌機(jī)理是其不僅能使核酸及蛋白變性,而且能使空氣中氧氣轉(zhuǎn)化為微量臭氧,從而達(dá)到協(xié)同殺菌作用。表1為不同波長(zhǎng)紫外線在鮮切果蔬保鮮方面的應(yīng)用。

由表1可知,UV-C在抑制鮮切果蔬微生物生長(zhǎng)繁殖方面的應(yīng)用研究較多,這是因?yàn)樗鼘?duì)微生物的破壞力最強(qiáng),當(dāng)該波段的紫外線照射細(xì)菌體后,細(xì)胞的核蛋白和DNA強(qiáng)烈地吸收該波段的能量,它們之間的鏈被打開(kāi)而發(fā)生斷裂,從而使細(xì)菌死亡[23]。此外,適宜劑量的UV-B與UV-A照射也均可抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖[22]。

UV-C照射對(duì)鮮切果蔬的保鮮效果與果蔬的種類(lèi)、照射時(shí)間與照射劑量有關(guān)。適宜劑量的UV-C照射可通過(guò)維持質(zhì)量、VC含量、可溶性糖含量和提高抗氧化酶活性來(lái)提升鮮切果蔬的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),若照射劑量過(guò)高,鮮切果蔬會(huì)產(chǎn)生脫水、組織惡化和褐變等不利現(xiàn)象。高劑量的UV-C照射可以更有效地殺滅微生物,但對(duì)品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不利的影響；因此為了達(dá)到更好的保鮮效果,高劑量的UV-C照射需結(jié)合其他保鮮方式來(lái)處理鮮切果蔬,許多研究表明復(fù)合保鮮方法在保持鮮切果蔬的品質(zhì)方面效果更佳[15-17]。目前,UV-B照射處理在鮮切蔬菜中的研究并不多,在鮮切水果上的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。Du Wenxian等[19]研究UV-B照射后鮮切蔬菜中可溶性總酚的含量,發(fā)現(xiàn)除鮮切白蘿卜的可溶性總酚含量沒(méi)有變化,其他鮮切蔬菜的可溶性總酚含量增加,所以UV-B照射效果可能與蔬菜的種類(lèi)相關(guān)。雖然UV-A照射比UV-C與UV-B強(qiáng)度低,但UV-A照射可有效延緩褐變[21],而且適宜劑量照射也不會(huì)影響鮮切果蔬的感官特性和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。綜上,紫外線在鮮切果蔬保鮮行業(yè)具有一定的發(fā)展前景。

表1 紫外線照射技術(shù)在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用Table 1 Application of ultraviolet irradiation technology in preservation of fresh-cut fruits and vegetables

2 脈沖光處理在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用

脈沖光殺菌是通過(guò)施加短且持續(xù)時(shí)間的脈沖光（毫秒級(jí)和高頻率）對(duì)鮮切果蔬的表面進(jìn)行殺菌消毒[24],其工作原理是脈沖光作用于微生物蛋白質(zhì)和核酸的活性結(jié)構(gòu)并使其變性,使微生物細(xì)胞失去生物活性,抑制其生長(zhǎng)繁殖,達(dá)到殺菌目的,具有殺菌快速、高效、節(jié)能、環(huán)保和無(wú)殘留等特點(diǎn)。

脈沖光處理在鮮切果蔬保鮮行業(yè)的應(yīng)用起始于1996年,由美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)用于食品和食品表面殺菌[25]。研究發(fā)現(xiàn),脈沖光處理比連續(xù)紫外線處理殺死枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）孢子的效率更高,這是因?yàn)槊}沖光具有更寬光譜范圍與更高的峰值功率[26]。例如,利用脈沖光處理鮮切番茄,發(fā)現(xiàn)其能有效減少微生物的生長(zhǎng),與對(duì)照組相比減少2（lg（CFU/g））[27]。趙越[28]利用脈沖光處理鮮切白菜與鮮切油麥菜,4 ℃下貯藏10 d后,處理組的鮮切白菜與鮮切油麥菜的菌落總數(shù)比未處理組分別減少了6.15（lg（CFU/g））與6.26（lg（CFU/g））。但I(xiàn)gnat等[29]利用脈沖光處理鮮切蘋(píng)果,發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的脈沖光對(duì)L.monocytogenes的作用不大,而且,隨著脈沖光強(qiáng)度的增強(qiáng),鮮切蘋(píng)果褐變不斷加深。研究發(fā)現(xiàn),不同強(qiáng)度（6、12 J/cm2）的脈沖光處理鮮切西瓜[30],會(huì)使大腸桿菌（Escherichia coli）與L.monocytogenes數(shù)都有不同程度的減少,但是強(qiáng)度為12 J/cm2的脈沖光處理會(huì)對(duì)鮮切西瓜的硬度、色澤等品質(zhì)產(chǎn)生不利的影響,可能是由于脈沖光強(qiáng)度過(guò)高引起了熱效應(yīng),加速了西瓜組織中水分的蒸發(fā)。對(duì)于保持鮮切果蔬的品質(zhì)來(lái)說(shuō),利用脈沖光處理鮮切哈密瓜[31]與鮮切草莓[32],發(fā)現(xiàn)鮮切哈密瓜的保質(zhì)期與對(duì)照組相比延長(zhǎng)了20 d,而鮮切草莓也在4、8 J/cm2的脈沖光處理下保持了其感官品質(zhì)與抗氧化活性。Oms-Oliu等[33]用4.8 J/cm2的脈沖光處理鮮切蘑菇,發(fā)現(xiàn)可使其保質(zhì)期延長(zhǎng)2～3 d,且不會(huì)影響鮮切蘑菇的品質(zhì)與抗氧化活性。綜上,適宜劑量的脈沖光處理能殺滅微生物并保持鮮切果蔬的品質(zhì),并且脈沖光殺菌技術(shù)在提高食品的安全性及延長(zhǎng)保質(zhì)期方面有著巨大的潛力。但是目前脈沖光應(yīng)用于鮮切果蔬保鮮方面還處于研究階段[34],不同種類(lèi)的鮮切果蔬其對(duì)脈沖光殺菌劑量的要求和對(duì)殺菌效果與品質(zhì)保持的影響還需進(jìn)一步研究。

3 高壓脈沖電場(chǎng)在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用

高壓脈沖電場(chǎng)是近年來(lái)食品非熱處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,目前關(guān)于其作用機(jī)理還不完全清楚,主要包括電崩解理論、電穿孔理論、點(diǎn)解產(chǎn)物效應(yīng)、臭氧效應(yīng)、電磁機(jī)理模型和黏彈極性形成模型等[35],目前研究者們普遍接受的原理是電崩解理論與電穿孔理論,即在某個(gè)臨界場(chǎng)強(qiáng)下脈沖電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜的通透性增大,破壞微生物膜內(nèi)外的滲透平衡,從而瞬時(shí)破壞微生物的細(xì)胞膜,達(dá)到殺菌的目的,但也不排除在處理過(guò)程中幾種理論同時(shí)存在導(dǎo)致微生物細(xì)胞破裂的可能[36]。

目前,高壓脈沖電場(chǎng)主要在果蔬汁、茶湯與牛奶等液體食品的殺菌應(yīng)用中研究較多,但其在鮮切果蔬保鮮的應(yīng)用研究在近幾年才剛興起[37]。利用電場(chǎng)強(qiáng)度為30 kV/cm、處理時(shí)間為60 μs的高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)處理藍(lán)莓汁,發(fā)現(xiàn)其對(duì)藍(lán)莓汁的滅菌率可高達(dá)99%以上；且此技術(shù)對(duì)藍(lán)莓汁的品質(zhì)保持具有良好的作用,在4 ℃下貯藏30 d后,藍(lán)莓汁中的花青素與VC的保留率明顯優(yōu)于熱處理,高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)葡萄汁進(jìn)行處理后也得到了相同的保持品質(zhì)的效果[38-39]。Mannozzi等[40]也研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)80 ℃熱處理結(jié)合脈沖電場(chǎng)處理蘋(píng)果汁與胡蘿卜汁時(shí),能夠有效地抑制PPO與POD的活性,且有助于顏色與生物活性化合物的保留。在已有關(guān)于鮮切果蔬保鮮的研究中發(fā)現(xiàn),中等強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)在鮮切南瓜保鮮中的應(yīng)用具有顯著效果,它增加了類(lèi)胡蘿卜素等一些目標(biāo)生物活性化合物的含量[41]。高壓脈沖電場(chǎng)也可有效抑制微生物的繁殖,有助于保持鮮切蘋(píng)果的顏色和硬度,并減少酶促褐變[42-43]。該技術(shù)可以維持鮮切果蔬較低的溫度,具有良好的殺菌、滅活酶的效果,并且還能最大程度地保持食品新鮮度和營(yíng)養(yǎng)成分,是一種理想的殺菌保鮮技術(shù)。但是高壓脈沖電場(chǎng)的設(shè)備價(jià)格昂貴,且此技術(shù)是新興技術(shù),其應(yīng)用研究還不十分成熟,對(duì)于食品處理的安全性也存在一定的爭(zhēng)議,所以當(dāng)前對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)的研究主要集中在液體食品的加工上[44]。未來(lái)關(guān)于高壓脈沖電場(chǎng)的殺菌技術(shù)在鮮切果蔬保鮮方面的應(yīng)用還值得進(jìn)一步研究。

4 LED燈在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用

LED是一種直接把電轉(zhuǎn)化為光,并能夠直接發(fā)出紅、綠、藍(lán)、黃、青、紫、橙、白色的光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。發(fā)光器件是由無(wú)毒的材料組成,屬于典型的綠色照明光源[45-46]。目前LED照射處理作為一種新興的物理保鮮方法,已經(jīng)被證實(shí)具有延緩果蔬采后衰老劣變和延長(zhǎng)貨架期的作用[46],而且LED燈照射具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)毒害、無(wú)副產(chǎn)物殘留、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[45],也能夠回收再利用,十分環(huán)保。目前,國(guó)內(nèi)外大部分的報(bào)道都僅僅是研究白色光源的LED燈對(duì)鮮切果蔬的保鮮效果[47],例如詹麗娟等[48]研究發(fā)現(xiàn)白色光源LED光照處理能顯著減緩鮮切西蘭花貯藏期間葉綠素降解和黃化,維持類(lèi)胡蘿卜素、可溶性固形物和抗壞血酸含量,從而使其保持較高的抗氧化力。強(qiáng)度為24 μmol/（m2·s）的白色光源LED燈照射也有利于保持鮮切芹菜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、葉綠素和可溶性糖的含量[49]。Charles等[50]研究發(fā)現(xiàn)白色光源LED燈照射還可以顯著降低鮮切萵苣的切邊褐變。但上述研究均發(fā)現(xiàn)白色光源LED燈照射鮮切果蔬會(huì)加速其水分的蒸發(fā),導(dǎo)致鮮切果蔬脫水嚴(yán)重,這是白色光源LED燈應(yīng)用在鮮切果蔬保鮮中遇到的亟待解決的問(wèn)題。然而,Wang Yubin等[51]卻利用了白色光源LED燈照射可以加速水分蒸發(fā)這一特點(diǎn),在保質(zhì)期內(nèi)用3000 lx的白色光源照射鮮切西瓜,加速其水分蒸發(fā),通過(guò)降低多聚半乳糖醛酸酶的活性及細(xì)胞壁降解的比例來(lái)減少西瓜的滴落損失,這對(duì)鮮切西瓜的商業(yè)發(fā)展起到了積極的作用。

目前除了白色光源外,其他不同單色LED燈照射鮮切果蔬保鮮的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。但有報(bào)道發(fā)現(xiàn)釆后果蔬尤其是綠色果蔬在不同單色LED燈照射的光照條件下仍可進(jìn)行光合作用,從而補(bǔ)充了呼吸作用所消耗的營(yíng)養(yǎng),達(dá)到保鮮的目的[45],因此,建議將該技術(shù)用于鮮切果蔬保鮮的研究,進(jìn)一步為其保鮮技術(shù)發(fā)展提供新的思路。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著鮮切行業(yè)在國(guó)內(nèi)外的興起,鮮切果蔬逐漸成為了未來(lái)農(nóng)產(chǎn)品加工的大方向,同時(shí)帶動(dòng)了鮮切果蔬保鮮技術(shù)的迅速發(fā)展。光電殺菌技術(shù)作為物理殺菌技術(shù)中的新型綠色殺菌技術(shù),可以有效地抑制鮮切果蔬中微生物的生長(zhǎng)繁殖,同時(shí)對(duì)保持其品質(zhì)也有很好的效果,在鮮切果蔬的保鮮技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位。因不同種類(lèi)的鮮切果蔬其本身特點(diǎn)不同,所以要選擇的光電殺菌技術(shù)中的處理方法也不同,從上面的論述中可以得出,針對(duì)不同的鮮切果蔬,要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇適宜的光電處理?xiàng)l件,以達(dá)到最佳的保鮮效果,獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)目前4 種光電殺菌技術(shù)在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)展可以看出,紫外線技術(shù)應(yīng)用比較廣泛,脈沖光與高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用正在興起,而不同波長(zhǎng)單色LED燈的研究正處于初級(jí)階段,有很大的研究空間。在上述的所有研究中,高強(qiáng)度的光電處理對(duì)鮮切果蔬的殺菌效果十分明顯,但幾乎都會(huì)對(duì)其品質(zhì)產(chǎn)生不利的影響,在未來(lái)可以聯(lián)合其他的保鮮技術(shù)來(lái)處理鮮切果蔬,使光電殺菌技術(shù)可以在高劑量徹底殺滅微生物的情況下依然保持其品質(zhì)不受影響。總之,光電殺菌技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊,也是未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。