LEDs技術(shù)在果蔬殺菌保鮮領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

范劉敏，張嶸，董閃閃，相啟森

鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450001）；河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室（鄭州 450001）

新鮮水果和蔬菜富含糖類、維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維等多種營養(yǎng)成分，在均衡飲食、維持機(jī)體健康等方面發(fā)揮重要作用。隨著社會發(fā)展和生活水平提高，消費者對于新鮮果蔬的需求量不斷增大。然而，果蔬在生長、采收、運輸和加工等環(huán)節(jié)極易受到各種微生物的污染，導(dǎo)致腐敗變質(zhì)甚至引發(fā)食源性疾病[1-2]。近年來，隨著消費者對食品品質(zhì)和安全要求的提高，超高壓、脈沖電場、超聲波、冷等離子體、微酸性電解水等非熱加工技術(shù)成為食品加工技術(shù)和食品安全領(lǐng)域的研究熱點[3-4]。

近年來，發(fā)光二極管（Light-emitting diodes，LEDs）技術(shù)作為一種新型非熱物理殺菌技術(shù)，被應(yīng)用于食品殺菌保鮮、飲用水消毒、食品接觸材料消毒等領(lǐng)域[5-7]。綜述LEDs技術(shù)在果蔬殺菌保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析LEDs處理對果蔬品質(zhì)的影響，探討LEDs殺菌機(jī)理和影響因素，旨在為今后LEDs技術(shù)在果蔬領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1 LEDs技術(shù)介紹

LEDs是一種可以直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的固體電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，其核心結(jié)構(gòu)是由Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料構(gòu)成的p—n結(jié)[8]。施加電壓時，電流從p側(cè)流到n側(cè)，導(dǎo)致導(dǎo)帶電子和價帶上的空穴復(fù)合。當(dāng)電子-空穴相互作用導(dǎo)致電子從高能態(tài)回到低能態(tài)時，能量會以光子形式釋放出來，從而產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象[9]（見圖1）。根據(jù)半導(dǎo)體材料種類和禁帶寬度的不同，LEDs可以發(fā)出紅光（610～700 nm）、橙光（590～610 nm）、黃光（570～590 nm）、綠光（500～570 nm）、藍(lán)光（400～500 nm）、紫外（UVA 315～400 nm、UVB 280～315 nm、UVC 200～280 nm）等不同波長的單色光，同時也可以將單色LED與熒光粉結(jié)合或?qū)⒉煌伾壤膯紊饨M合生成白光等組合光[10-11]。

相對于傳統(tǒng)光源，LEDs技術(shù)具有發(fā)射波長集中、光電轉(zhuǎn)化效率高、光子通量或輻照度低、熱輸出小、體積小、攜帶方便、易于集成到電子系統(tǒng)、壽命長等優(yōu)點[12-14]，在果蔬采后保鮮[15-16]、植物生長[17]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1 LEDs工作原理

2 LEDs技術(shù)在果蔬殺菌中的應(yīng)用

果蔬在貯藏和加工等環(huán)節(jié)極易受到微生物污染，引起腐敗變質(zhì)、貨架期短縮，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和健康危害。國內(nèi)外研究表明，LEDs可有效失活草莓[18]、卷心菜[19]、鮮切哈密瓜[20]、木瓜[21]等果蔬表面的食源性致病菌和致腐菌，有效延長產(chǎn)品貯藏期（表1）。

表1 LEDs技術(shù)在果蔬殺菌中的應(yīng)用

3 LEDs殺菌效果的影響因素

3.1 波長

波長是影響LEDs殺菌效果的關(guān)鍵因素之一。Ghate等[25]研究藍(lán)光（461 nm）、綠光（521 nm）和紅光（642 nm）LEDs對大腸桿菌O157：H7、沙門氏菌、李斯特菌和金黃色葡萄球菌的失活作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同溫度和照射劑量下，藍(lán)光LEDs的殺菌效果最好。同樣地，Kumar等[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件相同時，藍(lán)光LEDs（405和460 nm）對蠟樣芽孢桿菌、植物乳桿菌和副溶血性弧菌的殺滅效果明顯優(yōu)于綠光LEDs（520 nm），且405 nm LEDs的殺菌效果最好。Subedi等[27]研究結(jié)果表明，在1 199 J/cm2照射劑量下，UVA（395和365 nm）和藍(lán)光（455 nm）LEDs處理使小麥粉中沙門菌分別降低2.48，2.22和1.61 log CFU/g。Oguma等[28]研究發(fā)現(xiàn)，UVC（265 nm）和UVB（280 nm）的殺菌效果優(yōu)于UVA（310 nm）LEDs。

3.2 照射劑量

LEDs的照射劑量是影響其微生物滅活的又一關(guān)鍵因素。照射劑量是指被微生物所吸收的光的能量[29]，為照射強(qiáng)度（mW/cm2）與照射時間（s）的乘積，一般表示為mJ/cm2或J/m2。一定照射劑量范圍內(nèi)，LEDs對微生物的殺滅效果隨照射劑量升高而增強(qiáng)。但照射劑量越高，所需時間更長，能耗也越高，因此，應(yīng)根據(jù)果蔬產(chǎn)品特性對照射劑量進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 微生物種類

研究證實，LEDs對不同種微生物的殺菌效果存在差異。Kim等[30]研究266～279 nm波長UVC-LEDs滅活革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和酵母菌的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在照射劑量0.2 mJ/cm2時，大腸桿菌O157：H7降低約5 log CFU/mL，沙門氏菌降低約3 log CFU/mL，李斯特菌失活少于1 log CFU/mL，金黃色葡萄球菌減少2 log CFU/mL左右。畢赤酵母和釀酒酵母的失活不到1 log CFU/mL。Kim等[31]在另一項研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，革蘭氏陰性菌對LEDs最敏感，革蘭氏陽性菌次之，酵母霉菌等最不容易被滅活。

3.4 產(chǎn)品表面特性

待處理樣品粗糙度、表面疏水性等性質(zhì)均會影響LEDs的殺菌效果。Kim等[32]研究食品接觸材料的表面性質(zhì)對UVC-LEDs失活大腸桿菌O157：H7、沙門氏菌和李斯特菌效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃、聚氯乙烯、不銹鋼、聚四氟乙烯、硅材料的粗糙度依次增大、疏水性依次遞減，但經(jīng)UVC-LEDs處理，接種在其表面的微生物的失活率依次降低。這表明UVCLEDs的殺菌效果與待處理樣品表面粗糙度和疏水性密切相關(guān)。但有關(guān)于果蔬表面特性（色澤、粗糙度等）對LEDs殺菌效果影響的研究未見報道，有待進(jìn)一步研究。

3.5 其他影響因素

在實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮光照、溫度等外界環(huán)境因素對LEDs殺菌效果的影響。一方面在LEDs照射過程中應(yīng)嚴(yán)格避光，減少DNA修復(fù)對殺菌效果的影響[33]；另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫有利于LEDs對微生物失活[34]。

4 LEDs殺菌機(jī)制

4.1 藍(lán)光LEDs殺菌機(jī)制

研究證實，藍(lán)光LEDs的殺菌作用與微生物細(xì)胞中的內(nèi)源性卟啉類化合物（最大吸收波長405 nm）等有關(guān)[35-37]。吸收藍(lán)光后，卟啉類化合物能夠被激發(fā)到更高的能態(tài)，在其返回基態(tài)過程中，卟啉分子與氧分子、氧化物等發(fā)生反應(yīng)并生成單線態(tài)氧、過氧化氫和超氧陰離子等活性氧。這些活性氧能夠造成微生物細(xì)胞膜、DNA等氧化損傷，從而導(dǎo)致其失活[38-40]。

4.2 UV-LEDs殺菌機(jī)制

UV-LEDs在照射過程中也會產(chǎn)生羥基自由基、過氧化氫等活性氧，從而誘導(dǎo)DNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜等發(fā)生氧化損傷，最終造成微生物失活[41]。有效波長在260～265 nm UV-LEDs處殺菌效果最強(qiáng)，上述波長范圍與DNA最大吸收波長范圍相一致。在UVC作用下，DNA中的嘧啶和嘌呤堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成環(huán)丁烷嘧啶二聚體（CPDs）和6-4光產(chǎn)物（6-4PP）等產(chǎn)物，干擾正常的RNA轉(zhuǎn)錄和DNA復(fù)制，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[42]。與UVC相比，暴露于UVB-LEDs產(chǎn)生的CPDs、6-4PPs較少，但仍在殺菌中發(fā)揮重要作用。

5 LEDs處理對果蔬品質(zhì)的影響

在有效殺滅果蔬表面微生物的同時，LEDs處理也可能對果蔬品質(zhì)造成影響。

5.1 LEDs處理對果蔬理化指標(biāo)的影響

Souza等[24]研究了UVC-LEDs（277 nm）對蘋果理化品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，未處理和UVC-LEDs處理的蘋果在貯藏期間，其理化品質(zhì)均有所下降，表現(xiàn)為果皮和果肉硬度下降、總酸度降低、可溶性固形物含量和蘋果質(zhì)量均無明顯變化；在相同貯藏時間內(nèi)，UVC-LEDs處理組蘋果與未處理組樣品理化參數(shù)均無顯著性差異（p＞0.05）。Aihara等[19]發(fā)現(xiàn)采用365 nm UVA-LEDs處理鮮切卷心菜后，其質(zhì)量和維生素C含量均無顯著變化。Kim等[21]研究表明，與對照組相比，405 nm LEDs處理對鮮切木瓜維生素C、β-胡蘿卜素、番茄紅素、類黃酮含量和抗氧化能力均無顯著性影響。因此，LEDs處理在有效滅活果蔬表面微生物的同時，能夠較好地保持果蔬的營養(yǎng)成分和抗氧化活性等。

5.2 LEDs處理對果蔬感官品質(zhì)的影響

果蔬色澤是評價果蔬感官品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，直接影響消費者對果蔬產(chǎn)品的接受度。Kim等[22]發(fā)現(xiàn)鮮切芒果經(jīng)405 nm LEDs在不同溫度下（4，10和20 ℃）處理，其黃度指數(shù)（YI值）無顯著變化（p＞0.05）。然而Ghat等[23]研究不同溫度（7，16和25 ℃）下LEDs（460 nm）處理對鮮切菠蘿色澤的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)照射強(qiáng)度為254.7 mW/cm2時，鮮切菠蘿的YI值分別降低至25.48，38.63和47.87，顯著低于未處理組（YI值分別為78.41，75.75和86.75）。上述差異可能與所用的果蔬原料有關(guān)。460 nm LED光照可使菠蘿含有的β-胡蘿卜素（450 nm和478 nm處有吸收峰）發(fā)生降解從而造成菠蘿YI值降低[23]。因此，LEDs處理能夠在一定程度上保持新鮮果蔬色澤，但是高劑量長時間處理可能導(dǎo)致天然色素等組分發(fā)生降解，引起色澤發(fā)生顯著變化。

6 結(jié)語與展望

近年來，LEDs技術(shù)作為一種非熱加工技術(shù)，具有殺菌效果強(qiáng)、綠色無污染、能耗低等優(yōu)點，在生鮮果蔬殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。LEDs殺菌效果受波長、照射劑量、食品理化特性和微生物種類等因素的影響，在實際應(yīng)用中應(yīng)加以考慮。此外，目前關(guān)于LEDs在果蔬領(lǐng)域的應(yīng)用多集中于殺菌保鮮，對果蔬營養(yǎng)和感官品質(zhì)影響的研究尚不夠充分。同時，LEDs存在成本高、散熱性較差等問題，有待在今后的工作中進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以推動LEDs技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。