非熱加工技術(shù)在果蔬保鮮中的應(yīng)用

翟婭菲*，田佳麗，相啟森，禹曉，申瑞玲，王章存

鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450001）

水果和蔬菜是某些關(guān)鍵營養(yǎng)成分和膳食纖維的主要來源。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，新鮮果蔬已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚霓r(nóng)產(chǎn)品[1]，然而果蔬中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)使得微生物易于在其中繁殖。新鮮果蔬的微生物污染可能有多種來源，包括農(nóng)場環(huán)境、采后處理、加工設(shè)備的接觸以及貯藏和零售過程中對果蔬的處理[2]。攜帶于農(nóng)產(chǎn)品表面的微生物生長需要營養(yǎng)物質(zhì)，果蔬則是天然的培養(yǎng)基。果蔬表面的水分會促進(jìn)微生物的生長，有的微生物自身可以生成生物胞外酶，作用于碳水化合物，分解的產(chǎn)物一部分用來組成微生物細(xì)胞的物質(zhì)，另一部分轉(zhuǎn)化為代謝所需的能量。在各類微生物存在的情況下，果蔬成分被分解，同時(shí)產(chǎn)酸產(chǎn)氣、變臭、變色，使果蔬變質(zhì)[3]。果蔬變質(zhì)使果蔬行業(yè)面臨巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，腐敗的農(nóng)產(chǎn)品也是導(dǎo)致全球人類疾病暴發(fā)的重要來源[4]，果蔬變質(zhì)已成為亟待解決的問題。

目前，已有許多研究來評估食品殺菌與微生物及食品品質(zhì)之間的關(guān)系。熱殺菌技術(shù)是指單獨(dú)加熱或與其他成分一起加熱，以確保除嗜溫菌或嗜熱菌之外的微生物失活[5]，延長保質(zhì)期并避免食物變質(zhì)。熱殺菌在有效殺滅微生物的同時(shí)，食品的感官特性和營養(yǎng)成分會受到熱處理的影響。與熱殺菌相比，非熱加工技術(shù)有利于保持食品的新鮮、風(fēng)味、顏色和營養(yǎng)特性，特別是一些熱不穩(wěn)定化合物，如抗壞血酸和多酚[6]。因此，新型的非熱加工技術(shù)在食品保鮮方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。綜述了近年來國內(nèi)外非熱加工技術(shù)在預(yù)防果蔬變質(zhì)中的研究進(jìn)展，包括殺菌劑、低溫等離子體、紫外線、脈沖光殺菌及其聯(lián)合處理，以期為今后果蔬保鮮提供一些策略。

1 殺菌劑

傳統(tǒng)的清洗處理雖然可以很好地去除果蔬表面的泥土，但是對于微生物的影響不明顯。因此，將殺菌劑應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的清洗處理中，對于殺滅微生物以及抑制微生物的生長尤為重要。被應(yīng)用于清洗的殺菌劑包括氯、二氧化氯、溴、磷酸三鈉、有機(jī)酸、過氧乙酸還有電解水[7]。

氯產(chǎn)品在食品加工中已經(jīng)應(yīng)用幾十年，是20世紀(jì)食品工業(yè)中使用最廣泛的殺菌劑。傳統(tǒng)的含氯殺菌劑有Cl2、NaClO、Ca(ClO)2和ClO2等，一般要求有效氯含量為100～200 mg/kg，溶液中形成的次氯酸易分解，產(chǎn)生新生態(tài)氧，起到殺菌消毒作用[8]。研究表明ClO2可通過抑制孢子萌發(fā)，改變灰葡萄孢菌絲的形態(tài)并破壞質(zhì)膜，從而有效抑制灰葡萄孢菌的生長，控制灰葡萄孢菌引起的青椒和冬棗的灰霉病[9]。

殘留的氯產(chǎn)品殺菌劑對人體及環(huán)境會造成一定傷害。而電解水作為一種新型的殺菌劑，能有效緩解這一問題。弱酸性電解水是一種新型消毒劑，它是通過在設(shè)有分離膜的電解池中電解稀氯化鈉、鹽酸或兩者的混合溶液而產(chǎn)生的，無色、無味且對人體和環(huán)境無害，已在日本和美國的食品表面直接使用。弱酸性電解水由于能夠產(chǎn)生可利用的氯化合物，包括CLO-，高氯酸和Cl2[10]，從而可達(dá)到良好的殺菌效果。Ye等[11]通過酸性電解水誘導(dǎo)大腸桿菌失活并研究了細(xì)菌的失活機(jī)制。結(jié)果表明，酸性電解水的pH為6.40，氧化還原電位為910 mV，有效氯濃度為60 mg/L，體積比為20：1時(shí)，殺菌效果最佳。在處理10 min內(nèi)，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生了變化，表現(xiàn)為細(xì)胞膨脹，細(xì)胞伸長和膜通透性增加。同時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞中釋放出活性氧物質(zhì)。說明酸性電解水能夠誘導(dǎo)大腸桿菌失活和凋亡。Zhang等[12]將微酸性電解水應(yīng)用于芹菜、香菜的保鮮中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)弱酸性電解水可以有效減少芹菜和香菜上的天然微生物，在有效氯濃度為30 mg/L下處理5 min，25 mg/L下處理7 min可將芹菜和香菜上的酵母和霉菌降低到不可檢測的水平。在4和20 ℃下儲存，芹菜和香菜的微生物數(shù)量保持較低水平。試驗(yàn)證明微酸性電解水在消除芹菜和香菜表面上的微生物方面非常有效，可用于抵抗新鮮產(chǎn)品中的天然微生物。

然而，某些類型的農(nóng)產(chǎn)品通常在收獲后直接在田間包裝，不需要或只需要很少的處理或衛(wèi)生處理。而且消毒之后的農(nóng)產(chǎn)品存在潛在的健康影響，一些化學(xué)食品防腐劑（如次氯酸鈉和氯）也引起了人們的關(guān)注[13]。因此，近年來開發(fā)了更多新型的物理殺菌方法，來進(jìn)一步滿足消費(fèi)者對新鮮和安全食品日益增長的需求。

2 低溫等離子體

低溫等離子體殺菌被認(rèn)為是一種新型的非熱加工技術(shù)，與傳統(tǒng)的加工方法相比，冷等離子體能耗低、溫度要求低，主要用于微生物滅活和食品去污[14]。等離子體處理系統(tǒng)主要由高頻等離子體發(fā)生器和陶瓷電極組成。等離子體是物質(zhì)的第4種狀態(tài)，是一種部分電離的氣體，由離子、紫外光子、電子、自由基、分子和被激發(fā)的原子等活性物質(zhì)組成。這些活性物質(zhì)可以與蛋白質(zhì)相互作用并改變其構(gòu)象[15]。許多研究表明等離子體處理在果蔬殺菌方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

Tian等[16]研究表明等離子體活化水可引起細(xì)菌的氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧積累，進(jìn)而使膜電位下降和膜完整性受損，并最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡。Xiang等[17]將等離子體活化水應(yīng)用于綠豆芽的保鮮中。結(jié)果表明，處理30 min后，綠豆芽上總的好氧細(xì)菌總數(shù)、霉菌和酵母菌的數(shù)量分別減少2.32和2.84個(gè)對數(shù)值。在4 ℃儲存6 d后，處理過的綠豆芽細(xì)菌總數(shù)比對照組相少3.6個(gè)對數(shù)值，霉菌和酵母菌也有相應(yīng)地減少。此外，處理之后的綠豆芽的抗氧化能力、總酚和類黃酮含量以及感官特性均未見明顯變化。袁圓等[18]用不同電壓條件下處理蒸餾水得到的等離子體活化水處理生菜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨電壓的升高，等離子體活化水對生菜的殺菌效果顯著提高，在75 kV處理組中菌落總數(shù)降低1.15 lg（CFU/g），大腸菌群數(shù)較對照組低1.38 lg（MPN/100 g）。但是，該處理對葉綠素和維生素C含量產(chǎn)生了不良影響。此外，低溫等離子體還被應(yīng)用于藍(lán)莓、蘑菇等多種果蔬的保鮮中（表1）。低溫等離子體處理可能是一種理想的食品殺菌方法，但由于不同農(nóng)產(chǎn)品本身特征影響殺菌條件有待探索。

表1 低溫等離子體在果蔬中的應(yīng)用

3 紫外殺菌

紫外光屬于100～380 nm的電磁波，自1910年以來，紫外線輻射已被廣泛應(yīng)用于水消毒[24]。紫外發(fā)光二極管（UV-LED）照射也是近年來出現(xiàn)的一種有潛力應(yīng)用于食品工業(yè)的方法。紫外線根據(jù)波長范圍分為UVA、UVB和UVC區(qū)域。其中UV-C殺菌效果最大。與UV燈相比，UVC-LED的一些獨(dú)特性使其更適合應(yīng)用，如溫度無關(guān)的輻照度輸出，體積小，無汞，相對較長的壽命，以及無限的開關(guān)周期[25]。其無需預(yù)熱時(shí)間即可達(dá)到最大輻照劑量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間殺菌的效果。輻照過程中細(xì)菌DNA會強(qiáng)烈吸收紫外光，形成嘧啶二聚體，從而引起核酸損傷，足夠水平的二聚體會導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡[26]。同樣，輻照產(chǎn)生的活性氧在細(xì)胞內(nèi)也會破環(huán)核酸及細(xì)胞成分，從而達(dá)到殺菌滅活微生物的效果[27]。

表2總結(jié)了紫外在果蔬中的應(yīng)用情況。Aihara等[28]用UVA-LED處理卷心菜，結(jié)果表明隨輻照時(shí)間的增加，細(xì)菌失活數(shù)量增加，處理90 min時(shí)細(xì)菌失活量達(dá)3.23個(gè)對數(shù)值。與對照組相比，照射后的卷心菜品質(zhì)和維生素C含量均沒有顯著的變化。對于菠菜葉片而言，高劑量的紫外照射雖然可以達(dá)到很好的滅活微生物的效果，但是菠菜的總抗氧化活性和多酚含量較對照組有所降低[29]。而在黃瓜的處理中，與未處理組相比，輻照一定時(shí)間之后總酚含量有所增加[30]。

表2 紫外殺菌在果蔬中的應(yīng)用

4 脈沖光殺菌技術(shù)

脈沖光（PL）由一系列非常短的高強(qiáng)度脈沖的廣譜白光組成，包括紫外光（54%）、可見光輻射（26%）和紅外線（20%）[34]。已知脈沖光可以通過產(chǎn)生光化學(xué)和光熱損傷而導(dǎo)致微生物細(xì)胞死亡。光化學(xué)損傷滅活與通過紫外線輻射誘導(dǎo)DNA鏈斷裂和嘧啶二聚體形成有關(guān)。加熱是一種局部現(xiàn)象，可能會隨著熱應(yīng)力的產(chǎn)生而終止[35]。Llano等[36]在用脈沖光處理蘋果的過程中，在水果表面沒有記錄到溫度的變化，證明大多數(shù)滅活是通過非熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。

Lee等[37]對黃曲霉孢子、短小芽孢桿菌和大腸桿菌進(jìn)行強(qiáng)脈沖光處理后觀察微生物的形態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)脈沖光處理比低溫等離子體處理對微生物細(xì)胞的損害更大，黃曲霉孢子萎縮，短小芽孢桿菌孢子和大腸桿菌 O157：H7破裂。較高通量的脈沖光會引發(fā)光熱效應(yīng)，并且細(xì)胞中水分的汽化可能會增加細(xì)菌內(nèi)部的壓力，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁被破壞，影響微生物的形態(tài)。但這不足以提高產(chǎn)品溫度[38]。

脈沖光處理后的番茄中嗜冷細(xì)菌、霉菌和酵母菌的數(shù)量較未處理組明顯減少，脈沖通量越大，微生物的抑制效果越好。在滅活微生物的同時(shí)，脈沖光處理也會加快硬度的降低，這可能與西紅柿水分蒸發(fā)和脈沖光對酶活性的影響有直接的關(guān)系[39]。表3總結(jié)了近期關(guān)于脈沖光應(yīng)用于果蔬保藏的研究。在油麥菜和白菜的處理中，脈沖電壓達(dá)到2 500 V時(shí)，蔬菜表面混合菌的致死率達(dá)98%以上，而且對于蔬菜的品質(zhì)均無顯著影響[40]。

表3 脈沖光殺菌技術(shù)在果蔬中的應(yīng)用

5 柵欄技術(shù)

如上所述，單一加工技術(shù)的應(yīng)用可能對降低某些食物表面微生物的效果有限。各種殺菌技術(shù)的結(jié)合為抑制微生物提供了一種新的策略。柵欄技術(shù)就是一種通過結(jié)合不同的保鮮技術(shù)來確保食品安全的方法[44]。合適的障礙組合可以有效提高食品的微生物安全性、儲存穩(wěn)定性、營養(yǎng)特性和感官質(zhì)量。近年來，新興的非熱技術(shù)與傳統(tǒng)的跨欄方法相結(jié)合已經(jīng)得到了廣泛的探索。

柵欄技術(shù)在滅菌中經(jīng)常表現(xiàn)出累加或協(xié)同效果。Xiang等[45]的研究表明等離子體活化水和溫?zé)岬穆?lián)合處理具有協(xié)同殺菌作用，葡萄上的釀酒酵母在55 ℃下經(jīng)等離子體活化水處理30 min后，最大失活率為5.85 log 10 CFU/g，明顯高于25 ℃下進(jìn)行的等離子體活化水處理以及55 ℃條件下進(jìn)行的無菌蒸餾水處理的結(jié)果。同時(shí)，葡萄在不同溫度下進(jìn)行30 min的等離子體活化水處理后，其總可溶性固形物、還原糖、pH、可滴定酸度、硬度、表面顏色、總酚、維生素C和抗氧化特性均未見明顯變化。UVC和二氧化氯氣體聯(lián)合處理菠菜葉和番茄，對其表面的大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌均表現(xiàn)出協(xié)同殺菌效果，聯(lián)合處理所實(shí)現(xiàn)的滅活作用均顯著高于單獨(dú)UVC和ClO2氣體滅活的總和。單獨(dú)使用二氧化氯處理過的菠菜葉的顏色在儲存過程中逐漸改變，顏色的改變可能是由于ClO2氣體的高氧化能力。未經(jīng)處理的樣品與經(jīng)UVCClO2氣體處理的樣品保存7 d，菠菜葉的顏色和質(zhì)地?zé)o顯著差異[46]。有研究報(bào)告顯示，枸杞干果經(jīng)臭氧和紫外復(fù)合處理后殺菌率高達(dá)98.99%，明顯優(yōu)于單一的臭氧、紫外殺菌效果。經(jīng)復(fù)合處理之后的枸杞色澤參數(shù)有所變化，其余理化指標(biāo)與對照相比無顯著性差異，說明臭氧與紫外的復(fù)合處理不僅可以高效殺菌，而且能較好地維持枸杞的外觀品質(zhì)[47]。上述表明，柵欄技術(shù)的研究可以進(jìn)一步幫助新鮮農(nóng)產(chǎn)品的保鮮，確保農(nóng)產(chǎn)品的微生物安全性。

6 結(jié)語和展望

果蔬變質(zhì)作為一個(gè)全球性的健康問題，有望通過一些創(chuàng)新的非熱殺菌技術(shù)來解決，如電解水、低溫等離子體、紫外線、脈沖光以及不同技術(shù)的結(jié)合。如上所述，這些非熱殺菌技術(shù)在抑制食品表面微生物、最大程度地保持食品品質(zhì)方面顯示了潛在的應(yīng)用前景。與單個(gè)處理相比，協(xié)同處理在大多數(shù)情況下具有更好的效果。此外，不同加工條件對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)包括色澤、硬度、抗氧化性以及營養(yǎng)成分的影響不能以一概全，而且處理劑量與效果不一定呈正比，再加上不同農(nóng)產(chǎn)品自身特性的區(qū)別，對于特定果蔬的殺菌仍需要進(jìn)一步的研究。