UV-LEDs技術(shù)在食品殺菌保鮮領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王雯雯，相啟森，白艷紅

鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院/河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

0 引言

隨著消費(fèi)者對(duì)食品質(zhì)量安全要求的不斷提高，食品安全已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，而由微生物污染引發(fā)的食源性疾病嚴(yán)重威脅著消費(fèi)者健康[1]。在食品加工生產(chǎn)鏈中，殺菌是保障食品安全的核心環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的熱殺菌技術(shù)會(huì)對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)和感官品質(zhì)造成不良影響[2-3]，紫外線(Ultraviolet Light，UV)、超高壓、脈沖電場(chǎng)、超聲波、高密度CO2等非熱殺菌技術(shù)逐漸成為國(guó)際食品科學(xué)領(lǐng)域新興的研究方向[4-5]。

UV是指波長(zhǎng)范圍為10～400 nm的電磁波輻射[6]。根據(jù)波長(zhǎng)范圍的不同，可將用于殺菌的UV分為短波紫外線(UVC，波長(zhǎng)范圍為200～280 nm)、中波紫外線(UVB，波長(zhǎng)范圍為280～320 nm)和長(zhǎng)波紫外線(UVA，波長(zhǎng)范圍為320～400 nm)[7]。UV作為一種非熱殺菌技術(shù)，已被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準(zhǔn)用于果蔬、肉類、水產(chǎn)品、牛奶等多種食品的殺菌保鮮[8-10]。目前，UV主要由低壓/中壓汞燈產(chǎn)生，存在耗能高、易損壞、易產(chǎn)生有毒物質(zhì)等問(wèn)題[11]。近年來(lái)，紫外發(fā)光二極管(Ultraviolet Light-emitting Diodes,UV-LEDs)作為傳統(tǒng)紫外線汞燈的替代光源，已被廣泛應(yīng)用于食品殺菌保鮮、飲用水及食品接觸材料消毒等諸多領(lǐng)域[12-13]。本文將對(duì)UV-LEDs技術(shù)在食品殺菌保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用、其對(duì)食品品質(zhì)的影響，以及與其他非熱殺菌技術(shù)協(xié)同殺菌的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為該技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 UV-LEDs技術(shù)概述

UV-LEDs是指能夠發(fā)出近紫外光的發(fā)光二極管(LED)。LED是一種可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導(dǎo)體器件，其核心部分是一個(gè)晶片，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體兩部分組成，分別連接電源的正極和負(fù)極[14]。p型半導(dǎo)體中空穴占主導(dǎo)地位，n型半導(dǎo)體中主要是自由電子。在p端和n端之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為p-n結(jié)[15]。正向電壓存在時(shí)，電流通過(guò)p-n結(jié)從p側(cè)流向n側(cè)，此時(shí)自由電子與空穴復(fù)合，能量以光子形式釋放出來(lái)，從而產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象[16]。LED一般在p-n結(jié)處有一層非常稀薄的材料(量子阱)，它可以加快電子和空穴的復(fù)合過(guò)程，進(jìn)而提高LED發(fā)光效率。改變量子阱的組成可使LED發(fā)出從紫外到紅外不同波長(zhǎng)的光[17]，通過(guò)控制電流大小還可調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。

與傳統(tǒng)紫外燈相比，UV-LEDs具有如下優(yōu)勢(shì)：其內(nèi)部由很小的二極管(直徑5～9 mm)組成，結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固；不需要預(yù)熱，可以快速開(kāi)/關(guān)機(jī)，其能耗和產(chǎn)熱量均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)低壓汞燈[14]，更適用于低溫食品殺菌保鮮；在正常使用條件下，其使用壽命范圍為25 000～100 000 h[18]，遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)紫外光源；不會(huì)造成環(huán)境污染且可回收利用，克服了傳統(tǒng)紫外燈含汞而不安全的問(wèn)題[19]；傳統(tǒng)低壓汞燈的主要發(fā)射波長(zhǎng)為253.7 nm，而UV-LEDs可以通過(guò)改變半導(dǎo)體材料的類型而改變其波長(zhǎng)，其設(shè)計(jì)更為靈活[20-22]。

2 UV-LEDs技術(shù)在食品殺菌保鮮領(lǐng)域中的應(yīng)用

大量研究表明，UV-LEDs可有效殺滅各種食源性致病菌(金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等)和腐敗菌(假單胞菌、腐敗希瓦氏菌等)，對(duì)果蔬[23]、肉品[24]、水產(chǎn)品[25]、乳制品[26]等具有良好的殺菌效果。

2.1 果蔬產(chǎn)品殺菌保鮮及對(duì)品質(zhì)的影響

2.1.1 在果蔬產(chǎn)品殺菌保鮮中的應(yīng)用研究[23,27-34]表明，UV-LEDs可有效殺滅污染蘋(píng)果、草莓、菠菜、白蘑菇、橙汁等的有害微生物，并能延長(zhǎng)其貨架期(見(jiàn)表1)。V.R.D.Souza等[23]研究表明，在(25 ℃或4 ℃)相同處理?xiàng)l件下，UVC-LEDs(波長(zhǎng)為277 nm)對(duì)擴(kuò)展青霉孢子的殺滅效果均優(yōu)于低壓汞燈(波長(zhǎng)為253.7 nm)；要使蘋(píng)果表面擴(kuò)展青霉孢子降低超過(guò)2 lg CFU/cm2，所需UVC-LEDs處理劑量為250 mJ/cm2，而所需低壓汞燈處理劑量為1000 mJ/cm2。可見(jiàn)，UVC-LEDs相較于傳統(tǒng)低壓汞燈表現(xiàn)出更強(qiáng)的殺菌效能。

表1 UV-LEDs技術(shù)在果蔬殺菌保鮮中的應(yīng)用效果Table 1 Application effect of UV-LEDs technolgy in the sterilization and preservation of fruits and vegetables

2.1.2 對(duì)果蔬產(chǎn)品品質(zhì)的影響果蔬中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，有益于人體健康。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究UV-LEDs對(duì)果蔬產(chǎn)品殺菌保鮮效果的同時(shí)，也系統(tǒng)評(píng)價(jià)了其對(duì)果蔬產(chǎn)品品質(zhì)的影響。M.Aihara等[28]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理組樣品相比，在4 ℃、15 ℃或30 ℃條件下，UVA-LEDs(波長(zhǎng)為365 nm)處理組卷心菜的品質(zhì)和維生素C含量均未發(fā)生顯著變化(P>0.05)。V.R.D.Souza等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理組樣品相比，采用UVC-LEDs(波長(zhǎng)為277 nm)處理蘋(píng)果并在4 ℃條件下貯藏0～12周，其樣品的可滴定酸度、可溶性固形物含量、pH值等均未發(fā)生顯著變化(P>0.05)。Y.F.Zhai等[32]研究發(fā)現(xiàn)，UVC-LEDs處理劑量高達(dá)220 mJ/cm2時(shí)，橙汁的pH值、可滴定酸度、總可溶性固形物含量、澄清度等理化指標(biāo)均未發(fā)生顯著變化(P>0.05)，但總酚含量隨處理劑量的增加而顯著降低(P<0.05)，這可能是由于UVC-LEDs處理造成橙汁中酚類化合物降解所致。

在果蔬產(chǎn)品加工過(guò)程中，感官品質(zhì)會(huì)直接影響消費(fèi)者對(duì)果蔬產(chǎn)品的接受度。G.Bayku等[33]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理組樣品相比，經(jīng)UV-LEDs處理后復(fù)合果蔬汁的色澤參數(shù)發(fā)生了變化(ΔE=0.94)，但差異不顯著(P>0.05)。Q.S.Xiang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，UVC-LEDs處理會(huì)導(dǎo)致蘋(píng)果汁的a*值、b*值、總色差等色澤參數(shù)和褐變指數(shù)發(fā)生顯著變化(P<0.05)，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間暴露于UV下，樣品中的類胡蘿卜素、抗壞血酸、多酚等物質(zhì)發(fā)生了氧化或花色苷發(fā)生了光降解[36]。

2.2 對(duì)肉制品殺菌保鮮及品質(zhì)的影響

2.2.1 在肉制品殺菌保鮮中的應(yīng)用原料肉及肉制品在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售等過(guò)程中極易發(fā)生微生物污染，從而造成其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和感官品質(zhì)的降低，甚至引發(fā)食源性疾病[37]。研究證實(shí)，UV-LEDs對(duì)生鮮雞肉[38]、熟食肉片[29]、即食香腸[31]等具有良好的殺菌效果。P.N.Haughton等[38]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)UVA-LEDs(波長(zhǎng)為395 nm，劑量為9 J/cm2，照射距離為3 cm)處理5 min后，生鮮雞肉表面的空腸彎曲桿菌(Campylobacterrjejuni)降低了2.62 lg CFU/g。D.K.Kim等[29]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)UVC-LEDs(波長(zhǎng)為240～280 nm，劑量為21.6 mJ/cm2)處理后，熟食肉片表面的大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門氏菌和單增李斯特菌分別降低了1.1 lg CFU/cm2、1.5 lg CFU/cm2和1.6 lg CFU/cm2。類似地，D.K.Kim等[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)連續(xù)UVC-LEDs處理后，即食香腸表面的大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門氏菌和單增李斯特菌分別減少了2.0 lg CFU/g、1.5 lg CFU/g和2.0 lg CFU/g。

2.2.2 對(duì)肉制品品質(zhì)的影響有研究[38]表明，經(jīng)UVA-LEDs處理后，雞肉的a*值及其品質(zhì)均未發(fā)生顯著變化(P>0.05)；在距離10 cm的條件下處理3 min后，雞肉的b*值升高而L*值降低(P<0.05)；但較短時(shí)間處理未對(duì)雞肉色澤造成顯著不良影響。與此同時(shí)，A.B.Soro等[24]研究發(fā)現(xiàn)，采用UV-LEDs(波長(zhǎng)為280 nm)處理雞胸肉片并置于4 ℃條件下儲(chǔ)存7 d，未對(duì)雞胸肉的色澤、質(zhì)構(gòu)(硬度、彈性、黏結(jié)性、膠黏性和咀嚼性)和pH值造成不良影響。

2.3 在其他食品殺菌保鮮中的應(yīng)用

2.3.1 在面粉殺菌保鮮中的應(yīng)用谷物是人類重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，但其在生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)極易被真菌和霉菌毒素污染，對(duì)人體健康造成威脅[39]。S.Subedi等[40]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理組樣品相比，在25 ℃、相對(duì)濕度75%條件下，經(jīng)UV-LEDs(波長(zhǎng)分別為275 nm、365 nm和395 nm)處理60 min后，小麥面粉中沙門氏菌分別降低了1.07 lg CFU/g、2.42 lg CFU/g和3.67 lg CFU/g；面粉含水量降低，面筋蛋白發(fā)生了氧化，面筋二級(jí)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化；在275 nm波長(zhǎng)下處理60 min后，面粉色澤未發(fā)生顯著變化，但在365 nm和395 nm波長(zhǎng)下處理60 min后，面粉色澤發(fā)生了顯著改變，且395 nm波長(zhǎng)處理對(duì)面粉的增白效果最佳。L.H.Du等[41]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)脈沖UV-LEDs(波長(zhǎng)為395 nm)處理60 min后，小麥面粉中沙門氏菌降低了2.91 lg CFU/g；此外，面筋彈性增強(qiáng)，這可能是由于形成的二硫鍵引起了面筋蛋白的聚合。以上結(jié)果表明，UV-LEDs處理不僅能有效殺滅面粉中的有害微生物，而且能夠改善色澤、彈性等理化特性。

2.3.2 在水產(chǎn)品殺菌保鮮中的應(yīng)用魚(yú)、蝦、貝類等水產(chǎn)品含水量高且富含蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在運(yùn)輸、加工和儲(chǔ)存過(guò)程中極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，甚至產(chǎn)生有毒物質(zhì)，危害人體健康[42]。L.M.Fan等[25]研究發(fā)現(xiàn)，采用UVC-LEDs(波長(zhǎng)為275 nm，劑量為4000 mJ/cm2)處理生鮮金槍魚(yú)片，可使鼠傷寒沙門氏菌、單增李斯特菌和大腸桿菌O157:H7分別降低1.31 lg CFU/cm2、1.86 lg CFU/cm2和1.77 lg CFU/cm2，金槍魚(yú)片的pH值、持水力、肌紅蛋白含量、質(zhì)構(gòu)、色澤等指標(biāo)均未發(fā)生顯著變化(P>0.05)，但脂質(zhì)氧化水平升高。這可能是因?yàn)閁VC-LEDs處理下產(chǎn)生的H2O2、·O2-、·OH等活性氧可以誘導(dǎo)脂質(zhì)發(fā)生氧化[43]。因此，在今后的研究中應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化UV-LEDs的處理工藝參數(shù)，在保證殺菌保鮮效果的前提下避免對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)造成不良影響。

2.3.3 在乳制品殺菌保鮮中的應(yīng)用乳制品富含維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在生產(chǎn)加工過(guò)程中易受霉菌、酵母、細(xì)菌等微生物污染。S.J.Kim等[26]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理組樣品相比，經(jīng)UVC-LEDs(波長(zhǎng)為266 nm～279 nm，劑量為3 mJ/cm2)處理后，奶酪切片表面的大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門氏菌和單核增生李斯特菌降低了約2.2～4.8 lg CFU/g；奶酪的a*值、b*值、L*值等色澤參數(shù)均發(fā)生了輕微變化(P>0.05)。

綜上所述，UV-LEDs處理可有效殺滅食品表面微生物，但由于處理參數(shù)(處理波長(zhǎng)、照射時(shí)間、照射距離等)及食品本身特性(如表面粗糙度、表面疏水性等)的不同，UV-LEDs處理也可能會(huì)對(duì)食品品質(zhì)造成一定程度的不良影響。

3 UV-LEDs協(xié)同殺菌技術(shù)研究進(jìn)展

研究[44-45]發(fā)現(xiàn)，食物本身特性、微生物類型、處理參數(shù)等均可能影響UV-LEDs的殺菌效果。為增強(qiáng)UV-LEDs對(duì)微生物的殺滅效果，可將其與微酸性電解水、Cl2、超聲波等協(xié)同使用。

3.1 與微酸性電解水協(xié)同處理

微酸性電解水(Slightly Acidic Electrolytic Water，SAEW)是一種高效、無(wú)色無(wú)味且對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害的消毒劑，已被美國(guó)、日本等國(guó)家批準(zhǔn)在某些食品表面直接使用[46]。Y.R.Jiang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，SAEW與UV-LEDs協(xié)同處理可以有效殺滅污染香菜葉的鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌O157:H7。經(jīng)SAEW(有效氯質(zhì)量濃度為60 mg/L，洗滌時(shí)間為5 min)和UV-LEDs(功率為240 μW/cm2，照射時(shí)間為30 min)單獨(dú)處理后，香菜葉表面的鼠傷寒沙門氏菌分別降低約1.85 lg CFU/g和1.15 lg CFU/g，大腸桿菌O157:H7分別降低約1.87 lg CFU/g和1.22 lg CFU/g。而在相同條件下，經(jīng)SAEW與UV-LEDs協(xié)同處理后，香菜葉表面的鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌O157:H7分別降低約2.72 lg CFU/g和2.42 lg CFU/g。這可能是由于SAEW與UV-LEDs協(xié)同處理增強(qiáng)了對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的損傷，使細(xì)胞膜通透性增加，進(jìn)而提高了殺菌效果[47]。此外，SAEW與UV-LEDs協(xié)同處理可以延長(zhǎng)香菜的儲(chǔ)藏期，且未對(duì)其色澤、質(zhì)地、氣味等造成不良影響。

3.2 與Cl2協(xié)同處理

作為一種新型殺菌方法，UV-LEDs與Cl2協(xié)同處理已用于飲用水的凈化消毒。G.Q.Li等[48]研究發(fā)現(xiàn)，UV-LEDs(波長(zhǎng)為265 nm，劑量為125 mJ/cm2)與Cl2協(xié)同處理可使枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)芽孢降低4.9 lg CFU/mL，顯著高于Cl2單獨(dú)處理組(芽孢降低不足0.1 lg CFU/mL)和UVC-LEDs單獨(dú)處理組(芽孢降低了3.1 lg CFU/mL)。這可能是因?yàn)樵赨V-LEDs與Cl2協(xié)同處理過(guò)程中形成的·OH等活性氧會(huì)破壞細(xì)菌孢子外膜，加速Cl-向內(nèi)膜擴(kuò)散，從而提高對(duì)枯草芽孢桿菌芽孢的殺滅效果[49]。

3.3 與超聲波協(xié)同處理

鑒于UV-LEDs穿透能力有限，將其與超聲波(Ultrasound，US)協(xié)同處理可提高滅菌效果。X.Q.Zhou等[50]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)UVC-LEDs(劑量為30 mJ/cm2)單獨(dú)處理后，水中的大腸桿菌降低了3.70 lg CFU/mL；在相同處理劑量下，經(jīng)US和UVC-LEDs依次處理后，大腸桿菌降低了4.92 lg CFU/mL，且上述協(xié)同處理不會(huì)促進(jìn)大腸桿菌發(fā)生光修復(fù)。這可能是因?yàn)閁S的機(jī)械效應(yīng)使細(xì)菌脫團(tuán)，從而使更多的細(xì)胞暴露在UVC處理?xiàng)l件下。此外，US的空化作用、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)等也會(huì)對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生破壞作用，進(jìn)而增強(qiáng)UVC-LEDs對(duì)大腸桿菌的殺滅效果[51]。

3.4 與其他抗菌劑協(xié)同處理

一些抗菌劑也可用于增強(qiáng)UV-LEDs的殺菌效果。例如，阿魏酸是一種廣泛存在于植物中的酚酸類物質(zhì)，具有良好的抗菌活性[52]。A.Shirai等[53]研究發(fā)現(xiàn)，阿魏酸(質(zhì)量濃度為100 mg/L)協(xié)同處理顯著增強(qiáng)了UVA-LEDs(劑量為1 J/cm2)對(duì)菊糖芽孢乳桿菌(Sporolactobacillusinulinus)、腸炎沙門氏菌(Salmonellaenteritidis)、枯草芽孢桿菌等的殺滅效果。在初始菌落數(shù)為5 lg CFU/mL時(shí)，經(jīng)阿魏酸(質(zhì)量濃度為100 mg/L)單獨(dú)處理后，菊糖芽孢乳桿菌降低了3.15 lg CFU/mL；UVA-LEDs(劑量為1 J/cm2)單獨(dú)處理殺菌效果不明顯，而與阿魏酸協(xié)同處理后，菊糖芽孢乳桿菌菌落數(shù)降低到檢測(cè)限以下，其原因可能是在UV照射下，阿魏酸異構(gòu)化成順式異構(gòu)體，可直接損傷細(xì)菌細(xì)胞膜[54]。

3.5 多波長(zhǎng)UV-LEDs協(xié)同處理

與殺菌能力較強(qiáng)的UVC-LEDs相比，UVA-LEDs的輸出功率更高、穿透能力更強(qiáng)、成本更低，因此通過(guò)優(yōu)化不同波長(zhǎng)UV-LEDs的組合，可顯著提高殺菌效果[55]。K.Song等[56]研究了不同波長(zhǎng)UV-LEDs組合對(duì)水中微生物的滅活效果，發(fā)現(xiàn)UVC-LED(波長(zhǎng)為265 nm，劑量為4.2 mJ/cm2)單獨(dú)處理可使大腸桿菌(ATCC 11229)減少1.8 lg CFU/mL，UVB-LED(波長(zhǎng)為285 nm，劑量為15.3 mJ/cm2)單獨(dú)處理可使大腸桿菌減少2.8 lg CFU/mL，而當(dāng)這兩種波長(zhǎng)組合在一起同時(shí)處理或先后處理時(shí)，均可導(dǎo)致大腸桿菌減少約4.6 lg CFU/mL。這與A.Green等[57]的研究結(jié)果一致。這種多波長(zhǎng)的協(xié)同殺菌效應(yīng)取決于所使用UV-LEDs的波長(zhǎng)范圍、組合方式、微生物類型等因素[56]。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了UV-LEDs技術(shù)在食品殺菌保鮮領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展。認(rèn)為UV-LEDs具有能耗低、污染小、波長(zhǎng)可調(diào)、安全高效等優(yōu)勢(shì)，在食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但UV-LEDs穿透能力較弱，影響了其對(duì)固體食品等的處理效果，而將其與其他殺菌技術(shù)協(xié)同使用可以增強(qiáng)殺菌效果。因此，在今后的工作中，應(yīng)根據(jù)待處理樣品性質(zhì)，系統(tǒng)優(yōu)化UV-LEDs處理工藝參數(shù)或與其他殺菌技術(shù)協(xié)同使用，從而在有效殺滅微生物的同時(shí)最大限度保持食品的營(yíng)養(yǎng)組分和感官品質(zhì)。此外，目前UV-LEDs研究多集中于實(shí)驗(yàn)室研究階段，UV-LEDs裝置普遍存在處理量小、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，今后應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)滿足食品生產(chǎn)實(shí)際需求的UV-LEDs裝置，以推動(dòng)UV-LEDs技術(shù)在食品微生物安全控制領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。