脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在飲料包裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究

陸健鋒 周衛(wèi)林 楊亞軍

安全是消費(fèi)者選擇食品的第一要素，傳統(tǒng)的熱殺菌給食品帶來了很高的安全系數(shù)，但也破壞了其中的營養(yǎng)成分，因此，脈沖強(qiáng)光、超高壓技術(shù)、電子束、脈沖電場等“冷”殺菌技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注。早在2014年，江蘇新美星包裝機(jī)械股份有限公司就創(chuàng)新研發(fā)出國內(nèi)第一代電子束滅菌（EDS）設(shè)備，并投入商業(yè)化運(yùn)行，成為中國第一家、全球第二家將EDS 技術(shù)成功應(yīng)用到PET瓶裝飲品的液體包裝解決方案供應(yīng)商。時(shí)至今日，新美星可以為海內(nèi)外客戶提供各種安全、高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的殺菌技術(shù)，降低能源消耗，更好地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。本文主要介紹脈沖強(qiáng)光在飲料包裝材料上的殺菌成效，與業(yè)界同仁共享、共勉，共同推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的升級迭代。

1 介紹

脈沖強(qiáng)光是一種能在極短時(shí)間內(nèi)（數(shù)十至數(shù)百微秒），以光輻射形式釋放出高能量，由此產(chǎn)生極高峰值功率的光能[1]。其特點(diǎn)在于：

（1）在短時(shí)間內(nèi)突變，又迅速返回初始值的脈沖過程。

（2）與UV殺菌相比，具有更寬泛的光譜。

（3）能量高，光強(qiáng)度相當(dāng)于地表太陽光強(qiáng)度的數(shù)千乃至數(shù)萬倍。

（4）燈管內(nèi)充填物是無污染的惰性氣體— 氙氣。

脈沖強(qiáng)光燈輸出的光譜取決于電流密度，當(dāng)電流密度從幾十A/cm2增加到幾千A/cm2，紫外光譜強(qiáng)度比紅外光譜增加得快，在低電流密度時(shí)，色溫為5000K，而在高電流密度下達(dá)10000K。通常脈沖強(qiáng)光燈效率為60%，也就是說輸入電能的60%能夠轉(zhuǎn)換成200 ～1000nm 的光能[2]。脈沖強(qiáng)光燈效率與充入氣體的壓強(qiáng)、電流密度和電路設(shè)計(jì)有關(guān)，電流密度增加, 其總效率會增加,充入氣體壓強(qiáng)增加, 總效率也會增加，直到飽和點(diǎn)。脈沖強(qiáng)光燈將電能轉(zhuǎn)化為光能時(shí)會有熱能的釋放，因此需要對釋放的熱能進(jìn)行合理冷卻。脈沖強(qiáng)光燈的冷卻系統(tǒng)分為自然冷卻、強(qiáng)迫空冷以及水冷。

脈沖強(qiáng)光的殺菌機(jī)理分為三方面。

首先是光化學(xué)作用。紫外線照射微生物時(shí)，核酸物質(zhì)(DNA、RNA)中的胸腺嘧啶、胞嘧啶之間將會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成CPD 或PP 二聚物，使微生物核酸物質(zhì)受損，阻礙DNA 復(fù)制與轉(zhuǎn)錄而造成細(xì)胞死亡，并可能引起細(xì)胞變異。除紫外光譜段，其他光譜段起到協(xié)同殺菌作用[3]。

其次是光熱學(xué)作用。當(dāng)每平方厘米面積上的峰值功率達(dá)到103W 以上時(shí)，在物體表面或水中的微生物將被加熱到＞100℃，因時(shí)間極短，微生物無法正常降溫，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分汽化，形成小的蒸汽流，撐破細(xì)胞膜而死亡。

最后是脈沖作用。脈沖強(qiáng)光的瞬時(shí)沖擊導(dǎo)致微生物的細(xì)胞壁和其他細(xì)胞成分的損壞，抑制或破壞酶的活性，從而對細(xì)菌產(chǎn)生致死作用。1996 年美國食品藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)脈沖光在食品消毒領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。

G. Pataro 等[5]人使用脈沖強(qiáng)光技術(shù)對蘋果汁、橙汁進(jìn)行殺菌試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4J/cm2處理后，蘋果汁和橙汁中的大腸桿菌下降4Log 和2.9Log，李斯特菌分別下降2.98Log 和0.93Log，同時(shí)檢測到兩種細(xì)菌菌株存在細(xì)胞損傷，從而證實(shí)膜損傷是脈沖強(qiáng)光滅活細(xì)菌的重要原因。脈沖強(qiáng)光技術(shù)應(yīng)用于大棗、枸杞、干果、檳榔、蔬菜水果[6]保鮮等各類固體物料表面的連續(xù)殺菌處理，也應(yīng)用于乳品、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)的包裝材料表面在線殺菌。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

材 料： PET 片（2.5×2.5cm） PET 瓶坯 PET 空瓶（380mL） HDPE 瓶蓋（28 口）

指示菌：萎縮芽孢桿菌ATCC9372 中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心

培養(yǎng)基：大豆酪蛋白消化物培養(yǎng)基 青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司

氯化鈉：分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

吐溫20：分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

無菌取樣袋：EPR-3070 EPR - 4590 EPR -7012 Labplas 公司

脈沖強(qiáng)光裝置：PE50-C 上海帕乇真空技術(shù)有限公司

電熱式壓力蒸汽滅菌器：XFH-50CA 浙江新豐醫(yī)療器械有限公司

超凈工作臺：SW-CJ-1D 蘇州凈化設(shè)備有限公司

隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱：GNP-9160BS-Ⅲ 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：101-A 上海尚儀儀器設(shè)備有限公司

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樣品準(zhǔn)備與接種

（1）PET片、瓶坯、空瓶、瓶蓋使用75%的酒精浸泡30min，再使用無菌水沖洗后放置于50℃烘箱中進(jìn)行干燥。

（2）配置107CFU/mL菌懸液，將100μL的菌液接種于PET片表面。

（3）配置105CFU/mL菌懸液，將10μL的菌液接種于瓶坯底部、瓶坯內(nèi)側(cè)壁。

（4）配置105CFU/mL菌懸液，將10μL的菌液接種于空瓶的瓶口、瓶頸、瓶身、瓶底、瓶底邊緣。

（5）配置105CFU/mL菌懸液，將100μL的菌液接種于瓶蓋底部、側(cè)壁。

2.2.2 樣品殺菌與處理

（1）將PET片置于脈沖強(qiáng)光燈，開啟設(shè)備，分別經(jīng)1、 2、 3、 4、 5、 6 、7次脈沖照射。

（2）將瓶坯置于脈沖強(qiáng)光燈，開啟設(shè)備，經(jīng)3次脈沖照射。

（3）將空瓶置于脈沖強(qiáng)光燈，開啟設(shè)備，瓶口經(jīng)3次脈沖照射，其余經(jīng)6次脈沖照射。

（4）將瓶蓋置于脈沖強(qiáng)光燈，開啟設(shè)備，經(jīng)3次脈沖照射。

（5）上述滅菌后的樣品用100mL洗脫液在無菌袋中洗脫，分別稀釋不同梯度后，涂布到平板上，經(jīng)培養(yǎng)后形成肉眼可見的菌落，采用平面菌落計(jì)數(shù)法

進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

殺菌效率SE=Log(N0殺菌前菌落數(shù))-Log(N 殺菌后菌落數(shù))

3 結(jié)果與分析

3.1 脈沖強(qiáng)光在PET 表面的殺菌效率

脈沖強(qiáng)光的殺菌效率與照射距離、照射次數(shù)、細(xì)菌種類、物體表面粗糙度、照射角度等因素相關(guān)，通常情況下，菌種對脈沖強(qiáng)光敏感性排序如下：革蘭氏陰性菌＞革蘭氏陽性菌＞真菌孢子＞細(xì)菌孢子，并且真菌孢子的顏色在抵抗脈沖強(qiáng)光殺菌過程中可以起到保護(hù)作用，這是因?yàn)榧?xì)胞壁中存在深色顏料（比如黑色）吸收了更多的UV-C 光，從而保護(hù)DNA 免受紫外線照射引起的損傷[7]。本實(shí)驗(yàn)選用萎縮芽孢桿菌作為測試菌種。脈沖強(qiáng)光的穿透率比較低，指示菌的接種方法會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。McDonald 等人用2μL 萎縮芽孢桿菌懸浮液進(jìn)行點(diǎn)接種，菌懸液每滴濃度為101至106cfu。測試結(jié)果表明，當(dāng)每滴濃度＞105cfu 時(shí)，脈沖強(qiáng)光殺菌效率發(fā)生改變[8]。這是因?yàn)楦邼舛鹊木鷳乙涸诟稍镏笮纬删澹厦嬉粚拥木鷮ο聦拥木鸬搅吮Ｗo(hù)作用，因此本實(shí)驗(yàn)接種后不會采用自然干燥，這樣有利于提高殺菌效果。在實(shí)際應(yīng)用中，滅菌前可以增加水沖洗步驟，有效去除包裝容器內(nèi)的異物。如果被消毒物體的表面粗糙度過高，光線不會發(fā)生反射，并且細(xì)菌有可能隱藏在陰影處，從而導(dǎo)致殺菌效率下降。

如圖1 所示，在同等距離條件下，增加脈沖次數(shù)，當(dāng)劑量增加到4.09 J/cm2，對PET 表面的殺菌效率可以達(dá)到6.26 Log，因此設(shè)備研發(fā)過程中，如果受距離限制，可以通過增加脈沖次數(shù)來提高殺菌效率。

3.2 脈沖強(qiáng)光在瓶坯內(nèi)表面的殺菌效率

如圖2 所示，瓶坯放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處，經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射，TS1（瓶坯內(nèi)側(cè)壁）殺菌效率為0.03±0.01 Log，TS2（瓶坯內(nèi)底部）殺菌效率為0.07±0.02 Log。由于瓶坯形狀狹長，沒有足夠的光線進(jìn)入瓶坯內(nèi)部，導(dǎo)致TS1 和TS2 殺菌強(qiáng)度很弱。TS2 垂直于光線，雖然比TS1 距離光源更遠(yuǎn)，但殺菌強(qiáng)度更大，說明殺菌效果與照射角度也有關(guān)系。如果只是把光源放置于瓶坯上方，對瓶坯內(nèi)部很難起到殺菌作用，因此需要借助一些輔助光學(xué)工具，如反射板、透鏡等來優(yōu)化光的線路，從而達(dá)到理想的殺菌強(qiáng)度。

圖2

3.3 脈沖強(qiáng)光在空瓶內(nèi)表面的殺菌效率

如圖3 所示，空瓶放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處，TS1（瓶口內(nèi)壁）經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射，TS2（瓶頸內(nèi)壁）、TS3（瓶身內(nèi)壁）、TS4（瓶內(nèi)底部）、TS5（瓶內(nèi)底邊緣）經(jīng)6 次脈沖強(qiáng)光照射。TS1 殺菌效率為2.55±0.05 Log，TS2、TS3、TS4、TS5 殺菌效率為0 Log。結(jié)果表明，光源放置于空瓶上方對空瓶內(nèi)部（除瓶口外）沒有殺菌效果，這是因?yàn)閺钠靠谶M(jìn)入瓶內(nèi)的光線很少，不足以提供足夠的能量殺滅細(xì)菌，需要優(yōu)化光源設(shè)計(jì)，比如使用棒狀燈管，伸入空瓶內(nèi)部進(jìn)行發(fā)光殺菌。

圖3

3.4 脈沖強(qiáng)光在瓶蓋內(nèi)表面的殺菌效率

如圖4 所示，瓶蓋放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處，經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射，TS1（瓶蓋內(nèi)底部）殺菌效率為3.46±0.05 Log，TS2（瓶蓋內(nèi)側(cè)壁）殺菌效率為1.98±0.05 Log。TS1 照射角度優(yōu)于TS2，因此TS1 殺菌效果比TS2好。從光線傳播角度分析，瓶蓋很多地方是無法照射到的，這些地方被稱為“陰影”[9]，比如防盜環(huán)里面、螺紋L 角，這些地方都是殺菌“死角”。某種情況下脈沖強(qiáng)光對于瓶蓋可以達(dá)到6log 的殺菌強(qiáng)度，但這不代表可以達(dá)到無菌狀態(tài)，需要進(jìn)行更多優(yōu)化才能滿足無菌要求。

圖4

4 結(jié)論

脈沖強(qiáng)光是一項(xiàng)快速并且對環(huán)境友好的殺菌技術(shù)，目前應(yīng)用到水處理、空氣殺菌、食品加工、制藥、農(nóng)副產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在飲料包裝材料消毒滅菌領(lǐng)域一定會取得理想的殺菌效果。