臭氧在糧食儲運行業(yè)的應用研究進展

摘要：美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和多個歐洲國家已批準臭氧氣體作為食品安全抗菌劑?，F(xiàn)代的臭氧發(fā)生器功耗低，運行成本低，金屬粉塵產生少，產生的臭氧氣體濃度高，已經作為食品工業(yè)中蔬菜、水果、谷物、肉類和肉制品以及魚類的有效消毒劑，并作為儲糧害蟲熏蒸劑被研發(fā)。本文概述臭氧處理在糧食真菌毒素消減、儲糧害蟲控制及淀粉改性方面的研究結果。盡管臭氧技術已被證明可有效消減霉菌毒素含量，從監(jiān)管角度來看，批準臭氧化作為一種新的糧食真菌毒素降解和真菌控制方法需要研究及動物測試的大量數(shù)據(jù)。臭氧作為零殘留的儲存谷物害蟲的替代熏蒸劑，值得加快研發(fā)工藝參數(shù)。

關鍵詞：臭氧 現(xiàn)代臭氧發(fā)生器 食品安全抗菌劑 儲糧害蟲 真菌毒素

臭氧是一種由三個相當穩(wěn)定的氧原子組成的奇數(shù)分子，是地球大氣層中自然存在、含量極少的氣體，也存在于地面。在距地球約25公里的平流層高處，O3由大氣中的氧氣經紫外線照射自然形成，形成O3層，能夠吸收有害的紫外線輻射（友好O3）。另外，人類每天都會制造額外的O3，即有害O3，這種地面O3是排放的汽車尾氣（主要為氮氧化物和揮發(fā)性有機化合物）與陽光相互作用時形成，尤其是在夏季，整個反應過程被稱為光化學煙霧。在歐盟環(huán)境空氣質量指令中，規(guī)定的保護健康的空氣質量標準將O3目標值設定為0.12g/L，作為每日8小時最大平均值，每年不得超過25天。當O3超過閾值水平時，它會刺激肺部并導致嚴重的短期和長期健康問題。

臭氧可通過機器從干氧開始生成，電暈放電或紫外線輻射是商業(yè)上生成O3的最常用方法。電暈放電通常有用且便宜，可獲得高濃度的O3。采用這種方法的臭氧發(fā)生器將O2分子暴露在高壓放電中，引發(fā)氧自由基形成，從而生成O3。氧-氧（O-O）鍵的斷裂也可以通過光化學、放射化學、熱、化學核和電解方法完成。

臭氧是一種強氧化劑，氧化還原電位為2.07V，是一種有效的氧化消毒劑，對細菌、病毒、藻類和真菌的殺滅作用比氯和過氧化氫分別強1.5倍和1.3倍。FDA在1982年批準將臭氧用于瓶裝水消毒，并將其列為公認安全（GRAS）。1999年，臭氧的使用范圍擴展到食品處理、儲存和加工領域。2001年O3正式被批準作為食品消毒的抗菌劑，以解決與使用氯有關的環(huán)境和職業(yè)污染問題。在食品工業(yè)中它有許多好處，例如食品表面衛(wèi)生、食品廠設備衛(wèi)生、廢水再利用、包裝材料消毒，以及儲存產品中有害生物的控制。由于產品上沒有殘留物，因為O3只會分解成O2和相關的自由基，并且不需要通風來去除氣體，O3的殺菌作用非常受關注。世界衛(wèi)生組織認為O3技術在食品鏈中的應用是安全有效的，現(xiàn)在被認為是一種綠色技術。臭氧化被用作食品和飼料加工中微生物滅活的物理化學方法，適用于新鮮產品（如水果和蔬菜）、液體食品（果汁）、乳制品（牛奶和奶酪）、食品衍生物（面粉和禽肉）等。

一、臭氧應用前景

與其他熱和非熱技術相比，臭氧被證明是一種有前途的技術。實踐表明，大麥的熱滅蟲操作需要約1.3美元/噸的運行成本，對谷物進行60℃以上熱處理才能實現(xiàn)昆蟲死亡率最大，這會影響谷物質量。熱處理后還需要快速冷卻裝置以降低谷物發(fā)芽受損的風險，這反過來又增加了熱處理系統(tǒng)的成本。臭氧處理不需要加熱系統(tǒng)，不會產生熱量，適用于熱敏材料并保持產品的質量。與高壓處理和改良氣調包裝等技術不同，唯一具有GRAS狀態(tài)的技術是臭氧。與其他技術相比，臭氧具有較高的消毒能力，在谷物加工行業(yè)有很高的應用潛力。

雖然臭氧安裝系統(tǒng)的成本較高，但可以通過較低的維護和運行成本以及延長保質期的高質量產品來收回成本（Miller等，2013）。臭氧化系統(tǒng)還可與其他技術如紫外光C和過氧化結合使用，具有高效和最經濟的處理效果。與單獨使用臭氧化相比，臭氧+紫外光+過氧化氫工藝的處理成本降低了80%～86%。臭氧比其他技術具有更重要的應用，但它尚未得到廣泛使用，這可能與臭氧生成的成本高有關。臭氧生成的商業(yè)方法是電暈放電，效率較低，因為超過75%的輸入能量轉化為熱和光，隨著工藝設備不斷改進，它是一種經濟可行的高反應性技術。

二、臭氧在糧食儲運行業(yè)的應用研究

（一）臭氧降解霉菌毒素

微生物滅活機制很復雜。多項研究表明，臭氧能夠氧化有害生物（如病原微生物和倉儲害蟲）的重要細胞成分，從而使其失效。臭氧作用于微生物細胞膜中的不飽和脂質，導致其內容物泄漏，最終導致微生物裂解。除了這種損害之外，臭氧還會導致有害生物細胞內蛋白質的廣泛氧化，抑制其生長并導致細胞快速死亡。

據(jù)報道，臭氧可有效消減霉菌毒素，如伏馬毒素（FMN）、赭曲霉毒素A（OTA）、黃曲霉毒素（AFs）、玉米赤霉烯酮（ZEN）、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）、桔霉素（CTR）和展青霉素（PAT）[1]。臭氧降解霉菌毒素機理現(xiàn)假設為，谷物中的霉菌毒素產物與臭氧發(fā)生反應，形成低分子量產物并毒性降低。霉菌毒素的降解率取決于谷物含水率、臭氧濃度和暴露時間。玉米糝的表面積大于玉米粒，Porto等[2]觀察到，與其他處理相比，在60mg/L臭氧濃度下處理玉米糝480min時，黃曲霉毒素水平降低最為顯著。谷物堆的含水率在解毒中起著至關重要的作用。Qi等（2016）指出，當調質玉米含水率至19.6%時，伏馬毒素和赭曲霉毒素A的分解率會增加。隨著含水率的增加，活性離子的產生更高，提高了臭氧處理的有效性。半衰期越長，臭氧氣體與谷物的接觸越充分[2]。臭氧的半衰期也取決于溫度，在較高處理溫度下臭氧半衰期較短，使其分解成氧氣的速度更快。

玉米中含水率與AFB1降解成反比關系（Luo等，2014）。如果玉米含水率從13.47%增加到20.37%，在相同處理條件下，AFB1降解率會大大降低。這與Qi等（2016）的研究結果不一致，后者發(fā)現(xiàn)ZEN和OTA降解隨含水率的增加而升高，這可能是由于材料的表面特性不同所致。在黃曲霉毒素中，AFB1和AFG1受臭氧的影響最大，由于末端呋喃環(huán)上C8-C9雙鍵易于攻擊，黃曲霉毒素含量降低最為顯著，霉菌毒素分子被分解成有機酸、醛及酮。AFB2和AFG2中不存在這種雙鍵，其反應性較低，對臭氧化的抵抗力更強。AFB2受食品中臭氧化的影響最小[2]。不同的毒素對臭氧的敏感性不同，這取決于霉菌毒素中分子的結構排列。

臭氧脫除霉菌毒素的效力也可能取決于其發(fā)生的材料基質，并且更容易通過糧粒的一致性來定義。通過臭氧處理使谷物中的霉菌毒素含量達到所需的安全水平對于生產出安全優(yōu)質的產品至關重要。表1總結了臭氧處理對谷物各種霉菌毒素的觀察結果。除了將含水率視為臭氧處理的關鍵因素外，在低臭氧濃度下較長的暴露時間而不是在高臭氧濃度下較短的暴露時間也很重要。延長處理時間可能有助于谷物表面更好地暴露于臭氧中，從而改善解毒效果。

約50%實驗證明，氣態(tài)O3能夠對多種食品、飼料在多種操作條件下，如較高的O3濃度和較長的處理時間、較高的溫度、初始水平和污染類型降解黃曲霉毒素。O3可以成功降解AFB1和AFG1，因為它們結構中存在一個C8-C9雙鍵，在末端呋喃環(huán)處形成乙烯基醚，而AFB2和AFG2中不存在該雙鍵。AFB2和黃曲霉毒素G2（AFG2）的降解需要更長時間的O3暴露，直到內酯環(huán)被O3處理打開。AFB1是四種天然存在的黃曲霉毒素中最有害的一種，它具有顯著的肝毒性和致癌性，歸類為人類致癌物I類。

還有30%研究針對的是A型單端孢霉烯毒素，如HT-2和T-2毒素，以及B型單端孢霉烯毒素，如嘔吐毒素，研究對象包括多種商品糧和多種操作條件，例如較高的O3濃度或較長的處理時間、含水率、初始水平和污染類型。10 種單端孢霉烯的降解始于O3與C9-C10雙鍵的連接，凈增加了O2兩個原子，而分子的其余部分保持不變（臭氧分解或Criegee 機理）。這些研究中的一小部分（3%）用于研究O3處理對赭曲霉毒素降解的有效性，其余17%的研究針對的是ZEN（由鐮刀菌屬真菌產生）和桔霉素（由多種青霉菌產生）。注意的是，很少有研究評估使用O3同時凈化不同霉菌毒素與它們的潛在加性或協(xié)同的關系。

（二）儲糧害蟲管理

甲基溴等有害農藥被逐步淘汰，人們正在轉向使用環(huán)保型農藥，臭氧可作為零殘留儲存谷物的替代熏蒸劑。臭氧氣體容易產生，具有很強的殺蟲活性。據(jù)報道，臭氧可對抗內部和外部進食者，例如谷蠹（Rhyzopertha Dominica）、鋸齒谷盜（Oryzaephilus surinamensis）、谷象（Sitophilus granarius）、玉米象（S.zeamais）、米象（S.oryzae）、藥材甲（Stegobium paniceum）和赤擬谷盜（Tribolium castaneum）（Hansen等，2012）。

表2列出了糧食中一些常見昆蟲在臭氧處理下的死亡率。昆蟲的生命階段會影響臭氧毒性。在70mg/L 濃度下處理4天時，印度谷螟（Plodia interpunctella）蛹比卵和幼蟲更易受到臭氧的傷害（Bonjour等，2011）。Hansen 等（2013）也記錄了類似的結果，當時除卵（8天，131 mg/L）外，昆蟲所有生命階段的總死亡率都很高。這歸因于卵的外層被證明是臭氧的機械屏障。為了確保完全控制害蟲，可以延長卵階段的臭氧暴露時間。

臭氧熏蒸儲藏害蟲的效果因濃度、熏蒸時間和谷物含水率而異。測試了三種不同臭氧濃度和兩種含水率（12.4%和14.2%濕基）的稻谷，在較高含水率，谷蠹成蟲100%死亡率所需的時間較高。在較高含水率下，谷物層內的臭氧移動會減慢，這需要更長的暴露時間才能導致昆蟲死亡[4]。Hansen等（2013）報告了溫度對臭氧效率的影響，昆蟲以不同劑量暴露在低溫7.3℃和7.9℃及高溫29.6℃和31.6℃中，臭氧與昆蟲死亡率的溫度變化無關，無論溫度如何，劑量較高時死亡率都達到百分之一。

臭氧在谷物中的應用也可能因處理室的大小和形狀、谷物表面特性、昆蟲種類、生命階段和昆蟲暴露（自由暴露或內部進食者）而異。作用昆蟲的目標系統(tǒng)可能是呼吸系統(tǒng)，在臭氧暴露后會導致死亡。在臭氧處理后，昆蟲往往會通過間歇性呼吸來減少氧化組織損傷。這會導致昆蟲肺功能的變化、DNA鏈分解和膜氧化[5]。臭氧是化學熏蒸劑的潛在替代品，可以控制糧粒內部和外部進食者。需要設計擴散管道或通道，以有效地將氣態(tài)臭氧分布在筒倉儲存的谷物中。

（三）淀粉改性

改性淀粉主要應用于食品和烘焙行業(yè)。對天然淀粉進行臭氧化處理，以改變淀粉的流變學、物理化學和熱性能。淀粉分子的氧化涉及兩個主要反應，先是通過氧化將羥基轉化為羧基和羰基，然后通過切割糖苷鍵將淀粉分子解聚[6]。

表3給出了臭氧應用于糧食及加工品后淀粉特性的變化結果。Chan等（2011）研究了玉米淀粉（干粉）在8 mL/s臭氧處理10min后，發(fā)現(xiàn)其分子量與天然淀粉相比有所降低（降低了22.6%）。這可能是由于鏈長縮短所致。然而，顆粒形狀和玉米淀粉溶液表面暴露于臭氧1小時后會發(fā)生變化，導致淀粉顆粒膨脹，顆粒尺寸變大。小麥粉懸浮液中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果（Lee等，2017），臭氧處理后，淀粉顆粒會變弱，隨后的淀粉損傷可能導致吸水率增加，從而導致淀粉分子膨脹。臭氧化淀粉的羰基和羧基含量隨著暴露時間的增加而增加，因為水解基團被氧化為羰基和羧基（Goze等，2016）。

臭氧對小麥粉的熱特性（如糊化溫度和焓）的影響與對照樣品相比沒有顯著差異（Goze等，2016）。相反，觀察到糯米淀粉的熱特性下降。這種差異可能是由于多酚、蛋白質和非淀粉多糖阻止淀粉氧化。

Obadi等[9]研究了全麥面粉的糊化特性，RVA峰值、谷值、最終、回生和崩解粘度值均下降，表明淀粉顆粒在臭氧氧化后變弱。峰值粘度表示持水能力。注意的是，臭氧處理時間的增加會降低RVA糊化參數(shù)。崩解粘度是淀粉顆粒粘度喪失和破裂的標志?；厣扯缺硎镜矸鄣幕厣?。隨著回生和崩解粘度的降低，可以提高蒸煮穩(wěn)定性，并降低淀粉分子的回生趨勢。

三、臭氧技術的局限性

臭氧可廣泛應用于各種食品加工行業(yè)，但是在谷物加工中的某些局限性需要解決。臭氧處理系統(tǒng)成本高昂，與其他技術相比，臭氧的普及率較低。高劑量的臭氧除了具有抗菌特性外，還會影響谷物的質量，將小麥粉暴露在5mg/L臭氧中2小時，饅頭的所有感官屬性得分最低。還有面包的硬度隨著臭氧化時間的增加而增加，這是消費者難以接受的。因此，在食品上選擇有效的臭氧劑量和時間存在局限性。許多因素也決定了臭氧的有效性，需要考慮影響臭氧化的各種因素來優(yōu)化工藝參數(shù)。臭氧也不能有效導致所有發(fā)育階段的害蟲死亡。

臭氧是面粉的有效漂白劑，但不建議用于黑麥粉。臭氧有可能產生副產物并改變食品中的生物分子。它與溴化物反應形成溴酸鹽，這是一種潛在的致癌物。臭氧與生物分子反應，通過氧化多不飽和脂肪酸產生醛和酮[8]。作為一種強氧化劑，使用臭氧對儲糧箱中的谷物進行熏蒸可能會腐蝕儲糧箱材料，在使用臭氧時必須考慮最佳材料或食品級不銹鋼的要求。此外，臭氧不能儲存且分解迅速，現(xiàn)場生產臭氧是強制性的。臭氧氣體的暴露量受到限制。在臭氧的商業(yè)化推廣中，必須對可能接觸工業(yè)臭氧的人員進行篩查，因為臭氧會影響人體的呼吸道。FDA規(guī)定工作人員8小時允許接觸的臭氧濃度為0.05 mg/L。

四、研發(fā)方向展望

（一）臭氧在糧堆熏蒸作業(yè)和霉菌毒素消減的工藝標準化

臭氧已被證實具有抗菌、殺蟲和降解霉菌毒素的作用。影響臭氧處理的因素有樣品含水率、濕度、臭氧濃度、pH值、處理時間、應用形式（氣態(tài)/水溶液）和流速，臭氧處理中只考慮了少數(shù)因素。需要對這些參數(shù)進行臭氧工藝標準化，以更好地了解這些因素的影響。加工成本是影響食品有效技術使用的重要因素，可采用低成本設計開發(fā)臭氧的商業(yè)應用，以處理谷物及產品。使用臭氧氣體的一個局限性是會對產品的營養(yǎng)品質產生不良影響，可通過屏障技術（結合多種方法）將臭氧的劣化降到最低，以獲得延長保質期的所需質量產品。工業(yè)規(guī)模的谷物臭氧處理系統(tǒng)需要設計一個高效的擴散系統(tǒng)。消費者對臭氧處理產品的認知度低于其他技術，可以通過生產安全的產品和合理的加工成本來解決這一問題。

（二）對照研究鑒定臭氧技術與冷等離子體技術中的活性反應物質

O3能夠抑制真菌的生長、孢子形成和發(fā)芽，幾乎不會對食品、飼料的營養(yǎng)成分或感官品質造成損失。臭氧抗菌活性在很大程度上取決于植物及真菌種類、生長階段、濃度和暴露時間。真菌殘留物經O3處理后形成的降解產物尚未完全確定，應進行體內和體外毒理學試驗，以篩選降解真菌毒素產物對人類和動物健康的影響。通過冷等離子體新興技術（活性氧和活性氮種類）以及O3生成和應用系統(tǒng)的改進和創(chuàng)新，這個研發(fā)主題將會得到更有效的評估，有助于加強對臭氧化食品和飼料的質量和安全參數(shù)的控制。為了在加工過程中有效和安全地使用，應為食品和飼料確定最佳O3濃度、接觸時間和其他處理條件。由于每個O3應用都是獨一無二的，因此在開始商業(yè)應用之前必須對每個案例進行中試測試。O3技術的工業(yè)設施仍有待開發(fā)，用于大規(guī)模處理食品和飼料產品，需要不同學科的投入。

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作者簡介：李興軍（1971—），研究員，博士，研究方向為糧食生化與食品工程，郵箱lixj3714@126.com。