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(渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁省食品安全重点实验室,辽宁省高等学校生鲜食品产业技术研究院,辽宁锦州 121013)

食源性疾病是由通过摄食进入人体的病原体引起人体感染或中毒的疾病,普遍存在于各类食物中,已成为全球性的安全问题[1]。而新鲜农产品往往含有由细菌引起的污染物,可能引起传染病[2]。随着鲜切果蔬工业化生产规模的不断扩大,由沙门氏菌、大肠杆菌和单核细胞增生性李斯特菌等致病菌引起的食源性疾病的危害越来越大。鲜切产品没有进一步的清洗、冷链没有得到妥善维护、切割过度使植物组织完整性受损,这些过程都会使微生物大肆生长,在一些生鱼和生肉的食品中也很常见[3]。

脉冲强光又被称为脉冲紫外光、高强度宽谱脉冲光、脉冲白光,是一种新型的非热杀菌技术[4],对透明液体、固体、气体中的微生物均具有较好的杀菌作用。随着脉冲强光杀菌技术的不断完善以及设备的不断优化,该技术已逐渐应用到食品杀菌保藏中。采用脉冲强光杀菌技术解决食源性疾病的研究成为了现阶段的研究热点,本综述主要总结近十年来脉冲强光杀菌技术在食品保鲜中一些新的研究发现和应用领域,有助于读者了解脉冲强光杀菌技术的最新概况。

1 食品杀菌技术

热杀菌技术具有较强的可控性与可靠性,包括:巴氏杀菌、超高温杀菌、辐照等,可以有效预防由于微生物引起的食品安全问题,且应用广泛,但是热杀菌技术会引起食品颜色变化、感官品质下降、营养破坏等问题[5]。非热杀菌技术包括脉冲强光杀菌、臭氧杀菌、高密度二氧化碳杀菌和超声波杀菌等,食品非热杀菌技术在杀菌过程中温度不升高或升温幅度很小,既不影响食品的感官和营养品质以及自然风味,又能确保食品中微生物的灭活[6]。脉冲强光技术在食品保鲜领域中已经广泛研究了15年,其原理是将可见光、红外线和紫外线协同作用于微生物,通过闪照瞬时和高强度的脉冲光能量对微生物细胞壁、蛋白质和核酸结构产生作用,使细胞变性而失去生物活性,抑制其生长繁殖,从而达到杀菌目的[7]。脉冲杀菌与其它杀菌技术相比,具有简便、灭菌时间短、重复性好、效率高等特点,在杀菌的同时能更好的保存食品的营养成分[8]。因此,采用脉冲强光的方式对食物进行杀菌,可以有效地降低食源性疾病的发病率。

2 脉冲强光杀菌技术影响微生物灭活的因素

目前认为闪照次数、放电电压、样品和灯源之间的距离等仪器参数以及微生物的菌株年龄、微生物对脉冲强光的敏感性、对光的吸收程度和光谱范围等都对微生物的灭活程度有影响。

2.1 仪器的杀菌参数

有研究表明,杀灭微生物的决定性因素是撞击细胞的总能量[9]。目标物和灯源之间的高电压、短距离及较多的闪照次数都增加了撞击能量,从而杀灭微生物[10]。较高的输入电压、较低的靶与闪光灯之间的距离以及较高的闪烁次数可以引起撞击能量的增加,从而更好的杀灭微生物。但是在不同的实验中,仪器参数设置(包括能量输出、闪照次数、电压和剂量等)、实验过程设置(如体外实验通常在水或缓冲液中进行,还有的在琼脂、塑料、玻璃和金属等表面进行)和实验数据都存在差异,这就导致不能直接比较不同研究中所获得的微生物灭活数据[11-12]。2016年西班牙Gómez-López(戈麦斯-洛佩兹)团队提出一种新方法用于规范实验室规模的脉冲光实验中使用的能量,便于我们对不同的研究中所获得数据进行比较[13]。

2.2 微生物的菌株年龄

微生物的菌株年龄对脉冲强光实验的结果也具有显著的影响[14]。以较高代谢活性呈指数生长的微生物比休眠的微生物更容易受到脉冲强光的损伤,因为它们不能迅速抵消DNA、脂质和蛋白质的损伤,而休眠的细胞能够有效保护细胞损伤的修复机制,阻止脉冲强光的伤害[15]。Farrell等[15]通过研究发现,处于老龄状态(生长24 h)的白色念珠菌对脉冲强光的敏感性低于14 h的白色念珠菌培养物,对于生长16 h和24 h的大肠杆菌培养物,具有相同的趋势。Cudemos等[16]同样发现荧光蜡状芽孢杆菌和酿酒酵母在静止状态时比在潜伏期或指数生长期对脉冲强光的抗性更强。

2.3 微生物对脉冲强光的敏感性

许多研究证实,脉冲强光适于灭活各种不同的微生物,包括营养细菌、细菌芽孢、霉菌孢子、酵母、病毒或寄生虫等。体外调查报告显示,脉冲强光处理后活菌数显著减少,最大的失活水平在4～7个log单位内[17]。到目前为止,只有少数研究报道了大量不同的菌种接受脉冲强光处理后的失活情况。Gómez-López等[18]发现不同的细菌、酵母菌、霉菌孢子和内孢子经脉冲强光处理后,共减少了1.2～5.9个log单位。Farrell等[15]发现一系列不同的致病细菌经脉冲强光处理后,共减少了7个log单位;微生物对脉冲强光的敏感性一般是由细胞内在因素决定的,这些因素决定了由脉冲强光诱导的细胞损伤抵抗或修复的能力。细胞的结构特性,如细胞膜和细胞壁的组成,以及它们的色素沉着可能是吸收独特光谱的原因,从而保护内部结构免受入射辐射。根据现有数据发现,微生物的敏感性顺序为真菌孢子>细菌芽孢>酵母菌、寄生虫、病毒>营养细菌[19-20]。迄今为止,没有任何一项研究对所有不同的微生物群进行直接比较,而且,在标准化条件下,酵母菌、寄生虫和病毒的抗性也尚未被研究[21]。

2.4 微生物的吸光性

当微生物存在于含有光吸收溶质(如蛋白质或分散颗粒)的液体中时,微生物的吸光性也是影响脉冲强光杀菌效果的一项重要因素[22]。这可能是因为这些液体在脉冲强光处理过程中,撞击细胞的光子数量显著减少,从而降低了脉冲强光杀伤微生物的效果[23]。2014年,Aguirre团队发现,当细胞位于琼脂表面以下,特别是阻碍光穿透的带有颜色的琼脂,脉冲强光对英诺克李斯特菌灭活效率急剧减少[24]。Artiguez等[25]发现,β-乳球蛋白和β-酪蛋白的蛋白质溶液中对无害李斯特菌的脉冲强光灭活程度有影响,对脉冲强光效率的影响与溶液浓度具有相关性。

微生物色素沉着引起的光吸收变化也同样影响脉冲强光杀菌效果。黑色素吸收大量的能量保护微生物细胞,使其免受辐射伤害,黑曲霉黑色的分生孢子与淡黄色和白色孢子相比,其抗性更高。枯草芽孢杆菌和嗜热脂肪芽孢杆菌的内孢子比它们的营养细胞更具抗性,然而悬浮液中大量的细胞会引起逆向趋势,营养细胞比其相应的孢子失活更少,这是由于营养细胞的光吸收更高,增加了保护作用[26]。

2.5 脉冲强光光谱范围

脉冲强光中100～280 nm的紫外光部分(UV-C区)已被证明是微生物失活的脉冲强光光谱的决定性部分,该区域具有很强的杀菌能力。微生物在UV-C照射下DNA逐渐开始裂解,若该损伤没有及时得到修复,会引起基因突变和细胞死亡从而达到杀菌的效果[27]。Woodlng等[28]证实低于300 nm的紫外波长对于灭活微生物是非常重要的,当波长范围处于300～400 nm时进行杀菌,无害链球菌轻微减少,若消除全部紫外线则导致完全丧失杀菌作用。WANG等[29]发现,脉冲强光灭活大肠杆菌最有效的波长为270 nm,大于300 nm时没有灭活作用。琼脂表面的枯草芽孢杆菌灭活的有效波长为225～280 nm,大于280 nm的波长对灭活几乎没有作用[30]。Ramos等[31]同样证实单独的可见光和近红外辐射没有显著的杀菌效果,这与DNA和蛋白质通常在250～280 nm出现吸收光谱保持一致。在氙闪光灯中产生闪光的施加放电电压会影响发射的光谱,较高的电压导致光谱向较低波长的移动,因此UV-C占的比例较高,这就增加了杀菌效果[13,30]。

3 脉冲强光杀菌技术在食品保鲜领域的应用

3.1 脉冲强光杀菌技术在果蔬保鲜领域的应用

在过去的几年里,关于脉冲强光对植物性食品进行微生物灭菌已经有大量的研究,尤其是在全球范围内鲜切产品产量不断提高的条件下,要对鲜切产品的微生物安全风险和保质期限制进行广泛调查[32]。到目前为止,对许多不同种类的果蔬都进行了测试,最大的灭活效率可以达到1～3个log单位,但是很难对全部微生物进行灭活。赵越[33]对鲜切白菜、油麦菜进行混合接种,并进行脉冲强光杀菌试验,结果表明,该杀菌技术不仅能有效杀菌,还能良好的保留油麦菜及白菜的营养成分和感官品质。在微生物剂量-应答曲线中往往可以观察到拖尾现象,进一步增加脉冲强光剂量也不能杀灭微生物,这就意味着脉冲强光进行微生物灭活受到一定的限制[34]。鲜切产品表面残存部分微生物是不可避免的,因此脉冲强光处理后产品的储藏过程也是食品保鲜需要考虑的一个因素。

关于脉冲强光对鲜切果蔬质量的影响一直存在不同意见。通常鲜切果蔬的腐败可以通过纹理、颜色、化学成分或感官属性的改变来判断。一部分学者认为脉冲强光处理对新鲜农产品营养成分的形成起到促进作用。2015年,Pataro报道称脉冲强光处理绿色番茄后发现总类胡萝卜素、番茄红素和总酚的形成显著增加了,番茄的营养价值随之增加[35];2016年,Lopes报道称脉冲强光处理增加了芒果中植物化学物质的浓度[36]。Kramer等[37]研究表明使用脉冲强光杀菌的方式对绿豆芽进行处理是一种创新的杀菌方式,通过减少产品表面上的活菌数来提高鲜切产品的安全性,但是脉冲强光杀菌主要适用于表面杀菌。Ignat等[38]得出结论,脉冲强光杀菌技术可对鲜切苹果片进行有效杀菌,可有效提高产品安全性并保证质量,但是,若将鲜切苹果片暴露在过度的脉冲强光下,会产生苹果片的褐变反应并导致关键细胞损伤。脉冲光剂量过大会对鲜切果蔬的感官属性等参数产生负面影响,这种负面影响呈剂量依赖性[27]。因此,找到合适的工艺参数,最大限度消除对产品品质变化最小的负面影响,不仅保证了对产品的温和处理,也确保了使大量的微生物灭活。

3.2 脉冲强光杀菌技术在肉类保鲜领域的应用

目前为止,已经有一些研究表明了脉冲强光杀菌技术对新鲜肉类、鱼类或其他相关产品的适用性。一些研究发现,脉冲强光的剂量依赖性会对产品质量产生负面影响,例如,三文鱼、金枪鱼以及一些肉类在高剂量的脉冲强光处理下会发生变色,这可能是高剂量的脉冲强光导致产品表面过热产生的变色[39-41]。Nicorescu等[42]研究了生猪肉和烤猪肉经脉冲强光杀菌处理后保质期、微生物变化、感官特性的变化,研究发现脉冲强光杀菌处理不会导致测试样品过热,并发现自然存在的好氧菌群对于脉冲强光处理更加敏感,因此猪肉样品的微生物安全性和保质期得到改善。刘娜等[43]为了提高即食肉制品的安全性并延长其货架期,采用脉冲强光杀菌技术对肉制品进行灭菌处理,结果表明经脉冲强光照射处理后的腌腊肉制品在储藏过程中的品质变化明显优于未经处理的样品。脉冲强光处理的样品氧化过程较快,可能是热效应促进其氧化,并且氧化反应产生的过氧化物也使肉中脂质的氧化稳定性降低[39]。所以在保证较好杀菌效果的同时,应减少处理剂量来保持产品的脂质氧化稳定性和感官品质。

3.3 脉冲强光杀菌技术在其它食物保鲜领域的应用

脉冲强光对饮料中微生物灭活的范围可变性较高,主要取决于饮料的浊度[44]。高度透明的液体,脉冲强光可进行有效的消毒,但是在橙汁和牛奶等有浊度的饮料中,脉冲强光对微生物的灭活效率较低。若采用间歇式或连续式湍流处理模式,脉冲强光的灭活效率可以得到显著提高[21]。2015年,Artíguez和de Maranon发表文章称连续稀释乳清透过率曲线下面积与脉冲光连续处理下英诺克李斯特菌灭活有线性关系,那么连续流动的脉冲光反应器的设计就显得十分重要[45]。脉冲强光保鲜技术在焙烤食品中也有应用,对由聚乙烯袋包装的面包切片进行脉冲强光处理试验,结果表明透过包装袋经脉冲强光处理过的样品,对面包表面的细菌杀菌率达到99.99%[46]。脉冲强光技术在年糕产业上具有应用潜力,因其对年糕腐败菌有显著的杀灭效果,但枯草芽孢杆菌及其芽孢的脉冲强光灭活机理尚待研究[47]。

4 总结与展望

脉冲强光杀菌在食品工业中是一项新型的冷杀菌技术,具有高效、节能、环保等特点,对各类微生物的杀菌效果都十分明显且处理时间可以控制在数秒之内。现阶段可用的数据都表明了该杀菌技术在提高食品安全性及延长保质期方面有着巨大的潜力。目前脉冲强光用于食品保鲜还处于研究阶段,研究问题包括食品物料状态及带菌状况对脉冲强光杀菌效果、对脉冲强光表现高抗的食品腐败微生物类群及其产生抗性的机理分析、脉冲强光与其它杀菌技术联合杀菌效果的研究及脉冲强光杀菌对食品成分及其品质影响的研究和建立不同种类食品脉冲强光杀菌最优化条件数据库等。在实际生产中,可以考虑脉冲强光联合超声、声热处理、臭氧等技术来提高杀菌效果,使这项技术在日益发展迅速的食品行业中更好的发展,最大程度造福人类。