佟 臻，刘雪婷，陈金定，高彦祥

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，中国轻工业健康饮品重点实验室，北京 100083）

随着人民人均收入和生活质量的提高，人们对于食品的高品质需求也愈发强烈。在食品加工过程中，需要经过杀菌工艺灭活食品中的微生物及酶，以保持食品的新鲜度、延长食品货架期。杀菌技术在食品加工领域就显得尤为重要。热杀菌是食品工业中最常用的灭菌方式，包括高温高压灭菌、巴氏灭菌、超高温瞬时灭菌（UHT）等。近年来，尽管传统的热杀菌技术和设备已得到快速发展，但热处理过程对食品理化性质和色香味等均产生不可避免的负面影响。因此，开发能够保证食品色香味的同时也能够保留其中营养成分的新型杀菌技术尤为重要。与传统热杀菌技术相比，非热杀菌技术基本不改变食品品质，并且环保节能、成本更低，因而引起越来越多的关注，并得到了迅速发展。非热杀菌技术主要分为高压、紫外线、脉冲强光、超声波、脉冲电场、冷等离子体等灭菌方式[1]。

脉冲强光（pulsed light，PL）是一种新型非热杀菌技术[2]，能够灭活物体表面的微生物，包括食品及与食品接触的包装材料。随着脉冲强光杀菌技术的不断创新以及设备的不断优化，该技术逐渐广泛应用于各类食品及其包装材料的杀菌。本文总结了脉冲强光技术的杀菌机理以及近年来在食品及其包装材料中应用，以期丰富研究人员对此技术的深刻理解，为其广泛应用提供理论基础。

1 脉冲强光（PL）杀菌机理

PL系统主要由动力单元和氙灯单元组成。动力单元通过产生高压和高能量电流为灯泡提供能量，将交流电转换为直流电，同时将直流电存储在电能存储设备中。当电容器达到预设水平时，控制器通过同轴电缆向灯泡释放高能电流，释放到灯泡中的能量产生强烈的脉冲光，可以直接指向目标物，达到杀菌的目的。脉冲光中发出的光谱包括紫外光区（200~400 nm）、可见光区（400~700 nm）和近红外光区（800~1100 nm），与太阳光谱（200~1100 nm）有着相似的高功率辐射脉冲[3]。

PL杀菌机理主要分为三个方面。一是光热反应：PL一部分光的波长在可见光和近红外波段，这一部分光传递热量到物体表面后立即将表面温度提高到50~150 ℃，使细菌的细胞壁破裂并蒸发其细胞液，致使细菌死亡[4]。这种瞬时升温只影响物体表面（大约10 mm厚），不会显著提高受辐照物体的内部温度[5]，而影响食品品质。二是光化学反应：细胞中蛋白质、DNA和RNA吸收紫外线后，发生变性，结构也会发生物理化学变化，导致遗传信息受损，复制和基因转录功能丧失，最终导致细胞死亡，达到杀菌目的[6]。三是光物理作用：PL强穿透性和瞬时冲击能力可以破坏细胞结构，导致细菌细胞死亡[7]。

PL对微生物灭活的有效性受多种因素影响，如脉冲光的闪烁次数、脉冲能级、样品与灯之间距离、所施加的电压、闪光的光谱范围、处理时间、样品种类、样品的表面特性以及微生物污染的数量和种类等[8]，因此，对于不同食品种类及其包装材料，脉冲强光的杀菌效果具有明显差异性。Koch等[9]探究了PL通量（0.52~19.11 J/cm2），样品与灯泡之间的距离（8.3~13.4 cm）以及PL处理时间（1~30 s）对猪皮上的鼠伤寒沙门氏菌和小肠结肠炎耶尔森氏菌的效果；结果显示，随PL通量增加，样品与灯泡之间的距离减小以及PL处理时间延长，猪皮上的鼠伤寒沙门氏菌和小肠结肠炎耶尔森菌明显减少，且在结合最小距离，最大的PL通量和最长处理时间条件下（8.3 cm、19.11 J/cm2和30 s），猪皮上的鼠伤寒沙门氏菌和小肠结肠炎耶尔森菌减少量达到最大值，分别为2.97和4.19 lg CFU/g；与其他处理组相比，该处理条件最大可分别减少1.13和4.19 lg CFU/g。Victoria等[10]发现革兰氏阴性菌在PL处理中显示出比真菌和革兰氏阳性菌更高敏感性，菌群减少程度可相差1 lg CFU/g以上。Koch等[9]对比了PL处理对猪皮和猪里脊上的沙门氏菌和耶尔森氏菌的杀菌效果，结果显示，在同等处理条件下，猪里脊的杀菌效果明显低于猪皮，猪皮与猪里脊上的沙门氏菌和耶尔森氏菌减少量最大可相差2.21和2.86 lg CFU/g，这可能是因为两种材料的表面粗糙度和孔隙率不同，使得PL与每个表面上存在的微生物发生不同的相互作用，由于猪皮具有更光滑的表面和更小的孔隙率因而杀菌效率更高。

2 PL杀菌技术在食品中的应用

PL杀菌技术在食品中应用较为广泛，在果蔬、肉制品及乳制品中的研究较多，且主要为PL杀菌技术对食品中不同微生物的杀菌效果评价，以及杀菌的同时对食品品质的影响。

2.1 PL杀菌技术在果蔬中应用

新鲜果蔬因其水分含量大、糖分含量高、酸度较低等有助于微生物的生长繁殖，在储运过程中极易出现腐烂变质现象。果蔬在采收后利用PL进行杀菌处理，可以降低微生物污染风险，减少低温贮藏过程中的果蔬变质情况，保持果蔬的新鲜度，维持其初始的风味和色泽，并延长货架期。

Tao等[11]研究了PL对生菜上4种常见食源性病原菌的杀菌效果以及PL处理对生菜理化感官品质的影响，结果显示，PL处理对金黄色葡萄球菌的效果最好，其次为大肠杆菌和肠炎沙门氏菌。冷藏结束时，所有经PL处理的细菌和酵母菌总数均显著低于未经PL杀菌处理的生菜，最高可减少7 lg CFU/g。PL处理可使生菜在冷藏8 d内保持其品质，并能最大限度地减少失重，保持色泽良好和维持叶绿素和抗坏血酸水平。周婷婷等[12]探究了PL处理对双孢蘑菇贮藏品质的影响，结果显示，PL处理能够有效延缓双孢蘑菇在贮藏期间的质量损失，保持双孢蘑菇的硬度，抑制双孢蘑菇过氧化物酶活性，延缓双孢蘑菇的褐变、脂质氧化以及总酚含量下降，以0.048 J/cm2脉冲光强度处理的双孢蘑菇具有最好的贮藏效果，贮藏第8 d，总酚和维生素C含量分别较对照提高39.06%和53.63%。Avalos等[13]对鲜切草莓进行了不同强度的PL处理，并评估了冷藏14 d后鲜切草莓品质变化，结果显示，经过PL处理的鲜切草莓均未出现明显的真菌腐烂症状，说明PL处理可以有效抑制鲜切草莓表面的真菌生长；以4、8 J/cm2PL处理可以保持鲜切草莓的硬度，防止贮藏期间软化发生；PL处理并未影响鲜切草莓总酚含量和抗氧化能力，且4、8 J/cm2处理的鲜切草莓中维生素C和总花色苷含量保持不变。彭光华等[14]探究了不同PL处理条件对鲜切荸荠的保鲜效果，结果显示，10 min处理组和15 min处理组能够更好地抑制过氧化物酶活性、苯丙氨酸解氨酶活性，保持鲜切荸荠在贮藏期间的硬度和色泽，减少失重。

2.2 PL杀菌技术在肉类制品中应用

肉类制品在生产、加工、包装、运输等过程中均有可能被微生物污染，成为威胁消费者食品安全健康的隐患，因此，肉类制品的杀菌效果是影响肉制品品质的重要因素。PL处理可有效灭活肉制品中的细菌，防止交叉污染，同时对肉制品品质不会产生较大影响。

刘娜等[15]将PL和紫外照射耦合对腊肉进行处理并探究了脉冲强光（2、6、10、14、18 cm）、紫外照射距离（3、7、11、15、19 cm）、闪照时间（1、3、5、7、9 cm）以及腊肉切片厚度（1、2、3、4、5 mm）对杀菌效果的影响，结果显示，腊肉切片厚度为3 mm、腊肉距脉冲光源6 cm、距紫外光源15 cm、闪照时间为5 min时，腊肉样品的杀菌率可达99.67%。Fernández等[16]研究了PL对Serrano和Iberian两种西班牙即食干腌火腿表面杀菌的效果；将李斯特菌接种在有真空包装的火腿切片表面，并用2.1、4.2和8.4 J/cm2PL进行照射；在4 ℃和20 ℃储存期间，测定了过氧化物值和挥发性物质并进行感官分析；结果显示，PL处理能够灭活火腿表面的微生物，且对火腿的过氧化值及感官品质未产生影响。Ananthanarayanan等[17]研究了PL处理对黄鳍金枪鱼排的货架期影响。结果显示，PL处理可以有效降低金枪鱼排中挥发性盐基氮含量、菌落总数及其增长速度，降低金枪鱼的硫代巴比妥酸值、游离脂肪酸和过氧化值，表明PL处理可以有效控制鱼肉中微生物的增殖和脂肪氧化水解，保持金枪鱼的新鲜度；PL处理后的样品也具有更好的感官品质；与对照样品相比，PL处理使得金枪鱼排的货架期延长至13 d。黄现青等[18]探究了PL处理对冷却分割鸡胸肉的品质影响，并通过响应面设计对冷却鸡胸肉的杀菌参数进行优化；结果显示，冷却分割鸡胸肉的杀菌率在优化后的PL处理条件下达到90.03%，与未处理组相比，PL处理后的冷却鸡胸肉的货架期在0~4 ℃的贮藏温度下延长了1~2 d，达到了预期目的。

2.3 PL杀菌技术在乳制品中应用

乳制品灭菌是其加工生产中的关键环节。PL杀菌技术不仅能够维持乳制品良好的风味，还可以保留其营养成分，除此之外，还可以避免传统杀菌导致的热效应的发生。

Chen等[19]以不同的PL条件下对脱脂奶粉进行杀菌，结果显示，高能量密度、高电压和低进料速度有利于更大程度地灭活微生物，与TiO2光催化结合可以显著提高脱脂奶粉的杀菌效果，使脱脂奶粉中的微生物减少量达到4.71 lg CFU/g（阪崎肠杆菌）、3.49 lg CFU/g（粪肠球菌）和2.52 lg CFU/g（蜡状芽孢杆菌）。Lacivita等[5]探究了PL处理对马苏里拉奶酪的影响，结果显示，PL处理能够控制马苏里拉奶酪中微生物的生长，且仅需4 s就可以达到与PL处理透明液体培养基中相当的杀菌效果，被认为是一种杀灭马苏里拉奶酪表面微生物的有效方法。Proulx等[20]将PL和纳他霉素或乳酸链球菌素联合使用以探究其杀菌效果，结果显示，联合处理的杀菌效果受防腐剂添加顺序的影响，由于防腐剂对紫外线的吸收，在PL处理前添加防腐剂会降低PL杀菌效果；而在PL处理后添加，杀菌效果得到增强。陈苗[21]探究了PL处理对牛奶中阪崎肠杆菌的杀菌效果并通过响应面法对该杀菌工艺进行优化，结果显示，在闪照次数为20次、闪照距离为9 cm、闪照能量为400 J以及闪照次数为30次、闪照距离为9 cm、闪照能量为300 J的杀菌条件下杀菌效果最好，牛奶中阪崎肠杆菌的灭活率达到99%，说明PL处理可以作为一种液体食品的杀菌手段。

PL对其他食品杀菌效果和品质影响列于表1中，不难发现PL具有良好的杀菌效果，且对各类食品品质基本上无明显影响。

表1 各种食品经PL杀菌处理及其效果Table 1 PL treatment and its results for different food products

3 PL杀菌技术对食品包装材料杀菌效果

食品包装增加了食品存储、运输、零售、消费的便利性，同时也具有一定的阻隔作用，能够延长食品的保质期。目前，食品包装中使用较为广泛的材料主要有玻璃、金属、纸张、纸板和塑料等[40]。从生产制造到食品加工中使用，包装材料可能会暴露于存在微生物的各种环境中，对食品的安全生产构成潜在风险，尤其是在无菌包装过程中，更易引起食品安全问题。目前，食品工业中的包装材料灭菌主要是通过化学消毒剂，如过氧乙酸和过氧化氢等[41]，这些化学消毒剂极易残留在包装材料中，甚至对最终产品造成污染。因此，食品包装材料的新型杀菌技术开发对于食品行业的发展具有重要的意义，同时也引起了越来越多的关注。

PL技术能够有效地灭活食品表面、加工设备以及食品包装材料上的微生物[42]，同时，与过氧化氢或过氧乙酸等化学消毒剂相比，PL杀菌效果更好，且无任何化学残留物[43]。但由于PL不能穿透不透明的物体表面，因此只能作于透明包装材料的杀菌[44]。此外，PL处理可能会导致食品表面发热，因此要求包装材料应具有一定的耐热性[43]。

国外关于PL杀菌技术在食品包装材料方面的研究及应用较多，主要研究不同脉冲强度、不同处理时间、不同接种方式、不同菌种以及不同包装材料等因素对于杀菌效果的影响，其中对不同材质的包装材料杀菌效果的研究最多。研究结果发现PL的杀菌效果较好，为食品包装材料的杀菌提供了新的思路与方向。

Tarek等[45]探究了PL处理对聚乙烯（PE）、定向聚丙烯（OPP）和ClearTite®等塑料膜包装的博洛尼亚牛肉的杀菌效果，结果显示，PL处理可以减少塑料膜包装的博洛尼亚牛肉上大肠杆菌的数量，提高食品安全性，然而杀菌效果取决于塑料膜的透光性。PE膜具有比OPP、ClearTite®等塑料膜更高的透光率（76%），在PL处理后PE膜上的大肠杆菌数量减少最多，杀菌效果最好，PL处理也并未对塑料膜的表面性能产生负面影响。Kramer等[30]评估了PA/PE复合膜包装的即食火腿、鸡肉、和法兰克福香肠的PL杀菌效果，结果显示，PL处理能够使包装后的即食肉制品上的李斯特菌失活，提高食品安全性。与火腿和鸡肉相比，表面微观结构较光滑的法兰克福香肠上的李斯特菌减少量最大，PL处理并未影响PA/PE复合膜的各项物理性质。De等[33]对比了PL处理对是否含有苯甲酸钠（SB）或柠檬酸（CA）抗菌淀粉膜的切达干酪上无毒李斯特菌的杀菌效果，结果显示，PL处理提高了SB淀粉膜和CA淀粉膜的拉伸强度，改善了SB淀粉膜在贮藏过程中的抑菌效果，且可与CA淀粉膜协同作用进一步减少奶酪中的李斯特菌含量，PL处理不会引起干酪理化性质发生变化。Moreira等[46]评估了PL处理和果胶可食用膜对鲜切苹果的保鲜效果。结果显示，果胶膜可以有效减少鲜切苹果的褐变和软化，PL和果胶膜协同处理的鲜切苹果上霉菌和酵母菌数在贮藏期增加最少。Gutierrez等[47]探究了PL处理对木薯淀粉/芋头淀粉制备的可食膜各项性质的影响，结果显示PL处理可以改善低直链淀粉含量可食膜的物理化学性质。

国内对于PL杀菌技术在食品包装材料方面的研究更加集中于PL技术与包材联用是否具有更好的食物保鲜效果。薛博等[48]采用PL处理与可食用蜂胶涂膜联用探究其对鸡蛋的保鲜效果，并以响应面试验优化鸡蛋保鲜条件，结果显示，蜂胶质量分数为3%、闪照能量为300 J、闪照距离为13 cm、闪照次数为50 次时鸡蛋的哈夫单位为72.52，比对照组高出20.02。刘娜[49]以溶菌酶/海藻酸钠/壳聚糖天然涂膜、脉冲强光、紫外杀菌依次对腊肉进行处理，结果显示，这种耦合处理后的腊肉在贮藏期间具有最低的菌落总数、过氧化值、硫代巴比妥酸值、挥发性盐基氮值，耦合处理对于腊肉在贮藏期间的色泽保护效果大于单独处理组和空白对照组，在感官评价实验中，耦合处理后的腊肉在贮藏期间感官评分最高，因此耦合处理具有最佳的腊肉保鲜效果。李松林等[50]利用甲壳低聚糖/菠萝蛋白酶天然涂膜和PL耦合处理腌腊禽肉，结果显示，耦合处理后的腌腊禽肉具有良好的保鲜效果，且耦合处理可以提高腌腊禽肉的色泽、风味和口感。国内采用PL处理对于食品包装材料的杀菌效果方面的研究内容较少。严杰能等[51]研究了PL处理对饮用水瓶盖的杀菌效果，并确定了饮用水瓶盖的最佳杀菌条件：脉冲电压7 kV，照射距离9 cm，闪烁间隔0.8 s，闪烁次数2次，并进行重复试验，结果显示该杀菌条件可用于实际生产，为PL杀菌技术在饮料包材灭菌提供了理论依据。

4 PL杀菌技术与其他技术耦合

近年来，越来越多的研究人员开始将PL技术与其他保鲜技术耦合对食品进行联合保鲜，这种联合保鲜技术相比于单一保鲜技术在杀菌效果、感官品质、营养素含量的保留等方面具有更好的效果。赵越[52]探究了PL处理与气调包装耦合处理对鲜切油麦菜和鲜切白菜的保鲜效果，结果显示，相比于PL和气调包装的单独作用，二者耦合处理的鲜切油麦菜和鲜切白菜在贮藏10 d内的感官品质、叶绿素含量、维生素C含量、失重率、可溶性固形物以及菌落总数等试验结果均明显更好。林琳等[53]将PL与超声耦合对生菜、甘蓝、青菜进行处理，结果显示，相比于对照组，PL耦合超声后生菜、甘蓝、青菜上的细菌总数均减少3 lg CFU/g以上，其中生菜处理组减少3.87 lg CFU/g，杀菌效果最好。该团队继续将PL与脉冲磁场相结合，并对西瓜汁、哈密瓜汁、葡萄汁进行杀菌，结果显示，所有果汁的菌落数相比于对照组均下降1.5 lg CFU/g以上，其中哈密瓜汁的杀菌效果最好，菌落数相比对照组下降1.86 lg CFU/g[54]。Huang等[55]探究了PL与1% H2O2耦合对树莓和蓝莓上沙门氏菌的杀菌效果，结果显示，PL与H2O2耦合处理的树莓和蓝莓上的沙门氏菌相比于单一处理分别减少1.1和0.9 lg CFU/g，是最有效的杀菌方法。Salinas等[56]探究了PL与海藻酸涂膜以及苹果酸耦合对鲜切芒果的保鲜效果，结果显示，相比于单一处理，耦合处理可以更好地在贮藏14 d内维持芒果的色泽，且PL与苹果酸的耦合可以最大程度灭活无毒李斯特菌，菌落数相比于其他处理可减少1 lg CFU/g以上。

5 PL杀菌设备在食品工业中应用

随着科技进步以及人们对于食品质量关注度的增加，对于食品加工过程中的新型杀菌技术及设备的需求也日益增加。作为一种新型非热杀菌技术，国内外对PL杀菌在食品工业中的应用进行了深入的研究，有部分公司已将PL杀菌技术成功应用于食品加工过程。

Bushnell等[57]发明了一种在生产过程中使用PL处理对包装材料进行表面杀菌的方法，通过辊式输送机将包装材料输送至装有吸收增强剂的罐中，并采用PL照射包装材料表面，经填充、定型和切割后完成杀菌过程，同时该技术也适用于成型容器的杀菌。

PL处理也可应用于包装材料的预处理[58]，法国Claranor公司已将PL杀菌技术应用于瓶盖、杯子、托盘及瓶胚颈部的杀菌，在食品加工过程中替代了化学灭菌剂（如过氧化氢）的使用。与化学消毒剂杀菌相比，PL杀菌技术具有无残留、低能耗、低成本、无废水产生等优点，同时杀菌速度极快，极易整合到生产线中。该公司的PL杀菌设备可以每小时连续处理7000~90000个瓶盖和90000瓶坯[42]。

美国XENON公司的X-1100高强度脉冲光系统为台式设计，占地面积小，其发射PL的能量可达到9 J/cm2，操作人员可在短时间内完成设置，适用于实验室内体积较小物品的杀菌。另外XENON公司的Z-2000系统多应用于传送带上物体的杀菌，此系统中的PL灯单元固定在传送带上，对传送带上移动的食品杀菌[59]。

国内企业和研发人员紧跟世界发展方向，设计发明了与实际生产匹配度高、功能完善的设备，进一步推动了PL杀菌技术的应用与发展。宁波中物光电杀菌技术有限公司关于PL的应用公布了几项专利，其中包含“颗粒料平送杀菌设备”[60]、“粉料平送杀菌设备”[61]、“果酱杀菌设备”[62]，物料与设备匹配良好，可为实际生产过程中提供极大的便利。常州市兰诺光电科技有限公司公布的专利“多个脉冲灯的单模块驱动电路”[63]，可应用于各种脉冲强光杀菌设备的设计中，使得脉冲强光在实际生产中更具有实用性和高效性。专利“一种脉冲强光液体净化装置”[64]中描述将PL杀菌技术应用于饮用水杀菌，克服了现有技术中饮用水的消毒技术不利于健康的问题，提供一种安全高效的饮用水杀菌方法。

陆健峰等[65]发明了一种PET空瓶的脉冲强光灭菌装置，可在灌装前对PET空瓶进行杀菌，该装置在传送星轮上方设置PL发生系统和强光反射系统，实现对PET空瓶进行杀菌。此装置以物理杀菌方式代替传统化学杀菌方式，取消了化学品消毒区，减少了设备占地面积，节约能耗，经济环保。

6 PL杀菌技术安全性

2000年美国FDA颁布的“Kinetics of Microbial Inactivation for Alternative Food Processing Techno logies”规定了PL处理食品材料表面的通量范围（0.01~50 J/cm2）[66]。2017年美国FDA颁布的“Food Code U.S. Public Health Service”并未对PL使用剂量做出明确规定。FAO/WHO颁布的“General Standard for Irradiated Foods”、CAC/RCP颁布的“食品辐照加工推荐性国际操作规范”、EFSA颁布的“Scientific Opinion on the Efficacy and Microbiological Safety of Irradiation of Food”和“Scientific Opinion on the Chemical Safety of Irradiation of Food”以及我国颁布的“食品安全国家标准食品辐照加工卫生规范”中仅对辐照技术及其限量进行规定，均未对脉冲强光技术的使用作出明确规定。一些研究人员尝试以高通量PL对食品进行处理。Ferrario等[26]以71.6 J/cm2的PL对苹果汁进行杀菌，结果显示，PL能有效破坏酿酒酵母KE 162 的细胞结构，从而达到良好的杀菌效果。Keklik等[35]以高通量PL对干酪表面进行处理，结果显示，虽然43.95 J/cm2的PL具有良好的杀菌效果，然而随着通量的增加，干酪表面颜色出现明显变化。显然，高通量PL确实具有良好的杀菌效果。然而，PL处理导致的某些天然色素的降解、不良风味的形成等会对食品的感官特性造成负面影响[42]，高通量下食品的pH和色泽变化、食品的过热现象以及臭氧的形成也是PL处理过程中需要考虑的一些问题[66]。目前，关于脉冲强光的安全性评价更多的局限于临床医学方面，对于食品及其包装材料中PL的通量使用范围还没有定论。如何避免高通量PL带来的食品品质的降低，如何将PL技术更加广泛地应用于各类食品包材，需要对PL技术进行更加深入的探索。

7 结语

脉冲强光是一种高效无残留的新型非热杀菌技术。其能在广泛杀灭多种致病菌的同时基本不改变食品及食品包材的性质，在提高食品安全性和延长食品保质期方面有巨大的应用潜力。而且PL处理成本低廉，更符合食品工业生产的需求。但PL处理也存在一些缺陷，例如：PL处理食品表面的通量范围限制没有明确规定，PL处理的食品包材应具有高透光率，PL不能处理含防光辐射添加剂的包材，食品的基质组成以及食品包材的不透明性限制PL处理的杀菌效率，将PL技术与其他保鲜技术集成是一个有趣的研究方向。这些保鲜技术可以分为物理方法和化学方法。物理方法包括：气调贮藏、可食用涂膜覆盖、超声辐照、脉冲磁场辐照等；化学方法包括：添加过氧化氢、有机酸等。除此之外，降低食品包材透光性对PL性能的限制，开发用于热敏食品和包装材料的高效PL杀菌系统，以及适用于食品和食品包装材料的高效智能化PL杀菌设备也是潜在的研发方向，需要研究人员对相关领域进行深入探究。