張瑞雪，張文桂，管 峰，袁勇軍

（浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100）

脈沖強(qiáng)光在食品工業(yè)中的研究和應(yīng)用進(jìn)展

張瑞雪，張文桂，管 峰，袁勇軍*

（浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100）

脈沖強(qiáng)光是一種非熱物理殺菌新技術(shù)，利用氙氣燈瞬時(shí)高強(qiáng)度、廣譜的脈沖光來殺滅固體表面、氣體和透明液體中營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌及芽孢、真菌和真菌孢子、病毒和原生動(dòng)物等腐敗病原微生物，具有能耗低、殺菌效率高、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)的負(fù)面影響較低等優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了脈沖強(qiáng)光設(shè)備的工作原理、殺菌機(jī)理、殺菌影響因素及在果蔬、食品包裝材料、水處理等中的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

脈沖強(qiáng)光；殺菌；殺菌機(jī)理；應(yīng)用

脈沖強(qiáng)光（pulsed light，PL）又稱脈沖紫外光[1]、高強(qiáng)度寬譜脈沖光[2]、脈沖白光[3]，是一種新型的非熱殺菌技術(shù)。PL技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代后期的日本，1984年在美國(guó)注冊(cè)專利，1996年美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）允許在食品加工中使用，規(guī)定PL處理食品的劑量不能超過12 J/cm2[4]。PL對(duì)固體表面、氣體和透明液體中的微生物均有較好的殺滅作用[5-8]。PL開始主要應(yīng)用于醫(yī)療器械表面和透明藥劑溶液殺菌消毒，隨著該殺菌技術(shù)和設(shè)備的成熟，逐漸過渡應(yīng)用到食品殺菌保藏中[9]。PL具有耗能低、瞬時(shí)、廣譜等優(yōu)點(diǎn)[10]，市場(chǎng)前景廣闊。

1 脈沖強(qiáng)光工作原理和設(shè)備

PL以交流電為電源，由一個(gè)動(dòng)力單元和一個(gè)氙燈單元組成。氙燈接收由動(dòng)力單元提供的高壓電流脈沖能量，能發(fā)出由紫外（ultraviolet，UV）至近紅外區(qū)域的光譜，包括UV光區(qū)（180～400 nm）、可見光區(qū)（400～700 nm）、近紅外光區(qū)（700～1 100 nm），與太陽光譜分布相似，但每一次脈沖的光強(qiáng)度約為到達(dá)海平面處太陽光強(qiáng)度的2×104倍[11]。輸入的市電經(jīng)設(shè)備變壓器升壓后，對(duì)高壓直流發(fā)生器的電容器進(jìn)行充電，通過強(qiáng)光發(fā)生器（氙燈兩端）形成直流高壓。經(jīng)系統(tǒng)觸發(fā)器產(chǎn)生高壓脈沖，升壓后電流觸發(fā)產(chǎn)生瞬時(shí)電感使氙氣電離導(dǎo)通形成持續(xù)時(shí)間極短的閃光。電容放電后，高壓下降，為下一次閃光積蓄能量[12]。最早的商業(yè)化設(shè)備為PureBrightTM系統(tǒng)，目前主要是德國(guó)的SteriBeam系統(tǒng)和美國(guó)的Xenon系統(tǒng)[13]。在我國(guó)，周萬龍[14]、馬鳳鳴[15]等自主設(shè)計(jì)PL殺菌裝置以用于研究。

PL系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為固定批次處理或連續(xù)流動(dòng)操作。一個(gè)基本的PL對(duì)固體樣品批次處理系統(tǒng)，將樣品置于處理室，通過沿著位于腔室壁上的一個(gè)或多個(gè)燈發(fā)出PL進(jìn)行處理（圖1）；連續(xù)PL系統(tǒng)，需要固體樣品和燈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置樣品通過PL的速率來實(shí)現(xiàn)所需處理時(shí)間。PL系統(tǒng)用于液體樣品根據(jù)所需處理時(shí)間控制透明管內(nèi)流量[16]（圖2）。

圖1 固體批次處理脈沖系統(tǒng)Fig. 1 Typical schematic for a batch PL system for solid foods

圖2 液體樣品連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)Fig. 2 Typical scheme for a continuous PL system for liquid food

2 脈沖強(qiáng)光殺菌機(jī)理

2.1 光化學(xué)作用

UV波段通常被認(rèn)為是PL發(fā)揮殺菌效應(yīng)的主要區(qū)域，DNA變性是殺菌的主要原因。微生物在PL照射下DNA吸收UV波段波長(zhǎng)（200～280 nm），DNA逐漸開始裂解，結(jié)構(gòu)改變，形成對(duì)DNA不利的胸腺嘧啶二聚體，阻礙DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂，微生物自身的新陳代謝機(jī)能出現(xiàn)障礙，遺傳性出現(xiàn)問題，導(dǎo)致細(xì)胞死亡或孢子鈍化[17]。UV光譜中對(duì)微生物的殺菌作用最重要的是UV-C波段（200～275 nm）。UV-C可引起DNA雙鏈、單鏈斷裂，誘導(dǎo)環(huán)丁烷嘧啶二聚體產(chǎn)生（圖3）。Wang等[18]利用單色儀過濾光譜發(fā)現(xiàn)殺滅Escherichia coli的有效波長(zhǎng)為230～360 nm，270 nm達(dá)最大殺菌性能，300 nm以上未發(fā)現(xiàn)有殺菌現(xiàn)象，證明PL起殺菌作用的光譜成分主要是UV，其中UV-C在殺菌中起重要作用。江天寶[19]采用不同的光學(xué)玻璃材料來過濾PL中不同光譜成分來研究殺菌效果，發(fā)現(xiàn)不同玻璃材料過濾的PL殺菌效果都有一定程度的減弱，即可見光、紅外光、UV均對(duì)各種微生物存在殺菌效果，UV殺菌效果尤為突出，缺失UV-C光譜與全光譜殺菌效果相差大，復(fù)合任意兩種光譜較單一光譜殺菌效果都會(huì)增強(qiáng)。結(jié)果表明UV在PL殺菌光譜作用中占重要作用，UV-C尤為明顯，可見光和紅外線對(duì)PL殺菌具有協(xié)同增效作用。

圖3 PL殺菌機(jī)理Fig. 3 Mechanism of sterilization by PL

微生物自身存在修復(fù)系統(tǒng)，對(duì)UV所引起損傷作用可及時(shí)修復(fù)。光復(fù)活作用意味著UV損傷的逆轉(zhuǎn)，在可見光（340～400 nm）照射下，黑暗條件下與嘧啶二聚體結(jié)合的光裂合酶被激活，環(huán)丁烷二聚體單體化[20]。Lasagabaster等[21]研究在不同溫度和光照條件對(duì)PL處理后的Listeria innocua生長(zhǎng)的影響。在37 ℃和4 ℃兩種處理溫度下，PL均使L. innocua菌體濃度大幅降低（＞3 lg（N0/N））。而在日光照射下PL處理后可培養(yǎng)的L. innocua數(shù)量較黑暗條件下高2.2 lg（N0/N）。結(jié)果表明，PL閃照處理后，L. innocua光修復(fù)機(jī)制的裂合酶活性仍然存在。光修復(fù)機(jī)制的裂合酶活性不僅依賴于光，而且依賴時(shí)間。由于PL的瞬時(shí)性，從PL可見光部分獲得的修復(fù)時(shí)間受到限制，因而PL的光修復(fù)有限。有報(bào)道證實(shí)Staphylococcus aureus和L. monocytogenes最優(yōu)光修復(fù)作用波長(zhǎng)在360～380 nm，低劑量脈沖時(shí)，光修復(fù)補(bǔ)償水平較低，小于1 lg（N0/N），在高劑量脈沖時(shí)，光修復(fù)將受到抑制[22]。除對(duì)DNA損傷外，微生物的蛋白質(zhì)吸收UV輻射后，因蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞而變性，導(dǎo)致酶失活及細(xì)胞死亡[23]。同時(shí)UV還可與臭氧共同作用，使臭氧經(jīng)過照射后與水分子反應(yīng)生成了具有強(qiáng)氧化性·OH，從而達(dá)到消毒殺菌目的[13]。

2.2 光熱作用

PL中的近紅外光能輻射能量，使細(xì)胞表面局部溫度升高至50～150 ℃，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，使細(xì)胞液蒸發(fā)，徹底破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致死亡[6]（圖3）。PL產(chǎn)生的熱效應(yīng)與熱處理不同，只使物體表面溫度快速升高，沒有顯著的體積、溫度變化[24]。

2.3 光物理作用

PL除具有光化、光熱作用外，還存在光物理作用，PL的穿透性和瞬時(shí)沖擊性損壞細(xì)胞壁和其他細(xì)胞成分，導(dǎo)致細(xì)胞死亡（圖3）。PL系統(tǒng)中矩形波脈沖在周期一定的情況下，脈沖功率的峰值隨著占空比的增大而增大，脈沖信號(hào)頻率范圍減小。脈沖信號(hào)頻帶作用范圍擴(kuò)大，脈沖信號(hào)功率譜頻帶范圍越寬，信號(hào)的高頻分量就越加豐富，對(duì)位移電流密度的影響較大，會(huì)引起器件的脈沖效應(yīng)[25]。有研究結(jié)果表明脈沖形式提供能量主要表現(xiàn)在脈沖次數(shù)和脈沖持續(xù)時(shí)間，在達(dá)到相等總能量的情況下，脈沖提供的功率較連續(xù)光輻照功率更大，每次脈沖的持續(xù)時(shí)間更短，峰值功率越高，具有更高的滲透能力[26]。

3 脈沖強(qiáng)光處理效果的影響因素

PL殺菌是復(fù)雜的過程，針對(duì)不同處理對(duì)象，需了解影響PL殺菌效果的因素，以此優(yōu)化PL參數(shù)設(shè)置。

3.1 脈沖強(qiáng)光對(duì)不同微生物殺菌效果

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)PL對(duì)不同微生物的殺菌效果進(jìn)行了研究，總結(jié)其研究結(jié)果如表1所示。

表1 脈沖強(qiáng)光對(duì)不同微生物的殺菌效果Table 1 Sterilization eff i ciency of different microorganisms by PL

由表1可以看出，不同的微生物對(duì)PL的敏感性不同，Artíguez等[31]研究了PL對(duì)B. subtilis和Geobacillus stearothermophilus的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和芽孢的殺菌效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PL的殺菌作用隨著細(xì)菌濃度的增大而減小，低細(xì)菌濃度時(shí)，營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞較芽孢更為敏感；較高細(xì)菌濃度時(shí)，芽孢比營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞更為敏感；在相同細(xì)菌濃度時(shí)，B. subtilis營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞比G. stearothermophilus細(xì)胞對(duì)PL更敏感；G. stearothermophilus孢子不能耐受PL。Ogihara等[37]研究了PL在液體環(huán)境中對(duì)食源性病原菌的殺滅效果。一次脈沖閃照處理（500 J、10 cm）13 種食源性微生物（Streptococcus faecalis、Enterobacter cloacae、Enterobacter aerogenes、E. coli、Serratia marcescens、L. monocytogenes、S. aureus、Aeromonas hydrophila、Providencia alcalifaciens、Pseudomonas aeruginosa、Salmonella enteritidis、Salmonella typhimurium、Yersinia enterocolitica），液體環(huán)境中除了E. aerogenes和S. typhimurium外，其他食源性微生物菌減少都超過6 個(gè)數(shù)量級(jí)。E. aerogenes和S. typhimurium能產(chǎn)生細(xì)胞外物質(zhì)吸收部分UV，比其他微生物具有更高的UV耐受力。結(jié)果表明，革蘭氏陰性菌對(duì)PL照射敏感性較革蘭氏陽性菌更低。

3.2 脈沖強(qiáng)光參數(shù)影響殺菌效果

脈沖總能量是PL殺菌效果最重要的決定因素。脈沖閃光燈發(fā)出的能量與到達(dá)樣品表面的能量不同，受到脈沖次數(shù)、單次脈沖能量、脈沖頻率、閃照距離、傳播介質(zhì)（空氣、水、蘋果汁等）的影響。由于PL的光線穿透力有限，樣品厚度以及處理對(duì)象成分都會(huì)影響PL的殺菌效果。

王勃等[38]利用響應(yīng)面法優(yōu)化PL對(duì)面包表面細(xì)菌的殺菌工藝，結(jié)果表明，采用PL殺菌技術(shù)可以有效殺滅面包表面污染的細(xì)菌，實(shí)驗(yàn)因素對(duì)殺菌效果影響主次順序?yàn)椋洪W照次數(shù)＞閃照能量＞閃照距離。Cheigh等[28]研究PL對(duì)固體培養(yǎng)基上L. monocytogenes的殺菌影響，殺菌效果與脈沖次數(shù)呈正相關(guān)，每次脈沖條件為1.75 mJ/cm2，脈沖300 次可減少4 lg（N/N0）；增加次數(shù)到900 次，數(shù)量可減少6 lg（N/N0）。殺菌效果隨脈沖次數(shù)增加而增加的趨勢(shì)在干腌肉中的L. monocytogenes和S. enterica同樣適用[27]。Maftei等[32]分別采用不同脈沖數(shù)（5、10、15、20、30和40）對(duì)蘋果汁中Penicillium expansum的殺菌研究發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖次數(shù)的增加，殺菌效果也隨之增加。5 次減少1.2 lg（CFU/mL），當(dāng)脈沖數(shù)為40時(shí)減少3.21 lg（CFU/mL）。

脈沖處理時(shí)間對(duì)殺菌效果的影響隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)。Yi等[35]自行設(shè)計(jì)了半工業(yè)規(guī)模的PL系統(tǒng)，測(cè)試了40、32、20、12 L/min流速條件下對(duì)應(yīng)處理89、113、179、290 s的殺菌效果，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，E. coli C600數(shù)量由減少了2.21 lg（N/N0）變?yōu)闇p少了4.79 lg（N/N0）。

脈沖電壓對(duì)殺菌效果的影響隨著電壓的增加而增強(qiáng)。輸入電壓分別為1.0、1.5、2.0、2.5 kV，對(duì)瓊脂上B. subtilis進(jìn)行殺菌處理。隨著輸入電壓的增加，細(xì)菌數(shù)量的對(duì)數(shù)差值也逐漸增大。2.5 kV處理電壓可減少6 lg（N/N0）的B. subtilis[39]。

不同的基質(zhì)影響光的穿透性，因此菌液深度不同也會(huì)影響殺菌效果。Nicorescu等[40]研究PL對(duì)懸浮液和香料中B. subtilis營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞殺菌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B. subtilis濃度在液體條件下且PL為0.6 J/cm2時(shí)減少了8 lg（CFU/mL），細(xì)胞形態(tài)不受影響；B. subtilis濃度在香料中且PL為10 J/cm2時(shí)減少了1 lg（CFU/mL），其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。結(jié)果表明PL對(duì)液體和固體狀態(tài)下的作用機(jī)制不同，其所導(dǎo)致的殺菌效果也有很大區(qū)別。

4 脈沖強(qiáng)光的應(yīng)用進(jìn)展

4.1 脈沖強(qiáng)光在果蔬中的應(yīng)用

新鮮果蔬高水分、高糖、低pH值等特征有利于微生物繁殖，加速果蔬變質(zhì)、縮短貨架期，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為有效延長(zhǎng)果蔬的貨架期，有較多學(xué)者將PL應(yīng)用于果蔬加工中。

Ramos-Villarroel等[29]用PL（12 J/cm2）對(duì)鱷梨、西瓜、蘑菇表面接種的L. innocua和E. coli進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖對(duì)表面接種的L. innocua和E. coli均具有殺菌作用，分別減少0.91～1.1 lg（CFU/g）和1.92～2.97 lg（CFU/g），L. innocua對(duì)PL更耐受，經(jīng)脈沖處理后鮮切水果可于4 ℃貯存至少兩個(gè)星期。Salinas-Roca等[41]采用PL（20 次脈沖，每次脈沖0.4 J/cm2）、蘋果酸浸泡（2%蘋果酸（malic acid，MA））及可食涂層（2%藻酸鹽涂層（alginate coating，ALC））處理3 種方法相結(jié)合對(duì)鮮切芒果的安全性和質(zhì)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明接種于芒果表面的L. innocua數(shù)量在MA-PL和PL-ALC-MA處理后分別減少了4.5 lg（CFU/g）和3.9 lg（CFU/g），在4 ℃貯藏14 d后，其微生物總數(shù)仍低于6 lg（CFU/g）。在4 ℃貯藏過程中芒果的顏色參數(shù)和總可溶性固形物含量有所降低，pH值接近新鮮程度，綜上，PL結(jié)合不同處理方法可以盡量延長(zhǎng)貨架期。Oms-Oliu等[42]研究了PL對(duì)鮮切蘑菇質(zhì)量和抗氧化性質(zhì)的影響，當(dāng)使用4.8、12、28 J/cm2PL處理蘑菇時(shí)，微生物的數(shù)量可減少0.6～2.2 lg（CFU/g），4.8 J/cm2處理鮮切蘑菇可在5 ℃條件下保存15 d，沒有顯著影響其質(zhì)構(gòu)和抗氧化性質(zhì)。

Llano等[43]發(fā)現(xiàn)鮮切蘋果表面褐變程度會(huì)隨著PL強(qiáng)度的增大而加深。通過光學(xué)顯微鏡下觀察果肉細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)，可以將褐變?cè)驓w因于切割后的蘋果細(xì)胞失去了區(qū)域化功能，使得酶與底物接觸機(jī)會(huì)更多，而過高劑量的PL能加速組織褐變。Ramos-Villarroel等[44]認(rèn)為PL會(huì)給鮮切西瓜的色澤、硬度等品質(zhì)帶來副作用，可能因?yàn)槭褂貌划?dāng)?shù)膹?qiáng)度（12 J/cm2）促進(jìn)了酚酶活性升高，引起的熱效應(yīng)加速組織水分蒸發(fā)。同時(shí)PL也會(huì)降低花色苷的含量[45]。

PL還可以應(yīng)用于對(duì)果蔬中農(nóng)藥殘留的光降解。Baranda等[46]研究了PL對(duì)農(nóng)藥殘留的降解作用，1.8～2.3 J/cm2的PL可以使初始質(zhì)量濃度為1～1 000 μg/L農(nóng)藥含量減少50%，低于法律規(guī)定質(zhì)量濃度，且無有害降解產(chǎn)物產(chǎn)生。由于PL的短時(shí)性，高脈沖使得有害副產(chǎn)物衍生物所需物質(zhì)無法形成，因而PL可應(yīng)用于農(nóng)殘光降解。

鮮切果蔬由于其便利性而受到廣大消費(fèi)者青睞。微生物控制對(duì)保證鮮切果蔬品質(zhì)至關(guān)重要。切割這一步驟降低了果蔬對(duì)微生物的抵抗力并且在加工過程中易造成二次污染。PL可有效減少微生物和鈍化酶活力。PL應(yīng)用于果蔬保鮮要控制輻照劑量在一定范圍內(nèi)，在減少微生物、鈍化酶活力和延長(zhǎng)貨架期的同時(shí)，又要防止高脈沖劑量造成褐變等不利因素產(chǎn)生。

PL除保證果蔬的品質(zhì)安全外，還有利于改善果蔬品質(zhì)，如提高葡萄、香菇中白藜蘆醇含量，芒果中非酶抗氧化活性等。de Almeida Lopes等[47]研究發(fā)現(xiàn)低劑量（0.6 J/cm2）的PL處理‘Tommy Atkins’芒果在20 ℃貯藏7 d后芒果的顏色加深，總抗氧化活性提高130%，非酶抗氧化活性增強(qiáng)，同時(shí)不改變芒果細(xì)胞組織。有研究發(fā)現(xiàn)PL處理后的葡萄中白藜蘆醇質(zhì)量濃度比未處理的葡萄升高2.5 倍，釀造的葡萄酒中含有0.58 mg/L的反式白藜蘆醇[48]。PL在葡萄酒制作過程中，可提高抗氧化物質(zhì)外，還能有效降低SO2的含量[49]。

4.2 PL在即食肉制品中的應(yīng)用

即食肉制品是一類無需加熱處理便可在出售地點(diǎn)食用的食品，主要包括醬鹵肉、熏燒烤肉、肉干、熏煮香腸火腿、發(fā)酵肉、熟制腌臘制品等[50]。因食用方便快捷，已成為我國(guó)居民喜愛的一類食品，但是即食肉制品在加工過程中易造成二次污染。

為提高即食肉制品的安全性并延長(zhǎng)貨架期，可采用PL對(duì)食品進(jìn)行處理。Ganan等[27]研究PL對(duì)即食干腌肉制品中接種于表面的L. monocytogenes和S. enterica的殺菌作用。結(jié)果表明當(dāng)脈沖能量在11.9 J/cm2時(shí)，兩種菌分別減少1.5 lg（CFU/cm2）和1.8 lg（CFU/cm2），并在滅菌后室溫貯存30 d后感官以及顏色等均未出現(xiàn)變化。Nicorescu等[51]對(duì)PL對(duì)豬肉和鮭魚的滅菌作用和感官屬性進(jìn)行了研究，PL對(duì)生的烤豬排、熟的烤豬排、生三文魚中接種的Pseudomonas fluorescens具有顯著的殺菌效果，減少3.4 lg（CFU/g）；在30 J/cm2脈沖能量下豬排的色澤具有顯著變化，在3～10 J/cm2的條件下，不引起脂質(zhì)過氧化，但丙二醛含量大幅升高。

4.3 PL在食品包裝材料中的應(yīng)用

食品生產(chǎn)中的污染可以從食品接觸表面和包裝材料轉(zhuǎn)移到食物本身，導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)，病原微生物還會(huì)引起公共衛(wèi)生問題，因而對(duì)包裝材料的滅菌也是非常必要的。全世界有超過100 家工廠合并PL系統(tǒng)到包裝線中用于消毒，并有研究證實(shí)使用PL系統(tǒng)幾乎瞬時(shí)減少超過5 lg（CFU/cm2）芽孢[52]。對(duì)包裝材料的研究重點(diǎn)集中在物理穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性以及化學(xué)遷移和可能產(chǎn)生的安全問題方面。Haughton等[53]研究了PL技術(shù)（3 Hz，每次脈沖最大505 J，脈沖維持時(shí)間360 μs）去除生雞肉及其包裝材料表面的微生物，主要研究對(duì)PL輻照接種于包裝材料（不銹鋼、聚乙烯砧板、黑色聚丙烯托盤（black polypropylene tray，BPP）、白色聚丙烯托盤（white polypropylene tray，WPP）、藍(lán)色聚丙烯托盤、鋁盤（aluminium tray，AL）、聚烯烴（polyolefin，PO）、聚乙烯聚丙烯、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC））表面的Campylobacter jejuni、E. coli、S. enteritidis殺菌效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，距離14 cm、脈沖時(shí)間1 s，除BPP和PO材料，其余材料表面C. jejuni全部殺滅；延長(zhǎng)脈沖時(shí)間到5 s，所有材料表面C. jejuni全部殺滅。脈沖距離11.5 cm、脈沖時(shí)間5 s，PVC和AL上的E. coli全部殺滅，其他材料減少了1.5～4.7 lg（CFU/cm2）E. coli。相同脈沖條件處理后，在PVC和WPP上的S. enteritidis全部殺滅，而其他材料減少了2.52～4.5 lg（CFU/cm2）S. enteritidis。Levy等[54]接種單層Bacillus subtilis到聚苯乙烯上，PL對(duì)其進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，不論采取何種方法（點(diǎn)樣和噴灑）接種至聚苯乙烯上，其處理后濃度均顯著減少，大于6 lg（spore/cm2）。Gómez-López等[55]研究PL對(duì)接種于低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚乙烯鋁箔紙板層壓板、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯涂層紙板表面的L. innocua的殺菌效果，0.67 J/cm2劑量脈沖1～12 次分別減少1.9～7.1、1.7～7.2、1.0～3.5、1.0～4.4、1.1～4.5 lg（CFU/coupon），說明PL對(duì)不同材料表面細(xì)菌的殺滅效果不同。

材料表面的性質(zhì)如凹凸程度、粗糙度、反射率等均會(huì)影響PL的殺菌效率。此外，由于PL中含有的UV可降低材料表面的疏水性，為了解PL對(duì)包裝材料的影響，還應(yīng)檢測(cè)材料的結(jié)構(gòu)、表面疏水性、透氣率等。

4.4 PL在水處理中的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外水處理中的消毒方法有很多，包括生物法、化學(xué)法和物理法。我國(guó)在水處理中經(jīng)常采用的消毒方法主要有氯消毒、臭氧消毒和UV消毒，但這些方法均存在一些安全隱患。因此，有學(xué)者研究PL作為一種相對(duì)安全的消毒方法應(yīng)用于水處理中。

Feng Daolun等[56]研究了PL對(duì)壓載水中Heterosigma akashiwo的殺菌作用，結(jié)合TiO2膜共同作用在300 V的脈沖峰值電壓、15 Hz頻率和5 ms脈沖寬度下，對(duì)H. akashiwo的殺菌率達(dá)99.89%，比傳統(tǒng)UV壓艙水處理系統(tǒng)能耗效率高1.51～2.51 倍。Cryptosporidium parvum在一般水處理中很難去除，PL（6.29 μJ/cm2）處理90 s即可減少4 lg（N/N0），通過毒理學(xué)評(píng)價(jià)PL處理的水未表現(xiàn)出任何毒性[36]。Kasahara等[57]研究PL對(duì)山羊乳中E. coli殺菌效果及其感官屬性，PL在10 J/cm2條件下E. coli減少6 lg（CFU/mL），芳香物發(fā)生改變，但物理性質(zhì)和組成成分無顯著變化，這是因?yàn)橹旅芙橘|(zhì)的高光吸收，使得PL的穿透有限。PL的殺菌作用與飲料的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，PL可使礦泉水和等滲飲料中P. aeruginosa減少7 lg（N/N0）（0.97 J/cm2），使蘋果汁、碳酸飲料、酸梅湯中P. aeruginosa減少7 lg（N/N0）（12.17～24.35 J/cm2）。PL能滲透到液體中的決定因素是高透射和低消光系數(shù)，消光系數(shù)與殺菌作用呈指數(shù)（曲線）函數(shù)關(guān)系[33]。

4.5 脈沖強(qiáng)光在其他方面的應(yīng)用

PL最早是應(yīng)用于醫(yī)藥方面的，醫(yī)院中隔離房間的空氣要求高，傳統(tǒng)采用UV消毒，英國(guó)一所醫(yī)院對(duì)PL設(shè)備應(yīng)用于隔離房間的消毒效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PL可以減少78.4%的細(xì)菌，能減少5 lg（CFU/mL）耐藥菌。PL對(duì)隔離室中內(nèi)表面的微生物有顯著殺菌作用，但是不能徹底從環(huán)境中去除微生物污染。PL所采用的脈沖氙氣-UV燈深受醫(yī)院清潔和工作人員好評(píng)，對(duì)病人流動(dòng)影響程度最小[58]。

PL可以誘導(dǎo)大分子物質(zhì)的改變。Panozzo等[59]研究了PL對(duì)谷蛋白結(jié)構(gòu)和免疫應(yīng)答反應(yīng)的影響。谷蛋白引起免疫反應(yīng)即過敏反應(yīng)。谷蛋白光反應(yīng)性受水合作用影響，PL誘導(dǎo)面筋粉褐變，通過二硫化物的交換促使部分水化面筋蛋白解聚，使谷蛋白免疫活性明顯降低，達(dá)到降低過敏反應(yīng)的目的。

PL在皮膚治療中也有顯著的效果，PL對(duì)成纖維細(xì)胞具有增殖作用，可以誘導(dǎo)基因表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的產(chǎn)生，可用于治療真皮細(xì)胞外蛋白綜合征[60]。PL還能改善治療良性色素病變、血管病變、紅斑痤瘡、粉刺等[61]。

5 結(jié) 語

在食品工業(yè)中病原微生物的控制是最為重要的環(huán)節(jié)，PL在1996年就已被FDA批準(zhǔn)使用于食品加工、生產(chǎn)及處理方面。PL殺菌技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、快速、無殘留、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，使得PL具有巨大的商業(yè)潛力。實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化，需要積累大量可靠數(shù)據(jù)，以保證食品的安全。

PL比傳統(tǒng)的殺菌方法具有優(yōu)勢(shì)，但是要將其商業(yè)化仍然存在一些問題需要研究和解決。PL對(duì)固體表面及透明液體具有較好的殺菌效果；而由于存在遮光效應(yīng)、光的折射、反射、散射等的作用，PL對(duì)于顏色較深液體、凹凸不平的物體表面的殺菌效果較低；PL滲透力有限，樣品厚度也會(huì)影響滅菌效果。多種殺菌技術(shù)串聯(lián)使用能有效提高殺菌效果，互補(bǔ)殺菌技術(shù)中的缺陷。如結(jié)合水輔助PL對(duì)果蔬等熱敏性食物，可避免由于溫度造成的不利影響[62]。PL結(jié)合蘋果酸浸泡也能有效提高其殺菌效果[8]。PL與聲熱處理[63]、超聲波技術(shù)[17]、熱處理[64]結(jié)合均能有效提高殺菌效果。對(duì)于復(fù)合殺菌方法需要大量實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究，技術(shù)的先后順序是其研究的一個(gè)重點(diǎn)。

PL作用機(jī)制研究較少，主要集中對(duì)微生物學(xué)的研究，最為常見的是通過電子顯微鏡觀察PL對(duì)微生物形態(tài)的影響，但是從分子生物學(xué)角度去研究PL作用機(jī)理相對(duì)較少。例如UV照射后大腸桿菌存在phr位點(diǎn)的產(chǎn)物酶和uvrA、uvrB、uvrC基因編碼的核酸外切酶復(fù)合物可以對(duì)損傷的部位進(jìn)行修復(fù)，但是PL造成的多為不可逆殺菌作用，PL對(duì)這些基因是否存在影響鮮有研究。有研究顯示固體狀態(tài)下和液體條件下PL的殺菌機(jī)理有所區(qū)別，缺少研究闡明PL的具體殺菌過程和機(jī)制。對(duì)于耐受PL的微生物，其耐受機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。

PL除了應(yīng)用于殺菌外，對(duì)光催化、光誘導(dǎo)方面的研究也可作為未來研究的方向之一，例如利用PL誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽，誘導(dǎo)葡萄、花生、香菇等中的白藜蘆醇等抗氧化成分的產(chǎn)生的研究也是食品工業(yè)中的研究方向之一。

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Advances in Research and Application of Pulsed Light in Food Industry

ZHANG Ruixue, ZHANG Wengui, GUAN Feng, YUAN Yongjun*
(College of Biological and Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China)

Pulsed light (PL) is a non-thermal sterilization technology which uses instantaneous high intensity broad spectrum pulsed light emitted by a xenon lamp for microbial decontamination. PL treatment can inactivate a wide variety of pathogenic and spoilage microorganisms which are present on a solid surface, in gases or in transparent liquids including bacteria,spores, fungi, fungal spores, viruses and protozoa, and has the advantages of low energy consumption, high bactericidal efficiency, and low negative impact on the product quality and nutrition. This paper reviews the working principle of a PL generator, the mechanism and af f ecting factors of microbial inactivation by PL, and recent advances in the application of PL in the sterilization of vegetables and fruits and food packaging materials and in water treatment.

pulsed light; sterilization; microbial inactivation mechanism; application

10.7506/spkx1002-6630-201723048

TS201.6

A

1002-6630（2017）23-0305-08

張瑞雪, 張文桂, 管峰, 等. 脈沖強(qiáng)光在食品工業(yè)中的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(23): 305-312.

10.7506/spkx1002-6630-201723048. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Ruixue, ZHANG Wengui, GUAN Feng, et al. Advances in research and application of pulsed light in food industry[J]. Food Science, 2017, 38(23): 305-312. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723048. http://www.spkx.net.cn

2016-08-01

浙江省重中之重學(xué)科學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2016012）；寧波市高校院所研發(fā)投入補(bǔ)助項(xiàng)目（2011B22012）；

寧波市江北區(qū)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目（2012B04）

張瑞雪（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)工程與安全控制。E-mail：ruixuefennian@aliyun.com

*通信作者：袁勇軍（1976—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槲⑸锛捌渖锛夹g(shù)。E-mail：yuan2007019@aliyun.com