張雨宸 謝 晶

(1. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術服務平臺，上海 201306；2. 農業(yè)部冷庫及制冷設備質量監(jiān)督檢驗測試中心，上海 201306；3. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心〔上海海洋大學〕，上海 201306；4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種利用半導體PN結構或類似結構作為發(fā)光材料，能夠直接將電轉化為各種色彩的可見光以及紫外光等的電磁輻射的半導體發(fā)光元件[1]，具有體積小、可應用范圍廣、發(fā)光效率高、經久耐用等良好特性，屬于典型的綠色照明光源[2]。在果蔬行業(yè)中，應用LED光照技術殺滅果蔬中的致病菌與傳統(tǒng)的化學滅菌法相比，具有無毒無害，成本低廉，殺菌同時可提升果蔬自身營養(yǎng)成分等的其他滅菌法無可比擬的優(yōu)勢[3]，滿足了現(xiàn)階段生產者和消費者對綠色環(huán)保處理方式的需求，因此在果蔬的采后處理中有較廣泛的應用?，F(xiàn)階段中國微生物源食源性安全問題非常突出[4]，LED照射處理方法具有豐富的研究價值和廣闊應用前景。文章將LED分為可見光、紫外兩部分，分別就其特性、優(yōu)勢、機理，以及殺菌效果進行綜述，指出了當前LED在果蔬采后應用中存在的問題，以期為LED技術的發(fā)展提供幫助。

1 LED特性及其殺菌機制

根據波長的不同，可將光分為可見光(400～700 nm)、紫外光(100～400 nm)等。LED的發(fā)光范圍廣，光質純，可根據發(fā)出的光的波長范圍不同分為可見光、紫外LED。下面分別闡述兩種LED的特性、殺菌機理和殺菌效果。

1.1 可見光LED

1.1.1 特性 與傳統(tǒng)的熒光燈和高壓鈉燈相比，LED燈具有以下優(yōu)點：① 光電轉換效率高，LED光能利用率高達80%～90%；② 光質純，可發(fā)射波譜范圍廣，LED發(fā)射的波譜寬度為±30 nm，可發(fā)射光波較狹窄的單色光的同時還可根據需要組合出不同顏色的光源[2]；③ 發(fā)熱低，LED屬于冷光源，近距離照射果蔬時不會由于溫度過高影響果蔬保鮮效果；④ 綠色環(huán)保，LED是由可回收的原料制成的光源，不含污染元素，且耗電量僅為白熾燈的1/8、日光燈的1/2[5]；⑤ 壽命長，LED使用壽命通常在10萬h以上，遠高于傳統(tǒng)照明光源[3]；⑥ 體積小，LED體積比傳統(tǒng)光源小，不占用太多的空間，更有利于放置在不同設備儀器中使用；⑦ 啟動時間短[1]。LED與傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)劣勢對比見表1。

表1 LED與熒光燈和高壓鈉燈的優(yōu)缺點對比Table 1 Advantages and disadvantages of LED, fluorescent lamp and high-pressure sodium lamp

1.1.2 殺菌機理 LED照射滅活部分食源性致病菌的途徑主要有光動力學滅活和光催化滅活2種[9]。Kim等[10]研究發(fā)現(xiàn)在400～450 nm波段內，LED在波長峰值為405 nm時對致病菌抑制效果最好，其機理是通過對細菌細胞膜的損傷達到殺菌目的的，而非對DNA的破壞。可見光LED的殺菌方法根據目前的研究主要分為添加光敏劑和不添加光敏劑2種類型。在未添加任何化合物的情況下，經LED發(fā)射出的405 nm等的特定波段的光線照射后，可借助細菌內源性糞卟啉產生激發(fā)態(tài)氧，進而由激發(fā)態(tài)氧破壞細菌組織結構，從而達到滅菌效果[11]。而在添加光敏劑的情況下，由光敏劑將LED光的能量轉移到氧分子上，形成激發(fā)態(tài)氧從而滅菌。2種滅菌方法都可以有效滅菌，相比而言，未添加光敏劑往往要照射7 h以上才能達到滅菌的效果，添加光敏劑后通常只需10～20 min，因此加入光敏劑更加節(jié)能；不過光敏劑大多為色素，將光敏劑涂抹在果蔬表面會影響感官和消費者購買欲。兩者共同優(yōu)勢為：應用LED照射食源性致病菌相較于添加化學物質滅菌更加綠色環(huán)保，且處理效果受溫度影響小，為低溫滅菌方法提供了新的選擇?？傊瑧迷谑称沸袠I(yè)的滅菌技術在考慮經濟成本的同時，技術本身的安全性更應放在首位。

1.1.3 可見光LED照射對食源性致病菌的影響 目前研究發(fā)現(xiàn)LED對食源性致病菌具有良好的殺菌作用。Endarko等[12]使用405 nm LED光，照射達到185 J/cm2劑量時，可以減少5 lg CFU/g的單核增生李斯特菌和其他種類的李斯特菌數量，并發(fā)現(xiàn)405 nm等的波段殺菌效果最佳。Kumar等[13]使用460 nm LED光，分別在4，10，25 ℃溫度下，照射蠟樣芽孢桿菌、單核增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌O157:H7、銅綠假單胞菌及傷寒沙門氏菌6種細菌，均有效減少了細菌數量。例如，金黃色葡萄球菌在照射7 h后數量最少，蠟樣芽孢桿菌照射9 h后數量減少3 lgCFU/g。并且細菌中的11-脫氧皮質醇、放線酰胺素、助間型霉素、酪胺、殼二糖等維持生命活動的物質均在LED光照射下得到了有效控制；并發(fā)現(xiàn)LED滅菌效果受溫度影響較小，可以在不同溫度條件下較廣泛的使用。Josewin等[14]用405，460 nm波長的藍光在4 ℃下，以輻照劑量為1 210 J/cm2的條件下或20 ℃，5 356 J/cm2的條件下，能夠較好地將哈密瓜表面初始濃度為4 lg CFU/cm2的李斯特菌和沙門氏菌殺滅。Wilborn等[15]結合波長為405 nm的藍光和880 nm的紅光輻照金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌，結果顯示：在20 J/cm2的輻照劑量下，銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌分別能夠減少93.8%和72.0%。

1.2 紫外LED

1.2.1 特性 紫外光根據波長的不同分為UV-A(315～400 nm)、UV-B(280～315 nm)和UV-C(100～280 nm)。紫外LED通常指發(fā)光中心波長在400 nm以下的LED[16]。由于短波長光線殺菌效果更好，所以紫外殺菌在果蔬采后處理中有著廣泛的應用[17]。現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)UV-A可以結合光敏劑，作為非加熱型滅菌法紫外光使用紫外發(fā)光二極管(UV LED)發(fā)射紫外光，相較于傳統(tǒng)的采取汞蒸氣放電方式獲取的紫外光光子能量更大，且本身更環(huán)保。UV LED直徑<5 mm，壽命在10萬h以上，比紫外燈壽命長100倍，具有響應速度快，可靠性高，壽命長，單色性好等優(yōu)勢[18]。

1.2.2 殺菌機理 傳統(tǒng)方法主要采取UV-C殺菌[19]，但結合光敏劑后，發(fā)現(xiàn)UV-A殺菌也十分有效[20]。其殺菌機理分別如下。

(1) UV-C：細菌DNA在吸收紫外線能量后，2個相互臨近的嘧啶會形成嘧啶二聚體，致使密碼子錯亂、DNA無法在轉錄中有效表達，進而導致mRNA無法合成有效的生存所需的蛋白質和酶，最終達到滅菌的效果[21-22]。核酸會吸收光譜范圍在240～280 nm的紫外線，且對260 nm的紫外線吸收最為強烈[23]，Kim等[24]研究發(fā)現(xiàn)從266～279 nm波段的UV-C LED對食源性革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌滅菌主要作用于DNA，且以265 nm波長段最有效。因此在單獨使用紫外照射技術殺菌時，UV-C(200～280 nm)殺菌效果最好。UV-C對食源性致病菌DNA破壞的同時，也會對其細胞膜造成損傷，從而達到滅菌目的[25]。

(2) UV-A：UV-A在激發(fā)光敏劑后，激發(fā)態(tài)的光敏劑會將能量傳遞給周圍的氧氣產生活性氧，使細菌細胞的細胞壁等部位發(fā)生毒性反應，從而達到細胞損傷、壞死的目的[26]。

1.2.3 UV LED對食源性致病菌的影響 Kim等[25]使用254 nm的UV-C在25 ℃下連續(xù)照射1 min，生菜表面的O157：H7大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和李斯特菌，分別降低了1.45，1.35，2.12 lg CFU/g，但在4 ℃的試驗條件下僅分別降低了0.31，0.57，1.16 lg CFU/g的細菌數量。Adhikari等[27]在使用254 nm的UV-C以0.92 kJ/m2的劑量下連續(xù)輻照60 s，分別將蘋果和梨表面的O157:H7大腸桿菌數量降低了2.9，2.1 lg CFU/mL。經8，12 min的UV-C照射后能分別減少草莓和覆盆子表面2.0，1.1 lg CFU/mL的O157:H7大腸桿菌數量。光照劑量3.75 kJ/m2時，254 nm UV-C照射能減少蘋果表面1.6 lg CFU/mL的單核增生李斯特菌，并且梨、哈密瓜和草莓表面單增李斯特菌數量分別在254 nm UV-C照射光照劑量11.9 kJ/m2時減少1.7，1.0，1.0 lg CFU/g的細菌數量。Yun等[28]使用光照劑量47 mJ/cm2的UV-C照射杏表面的O157:H7大腸桿菌和沙門氏菌，能迅速減少0.9～1.5 lg CFU/g的細菌數量。但過量的紫外照射在殺菌的同時也會對果蔬本身造成損傷，例如周偉[5]研究表明采后處理過程中，過量的 UV-C 照射會加快上海青品質劣變。因此在殺菌的同時應當控制紫外光的使用劑量。

綜上所述，LED滅菌效果顯著，有諸多優(yōu)勢：① 相較于傳統(tǒng)的低溫殺菌法無殘留，綠色環(huán)保。② 在保證殺滅細菌的同時，可以通過調節(jié)果蔬自身生理活動來延長保質期。例如：李寧等[29]在4 ℃低溫條件下使用紅藍復合光處理西蘭花延長了保質期(10～15 d)，也較好地保持了西蘭花外觀。③ 可以提升蔬菜品質，例如，Zhan等[30]在7 ℃溫度下使用強度為2 000 lux的光照射鮮切芹菜，使其總酚值明顯高于存儲于黑暗條件下的鮮切芹菜。但也存在一些劣勢：堆放高度有限，光的穿透性弱，例如在LED照射處理西蘭花時，接受到光照的西蘭花保鮮效果更好，故試驗時只能單層擺放[31]。在實際應用中是否需要每層蔬菜上都設LED，如此是否會增加成本，以及經濟效益如何等都有待進一步研究。

2 光敏劑輔助LED照射對食源性致病菌的影響

光敏劑是指在光化學反應中能夠吸收光子，并將能量傳遞給特定分子使其參與化學反應，但本身不參與化學反應的一類物質[32]。在果蔬采后處理中應用較廣的光敏劑主要為卟啉類化合物及其衍生物[33]。其作用機理為光敏劑在吸收光子能量后，激發(fā)態(tài)的光敏劑使周圍氧氣轉化為活性氧(ROS)，進而使細菌細胞的細胞壁等部位發(fā)生毒性反應，從而達到細胞損傷、壞死的目的[26]。目前使用較為廣泛的光敏劑有金絲桃素、姜黃素、葉綠素等。下面分類介紹各類光敏劑及其使用效果。

2.1 使用葉綠素及其衍生物等作為光敏劑

葉綠素是由1個卟啉環(huán)和脂肪烴側鏈構成，具有良好的光吸收的物質[34]。王小情等[35]以1 mL 10-5mol/L葉綠素鈉鎂鹽作光敏劑，使用400～415 nm的LED燈，在光照強度最大為1 250 lux的情況下光照荔枝清液10 min后，殺滅了4.5 lg CFU/g的金黃色葡萄球菌，但當用同樣方法處理荔枝濁液時，發(fā)現(xiàn)固體顆粒的存在會大大降低葉綠素的光動力殺菌效果，僅減少了0.14 lg CFU/g的金黃色葡萄球菌，說明在應用LED處理的過程中，應注意光的穿透性不強，確保需消毒物體能夠直接接受到光照，以達到較好的滅菌效果。Luksiene等[36]使用葉綠酸鈉作為光敏劑，蠟樣芽孢桿菌ATCC 12826和單核細胞增生李斯特氏菌ATCC 7644及其耐熱菌株蠟樣芽孢桿菌SV90和單核細胞增生李斯特氏菌56LY經405 nm光照殺菌后，可減少食品包裝材料表面7 lg CFU/mL的細菌。Buchovec等[37]使用1.5 ×10-5mol/L濃度葉綠素作為光敏劑，使用405 nm波段的可見光照射120 min，光照劑量達到46.1 J/cm2時，可減少2.05 lg CFU/mL的腸道沙門氏菌。Buchovec等[37]還發(fā)現(xiàn)使用葉綠素作為光敏劑，高功率紫外脈沖可有效殺滅革蘭氏陰性菌。

2.2 使用姜黃素作為光敏劑

姜黃素是一種從姜黃根莖發(fā)現(xiàn)的多酚化合物，本身呈鮮黃色，在傳統(tǒng)上食品工業(yè)中用作天然著色劑或作為膳食補充劑[38-39]，作為光敏劑使用時具有高效、低毒[40]、低成本等特點。姜黃素在光輻射下會轉化為激發(fā)態(tài)并增強自身的抗菌活性[41]。姜黃素的光激發(fā)可以促使ROS的形成，例如單線態(tài)氧，通過該類物質可以氧化損傷微生物進而達到滅活微生物的目的。最近的研究[42]還表明，除ROS外，姜黃素的受光照激發(fā)還可以生成自由基，并對細菌DNA造成嚴重損傷。據許川山等[43]研究，姜黃素在200～230 nm和400～450 nm波段處各有一吸收峰值，其中可見光區(qū)內的最大吸收峰值在425 nm處，熒光最大激發(fā)波長在425 nm處。作為光敏劑輔助LED殺菌時受溫度影響較小。例如Penha等[44]使用姜黃素作為光敏劑，光照劑量為278 J/cm2時可將金黃色葡萄球菌數量減少3.5 lg CFU/mL，當光照劑量繼續(xù)增強到417 J/cm2時，金黃色葡萄球菌完全失活；大腸桿菌在光照劑量達到278 J/cm2時數量顯著減少，在到達417 J/cm2時完全失活；嗜水氣單胞菌在光照劑量達到139 J/cm2時數量顯著減少，在達到417 J/cm2時完全失活。Oliveira等[20]使用姜黃素結合UV-A對大腸桿菌O157:H7和innocua李斯特菌進行照射殺菌處理發(fā)現(xiàn)該方式比單純的可見光照射處理更加有效。

2.3 使用其他光敏劑

除葉綠素和姜黃素光敏劑外，還有使用金絲桃素、ZnO納米粒子等作為光敏劑輔助LED照射，效果同樣顯著。Aponiene等[45]使用金絲桃素作為光敏劑，先將果蔬在0.1 μmol/L金絲桃素中處理60 min，再用585 nm光照射，劑量9.2 J/cm2時，可去除果蔬表面4.4 lg CFU/mL的蠟樣芽孢桿菌。Aponiene等[38]使用ZnO納米粒子作為光敏劑，使用劑量5×10-4mol/L，405 nm波段光照10 min，當光照劑量達到380 kJ/m2時，可減少7 lg CFU/mL的大腸桿菌。Ercan等[46]發(fā)現(xiàn)單獨使用9.53 kJ/m2劑量的UV-A僅能減少3.9 lg CFU/mL的細菌數量，而結合ZnO后可以殺滅6 lg CFU/mL的細菌數。Oliveira等[47]使用UV-A結合沒食子酸和乳酸可以使大腸桿菌O157:H7細菌數減少(4.7±0.5) lg CFU/mL，而單獨使用UV-A照射僅減少不到1 lg CFU/g的細菌數。

總之，相比光照處理的10～20 h的時間，添加光敏劑之后僅需10～60 min就可以達到滅菌效果，具有縮短加工時長，節(jié)約能源消耗的優(yōu)勢。目前常用的光敏劑如葉綠素、姜黃素等來源廣泛，價格低廉，生產成本低，具有較高的應用價值；但葉綠素、姜黃素等本身都是色素，涂抹在果蔬表面上難免會影響果蔬感官和消費者購買欲望，甚至有些光敏劑是低毒的[37]，應避免食用。故在實際生產中應當權衡選擇是否使用光敏劑，防止降低生產成本反而導致銷售量受影響或者增加食品安全風險。

3 結論

使用光敏劑的情況下，LED光照射可以高效殺滅細菌，且光照劑量小，與單純地使用光照相比較節(jié)約能源，盡管可食用光敏劑本身綠色環(huán)保，但大多數光敏劑(例如葉綠素、姜黃素等)都有顏色，涂抹在食品上會影響感官以及消費者購買欲望。相比之下，在未添加光敏劑情況下的LED光照射殺滅果蔬采后細菌的方法，可以不改變果蔬外觀顏色，且在光照殺菌的同時，可見光本身就可以對采后的果蔬有一定的生命活動的促進作用，因此該處理方式相較于傳統(tǒng)的單純殺菌的處理方式有一舉兩得的優(yōu)勢。例如，使用300 lx藍光LED光照處理蜜橘果實可以有效改善其著色等[48]。此外，LED光照對果蔬中一些主要營養(yǎng)成分的含量變化也有影響，如葉黃素和胡蘿卜素等[49]，因此也需研究LED光照對果蔬自身品質的作用?？傊?，LED光處理是一種有效的果蔬采后處理技術，能有效地殺滅果蔬表面的致病微生物，減少食源性致病菌的風險；同時也可以殺滅致腐菌等其他菌種[19]。

今后LED技術的應用前景主要有：① 目前的LED技術研究大多停留在實驗室階段，且所用到的設備多為定制或實驗者自建，標準化生產的LED設備有待開發(fā)，例如如何將可調的LED燈置入零售終端貨架、冰箱、冷庫中，進而形成一個簡便、有效的蔬菜保鮮方式仍待解決。② 結合人工智能技術，在貯存運輸裝置中通過可編程控制器實現(xiàn)對LED光的調節(jié)，模擬太陽光環(huán)境，使得貯運中的果蔬依然保持很好的活性有待研發(fā)。③ 如何將LED技術與其他保鮮技術聯(lián)合應用于采后果蔬的保鮮，如氣調與LED光照保鮮聯(lián)合使用、低溫貯藏與LED聯(lián)合使用等，使其能夠得到更佳的且經濟綠色的保鮮效果仍待進一步研究。④ 如何彌補LED使用中的不足，因可見光穿透性差，處理果蔬的堆放高度受限，例如在處理西蘭花試驗過程中只有接受到光照的西蘭花殺菌效果更好，故在試驗過程中只能單層擺放。在實際生產中為保證保鮮效果可能需要每層蔬菜架上都擺一層LED燈，其經濟效益、成本都有待進一步論證。