脉冲强光在食品工业中的研究和应用进展

脉冲强光是一种非热物理杀菌新技术，利用氙气灯瞬时高强度、广谱的脉冲光来杀灭固体表面、气体和透明液体中营养细菌及芽孢、真菌和真菌孢子、病毒和原生动物等腐败病原微生物，具有能耗低、杀菌效率高、对产品质量和营养的负面影响较低等优点。

来自浙江万里学院生物与环境学院的张瑞雪、张文桂和管峰等人综述了脉冲强光设备的工作原理、杀菌机理、杀菌影响因素及在果蔬、食品包装材料、水处理等中的研究和应用进展。

1 脉冲强光工作原理和设备

输入的市电经设备变压器升压后，对高压直流发生器的电容器进行充电，通过强光发生器（氙灯两端）形成直流高压。经系统触发器产生高压脉冲，升压后电流触发产生瞬时电感使氙气电离导通形成持续时间极短的闪光。电容放电后，高压下降，为下一次闪光积蓄能量。最早的商业化设备为PureBrightTM系统，目前主要是德国的SteriBeam系统和美国的Xenon系统。在我国，周万龙、马凤鸣等自主设计PL杀菌装置以用于研究。

2 脉冲强光杀菌机理 2.1 光化学作用

UV波段通常被认为是PL发挥杀菌效应的主要区域，DNA变性是杀菌的主要原因。微生物在PL照射下DNA吸收UV波段波长（200～280 nm），DNA逐渐开始裂解，结构改变，形成对DNA不利的胸腺嘧啶二聚体，阻碍DNA复制和细胞分裂，微生物自身的新陈代谢机能出现障碍，遗传性出现问题，导致细胞死亡或孢子钝化。UV光谱中对微生物的杀菌作用最重要的是UV-C波段（200～275 nm）。PL闪照处理后，L. innocua光修复机制的裂合酶活性仍然存在。光修复机制的裂合酶活性不仅依赖于光，而且依赖时间。由于PL的瞬时性，从PL可见光部分获得的修复时间受到限制，因而PL的光修复有限。

2.2 光热作用

PL中的近红外光能辐射能量，使细胞表面局部温度升高至50～150 ℃，破坏细菌的细胞壁，使细胞液蒸发，彻底破坏细胞结构，导致死亡。

2.3 光物理作用

PL除具有光化、光热作用外，还存在光物理作用，PL的穿透性和瞬时冲击性损坏细胞壁和其他细胞成分，导致细胞死亡。

3 脉冲强光处理效果的影响因素 3.1

脉冲强光对不同微生物杀菌效果

不同的微生物对PL的敏感性不同。Artíguez等研究了PL对B. subtilis和Geobacillusstearothermophilus的营养细胞和芽孢的杀菌效果，实验结果表明PL的杀菌作用随着细菌浓度的增大而减小，低细菌浓度时，营养细胞较芽孢更为敏感；较高细菌浓度时，芽孢比营养细胞更为敏感；在相同细菌浓度时，B. subtilis营养细胞比G. stearothermophilus细胞对PL更敏感；G. stearothermophilus孢子不能耐受PL。且革兰氏阴性菌对PL照射敏感性较革兰氏阳性菌更低。

3.2

脉冲强光参数影响杀菌效果

脉冲总能量是PL杀菌效果最重要的决定因素。脉冲闪光灯发出的能量与到达样品表面的能量不同，受到脉冲次数、单次脉冲能量、脉冲频率、闪照距离、传播介质（空气、水、苹果汁等）的影响。

脉冲次数：Cheigh等研究PL对固体培养基上L. monocytogenes的杀菌影响，杀菌效果与脉冲次数呈正相关，每次脉冲条件为1.75 mJ/cm2，脉冲300 次可减少4 lg（N/N0）；增加次数到900 次，数量可减少6 lg（N/N0）。杀菌效果随脉冲次数增加而增加的趋势在干腌肉中的L. monocytogenes和S. enterica同样适用。

脉冲处理时间对杀菌效果的影响随着处理时间的延长而增强。

脉冲电压对杀菌效果的影响随着电压的增加而增强。

不同的基质影响光的穿透性，因此菌液深度不同也会影响杀菌效果。

4 脉冲强光的应用进展 4.1

脉冲强光在果蔬中的应用

为有效延长果蔬的货架期，有较多学者将PL应用于果蔬加工中。结果显示：PL结合不同处理方法可以尽量延长货架期。

PL还可以应用于对果蔬中农药残留的光降解。由于PL的短时性，高脉冲使得有害副产物衍生物所需物质无法形成，因而PL可应用于农残光降解。

鲜切果蔬由于其便利性而受到广大消费者青睐。PL可有效减少微生物和钝化酶活力。PL应用于果蔬保鲜要控制辐照剂量在一定范围内，在减少微生物、钝化酶活力和延长货架期的同时，又要防止高脉冲剂量造成褐变等不利因素产生。

PL除保证果蔬的品质安全外，还有利于改善果蔬品质，如提高葡萄、香菇中白藜芦醇含量，芒果中非酶抗氧化活性等。

4.2

PL在即食肉制品中的应用

为提高即食肉制品的安全性并延长货架期，可采用PL对食品进行处理。

4.3

PL在食品包装材料中的应用

食品生产中的污染可以从食品接触表面和包装材料转移到食物本身，导致食品腐败变质，病原微生物还会引起公共卫生问题，因而对包装材料的灭菌也是非常必要的，并有研究证实PL对不同材料表面细菌的杀灭效果不同。

材料表面的性质如凹凸程度、粗糙度、反射率等均会影响PL的杀菌效率。此外，由于PL中含有的UV可降低材料表面的疏水性，为了解PL对包装材料的影响，还应检测材料的结构、表面疏水性、透气率等。

4.4

PL在水处理中的应用

目前国内外水处理中的消毒方法有很多，包括生物法、化学法和物理法。但这些方法均存在一些安全隐患。因此，有学者研究PL作为一种相对安全的消毒方法应用于水处理中。Feng Daolun等研究了PL对压载水中Heterosigma akashiwo的杀菌作用，结合TiO2膜共同作用在300 V的脉冲峰值电压、15 Hz频率和5 ms脉冲宽度下，对H. akashiwo的杀菌率达99.89%。通过毒理学评价PL处理的水未表现出任何毒性。

4.5

脉冲强光在其他方面的应用

PL最早是应用于医药方面的，英国一所医院对PL设备应用于隔离房间的消毒效果进行评价，结果发现PL可以减少78.4%的细菌，能减少5 lg（CFU/mL）耐药菌。PL可以诱导大分子物质的改变。PL在皮肤治疗中也有显著的效果，PL对成纤维细胞具有增殖作用，可以诱导基因表达和细胞外基质蛋白的产生，可用于治疗真皮细胞外蛋白综合征。PL还能改善治疗良性色素病变、血管病变等。

结 论

PL除了应用于杀菌外，对光催化、光诱导方面的研究也可作为未来研究的方向之一，例如利用PL诱导产生抗菌肽，诱导葡萄、花生、香菇等中的白藜芦醇等抗氧化成分的产生的研究也是食品工业中的研究方向之一。

本文《脉冲强光在食品工业中的研究和应用进展》来源于《食品科学》2017年38卷23期305-312页，作者：张瑞雪，张文桂，管 峰，袁勇军。DOI:10.7506/spkx1002-6630-201723048。图片来源于百度图片。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改：李莹 编辑/责编：张睿梅

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