《食品科学》：浙江大学刘东红教授等：脉冲强光杀菌机理及其在食品领域应用的研究进展

食源性致病菌对人类健康和食品安全构成重大威胁。食品杀菌技术是食品科学一直以来的重要课题。脉冲强光杀菌技术由设备产生光谱范围100～1 100 nm的脉冲强光，涵盖具有优异杀菌效果的紫外光谱范围（100～400 nm）和具有光热效应的红外光谱范围（800～1 100 nm），通过生物物理效应、光热效应和光化学效应对细菌完成灭活。脉冲强光具有穿透性强、覆盖率高、操控简便、无二次污染等优点，对食品中常见的病原微生物具有显著的灭活效果。

脉冲强光杀菌的生物物理效应主要包括导致细菌膜结构损伤、细胞器渗漏、蛋白质流失，最终造成细菌死亡。光热效应主要以间接的方式通过菌液承载环境升温导致细菌失去适宜的生长环境。

浙江大学生物系统工程与食品科学学院的叶子晗、王文骏、刘东红*等人首先依据VOS viewer软件结合文献计量学的方法对脉冲强光在杀菌领域的研究现状进行分析，具体包括引文分析、共现分析和共引分析，从而挖掘出近5 年脉冲强光杀菌研究热点，汇总近几年文献中脉冲强光杀菌的实验结果。在此基础上，根据文献所报道的实验方法与研究结论，对杀菌机理进行聚类、分析、归纳并总结，系统全面地揭示脉冲强光杀菌机理的详细逻辑。相关结果有助于对未来脉冲强光强杀菌机理的实验逻辑梳理，掌握脉冲强光技术最新研究动向，并揭示可能存在的更深层次的脉冲强光作用机理。

1 文献计量学分析

本综述和研究选取文献的数据库来自于Web of Science核心合集。文献检索时采用的关键词包括“pulsed light inactivation or pulsed light sterilization”。检索时间范围为2024年5月及之前，共筛选出1 075 条相关文献并导出记录为制表符分隔文件形式，保留完整记录和引用参考文献，利用VOS viewer进行可视化分析。

1.1 引文分析

引文分析可以得到一个可视化的网络图，它可以帮助理解文献之间的相互引用关系，以及这些关系如何随着时间的推移而变化。图1A、B基于文章所发表的期刊和文章本身两个方面进行了引文分析，图1C则是基于期刊引文分析的一个时序分析。在有关期刊的分析中，可视化分析结果表明一共检索到384 个不同刊物发表过脉冲强光杀菌相关文献。进一步筛选条件为单个期刊发表过相关文献最低数目5 篇，共42 个刊物符合要求，图片表征数量前35位的刊物名称。根据不同期刊之间的互引关系，用不同颜色的节点和连线将全部结果聚类处理。其中，Innovative Food Science & Emerging Technologies杂志具有最多的46 篇相关文献，文献数量较高期刊之间互引次数在70 次之上。而时序分析结果表明近10 年节点较小、年份相近的期刊在图1A中也属于相近聚类，因此可以得出相关结论：脉冲强光杀菌领域的研究在刚刚进入大众视野的初始阶段的研究相对较多，但随着时间的推移，有关光脉冲杀菌的研究减少，原因可能是脉冲强光杀菌机理的作用位点、分子生物学作用等领域的研究难度较大，取得显著性进展较难。因此，关于光脉冲杀菌机制的研究值得深入探究。

以文章本身记录为研究单位的结果显示，Gómez-López等在2007年发表的文章被引次数最多。该篇文章十分全面地介绍了脉冲强光之于紫外辐照的区别和优势，概括了脉冲强光杀菌的影响因素、作用程度的衡量参数。并在当时的研究进展下概述了光化学、光热两种作用机理。最后该文章还依据食品种类不同，汇总了脉冲强光处理食品的实验结果和毒理性评价。但由于文献时间较早，脉冲强光的参数和使用方法与现阶段的出现较大区别。并且机理方面的研究还没有涉及到抗氧化系统和作用通路等深层次内容。即近几年的研究内容对近20 年及更早的研究来说已经出现较明显的改变和更新。

1.2 共现分析

共现分析是通过分析关键词、术语或标签在同一文献中的共同出现情况揭示研究热点和知识结构的方法。共现分析的结果图通常是一个网络图，其中节点代表关键词、术语或标签，节点之间的连线代表它们在同一文献中的共现关系。

图2是以作者关键词（author keywords）为单位进行研究。在全部的1 075 篇文献中VOS viewer一共报告了2 584 个不同的关键词，筛选出现次数10 次及以上的共40 个，其共现关系如图2所示，节点大小表示出现次数，节点间连线强度表示共现次数。

根据图2A反馈出的结果整体而言，以pulsed light为核心，向外扩散，依据内容可以分析出脉冲强光现阶段研究涉及到的多个领域。有关食品非热杀菌方法，脉冲强光和脉冲电场、超声波、冷等离子体均有较高的共现次数。这意味着这些食品非热杀菌处理可能存在机理上的协同作用，它们互相之间进行联合杀菌可能是未来较热门的研究领域。有关实验菌种的汇总结果表明，大肠杆菌O157:H7、金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌4 种较为常见食源性致病菌作为关键词出现次数在10 次左右，沙门氏菌出现的次数最多，达30 次。这些结果表明脉冲强光在杀菌领域主要聚焦于有杀菌结果和对食品品质影响这一层面，而有关实验机理的研究相对较少。关于脉冲强光的应用，共现分析结果表明，“decontamination”“disinfection”“water treatment”等关键词出现次数较多，出现次数在10～50 次不等。

从图2B可以看到这些关键词所属时间较早，说明脉冲强光使用在这些领域已有一段时间，并且效果较为显著，作为一种新式的非热杀菌技术可以胜任于这些传统杀菌处理需求。而在较临近的时间内，出现次数较高的作者关键词有生物膜结构（biofilm）、食品货架寿命（shelf life）、酶灭活（enzyme inactivation）、威布尔模型（Weibull model）等，这些词语也揭示了脉冲强光近几年的研究逐渐倾斜向作用机理与食品实际应用的方向。综上，作者关键词的共现分析可以用作线索分析一段时间内某领域的研究趋势，并预测未来可能存在的新研究方向。

1.3 共引分析

通过分析同时被引用的文献揭示某一学科领域内的研究结构和研究动态。在VOS viewer中进行共引分析后，得到一个可视化的网络图，其中节点代表被引文献，节点之间的连线代表共引关系。可以通过共引分析发现某一领域内的核心文献，识别出潜在的合作者，或者追踪研究主题的演变过程。

图3A则是以文献所在期刊为研究单位进行的共引分析。每个期刊的引用次数最低为50 次，共133 种不同期刊符合筛选要求，图片表征了前50 种。在VOS viewer给出的聚类中，International Journal of Food Microbiology、Innovative Food Science & Emerging Technologies、Applied and Environmental Microbiology分别为各聚类的中心，脉冲强光领域内文献被引次数在1 300 次之上。这个数据也可以为搜寻相关文献时提供更为精准的范围和检索来源。

图3B是以文献为研究对象根据被引次数的可视化结果。每条文献最低被引次数为25 次，所有共计35 118 次被引，其中99 条文献记录符合判定标准。图3B中按照被引次数表征前50 条记录。首先在这50 条记录中，有3 篇文献出自同一个研究单位，同时含有作者Gómez-López和Vicente，分别发表于2005年、2007年和2012年。分别研究影响脉冲强光灭活微生物的因素、脉冲强光在食品杀菌领域的研究进展和辐照处理对番石榴和百香果花蜜的微生物灭活及品质影响。其中，前两篇文献被VOS viewer分属到两根不同的聚类结果中，并均处在类别的核心位置，被引次数在200 次以上，与其他文献的共被引强度也十分显著，基本覆盖了整个可视化结果图。此外，Oms-Oliu等在2010年发表的两篇文章，脉冲强光用于食品保鲜的处理和化学处理保鲜鲜切水果的最新研究进展也具有较高的被引，并与Gómez-López等的文献在较长的时间跨度上都具有密切的引用与被引关系。右侧红色聚类中，则是Rowan等在1999年发表，主要涉及脉冲强光灭活食品微生物研究进展。在该聚类里此文献发表时间较早，几乎与后续所有文献都存在引用关系。如上可以分别视为3 个聚类核心的3 个不同课题组。其发表的文章对脉冲强光杀菌领域都有较高影响力和参考价值。

上述结论为理解脉冲强光杀菌技术的研究动态和发展方向提供了宝贵的信息，并且暴露出机制不明确、时间顺序上前后差异较大、脉冲强光灭活机理研究错综复杂等问题。后文将基于这些结果，从脉冲参数、处理方式与造成杀菌结果的差异等不同切入角度，探究现有文献对杀菌机理的实验与表征，进一步综述脉冲强光作用机制和研究进展。

2 脉冲强光工作参量与处理方式对杀菌效果的影响

根据对近10 年文献汇总，发现食品研究领域内对脉冲强光的使用主要呈现出3 种形式，直接照射菌液、照射食品表面或包装材料以及食品中活性或毒性物质，汇总如表1所示。根据汇总的结果来看，实验中设计的影响脉冲强光灭活参量可分为两类：其一是脉冲强光设备可调控参数，包括闪照次数、闪照频率、单次闪照释放的能量、被试物体到光源的距离等；其二是实验过程中被试菌株的控制参数，包括菌液初始浓度、菌液厚度、细菌种类等。在单一的实验中，这些影响因素与最终细菌存活率或物质的活性、产品质构都有较高的相关性。

在对不同食品致病菌对脉冲强光敏感度的研究方面，Jaiswal等在对鲜切西瓜的灭活中发现，常见食品致病菌中沙门氏菌对脉冲强光最敏感，导致降低（2.55±0.08）（lg（CFU/g）），而金黄色葡萄球菌的抵抗力最强，仅降低（1.87±0.24）（lg（CFU/g））。在影响灭活效率的因素中，闪照距离和总光通量最显著。Qi Lige等在使用脉冲强光对苹果汁中交链孢酚（AOH）、交链孢酚单甲醚（AME）和橘霉素（CIT）进行降解后，发现随着处理深度和处理距离的减小，AOH、AME和CIT的降解率显著提高。在15、30 次照射频率下，电容越高，铜绿假单胞菌的死亡率越高。Liang Jinglong等在研究强脉冲强光对食品加工中铜绿假单胞菌的杀菌效果时也指出，电容条件一定（650 μF和480 μF）的情况下，辐照频率越高，杀菌率越高。同时，Gyawali等指出，脉冲强光对微生物的灭活受光强度、处理时间、波长、微生物类型、食物类型和灯与样本之间的距离的影响，其中光强度的影响最大。

在实验过程中被试菌株的控制参数方面，菌液处理时其初始浓度、菌液深度、表面积都会影响最终灭活结果。Cai Rui和Ma Yali等大部分研究者在处理菌液时都采用60 mm培养皿装载，菌液体积为3～5 mL，初始浓度为105～107 CFU/g，以此控制脉冲强光闪照的通量大小和菌液深度。涉及到使用特定食品的实验，从表1可以看出，绝大多数承载菌液的食品都会选择液体食品，如苹果汁、胡萝卜汁等。这可能是因为固体食品表面一般不规则，菌液接种后分布不均，接收到的脉冲强光处理通量也不均衡，这对实验结果会有影响。

此外，由于不同的脉冲强光实验仪器具有不同的参数设置方式，如输入能量的表征方式包括光通量或单次闪照释放的能量和辐照度以及电容等。这导致衡量被试物体接收到脉冲强光通量的标准无法统一。就不同情况的杀菌结果来看，不同实验之间脉冲强光处理剂量和灭活结果之间对应关系显著性不明显，没有呈现出有规律的相关性。推测是受脉冲强光实验平台本身的差异，如输入电压大小、单脉冲时长、实验环境以及菌液厚度或液体食品的光学性质等影响。值得注意的是，根据美国食品药品监督管理局的标准，使用脉冲强光要求照射剂量不超过12 J/cm2，以及保证对各类病原微生物达到105 CFU/g的有效灭活，同时考虑技术的能耗、瞬时性和广谱性等优点。但目前，研究人员在进行脉冲强光杀菌时很少兼顾这一点，普遍存在为了达到灭活要求而使用过高剂量的现象，或因灭活效果过低，而仅只追求实验结果与预期相符。因此，后续相关实验的理论研究需要考虑更为复杂多样的实际情况。

3 脉冲强光杀菌的机理研究

目前针对脉冲强光杀菌机理的研究主要着重于3 个方面，第一个是脉冲强光的生物物理效应，包括脉冲强光闪照后对细菌膜结构造成的损伤，进而导致细菌或细胞器内容物泄漏，从而导致细菌失活。表征方法主要是通过显微镜镜检和对细菌蛋白质、核酸等内容物含量测定。第二个是脉冲强光的光热效应，其本质是光辐射造成细菌存活环境的升温，从而造成细菌活性下降。然而，多数研究忽略了脉冲强光照射过程中产生的光热效应，并没有研究进行协同评估或对照。最后是脉冲强光照射产生的光化学效应。主体部分是脉冲强光中处在紫外区域的光波造成胸腺嘧啶二聚体的形成，从而多靶点、多途径地干扰DNA的复制和转录，导致细胞死亡或失去繁殖能力。目前的研究也通常侧重于另一方面，脉冲强光照射产生的ROS物质，对细菌膜结构、代谢途径等造成的一系列损伤导致细胞失活。3 种机理之间的关系如图4所示。本节将从揭示原理的实验方法角度出发，综述现有文献对脉冲强光灭活机理的研究。

3.1 生物物理效应

脉冲强光的生物物理效应主要涉及到光物理效应和光热效应，主要包括两个方面：其一是闪照引发的强电磁场可以引起介质中的电子和离子振荡，产生机械压力，这种压力能够破坏微生物的细胞壁和细胞膜，导致细胞内容物泄漏，细胞死亡；其二是脉冲强光被生物组织内吸收后转化为热能，导致局部温度迅速升高产生热膨胀，形成压力波进而破坏细胞结构。同时，温度的升高又可以促进光物理效应。此外，高强度脉冲光本身也可以导致细胞膜或其他生物结构的破裂。

通过透射电子显微镜和共聚焦激光扫描显微镜等可以观察到脉冲强光处理后细胞膜结构的变化。Cai Rui等在利用脉冲强光对苹果汁中的酸土脂环酸芽孢杆菌营养细胞和芽孢进行灭活实验时发现，经处理的细胞或孢子出现严重的形态学损伤，细胞膜完整性降低，导致胞内电解质渗漏。Zhu Yunlin等在探究脉冲强光对大肠杆菌灭活机理时得出结论：透射电子显微镜照片与扫描电子显微镜的结果相似，未经处理的细菌完好，表面光滑，细胞膜完整；而受到胁迫处理的细菌不完整和破碎，磷脂双分子层变形破坏严重，出现不规则收缩和表面中空现象。相比之下，如果仅进行辐照，膜结构损伤就不会出现。如Prasad等使用紫外波段发光二极管（LED）处理低水分活度的鼠伤寒沙门氏菌，实验中的碘化丙啶排斥分析显示LED处理没有对细胞膜造成额外损害。由此可以分析出是脉冲作用带来的物理效应，从而损伤膜结构。

膜结构损伤会导致蛋白质、DNA、ATP等生命活性物质的泄漏。Ma Yali等在灭活苹果汁中的酸土脂环酸芽孢杆菌时，通过测定蛋白质含量发现处理后菌液的蛋白质量浓度由26.96 mg/mL升高至55.85 mg/mL，表明脉冲强光处理对脂环菌造成了伤害，导致细胞膜透性增加，胞内蛋白质严重渗漏。该实验还对胞外DNA含量进行了测定，发现DNA含量均显著升高，最多达到1.5 倍对照组含量，指出这种变化会随着脉冲强光辐照剂量的增加而增加。Zhu Yunlin等还从胞内蛋白含量和ATP含量的角度证明了内容物的泄漏现象。脉冲强光处理组的蛋白质量浓度为241 μg/mL，与对照组的357 μg/mL相比，处理后蛋白质含量减少了32.49%。而ATP含量降低了59.47%。后续将继续说明这种下降还受到脉冲强光对细菌代谢和抗氧化系统的影响，但目前可以证实脉冲强光对细胞膜结构的损伤，从而影响了细菌的活力和生存。

不同革兰氏菌种也会对生物物理效应产生影响。革兰氏阳性细菌（G+）具有较厚的细胞壁，其主要成分是肽聚糖层。而革兰氏阴性细菌（G-）的细胞壁较薄，肽聚糖层较薄。因此，脉冲强光对膜结构的损伤和灭活效率也因为这种差异而显示出不同。Pataro等在对果汁灭活时发现，脉冲强光敏感性的差异与革兰氏阳性菌（李斯特菌）和革兰氏阴性菌（埃希里希菌）细胞壁结构和组成的不同有关。此外，Zeta电位可以用来评价分散系体积的稳定性和电荷情况。Zhang Junke等在ROS对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞活性和结构完整性的影响研究中指出，与金黄色葡萄球菌相比，大肠杆菌具有更负的Zeta电位，而大肠杆菌的细胞表面疏水性强于金黄色葡萄球菌。这表明脉冲强光处理后，两种细菌的细胞表面和泄漏物质含量、细菌群落聚集体大小都显现出明显不同。从灭活的数据上来看，Pataro等在两种果汁中灭活G-和G+菌的减少量分别为104 CFU/g和102.9 CFU/g，以及102.98 CFU/g和100.93 CFU/g。能确定所研究的不同微生物的脉冲强光敏感性差异的明确模式，但通常观察到革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌更具抗药性。

此外，脉冲强光对细胞膜结构的损伤也包含光化学效应。比如Antonio Pellicer等在使用脉冲强光灭活食品中聚半乳糖醛酸酶时，发现脉冲强光可以破坏细菌的细胞膜，抑制ATP合成或ATP合酶活性，导致细胞内ATP水平下降和细菌死亡，这支持了光化学效应导致细胞内酶结构变化的观点。事实上，光脉冲的物理效应与光化学效应同步发生，相辅相成。受到脉冲强光胁迫的细胞质膜和细胞器膜结构损伤，同时内部遗传、抗氧化、代谢等系统紊乱或破坏，也一定程度促进膜结构损坏，流动性下降，最后造成内容物流失，含量发生变化。然而，脉冲强光处理两种不同革兰氏细菌显微镜镜检结果的比对还缺少相关文献的研究，以及缺少从细胞膜流动性、膜脂组成成分变化情况的角度进行的实验。这方面将在后续光化学效应综述中进一步说明。

3.2 光热效应

脉冲强光热效应来自于光的辐射作用。脉冲强光光谱范围通常认定是100～1 100 nm（或200～1 200 nm），其中红外区（800～1 100 nm）可诱导产生光热效应。早期的文献认为，脉冲强光核心的机制是光热效应导致细胞质膜损伤，细胞内容物泄漏，最终细胞死亡。Hilton等使用脉冲强光一定通量在5（制冷温度）、20 ℃（室温）和50 ℃条件下，实现的对大肠杆菌最大减排量分别为（6.06±0.24）、（6.41±0.57）（lg（CFU/g））和（7.58±0.53）（lg（CFU/g））。Pihen等对具有不同光学特性的5 种食品和2 种模型溶液进行了处理，发现它们的光学特性与微生物的灭活和光热效应引起的温度升高有关。他们建立的非等温数学模型有效地捕捉到了脉冲强光作用机理中的这两个方面。

然而，随着机理的进一步深入研究，关于脉冲强光作用后温度升高的讨论逐渐减少，在处理时也较少考虑温度变化情况，或使用水浴的方法维持恒定的温度。Qi Lige等在研究脉冲强光对苹果汁中活性物质灭活作用时，在60 mm的培养皿周围加入适量的碎冰以保持样品的温度。Hilton等在对胡萝卜汁进行杀菌时探讨了紫外线在胡萝卜汁巴氏杀菌中的适用性，以及与热巴氏杀菌相比，紫外线对保质期内胡萝卜汁品质的影响。结果表明60 °C的紫外光处理（3.92 J/mL、3.6 min）使参考病原体减少超过5 个对数值，并显著降低了腐败酵母、细菌和细菌孢子存活率。

总地来说，脉冲强光光谱中紫外辐照所产生的热效应作用机理研究较少，除非大通量闪照，否则协同作用下的实验结果所表征的温度变化幅度很小。因此大部分实验为了兼顾食品品质和感官，通常不会闪照较长时间。脉冲强光杀菌主要原理和过程的研究还是要归因于光化学效应和生物物理效应，光热效应起辅助作用。

3.3 光化学效应

现有研究中，针对脉冲强光被细菌DNA吸收以形成胸腺嘧啶二聚体，阻断后续转录及翻译的过程，这一机理已经被详细阐明。本文主要针对当下研究进展，如图5所示，以脉冲强光作用后ROS物质的产生和破坏作用为核心，综述这一领域的脉冲强光作用机理研究进展。

3.3.1 膜流动性和组成成分变化

脉冲强光对细菌膜结构的损伤是物理和化学效应的协同作用，因此首先从细胞膜流动性和膜脂组成成分的角度进行综述。膜脂肪酸（MFA）组成和含量可以用来判断膜蛋白功能和流动性状态。Ma Yali等测定了脂环菌中含有的有7 种MFA，发现低剂量脉冲处理后饱和脂肪酸（SFA）略微下降，不饱和脂肪酸（USFA）和环丙烷脂肪酸（CFA）含量上升。大幅提高剂量后，SFA含量维持稳定，CFA含量明显下降，判断可能是由于膜可以通过填充的SFA或刚性CFA，形成稳定的细胞膜保护层。此外由于游离脂肪酸的增加，膜变得更加僵硬，流动性降低，来应对外在胁迫条件。Ramalingam等发现细胞结构和成分的变化可能会导致细胞的弹性模数降低。Bai Yun等在此基础上使用动态多目标跟踪（DMT）模型评估细胞表面与原子力显微镜探针之间的弹性力。实验发现未经处理的金黄色葡萄球菌的DMT模数约为1 113 MPa，经脉冲强光紫外波段和超声处理后，DMT模数分别降至1 069 MPa和1 054 MPa。这一结果表明，脉冲强光紫外波段部分的胁迫作用可以导致细胞被膜弹性的降低。此外，还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定了脉冲强光处理后膜结构的化学构型。FTIR图的结果表明，在脉冲强光光谱的紫外波段，光化学效应导致胸腺嘧啶二聚体的形成，可以破坏细胞中的遗传物质核酸，影响基因的转录和复制，阻碍生命活动所必需的蛋白质的合成，从而影响正常繁殖。

3.3.2 胞内ROS物质

脉冲强光在作用于菌液时，如图5所示，光化学作用导致水分子光解，氧分子激发，在细胞外部首先产生ROS物质，进而攻击细胞膜，诱导胞内ROS物质的形成。通常，脉冲强光闪照产生的ROS类型包括氧原子（O）、氢过氧化物（H2O2）、超氧阴离子（O2-）、单线态氧（1O2）和羟自由基（OH·）。其中，携带电荷的ROS物质如超氧阴离子可以被细胞膜阻断，但仍可以蚀刻细胞膜，攻击细胞膜中的USFA，导致脂质过氧化，从而改变细胞膜的通透性；而过氧化氢和单线态氧等分子形式ROS则可穿透细胞膜，从细菌有氧呼吸中获得电子，然后将其转化为高度活性的氧化毒性自由基，诱发膜内的ROS次级反应。Prasad等在使用365 nm LED和395 nm LED 处理小鼠伤寒沙门氏菌后，细胞内ROS产生显著增加。然而，从365 nm至395 nm光脉冲的波长改变对细菌细胞内ROS的产生没有影响（P＝0.592 2）。Cai Rui等将实验对照组中的细胞内ROS产生量设定为1，施加6.75、13.50、20.25 J/cm2和27.00 J/cm2的脉冲强光照射后，样品的ROS含量分别变为1.05、1.08、1.52和1.62。同时，细胞凋亡率随ROS浓度的增加而降低。这是因为产生的ROS物质攻击抗氧化系统导致酶活下降，同时作为信号分子，调控相关基因表达并干扰细胞代谢途径各通路的调控。ROS也可以通过氧化削弱细菌细胞膜中的USFA，从而导致细胞膜可塑性的变化和蛋白质的破坏。这些ROS在攻击细胞膜导致其破裂后，被释放到细胞外部，还可能作为外源ROS进一步加剧其他细胞凋亡。Zhu Yunlin等在实验中发现脉冲强光处理停止一段时间内，细胞灭活还在进行，计数平板上菌落数量下降并且会维持数小时。

此外，为了应对ROS的胁迫，细菌进化出两种主要的抗氧化剂系统用于防御，包括抗氧化酶系统和非酶抗氧化剂系统。其影响机制在后续代谢途径的干扰和抗氧化系统的损伤中进一步阐明。

3.3.3 对细胞抗氧化系统的影响

Pan Yuanyuan等在实验中曾指出，在细菌的对抗氧化的机制中，中心碳代谢（CCM）包含的途径是关键，它是一种快速和适应性的分子调控网络。这包括EMP、PPP和TCA 3 种核心的生化代谢途径。Cheng Junhu等对脉冲强光作用下刺激产生的内源ROS物质对细菌细胞中心碳代谢通量的影响与重构进行研究，通过转录组学揭示实际收到脉冲胁迫后基因的差异性表达，进而描述脉冲胁迫对细胞代谢的影响。转录图谱结果表明，细菌在面对外毒素ROS的氧化应激时，会通过调节这些代谢途径来适应。PPP途径中产生的NADPH是细胞抗氧化核心物质，在维持细胞内还原状态和对抗氧化应激中起着关键作用。而TCA循环是细胞呼吸的核心，在氧化应激下可能会下调。EMP的活性可以根据细胞内的氧化还原状态进行调节，以控制这些重要代谢物的产生。例如，减少葡萄糖的摄取可以降低细胞内ROS的产生，同时减少ATP的消耗。通过上调PPP，细菌可以积累更多的NADPH，以增强抗氧化能力。此外，通过下调TCA循环，细菌可以减少氧化副产物的产生，从而减轻氧化应激。

Bai Yun等在使用紫外光辐照金黄葡萄球菌后，通过转录图谱以及基因本体论和京都基因与基因组百科全书鉴定分类后也发现，紫外线波段的光辐照可以干扰ABC转运蛋白、氨基酸和脂肪酸代谢相关基因的表达，从而影响细胞膜的透性。还可以通过抑制糖代谢、肽聚糖合成、DNA结合、修复蛋白合成等相关基因的表达来干扰细胞的ATP合成、DNA复制和细胞分裂等生理过程。而且紫外线辐射对这些基因表达的影响比超声波处理更显著。Wang Yan等在使用脉冲强光灭活炭疽霉菌时，通过转录组学图谱也发现脉冲强光通过影响DNA复制、能量和葡萄糖代谢、细胞壁和细胞膜完整性、胁迫反应（渗透压和抗氧化系统）、运输和次生代谢抑制炭疽霉菌。

同时，这些对代谢系统、转录翻译过程的影响也会进一步干扰细胞本身抗氧化酶的合成以及活性的降低。脉冲强光胁迫后应对胁迫的抗氧化酶系统主要包括过氧化氢酶、超氧阴离子歧化酶、过氧化物酶等。这些抗氧化酶插入并附着在细菌膜上，或位于细胞内以对抗ROS的攻击。因此，在脉冲胁迫后，抗氧化酶活性也随着膜结构和各个系统的损伤下降，进一步导致细胞抗氧化功能被破坏。

总地来说，脉冲强光的影响对细菌代谢的途径是多方位、多靶点的。其核心是通过辐照产生胞内毒性ROS物质，作用到内部的碳代谢途径、能量系统、呼吸系统以及影响遗传过程等，最终导致细菌失活。

4 脉冲强光杀菌技术在食品领域中的应用

4.1 新鲜果蔬（汁）

脉冲强光对新鲜果蔬汁的处理主要针对产品中可能存在的食品致病菌、霉菌及其产生的毒性化合物进行，并且大部分实验在设计过程中会兼顾对食品感官特性的影响。总体来说可以达到一定程度的灭活标准，并且可以维持良好的食品品质。

Mukhopadhyay等使用高强度脉冲强光和雾化甲酸相结合的新型杀菌技术，用于灭活沙门氏菌和维持樱桃番茄的品质，最终实现细菌数量下降到检测限以下，且杀菌处理对番茄的食品感官特性的品质因子无显著影响。Qi Lige等使用脉冲强光对苹果汁中交链孢酚等可能存留的毒性物质灭活，降解率可达到70%左右。Basak等确定了达到软椰汁巴氏杀菌效果所需的脉冲强光处理强度（通量为2 988 J/cm2）和渗透深度（4～5 mm），并在工业规模上验证了软椰汁的连续脉冲强光巴氏杀菌过程可以在环形流动反应器或薄膜平板床室中进行。

4.2 生鲜肉制品

脉冲强光对生鲜肉制品进行处理时主要面临脂肪氧化和处理深度不足的问题。脂肪氧化会导致肉制品感官、色泽等品质下降，需要控制处理剂量。而由于肉制品内部无法透光，所以处理仅考虑食品表面的层次。Zhang Jianyou等使用脉冲强光在4 ℃的条件下处理大黄鱼，杀菌效率可以达到（86.27±4.32）%，贮藏期间，在一定的时间范围时，质地和感官评分明显优于为未理组，处理后大黄鱼的货架期可延长2～3 d。但处理剂量过高（500 J/脉冲）时，大黄鱼会加快脂肪氧化，并产生一些硫磺和金属气味。Haughton等研究了脉冲强光对生鸡肉及相关包装和表面材料的去污效果。结果发现空肠弯曲杆菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的灭活可以分别达到3.56、4.69、4.60 个对数值。Ganan等对两种即食干腌肉产品表面的单核细胞增生李斯特菌和鼠伤寒沙门氏菌的灭活效果进行探究，并发现脉冲强光处理在11.9 J/cm2通量条件下可以达到1.5 CFU/cm2和1.8 CFU/cm2的灭活数量。此外，实验中脉冲强光处理后的生鸡肉储存30 d期间内没有检测到感官分析的变化，仪器颜色参数显示出轻微的差异，表明脉冲强光处理不会影响即食干腌肉制品的安全性。

4.3 乳制品

乳制品营养价值高、蛋白含量丰富，但容易变质，所以使用恰当的技术手段对其保鲜杀菌极为重要。近些年，脉冲强光逐渐走进乳制品杀菌技术的行列中。Siddique等研究不同通量（4～16 J/cm2）的脉冲强光处理对乳清蛋白分离物溶液的结构和功能特性的影响，结果表明脉冲强光处理增加了总巯基、游离巯基以及蛋白质羰基的浓度。随着脉冲强光通量的增加，蛋白变性温度和变性过程中的热容降低。证明脉冲强光处理具有诱导乳清蛋白分离物分解和部分展开的潜力，从而改善它们的某些功能特性。Elmnasser等探究脉冲强光处理对β-乳球蛋白表面及发泡性能的影响，研究发现，脉冲强光处理改变了β-乳球蛋白的物理化学性质，这些变化主要包括β-乳球蛋白的表面流变学、表面张力、泡沫稳定性和泡沫容量，增强了界面的整体强度，从而产生更稳定的泡沫。Salazar等研究了不同脉冲紫外光通量（0.1～10 J/cm2）对商业牛奶蛋白（酪蛋白、乳清蛋白和乳球蛋白）和重组牛奶蛋白样品的影响，并且证实脉冲强光可以使传统的商业和重组乳制品过敏蛋白失活。

4.4 包装材料

Gao Fei等通过实验模拟脉冲强光对沙门氏菌在不同的包装材料表面形成生物膜灭活效果，证明了脉冲强光可以有效地灭活食品加工过程中接触表面的沙门氏菌生物膜，并发现脉冲强光结合次氯酸钠胁迫时对生物膜杀菌效果最好，同时为脉冲强光应用于包装材料上的工业化应用提供了理论依据。Hua Zi等测定了脉冲强光对不锈钢、聚氯乙烯、聚酯、低密度聚乙烯、橡胶等材料表面单核细胞增生李斯特菌的灭活效率，证实材料表面的不规则、不平整现象可导致灭活效率显著下降，程度达到101～102 CFU/g。总体而言，脉冲强光灭活效率受到包装材料表面情况的影响。越平整的表面接收到的脉冲强光通量越高，灭活效果越好。脉冲强光处理食品包装材料的工业应用前景广阔。

5 结 语

脉冲强光作为一种新型的食品非热杀菌技术，操作简便，穿透力强，可以有效地降低食品表面致病菌含量，不对食品品质造成明显改变。本文比较了近10 年与更早时间内脉冲强光研究重点的改变，分析了不同研究单位之间的共著、共引关系，总结并预测近几年到未来一段时间脉冲强光研究的重点和发展趋势。此外，较为直观地将脉冲强光处理细菌时的方法和作用机理按分类进行概括，可以更为清晰地区分各个层次作用机理之间的异同，为进一步研究脉冲强光不同作用机制的协同效应提供了依据。

然而，现有研究对脉冲强光杀菌效率影响参数的显著性无法统一，一些独特的机制如非热灭菌方式造成的亚致死效应、细菌对胁迫条件是否会产生耐受性等也缺乏足够的实验数据支撑，脉冲过程中ROS物质于细胞结构的具体作用靶点等研究内容不足。因此，在未来针对脉冲强光作用机理的研究应着重于以下几个方面：一是探究光热、生物物理和光化学3 种作用机制之间的协同作用，从而提高脉冲强光杀菌效率；二是通过实验汇总一套高效、标准、灵活的脉冲强光杀菌时的响应参数，以及针对作用机理的实验验证体系；三是继续开展对脉冲强光杀菌未探明机制的研究，从而完善在食品致病菌领域脉冲强光的研究。

引文格式：

叶子晗, 王文骏, 周建伟, 等.脉冲强光杀菌机理及其在食品领域应用的研究进展[J].食品科学, 2025, 46(4): 295-305. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240723-235.

YE Zihan, WANG Wenjun, ZHOU Jianwei, et al.Research progress on the mechanism of pulsed light sterilization and its application in food field[J].Food Science, 2025, 46(4): 295-305. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240723-235.

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、重庆三峡学院、西华大学、成都大学、四川旅游学院、西昌学院、北京联合大学协办的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。

长按或微信扫码进行注册

为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“第六届食品科学与人类健康国际研讨会”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到）在中国 安徽 合肥召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）