栅栏技术在鲜切果蔬中的应用研究进展

陈 晨，胡文忠*，姜爱丽，刘程惠，何煜波

(大连民族学院生命科学学院，生物化学工程国家民委-教育部重点实验室，辽宁 大连 116600)

鲜切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是食品工业中一种新兴产品，是新鲜果蔬原料经过挑选、清洗、去皮、切分、消毒、包装等生产工艺形成的速食果蔬制品，也称最少加工果蔬[1]。鲜切果蔬自20世纪50年代问世后，因其具有品质新鲜、营养卫生和食用方便等优点而迅速发展。鲜切果蔬的加工操作(如去皮、切割及切片等)会使果蔬的组织结构破坏、营养成分外流，极有利于微生物生长繁殖。微生物污染可使鲜切产品品质降低，货架期缩短，从而影响产品的经济价值，也会产生食源性疾病危害公共健康。据统计[2]，自1990年以来，美国至少发生了713例果蔬微生物性食品安全事件，其中有25%为鲜切果蔬产品，平均每爆发1起果蔬微生物性食品安全事件会致使48人感病。因此，微生物控制是鲜切果蔬质量安全控制中的关键问题。随着对鲜切果蔬杀菌技术研究的深入，人们逐渐认识到单一的杀菌措施通常存在一定的缺陷，采用栅栏技术科学合理地组合各种杀菌措施，发挥其协同效应，形成对微生物的多靶攻击，才能有效抑制微生物的生长繁殖，保证鲜切果蔬的卫生质量和食用安全。本文对栅栏技术在鲜切果蔬中的应用进展进行综述，以期为鲜切果蔬的防腐保质提供一定的参考。

1 栅栏技术与微生物控制

控制鲜切果蔬的微生物污染最重要的是要打破微生物的内平衡。微生物的内平衡是指在正常状态下微生物内部环境的稳定和统一，并具有一定的自我调节能力。当外界环境发生变化时，微生物通过内平衡机制抵抗外界的压力[3]。例如微生物的生长需要其内部pH值维持在一个较窄的范围内，如果偏离了最适pH值会使微生物的生长减慢或者停止甚至死亡。通过加酸来降低环境pH值时，微生物会通过pH值内平衡机制阻止质子进入细胞内部，这一过程需要消耗能量，当微生物无法产生足够的能量阻止质子进入时，内部的pH值会降低，导致微生物的生长停止甚至死亡。栅栏技术是于1976年由德国专家Leistner[4]提出的一套控制食品保质期的系统科学理论，该理论认为食品要达到可贮性和卫生安全性，其内部必须存在能够阻止食品所含腐败菌和病原菌生长繁殖的因子，通过这些因子打破微生物的内平衡，从而抑制微生物的腐败和产毒，保持食品品质。

应用栅栏技术控制鲜切果蔬微生物污染的关键是要确保致使微生物新陈代谢的能量耗尽。当栅栏因子作用于微生物时，一方面会促使其合成有助于抵抗不利环境的抗应激蛋白，使得微生物的抵抗能力增强，从而阻碍栅栏技术对微生物污染的控制[5]；另一方面抗应激蛋白合成基因的激活需要消耗能量，当多种栅栏因子同时作用于微生物时，需要消耗大量能量来合成抗应激蛋白，这样会促使微生物能量消耗殆尽而死亡。通常作用微生物不同靶器官的栅栏组合(例如细胞膜、DNA或酶系统)要比作用同一靶器官的栅栏组合(栅栏的累积效应)更能有效抑制微生物的生长，栅栏因子针对微生物细胞中的不同目标进行攻击，这样就可以从多方面打破微生物的内平衡，发挥栅栏因子的协同作用。此外，不同类型、不同强度非致死栅栏因子的联合作用比单一高强度的栅栏因子更有效。将不同类型的非致死栅栏作用于微生物细胞，能够增加其能量的消耗，致使用于维持生长所需的能量转移到维持内平衡中，从而使微生物代谢能量耗尽最终导致死亡。而采用单一的高强度栅栏因子作用时会阻止内平衡机制的启动，因此不会使微生物的代谢能量耗尽，并且存活下来的微生物细胞耐受能力会提高[6]。

2 鲜切果蔬中应用的栅栏因子

栅栏因子是指能够控制食品中微生物生长繁殖的措施，包括温度(高温杀菌、低温抑菌)、pH值(调节酸碱度)、氧化还原电势(降低氧化还原值)、添加抗菌剂、物理杀菌处理等，每种食品都有其固有的一套栅栏因子，这些栅栏因子的交互作用不仅能保证食品中微生物的稳定性，还与食品的总质量密切相关[7]。以下主要介绍鲜切果蔬中常用的栅栏因子及其组合方式。

2.1 初始带菌量

初始带菌量是指鲜切加工前原料果蔬的含菌量。初始菌量越低，越有利于其他杀菌因子发挥作用，因此有必要采取措施降低鲜切果蔬的初始带菌量。在原料果蔬生长期间，使用完全腐熟的有机肥，避免使用受粪便污染含菌量多的水灌溉[8]；采收后可以运用空气冷却、冰冷却、真空冷却等方式将果蔬预冷处理，进而除去田间热，降低微生物的侵染程度；在加工前要仔细清洗，清洗不仅能清除果蔬表面的污垢，还能除去表面大量微生物；有些果蔬鲜切后仍需进行二次清洗，洗除切面上的微生物和果蔬汁液，可抑制贮后微生物生长繁殖。为了加强清洗的效果，在水中常加入柠檬酸、电解水、次氯酸钠等杀菌剂或采用超声波等辅助清洗，可以杀死部分微生物，延长鲜切产品货架期及改善其感官质量[9]。

2.2 温度

微生物的生长、代谢和繁殖与环境温度具有直接相关性。适度的热处理可以在保证杀菌效果的基础上，降低鲜切果蔬呼吸率，延长货架期，且不会破坏产品的感官和营养品质。Fan等[10]研究表明香瓜在鲜切前采用67℃的水清洗配合鲜切后0.5kGy的γ射线辐照处理能够有效降低内源性微生物的总量并且不会影响产品的颜色、硬度等感官品质。

低温可以抑制微生物的生长繁殖。在生产实践中，控制合理的温度对于鲜切果蔬加工很有必要。通常原料果蔬收获后多置于5℃冷藏；在修整和剥皮过程中，环境温度一般保持在10～15℃；加工后的鲜切产品冷却到2～5℃贮藏为宜[11]。值得一提的是，即使在低温条件下，也会有部分嗜冷微生物生长繁殖，因此低温贮藏还需与其他栅栏因子相结合，来延长鲜切果蔬的货架期。

2.3 pH值

微生物的生长、繁殖都需要一定的pH值条件，过高或过低的pH值环境会抑制微生物的生长。一般来说，把食品体系的pH值降低到3.0～5.0的范围内就可以限制能够生长的微生物种类。鲜切果蔬常采用柠檬酸、苯甲酸、山梨酸、醋酸等有机酸抗菌剂降低pH值，再联合气调包装等栅栏因子来有效控制微生物污染。鲜切香瓜在气调包装之前在低浓度的柠檬酸溶液中浸泡30s，能够抑制微生物的生长并且避免透明化和变色[12]。Uyttendaele等[13]报道用2%的乳酸浸渍鲜切胡萝卜1min(轻柔搓洗)，能有效降低微生物的总量，对接种的气单胞属病原菌的生长有明显抑制效果。但要注意有机酸的添加要使鲜切果蔬的口味保证在可接受范围内。

2.4 化学杀菌措施

2.4.1 液体杀菌剂

液体杀菌剂可以添加在原料果蔬的清洗去污及鲜切后的二次洗涤用水中，处理方式可以是浸泡、喷雾或喷淋等，也可以涂擦在原料果蔬或鲜切产品的表面，起到杀菌的作用。目前食品工业常用的液体杀菌剂主要是传统含氯杀菌剂(氯水、次氯酸钠、次氯酸钙等)，这些杀菌剂价格低廉且具有较好的杀菌效果，但在使用的过程中容易产生对人体有害的副产物，许多欧洲国家严令禁止将次氯酸钠用于鲜切果蔬的杀菌中。因此，安全高效的杀菌剂应该是未来鲜切果蔬微生物控制的发展趋势。

过氧化氢(H2O2)是一种强氧化剂和杀菌剂，采用H2O2处理鲜切产品能够有效延长其货架期，减少致病致腐微生物的数量。Ukuku等[14]分别采用2.5% H2O2和1% H2O2、25μg/mL Nisin、1%乳酸钠、0.5%柠檬酸组成的联合清洗剂处理香瓜，后者的杀菌效果明显优于前者，联合清洗剂处理的香瓜在鲜切后无致病菌残留，并且内源性微生物数量也较前者低。由于H2O2安全性问题有待进一步论证，所以食品和药物管理局(FDA)并未允许H2O2作为鲜切产品杀菌剂使用，只允许应用于其他食品加工和包装中。

过氧乙酸(peroxyacetic acid)是由过氧化氢和醋酸组成的混合物，其杀菌副产物为乙酸、氧气、二氧化碳和水，不会对人体和环境产生伤害。Abadias等[15]研究表明，经80mg/L过氧乙酸清洗过的鲜切苹果在低温条件下贮藏6d后，使接种的大肠杆菌、沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌等典型致病菌的数量降低2～3个对数值。过氧乙酸的缺点是穿透力不强，虽然低浓度条件下对于悬浮的微生物效果明显，但是对紧附着在鲜切产品表面的微生物作用不明显[16]。

酸性电解水主要通过电解食盐或稀盐酸水溶液得到，其良好的杀菌效果与较低的pH值、高氧化还原电位及一定的有效氯浓度密切相关。Koseki等[17]研究了酸性电解水和贮藏温度两种栅栏因子对鲜切莴苣和甘蓝的微生物生长的影响，结果显示酸性电解水处理能够有效降低鲜切莴苣和甘蓝初始带菌量，在1℃条件下贮藏微生物总量没有明显变化，但是在10℃条件下贮藏微生物数量明显上升，3d便上升到与自来水清洗的样品一致，由此表明酸性电解水与低温贮藏联合能够有效抑制微生物的生长。Koide等[18]发现采用45℃的电解水处理鲜切胡萝卜杀菌效果明显优于45℃的自来水和18℃的电解水，并且对鲜切胡萝卜的硬度和影响成分影响较小。电解水的缺点是保质期较短，在生产中可通过购置安装电解水机解决这一问题。

2.4.2 气体杀菌剂

气体杀菌剂可以以气态形式高浓度熏蒸杀菌或在贮藏室以低浓度间断循环进行空气环境杀菌，也可以溶于水形成杀菌溶液用于原料果蔬的清洗去污及鲜切后果蔬的二次洗涤。目前鲜切果蔬微生物控制中常用的气体杀菌剂主要有臭氧和二氧化氯等。

臭氧(ozone)是由三个氧原子构成的极不稳定的氧分子，具有很强的氧化性，杀菌迅速无残留，且不会产生副产物[19]，液态和气态臭氧在鲜切果蔬的微生物控制中均有较好的应用并且常与其他栅栏因子联合使用。例如Aguayo等[20]研究显示鲜切番茄在5℃贮藏室内采用(4±0.5)μL/L的臭氧气体每隔3h处理30min，在贮藏期间能够显著抑制微生物生长且不会影响鲜切番茄的品质。Chauhany等[21]报道利用臭氧水处理的鲜切胡萝卜片微生物总量降低2个对数值，随后采用气调包装在低温条件贮藏，有效地控制了微生物的生长，并且抑制胡萝卜片的木质化现象。需要注意的是臭氧水使用浓度过大易腐蚀加工设备，且对人体健康有潜在危害，因此在使用臭氧对鲜切果蔬微生物处理时，要合理调控其浓度，并与其他栅栏因子联合使用，尽量避免对加工设备和人体健康造成损伤，降低对产品品质和营养成分的影响。

二氧化氯(ClO2)是一种易溶于水的气体杀菌剂，比传统含氯杀菌剂的杀菌能力更强且水溶液不会产生氯胺类等致癌物质[22]。Chen等[23]研究表明，经过100mg/L ClO2水溶液处理后的鲜切莴苣片，能够显著降低微生物总量，在4℃条件下贮存6d后，微生物总量控制在可接受的范围内，同时还抑制了多酚氧化酶和过氧化物酶的活性，保持了良好的感官品质。由于气体的渗透能力要高于液体，所以气态ClO2的杀菌效果要优于液态ClO2[24]，但ClO2气体本身不稳定，在空气中达到10%时就会发生爆炸，而其水溶液却是十分安全的。总体来说，ClO2具有较强的杀菌能力和较高的安全性，已逐渐成为含氯杀菌剂的替代品，是鲜切果蔬清洗杀菌的理想用品。

2.5 天然杀菌剂

天然生物杀菌剂是一类从自然界中提取、纯化获得的一类抗菌物质，包括动物源(如壳聚糖、溶菌酶)、植物源(如中草药、香辛料)和微生物源天然杀菌剂(如苯乳酸、聚赖氨酸)。这些天然抗菌物质可以采用浸蘸、熏蒸、喷洒或与保鲜纸及涂膜剂等载体结合的方式应用于鲜切果蔬，有些还可以作为可食用涂膜材料对鲜切果蔬进行涂膜处理来控制微生物污染[25]。

鲜切菠萝采用壳聚糖涂膜处理后，微生物总量在贮藏期间明显降低，在壳聚糖膜中加入香草醛(一种植物源天然抗菌剂)后，抗菌效果增强，但会使其营养物质含量降低，10℃贮藏8d后的VC的含量仅为初始的10%[26]。Karagözlü等[27]研究报道鲜切莴苣和马齿笕分别采用不同浓度的薄荷精油和罗勒精油浸泡处理后，联合低温贮藏能够明显降低接种的沙门氏菌和大肠杆菌的数量，浓度越高杀菌效果越好，且薄荷精油的杀菌效果要优于罗勒精油。Ukuku等[28]采用Nisin与EDTA在20℃条件下联合清洗香瓜5min，鲜切后再用Nisin-EDTA溶液清洗1min，于5℃低温条件下贮藏能够有效降低鲜切香瓜的微生物总量，延长货架期。此外，Nisin分别与EDTA、山梨酸钾和乳酸钠联合清洗香瓜还能够有效清除接种的沙门氏菌，且能够降低沙门氏菌转移到鲜切产品的数量[29]。

2.6 物理杀菌技术

2.6.1 辐照杀菌技术

辐照(irradiation)又称辐射，是指利用电磁波射线或加速电子照射被杀菌的物料从而杀死微生物的一种杀菌技术。辐照是一种公认的安全、无任何化学变化的非热杀菌技术，在鲜切果蔬微生物控制中常用的是短波紫外线辐照(UV-C)和γ射线辐照技术。

鲜切甜瓜在包装前采用1200J/m2的UV-C处理10min，在6℃贮藏14d后微生物总量与未处理的相比减少2个对数值[30]。但UV-C的穿透能力较弱，适合鲜切果蔬的表面杀菌，在实际应用时可将低剂量的UV-C与其他栅栏因子联合使用，提高其杀菌效果。例如Hadjok等[31]研究了化学杀菌剂(H2O2)、UV-C和温度3种栅栏因子组合对新鲜莴苣微生物的抑制情况，最终确定了最优的栅栏因子组合条件：15%的H2O2、37.8mJ/m2的UV-C、温度为50℃，在该条件处理的莴苣叶表面和内部的沙门氏菌分别降低4.12和2.84个对数值，明显高于H2O2和UV-C单独处理。

γ射线辐射的穿透力很强，其杀菌范围并不仅局限于鲜切果蔬表面，还能达到其内部组织。目前，世界卫生组织已将辐射杀菌纳入安全有效的食品处理方法中，并制定了相应的标准，在许多国家已获得批准使用，我国国家标准GB14891.5—1997《辐照新鲜水果、蔬菜类卫生标准规定辐照处理的新鲜水果、蔬菜总体平均吸收剂量应不大于1.5kGy，但尚未对鲜切果蔬出台相应的标准。在实际应用中，为避免辐射残留对人体健康的影响，可将低剂量的辐射与其他栅栏因子联合使用以提高杀菌效果。鲜切莴苣采用0.15～0.5kGy的γ射线辐照联合0.8～2.0mg/L的氯水清洗后，运用气调包装能够有效降低微生物数量延长货架期，且不会对鲜切莴苣的品质产生影响[32]。

2.6.2 高压杀菌技术

高压杀菌的机理是通过高压的作用来破坏微生物的组织结构，同时抑制酶活性和促使细胞内DNA 变性，从而达到杀菌的目的。高压杀菌适合应用于质地较硬的鲜切果蔬微生物控制中，因为在过高的压力作用下，柔嫩的果蔬组织结构会遭到破坏，造成萎焉变软、汁液外流，从而降低产品质量。目前鲜切果蔬常用的高压杀菌方法有高静压技术和高压二氧化碳技术。

高静压技术(high hydrostatic pressure，HHP)是将食品物料以某种方式包装以后，放入液体介质中，通过100～1000MPa压力作用而实现灭菌的杀菌技术[33]。HHP常与其他栅栏因子联合使用来增强其杀菌效果，例如将150MPa的HHP与0.75mg/mL的芸香草精油联合使用，杀菌效果与350MPa的HHP相近[34]。但是HHP无法抑制果蔬内的褐变酶类的活性，因此采用HHP杀菌时，还应与低温贮藏或气调包装等栅栏因子相结合来控制鲜切果蔬的褐变[35]。

高压二氧化碳技术(high pressure carbon dioxide，HPCD)是结合压力与二氧化碳作用的新型非热杀菌技术。鲜切甜椒采用15kPa的CO2联合80kPa或50kPa O2处理后，腐败微生物及肠杆菌的生长受到了抑制，且无异味产生，感官品质良好[36]。虽然HPCD对微生物的生长有很好的抑制作用，但有时也会对鲜切果蔬的品质产生影响。Valverde等[37]报道在55℃的条件下采用HPCD处理鲜切梨，能够使啤酒酵母菌降低5个对数值，且对pH值和含糖量无影响，但却使VC含量降低、酶促褐变加剧，并且质地变软。

2.6.3 脉冲光杀菌技术

脉冲光(plused light，PL)是采用强烈的白光闪照的方法进行灭菌的技术，其杀菌机理目前尚未完全明确，可能是由于其瞬时、高强度的脉冲光能量对菌体细胞中的DNA、细胞膜、蛋白质和其他大分子产生不可逆的破坏作用，从而杀灭微生物[38]。鲜切蘑菇采用12J/cm2的PL处理能够分别使大肠杆菌和李斯特菌的数量降低3个和2个对数值[39]。Ramos-Villarroel等[40]采用12J/cm2的PL处理鲜切鳄梨并联合低温贮藏，能够有效降低微生物的数量，但是PL处理会造成鲜切鳄梨的呼吸紊乱，因此在采用PL杀菌时，要采用联合适宜的包装方法并加入抗褐变剂等方法，以保证其品质。

2.6.4 超声波杀菌技术

频率高于20kHz的机械波称为超声波(ultrasound)。超声波能够产生高频率的超声震荡，使微生物细胞壁和细胞膜发生破裂，引起结构变化，同时超声波的空化效应能够在液体中产生局部瞬间高温高压交变变化，从而杀死其中的微生物[41]。超声波杀菌具有高效环保的优点，且不会影响鲜切果蔬的品质及营养价值，但是超声波存在杀菌不彻底的问题，可以将超声波与其他栅栏因子联合使用来解决这一问题。Sagong等[42]采用40kHz的超声波与2%的有机酸联合处理鲜切莴苣5min后，能够使大肠杆菌、沙门氏菌和单细胞增生李斯特菌的数量分别下降2.75、3.18和2.87个对数值，要比二者单独使用时数量多下降0.8～1.0个对数值，且贮藏7d后，鲜切莴苣的质构和颜色均未发生改变。Huang等[43]对鲜切苹果和鲜切莴苣设置了超声波与ClO2处理2种栅栏因子，使接种的沙门氏菌及大肠杆菌的数量显著降低。

2.7 气调包装

气调包装(modified atmosphere packaging，MAP)，是当前较先进的可广泛应用的贮藏保鲜技术，它根据不同果蔬产品的生理特性，用2种或多种气体组成的混合气体取代包装体内的气体，借助果蔬产品的呼吸作用与包装材料的选择性渗透，构造更适合产品保藏的环境气氛，有效地降低果蔬的生理消耗，防止无氧呼吸所引起的发酵、腐烂，以延长果蔬产品的保鲜贮运周期[44]。

低O2和高CO2的贮藏环境，能够抑制切分后鲜切果蔬大多数好氧微生物的生长繁殖。一般情况下，1～8kPa O2和10～20kPa CO2的MAP结合冷藏技术(0～5℃)能够显著延长鲜切果蔬的货架期。鲜切哈密瓜采用4kPa O2和10kPa CO2的MAP，置于5℃贮藏，能有效降低微生物的总量，使货架期延长至9d[45]。也有研究表明高氧的气调包装对鲜切果蔬微生物的生长有抑制作用。Allende等[46]用95kPa O2包装的蔬菜沙拉在4℃贮藏8d后，乳酸菌和肠杆菌科微生物的生长受到了抑制，但嗜冷性细菌和李斯特氏菌属的生长则不受影响。除了气调体系组分外，包装材料对控制微生物污染也有重要影响，Lee等[47]研究发现鲜切甘蓝采用高氧(70kPa O2+15kPa CO2)、不透气的材料包装要比高O2、透气的包装材料更能有效降低微生物的数量，而采用两种包装材料进行的低氧(5kPa O2+15kPa CO2)处理却对微生物的生长无影响。

在实践应用中，通常将MAP与其他栅栏因子相结合来控制鲜切果蔬微生物的生长，即在鲜切加工过程中采用物理或化学方法进行杀菌处理后，选择适宜的MAP条件进行低温贮藏，能够有效地延长货架期。例如鲜切香蕉在保鲜过程中，运用0.75%抗坏血酸、1%氯化钙、0.75%半胱氨酸混合液浸泡3min，角叉菜胶涂膜处理后，在3% O2、10% CO2、5℃的条件下可以贮藏5d，在此期间微生物的总量可控制在可接受的范围内，且颜色、硬度、pH值等感官品质没有发生明显变化[48]。

3 结 语

我国是果蔬生产大国，产量居世界首位，但果蔬加工业的总体水平远落后于发达国家，果蔬加工转化能力仅为总产量的8%左右，而美国等发达国家能达到40%[49]。发展鲜切果蔬产业对于提高果蔬的加工利用率，增加果蔬产品附加值，促进我国果蔬产业发展具有重要意义。目前鲜切果蔬的生产在欧美等发达国家已经形成比较完备的体系，而在我国起步较晚，仍存在产品种类少、商品化处理水平和保鲜能力低以及货架期短等问题。最值得关注的是，在我国，由于杀菌保鲜技术还不够成熟，致使鲜切果蔬在流通过程中因微生物污染损失严重，严重制约了我国鲜切果蔬产业的发展。将栅栏技术应用于鲜切果蔬的微生物控制，对不同的鲜切果蔬设置特定的栅栏因子及强度，可有效控制微生物的生长和繁殖，延长产品货架期，提高鲜切果蔬的经济效益。此外，将栅栏技术与危害分析及关键控制点(HACCP)、良好生产规范(GMP)和微生物预报技术(PM)等有机结合将是未来鲜切果蔬控制微生物污染和延长货架期的重要途径。

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