脉冲强光对食品中常见微生物的影响

唐明礼，马 涛，王 勃，冯叙桥（渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁省食品安全重点实验室，辽宁锦州121013）

脉冲强光对食品中常见微生物的影响

唐明礼，马 涛，王 勃，冯叙桥*
（渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁省食品安全重点实验室，辽宁锦州121013）

脉冲强光是一种新兴的非热杀菌技术，能显著杀灭食品中常见的微生物，从而延长食品的货架期，一般是通过设定脉冲强光的光照能量、闪照次数、处理电压等参数来达到最佳的杀菌效果。脉冲强光对食品中的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、霉菌、金黄色葡萄球菌和单细胞增生李斯特菌有明显的杀灭和抑制作用。与热杀菌相比，脉冲强光能最大程度地保持食品的色、香、味，并具有高效、安全等优点，在食品加工领域具有广泛的应用前景。

脉冲强光，微生物，灭活

微生物是影响食品品质和安全的关键因素，为保证食品的质量和延长货架期，需要发展和完善灭活微生物的方法。最常使用的杀菌技术是巴氏杀菌（干热或蒸汽）、辐照、烟熏以及真空脱气等。然而，已有相关文献报道表明，上述常用的杀菌技术在灭活微生物的同时，也对食品造成不良影响，如引起食品褪色、维生素损失、味道改变等。非热杀菌技术既不影响食品感官和营养的品质，又能确保食品中微生物的安全，所以脉冲强光引起了越来越多研究者的注意[1]。脉冲强光杀菌技术是一种新兴的美国FDA（美国食品与药品监督管理局）允许使用的非热处理技术，它利用瞬时、高强度、广波谱来灭活食品或包装材料中的微生物、对食品生产设备进行消毒[2]，在非常短的处理时间内食品中致病菌和腐败菌的数量显著减少。具有能源消耗少、无残留有毒化合物、灵敏性高等优点[3]。

食品中微生物超标是引发食物中毒和食源性疾病的主要原因之一，微生物不仅威胁人类健康，也会引起食品的腐败变质，造成巨大的损失。在我国，由微生物危害导致的食品安全问题达到总量的40%[4]。脉冲强光对微生物具有杀灭作用，能延长食品的保质期，节约能源，在预防微生物危害导致的食品安全问题方面，与其他方法相比，具有明显优势。本文在介绍脉冲强光杀菌技术原理的基础上，概述了脉冲强光对食品中常见微生物的影响，分析了脉冲强光杀菌技术存在的不足，展望了脉冲强光在食品中的应用前景。

1 脉冲强光的杀菌原理

脉冲强光杀菌设备是以交流电为电源，利用产生的强光进行杀菌，它由一个动力单元和一个惰性气体灯组成。动力单元是一个能够提供高电压高电流的部件，为惰性气体灯提供能量，惰性气体灯能发出紫外线至近红外区域的光线（图1）[5]。脉冲强光的光谱与到达地球的太阳光谱相近，但强度却是地球上太阳光的千倍至数万倍[6]，脉冲强光杀死微生物是各种光谱的复合作用，是强烈的热效应、紫外线的化学致死作用的组合，它们共同引起微生物的死亡[7]。辐射导致细菌DNA结构上的改变，形成了对DNA具有致命的胸腺嘧啶的二聚体，从而防止了细菌细胞复制和细胞分裂[3]。一些研究已经显示出使微生物灭活的紫外波段在250～260nm之间[8]。江天宝、陆则坚教授通过对脉冲强光进行人工分离也得出了杀灭微生物的光谱成分也是紫外波段，其他波段起到协同增效的作用[5]，但光照强度、处理时间、波长范围、微生物的种类、食品种类、样品与氙灯之间的距离等都会影响脉冲强光的效率[9]。

图1 脉冲强光杀菌装置原理图Fig.1 Sterilization device schematic of pulsed light

2 脉冲强光对各类微生物的影响

2.1 脉冲强光对大肠杆菌的影响

1971年美国14个州因进口的奶酪被肠侵袭性大肠杆菌（Escherichia coli）污染造成近400人发生疾病，从而确定了大肠杆菌为食源性病原体。早在十八世纪就有证据显示大肠杆菌可能引起婴儿腹泻。在1993年美国肉源性疾病爆发，经确认也是由大肠杆菌引起的[10]。致病性大肠杆菌可通过污染饮水、食品等引起疾病，严重可威胁到人们的生命。不同研究者研究了脉冲强光对大肠杆菌的影响（表1），马凤鸣和张佰清[11]认为大肠杆菌的菌液厚度与杀菌率成反比，菌液厚度越大，杀菌效果越不明显，因为脉冲强光属于表面杀菌，液面厚度降低了光的穿透率。各因素对杀菌效果的影响顺序为：闪照次数＞光照强度＞菌液厚度。蒋明明[12]研究了闪照次数、输入电压和生物负荷对大肠杆菌杀菌效果的影响，在闪照次数上与张佰清取得了相同的结论。此外，他还研究了外在因素（pH、温度、浊度）对大肠杆菌的影响，当温度为17℃、浊度小于5、pH为7.0时杀菌率较小，pH对大肠杆菌的影响不大。从表1可以看出，大肠杆菌能杀死甚至能100%的杀死大肠杆菌，从不同的食品基质中可以看出，脉冲强光的应用范围非常广，不同的研究者取得的结果不同，是因为各种因素都会影响脉冲强光的杀菌效果，比如食品的成分、不同地区的微生物种类、微生物之间的竞争作用等。Aderson等[13]认为不同细菌对脉冲强光的敏感性为革兰氏阴性菌＞革兰氏阳性菌＞真菌的孢子，革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌对脉冲强光的抵抗力不同是由于革兰氏阳性菌的细胞壁是由多层肽聚糖组合在一起，形成一个20～80nm厚的、刚性的细胞结构，而革兰氏阴性菌在膜外只形成1～2nm薄的肽聚糖，因此，革兰氏阳性菌厚厚的细胞壁会保护它们。大肠杆菌是革兰氏阴性菌，因此对脉冲强光比较敏感，故脉冲强光可以对食品、包装材料、食品设施中的大肠杆菌杀菌。

食品中的大肠杆菌影响了食品的货架期，并严重影响食用安全性。通过以上研究者可发现脉冲强光对大肠杆菌具有较强的杀灭作用，这可以解决货架期及安全性等问题。脉冲强光在食品生产过程中可解决大肠杆菌的二次污染，也具有其他杀菌方法所不及的作用。因此，脉冲强光保证了果蔬保鲜、果汁生产、肉制品安全、用餐工具消毒等方面的微生物安全。

2.2 脉冲强光对枯草芽孢杆菌的影响

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是革兰氏阳性产芽孢菌，是食品中常见的一种污染菌。脉冲强光的能量是影响枯草芽孢杆菌杀菌效果的重要因素，对于不同的食品基质，光的能量分布不同。这因为食品基质的光学性质和相对于光源的相对距离不同导致的[17]。所以不同的食品相同的能量对它的杀菌效果是不同的。

表1 脉冲强光对大肠杆菌的影响Table 1 Effect of treatment with pulsed light on Escherichia coli

Hierro和Ganan[18]研究了脉冲强光对火腿和腊肠片以及对它们货架期的影响，当能量为8.4J/cm2时，枯草芽孢杆菌的数量分别减少了1.78cfu/cm2和1.11cfu/cm2，对火腿的感官品质没有影响，并且延长了30d的货架期，而处理能量在2.1J/cm2以上时就会影响腊肠片的感官品质，且脉冲强光不会延长腊肠片的保质期。Nicorescu等[19]脉冲处理了枯草芽孢杆菌菌悬液和接种于香料中的枯草芽孢杆菌（静止生长期），当用能量0.6J/cm2处理菌悬液时，枯草芽孢杆菌的数量可减少8个log值；扫描电镜的结果表明，脉冲强光的处理对细菌的形态学没有影响；脉冲强光对接种枯草芽孢杆菌的香料（香菜、红辣椒、黑胡椒）处理后，枯草芽孢杆菌的数量只减少1个对数值，但它严重损坏了它的壁层结构。对DNA结构的观察结果表明，脉冲强光改变了枯草芽孢杆菌DNA的结构，从而导致其死亡。上述材料表明，脉冲强光通过不同的机制灭活固态和液态的枯草芽孢杆菌。Wuytack[20]也认为脉冲强光对微生物的灭活主要原因是DNA结构的改变，少数的原因是膜损坏和蛋白质的改变以及其他大分子的变性。Levy和Aubert等[21]研究了脉冲强光对不同的基质材料（聚苯乙烯、琼脂、铝、玻璃）接种的枯草芽孢杆菌的影响，在处理条件2.5kV、能量为0.5J/cm2时，所有基质材料上的枯草芽孢杆菌的数量可以减少3个对数值；当1.8J/cm2处理时，孢子可以减少4个对数值。用扫描电镜观察接种在聚苯乙烯材料上的枯草芽孢杆菌的孢子时，处理的和未处理的孢子结构都非常相近，结构基本没有改变。此外，他们发现芽孢比菌体细胞更具有抵抗性。

通过以上等的研究表明，脉冲强光是一种可行的灭活食品中或包装材料中病原菌的处理技术，为了获得脉冲强光对食品的较高杀菌效率，需要研究和优化对枯草芽孢杆菌的杀菌模型，这样不仅可以提高杀菌效率，还可以为各种食品提供杀菌公式，为人们的健康提供了保障。

2.3 脉冲强光对霉菌的影响

Hugh和Jennifer等[22]通过测量胞内蛋白的损失来研究脉冲强光对霉菌细胞的损坏，使用荧光显微镜和碘化丙啶来评价脉冲强光对细胞膜渗透性的影响。对样品脉冲90次后，将近90%的霉菌细胞显示出荧光特性，这表明经过脉冲强光处理之后，霉菌的细胞结构受到显著损伤。Jun等[23]用脉冲强光处理接种在玉米粉悬浮液中的黑曲霉，结果发现当处理电压为2.5～3.8kV时，黑曲霉的减少量分别为1.352～4.954个对数值。处理电压在2.0kV、处理时间在20s和100s时，黑曲霉的减少量分别为0.176个对数值和1.352个对数值，灭菌效率随着电压和处理时间的增加而增加。霉菌增殖是限制食品货架期的重要因素之一，上述研究结果说明脉冲强光可以显著地减低食品中霉菌的数量，能够最大程度地抑制霉菌的增值，可延长食品的货架寿命。但是为了保持食品的原有品质，应该考虑处理的能量密度。

2.4 脉冲强光对金黄色葡萄球菌的影响

食品受金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）污染后，不仅可以引起腐败变质，而且金黄色葡萄球菌产生的肠毒素（Enterotoxin）可引起人类胃肠炎等多种疾病[24]。Krishnamurthy[25]使用脉冲强光处理磷酸盐缓冲液5s后，金黄色酿脓葡萄球菌的数量可以减少7个对数值。张佰清[26]研究了脉冲强光对金黄色葡萄球菌的杀菌效果，在电压3kV、闪照次数16次时，金黄色葡萄球菌的致死率可达99%。脉冲强光在灭活很多的微生物包括食品腐败菌和食源性致病菌方面很有效，但国内外对金黄色葡萄球菌的研究报道还比较少，为了扩大脉冲强光的影响力以及应用范围，应该加大力度研究脉冲强光对金黄色葡萄球菌的影响。

2.5 脉冲强光对单细胞增生李斯特菌的影响

单细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）在环境中无处不在，对各种环境具有抵抗性，例如低pH、高盐浓度。这使得李斯特菌在加工环境中能够持久生存[27]。李斯特菌可引起血液和脑组织感染，很多国家都已经采取措施来控制食品中的李斯特菌，并制定了相应的标准。而且李斯特菌也是一种食物中毒的病原，很容易导致疾病的发生，且作为很多动物的疾病已有充分记载，人类感染病例也并不少见。为此，许多学者研究了脉冲强光对李斯特菌的影响。

Uesugi和Moraru[8]用脉冲强光处理未包装的香肠，当处理能量为9.4J/cm2时，单细胞增生李斯特菌的数量可以减少1.37个log值。Choi和Cheigh等[28]研究了脉冲强光对婴幼儿食品（婴幼儿饮料、婴儿餐和婴幼儿乳粉）中李斯特菌的影响，发现微生物的存活数量随着电压的升高、处理时间的延长而呈指数降低；当处理电压在25kV时，微生物的数量急剧减少；在25kV、处理时间为100μs时，微生物的数量减少了5个对数值。此外，研究结果还表明脉冲强光虽然对婴幼儿餐具有灭菌效果，但其灭菌效率低于对婴幼儿饮料的杀菌效率，这可能是由于婴幼儿餐具的粘度和透明度降低了脉冲强光的穿透率；婴儿餐具的颜色也可减少光的吸收。故食品的颜色、粘度以及透明性可能影响脉冲强光对婴幼儿饮料的杀菌效率。Artíguez和Lasagabaster等[29]研究了影响脉冲强光在连续的流通式装置中对英诺克李斯特菌的影响。随着脉冲能量的增加，英诺克李斯特菌的数量逐渐减少。当处理能量为10J/cm2时，菌的数量可以减少5个对数值，然而介质水的温度增加不超过7℃；但液体的流速为5L/min、比流速1L/min时，细胞的减少数量要多，原因在于快的流速有利于液体的流动、混合、翻滚，加快了菌体暴露在能量灯光下。Ringus和Moraru[30]研究了脉冲强光对不同粗糙度和反射率的包装材料[包括LDPE（低密度聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯）、MET（聚乙烯超级金属化的聚对苯二甲酸乙二醇酯）、TR（聚乙烯涂布纸板）和EP（聚乙烯涂布的铝箔纸板）上英诺克李斯特菌的影响，结果表明增加材料表面的粗糙度和反射率可以降低灭菌率。处理效果最好的是HDPE和LDPE，李斯特菌的数量减少都在7个对数值以上，并认为没有直接暴露在脉冲灯光下的包装材料也是有效的。

综上所述，脉冲强光对的脑细胞增生李斯特菌具有广泛的杀灭作用。为了杀灭食品中李斯特细菌，一些其他的新兴技术比如超高压、电子辐照技术、天然抗菌素已经用于研究控制食品中的微生物[31]。

3 脉冲强光在食品工业杀菌中应用存在的问题

杀菌是食品工业中的核心技术，虽然脉冲强光克服了传统杀菌技术上的缺点，能够最大程度保持食品的营养成分，但它也存在不足之处。

3.1 脉冲强光仅是一种表面杀菌技术

脉冲强光是一种表面杀菌技术，穿过食品的厚度有限，很容易使食品表面的微生物失活，但死亡的微生物及食品表面凹凸不平会遮蔽光的穿透，对下层的菌体起到一定的保护作用，导致杀菌效率降低。Moraru和Uesugi[32]做过对Vienna（维也纳）香肠的研究，脉冲强光对香肠的穿透厚度只有2.3mm。Artíguez和Lasagabaster等[29]认为液体厚度为2.15mm时，微生物失活率比液面厚度为6.32mm时要高，因为薄的液体层能够保证菌体直接暴露在灯源下，导致杀菌率升高。对动态连续波紫外线处理的液态食品的报道也证明厚度降低可以减少微生物的数量[33]。此外，包装材料表面反射率和粗糙度是影响灭活率的重要因素，反射性好的材料比反射性差的杀菌率低，并认为食品表面的粗糙度会严重影响脉冲强光的效率[34]。所以脉冲强光只是一种表面杀菌，需要其他杀菌技术来辅助脉冲强光技术以获取更好的杀菌效果。

3.2 可能引起包装材料的结构变化

由于在很短的时间内高能量传递到食品表面，脉冲强光可能会引起包装材料的理化性质和化学结构的改变。由于脉冲强光对基质（食品或包装材料）发出大量的紫外线，所以材料的结构和理化性质很容易受到影响。例如已经报道了紫外线能够引起某些物体表面的疏水性降低，这显示了表面的结构性质发生了改变[35]。

3.3 食品表面温度的升高

Ringus和Moraru[30]认为脉冲强光引起了材料表面温度的升高，处理能量为8J/cm2时，表面温度增加了2～3℃，当能量为16J/cm2时，温度将增加的更多，所以当包装材料里面的物质是热敏性物质时，应该考虑脉冲强光的处理能量。

4 展望

脉冲强光具有杀菌均匀、操作安全、减少环境污染等优点，因此广泛应用于果汁、鲜切果片、鸡蛋、香料、香肠、牛肉片等制品的杀菌[36-38]。为得到更好的杀菌效果以及防止食品的交叉污染，脉冲强光应与不同的杀菌技术（臭氧杀菌、微生物防腐剂、磁力杀菌等）相结合以克服单一的杀菌技术的不足和缺陷。臭氧是快速、高效杀菌剂，消毒后分解产物为氧气，因此具有无毒、无害、无残留等特点，可被广泛应用于防腐、杀菌方面[39]。臭氧不仅可利用臭氧气体对物质进行杀菌，而且还可以溶解于水，形成臭氧水进行杀菌[40]。它作为气体，扩散性好，浓度均匀，不仅作用于物体表面而且还可作用于食品的内部，因此可提高杀菌效率，克服了脉冲强光杀菌不足的优点。微生物防腐剂、磁力杀菌都是非热杀菌，都具有安全、高效等特点。如果将它们与脉冲强光联合起来杀菌，将会在食品领域具有良好的应用及发展前景。

除了对微生物杀菌，脉冲强光可广泛应用于微生物和动植物育种。通过寻求能量、次数、频率等参数的最佳组合，使处理方法向有利的变异方向进行。经过脉冲强光处理可诱发细菌菌落特征和细胞形态变异、生物体遗传物质结构的改变，甚至发生突变，进而培育成新的优良品种。脉冲强光在植物方面可诱变的植物主要有水稻、燕麦、大麦、棉花、番茄等。在动物育种方面，脉冲强光可引起胚胎畸形以及提高禽孵化率及生长发育等，研究内容可包括鸡卵、鱼卵和蚕卵的诱变。此外，脉冲强光还可用于农作物助长、杀虫、除草等方面。脉冲强光技术应向基因工程、细胞工程等高技术领域渗透，加快农作物与微生物的定向进化，为农业和食品业提供丰富的种质资源。随着食品工业的发展以及现代高端检测技术的出现，脉冲强光将会给食品工业带来新的发展和转变。

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Effect of treatment with pulsed light on common microorganisms in food

TANG Ming-li，MA Tao，WANG Bo，FENG Xu-qiao*
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Bohai University，Food Safety Key Lab of Liaoning Province，Jinzhou 121013，China）

Pulsed light is a new kind of non-heated sterilization technology，which extends the shelf life of food by significantly killing common microorganisms in food.Pulsed light achieves optimal bactericidal effect by setting parameters such as light energy，numbers of flashes，processing voltage to appropriate levels.It shows obvious bactericidal and/or inhibition effect on microorganisms like Escherichia coli，Bacillus subtilis，mold，Staphylococcus aureus，and Listeria monocytogenes.Compared with heat sterilization，pulsed light keeps food color，smell and taste in a better state and exerts high efficiency and safety features，with a broad application prospects in food processing.

pulsed light；microorganism；inactivation

TS201.1

A

1002-0306（2014）14-0385-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.076

2013－10－11 *通讯联系人

唐明礼（1988-），男，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏。