臭氧在鸡蛋保鲜中的应用研究进展

韩爱云，侯惠静，左晓磊，解立斌，张媛媛，吴子健

（1.石家庄学院化工学院，河北石家庄050035；2.天津天狮学院生物与食品工程学院，天津301700；3.石家庄市农业畜牧局，河北石家庄050041；4.天津商业大学生物技术与食品科学学院天津食品生物技术重点实验室，天津300134）

在大多数发布食源性疾病数据的国家中，沙门氏菌被认为是最受关注的目标病原体之一[1]，由沙门氏菌引起的沙门氏菌病[2]是人类第二常见人畜共患病[3]，对人类健康和经济产生严重影响[4]。据估计，美国每年因非伤寒沙门氏菌引起大约120万人患病和450人死亡[5]。其中鸡蛋及其蛋制品是沙门氏菌爆发的主要来源[6-7]。我国的禽蛋产量自1985年以来一直稳居世界第一，2017年全国鸡蛋产量达到2 110.35万吨，占世界总产量的40%以上，但出口量只有8.24万吨[8]，仅占世界总出口量的不到5%。多年来我国国内鲜蛋消费主要以“脏蛋”的消费为主，这存在很大的安全隐患。为了保证鸡蛋的质量安全，家禽业应该有经济有效的抗菌、消毒系统为消费者提供便捷的安全鸡蛋。在美国、加拿大、澳大利亚和日本等国家都是使用一定方法将鸡蛋去污和洗涤的[9-11]，尽管这样，美国每年仍然有20万病例可能是由于带有沙门氏菌的鸡蛋引起的[12]。欧盟国家不允许清洗壳蛋[13-16]，因为这些过程会影响蛋外层（角质层）并增加危险微生物如沙门氏菌渗入蛋壳的风险[17]。研究表明，一般的商业清洗剂或消毒剂在最优条件下最多可将蛋壳表面的微生物菌群采用喷洒方式，减少2个～3个数量级[14]，即便如此，洗蛋仍不能避免沙门氏菌病传播的风险，因为洗蛋虽然改善了壳蛋的外观，并减少了壳上的微生物负荷，但不正确的洗涤方法可能会导致肠炎沙门氏菌渗入蛋内，微生物会在鸡蛋内继续繁殖[18-19]。美国每人每年消费260个鸡蛋，其中66%为新鲜鸡蛋，34%作为鸡蛋产品消耗[20]。如此大的消费量，鸡蛋安全就显得非常重要。美国FDA将鸡蛋列为有潜在危险的食物，估计每年大约有320万肠炎沙门氏菌污染的鸡蛋（0.004%），这些会导致80万多沙门氏菌病例[21]。因此，延长鸡蛋保质期，探索有效的鸡蛋清洁、保鲜方法具有重要的现实意义。

臭氧是已知最强的氧化剂之一，以相对较低的浓度和短时间的处理就可灭活细菌、霉菌、酵母菌、寄生虫和病毒[22-24]，具有速度快、效率高、无残留[25-27]等特点，作为一种生物有效广谱抗菌剂，目前已广泛应用于肉类、家禽[28-29]、奶制品[30-31]、果蔬[23，32-34]、海产品[35-36]、谷物[37-38]、瓶装水、果汁[34]及香料[39-40]等食品中。本文将对臭氧在鸡蛋保鲜中的应用研究进展进行综述。

1 臭氧保鲜的原理

臭氧具有广泛的抗菌活性，其杀菌是一个复杂的过程，它的不稳定性导致其可分解成羟基、氢过氧化物和超氧自由基[41]，这些物质会攻击细胞膜成分（包括蛋白质，呼吸酶，不饱和脂肪酸等），细胞包膜（肽聚糖），细胞质（酶，核酸），孢子外壳和病毒衣壳（蛋白质和肽聚糖）[41-42]。从目前的研究报道看，臭氧灭活微生物主要有两种机制：一种是巯基被氧化，巯基的氨基酸酶，肽和蛋白质在臭氧处理过程中会产生较小的肽。第二种机制是将多不饱和脂肪酸氧化成酸过氧化物。但总体来看都是因为由于臭氧使微生物的细胞包膜的受损或解体而导致细胞内容物泄漏细胞溶解而死亡[42]。很多研究证明臭氧对各种微生物，包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，以及孢子形式和营养细胞都有很好的抗菌作用[40-41]。臭氧还对细胞内的核酸中的嘌呤及嘧啶产生破坏作用。Prat等[43]和Scott[44]的研究表明，臭氧可破坏大肠杆菌中DNA的嘧啶碱基，其中胸腺嘧啶比胞嘧啶和尿嘧啶对臭氧的敏感性更高。臭氧对病毒的作用首先是作用于病毒的衣体壳蛋白的4条多肽链，并损伤其RNA，并且将其形成它本身的蛋白质。Kim等[45]检测了氚化的f2噬菌体及其暴露于臭氧后的RNA。发现臭氧将噬菌体氧化后，在电镜下可观察到噬菌体已被断裂成很多碎片，并且释放出来很多核糖核酸，此物质可干扰在寄存体上吸附。但是，Roy等[46]研究表明，导致脊髓灰质炎病毒灭活的主要原因是由于病毒的核酸受损。臭氧不仅破坏了病毒RNA而且还改变了病毒蛋白质外壳的多肽链。臭氧可将许多不可生物降解的有机材料转化为可生物降解的形式，分子也自行分解成氧气，对环境污染最小化[47]。

2 臭氧保鲜的发展史

臭氧作为消毒剂使用可以追溯到19世纪初[48]。1840年首次被发现，1893年它被应用于污水处理[49]；1906年，法国首次将臭氧用于安全饮用水中；1910年，德国将臭氧用于肉类包装，对冷冻肉表面杀菌；1936年，法国用于贝类净化，1939年，用于抑制水果中酵母菌和霉菌的生长；1942年，美国开始使用臭氧技术储藏鸡蛋和奶制品；1957年，德国用于氧化饮用水中的铁和锰，1977年，俄罗斯首次用臭氧杀灭壳蛋中沙门氏菌[50]，随后各国陆续将臭氧应用于医药卫生、食品、饲养业、养殖业、贮存保鲜、化工生产、自来水消毒等领域[51]。1982年，美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）认为臭氧是安全的（generally recognized as safe，GRAS），但具有特殊的限制，只可用作消毒剂和瓶装水中[52]。但是1997年，臭氧在食品中的应用被停止，原因是美国FDA没有将臭氧批准为可直接接触的食品消毒剂，在商业上不允许使用，甚至认为臭氧的使用是非法的[53]。2001年，FDA批准臭氧可以用在包括肉类和家禽在内的各种食品中[54]。这就意味着按照公认的行业惯例，臭氧可以作为安全抗菌剂广泛用于食品生产、加工及储存过程中，而且不受浓度限制[50]。自此以后，随着臭氧发生装置的不断发展，臭氧的应用越来越广泛。我国食品行业应用臭氧较晚，但是发展较快，目前已在食品集装箱、食品冷藏车内，以及高储存过程中的货架期方面广泛应用[25]。

3 国内外臭氧灭菌、保鲜技术研究

2001年美国FDA将臭氧列入可直接和食品接触的添加剂[54]，许多国家近年来也一致认为臭氧是安全的（GRAS），臭氧处理被认为是一种很好的灭菌、保鲜方法，具有非常广阔的前景，近年来臭氧在禽蛋保鲜方面引起科学家们的广泛关注，国内外涌现出大量相关报道。

孙宝忠等[55]报道，在常温常压下，将1 d～7 d的新鲜鸡蛋浸泡在浓度为6 mg/L臭氧水溶液中10 min，自然风干后贮存在（20±2）℃、相对湿度（relative humidity，RH）为70%环境中，鸡蛋保鲜期长达30 d。赵庆等[56]研究结果表明，用含10 mg/L臭氧的溶液处理10 min，可杀灭水中80%的金黄色葡萄球菌、90%的大肠杆菌、70%的白色念珠菌和85%的结核分枝杆菌。葛英亮[57]针对臭氧杀菌真空包装的方法对鸡蛋的保鲜效果的研究表明，鸡蛋在用臭氧杀菌3 min之前，采用0.5%过氧乙酸溶液中进行预杀菌，最后再用尼龙/聚乙烯（Nylon/Polyethylene，NY/PE）复合袋真空包装，好蛋率高于95%，保鲜期可达7个月。

Rudavskaya等[58]评估臭氧处理对鸡蛋质量和保存特性的影响。用臭氧气体（10 mg/L～12 mg/L空气）处理鸡蛋6 h，然后在218℃，86%RH和298℃和75%RH下储存6个月。分析鸡蛋的感官品质，蛋黄中酸、过氧化物和硫代巴比妥酸值的变化，白蛋白和蛋黄指数，以及品质分级的变化。所有质量参数在臭氧处理的样品中都比对照组好，而较低的储存温度对鸡蛋质量更有益。

多项研究表明，气态臭氧用于控制微生物的数量，在保证鸡蛋的质量安全方面起到了很明显的作用[50]。Rodriguez-Romo等研究表明用12%～14%浓度的气态臭氧（101.3 kPa）处理鸡蛋表面仅10 min，就可以将肠炎沙门氏菌降低5个数量级以上[59-60]。Goo-Hee等[61]研究气态臭氧（38.8 ppm）处理10 min～30 min对鸡蛋的一些物理及化学性质的影响，包括哈氏单位（HU），蛋黄颜色，pH值等，蛋白和蛋黄的起泡能力，泡沫稳定性和脂质氧化情况。结果显示，经过臭氧处理的鸡蛋与在4℃下储存14 d的对照组无显著差异。针对鸡蛋保鲜方面的研究表明，用浓度为2、4、6 ppm的气态臭氧处理2 min和5 min，可以使鸡蛋在24℃的保质期延长至6周，但是高浓度的臭氧会对鸡蛋品质产生负面影响[62]。Perryd等的研究指出臭氧巴氏消毒可使壳蛋中的肠炎沙门氏菌菌落降低5个数量级[63]。Maxkwee等将臭氧巴氏杀菌与热巴氏杀菌两种方法做了对比，发现臭氧巴氏杀菌不会对鸡蛋的蛋黄高度，颜色及外观造成不良影响，与未处理的新鲜鸡蛋没有显著差异，而且在香气，味道，质地和口感方面比热巴氏杀菌更有优势[64]。

4 鸡蛋臭氧保鲜技术存在的问题及发展前景

臭氧保鲜的优点显而易见，但是缺点也不容忽视。

一是臭氧浓度较难确定。臭氧分解的机制很复杂依赖于多种因素的影响，分解过程中，在溶液和各种有机物等介质中产生自由基，臭氧能促进或抑制自由基的连锁反应。因此，这可能很难推广一个特定浓度的臭氧有效地抑制特定的食品中微生物的浓度[63]。

二是臭氧浓度过高可能对品质产生负面影响。对于脂肪含量高的食物需要高浓度的臭氧来处理，但是当臭氧浓度较高时，可能会加速脂质氧化从而使食物表面的成分氧化产生不良气味[25，60]。一个鸡蛋大约含脂肪4.5 g，其中56%～60%是不饱和脂肪酸[65]，它们特别容易被臭氧氧化并产生异味。Kamotani等[66]将臭氧处理的鸡蛋与普通热杀菌蛋进行比较之后发现，臭氧处理的鸡蛋在视觉和感官可接受性方面与传统鸡蛋没有显著差异，臭氧处理的鸡蛋在一定程度上比热巴氏灭菌鸡蛋接受度更好。尽管如此，对于过度使用臭氧可能会导致食品风味发生变化的情况，仍需要进一步的研究来阐明其动力学机制，并对其进行优化，以应用于食品保鲜上。Fuhrmann等[67]通过研究10 mL/L～50 mL/L的气态臭氧处理种蛋，发现臭氧处理对卵黄没有显著影响，但是最高浓度50 mL/L的臭氧对胎盘的DNA有一定影响，可显著降低游离-SH基团在蛋白中的数量，而较低浓度的臭氧剂量只对蛋表面产生影响，对胚胎发育可能没有危害。

三是安全性问题。臭氧在食品工业的实际应用中，安全性是一个重要问题。臭氧浓度检测是为了安全考虑，主要针对那些从事食品加工及相关设施的工作人员。另外，采用臭氧处理食品，应该避免过量使用臭氧。要利用生产质量管理规范（good manufacturing practices，GMP）和危害分析的临界控制点（hazard analysis and critical control point，HACCP)来控制在食品加工中的过程中的高臭氧浓度。Razumovskii等[68]表示建筑物内部最大允许浓度为0.1 mg/m3（0.047 ppm）。在美国，工作环境中（以8 h/d,每周工作40 h为标准）臭氧的最大浓度为0.1 ppm（体积/体积），且每天暴露在臭氧中的次数不超过4次，每次不超过15 min，且每次间隔时间大于1 h[69-72]。因此，涉及臭氧的所有过程都应该采取适当的预防措施，以避免工作期间臭氧污染[73]。

四是臭氧处理和其他保鲜技术结合使用，效果可能会更好。有研究表明，仅臭氧单独使用虽然可以有效的抑制鸡蛋表面的沙门氏菌[59]，但是，只用气态臭氧处理还不足以减少鸡蛋内的沙门氏菌数量，加热的方法与臭氧处理协同使用将会达到更好的效果[73-74]。

目前臭氧的研究仍然处于较初级的水平，其保鲜机理、保鲜条件、保鲜模型仍然需要进一步研究，相关的大规模制取方法、行业标准等有待解决。虽然有一些关于臭氧保鲜的负面报道，但是，臭氧作为一种无残留消毒剂已被世界公认，其在食品保鲜方面的优点为食品行业的研究者们指明未来的研究方向，我们相信，随着臭氧的研究逐步深入、臭氧发生装置的不断发展，臭氧在鸡蛋保鲜上必将得到更广阔的应用。