脉冲强光杀菌技术综述

2020-01-14谢姝鸽韩秋漪李福生吴再锐王军元张善端

光源与照明 2020年11期

关键词：强光杀菌储能

谢姝鸽韩秋漪李福生吴再锐王军元张善端

1复旦大学电光源研究所（上海 200433）

2宁波方太厨具有限公司（浙江宁波 315336）

0 脉冲强光产生机理

脉冲强光杀菌技术是一种利用瞬时峰值能量极强的脉冲光辐射杀菌的新型技术，其发生装置主要由脉冲光源、升压模块、触发模块和储能电容组成[1]，脉冲强光产生原理如图1所示。

图1 脉冲强光产生原理[2]

虽然都是将电能转化为辐射能，但脉冲光源与一般光源最大的区别是同时具有阴极和阳极以及触发电极[3]。常用的脉冲光源为管状的脉冲氙灯，由透紫外的石英管制成；两端封接有钨电极，外部缠绕多圈触发金属丝作为触发电极；灯内填充＜1 atm的氙气。实际使用时，电源首先完成交直流转换，并在极短时间内对储能电容充电到特定电压。同时触发模块对触发电极施加数千伏的高压脉冲，使灯内填充的氙气发生预电离，然后电离产生的电子击穿形成宽度约几微米的轴向非均匀放电通道。气体电离后产生的电子在通道电场的作用下从阴极向阳极加速运动，促进气体进一步电离，导致电子数雪崩式增长。此时储能电容中的能量被电离后的气体释放，可发出波长范围为200～1 100 nm的脉冲光，直到储存能量不足以再使电离气体进行火花放电为止[4]。总的来说，脉冲强光发生装置通过充电、触发、放电的过程输出脉冲强光，其重复频率可通过设置触发时间控制[5]。

储能电容积累电能时间为0.1～1 s，比10～100 μs的释放能量时间长3～5个数量级，增强了脉冲光的辐射效果[6]。研究发现，脉冲强光的瞬时功率密度（辐照度）可达到光谱相近的太阳光的数千倍甚至数万倍[7]，这是其能在杀菌领域广泛应用的主要原因。

1 脉冲强光杀菌技术

1.1 脉冲强光杀菌机理

脉冲氙灯的光谱功率分布如图2所示，可见脉冲强光的波长可以覆盖200～1 100 nm宽波段，除了在紫外波段有很高的峰值，在可见区和近红外区也都有较高的辐射强度。因此脉冲强光的杀菌机理和一般的紫外杀菌不同，除了紫外波段起主要作用，其他波段也有一定的杀菌能力。这种协同效应使杀菌更全面彻底，且这种破坏作用不可逆[8]。

图2 脉冲氙灯的光谱功率分布

综合现有研究，脉冲强光的杀菌机理主要包括以下三个方面。（1）光化学反应。脉冲强光光谱中的紫外波段可使核酸形成胸腺嘧啶二聚体，损坏细菌，破坏细胞内的遗传物质核酸，影响基因的转录和复制，阻碍生命活动必需蛋白质的合成，从而影响细胞的正常繁殖[9]。脉冲强光既可以分解微生物细胞膜蛋白，导致细胞膜被破坏、变形，失去对细胞的屏障保护作用[10]；也可以通过促使微生物内酶的分解生成大量的游离态蛋白，导致液泡膨胀，细胞破裂[11]。（2）闪照热效应。脉冲强光光谱中的可见和红外部分对细菌细胞或孢子有热效应，导致了酶和其他细胞成分的钝化。高强度辐射光热作用导致细胞内水分蒸发膨胀，使细胞破裂[12]。（3）脉冲效应。脉冲强光的穿透性和瞬时高能机械冲击损坏了细胞壁和其他细胞成分，导致细菌死亡。

1.2 脉冲强光杀菌优势

（1）高穿透性：脉冲强光装置通过在极短时间（微秒级别）内实现电能到光能的转换，可以实现远超紫外光源的峰值功率，光谱范围宽，从而拥有较高的穿透性[13]。（2）低温：由于脉冲强光释放能量是以时间极短的脉冲形式，冷却时间充足，因此热量并不会堆积。虽然其杀菌机理包含光热作用，但并不会导致温度的显著变化[14]。（3）即时控制：控制模块可以实现脉冲强光的瞬时启停，而且启动前不需要预热[15]。（4）高峰值能量：脉冲强光以脉冲形式释放光能，可以实现远超紫外光源的峰值能量[16]。（5）高适配性：脉冲强光装置可以根据实际应用环境灵活地选择合适的形状、空间分布和输入参数，从而满足不同场合的需要，具有很好的适配性[17]。（6）安全：脉冲强光装置常用填充气体为稀有气体氙气，和常用的紫外杀菌灯（低压汞灯）相比，不存在重金属汞泄露的风险，同时也不会有臭氧超标等问题[18]。

2 脉冲强光杀菌效果

2.1 脉冲强光对细菌的杀灭效果

周万龙等[19]使用单脉冲能量为700 J的脉冲强光杀菌装置，分别对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌进行不同时间的辐照实验。其中每个脉宽＜800 μs，脉冲间隔6 s。实验发现，30个脉冲以后，大肠杆菌数量减少5个数量级，枯草芽孢杆菌全部被杀死。实验还发现和初始菌液浓度以及输入能量相比，重复次数对杀菌效果影响最大。

Macgregor等[20]用波长范围为200～530 nm的脉冲强光照射培养基上的大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌，脉宽1～512 μs。实验发现，64个脉宽为1 μs的脉冲光就可以杀灭99.9%的大肠杆菌和99%的单核细胞增生李斯特氏菌，大肠杆菌对脉冲强光的抵抗力较弱。

Krishnamurthy等[21]在37 ℃条件下培养金黄色葡萄球菌24 h，然后对实验组进行剂量为5.6 J/cm2的脉冲强光照射5 s，对照组不做处理。结果显示，经脉冲强光照射后的葡萄球菌数量减少了7～8个数量级，证明了脉冲强光显著的杀菌作用。

由这些结果可见，脉冲强光可以在几秒到几分钟的时间内，将细菌灭活2个数量级以上，灭活速度很快。

2.2 脉冲强光对真菌的杀灭效果

Gómez-López等[22]实验发现，啤酒酵母菌在受到剂量为0.1 J/cm2的脉冲强光辐照时，平均每次照射会使得酵母菌数量减少6～8个数量级。实验还发现重复次数越多，每次辐照时间越长，被杀灭的酵母菌数量越多。

Marquenie等[23]分别用脉冲强光、UVC和加热对霉菌和仁果链核盘菌孢子进行杀菌操作。实验发现脉冲强光和UVC的杀菌速度显著快于加热处理，这是因为这两种杀菌方式具有光化学效应和光热效用的协同作用。实验还发现霉菌被完全杀灭所需时间短于仁果链核盘菌孢子，说明孢子相比霉菌对脉冲强光的抵抗力较弱。

3 相关参数对杀菌效果的影响

3.1 装置本身的光电参数

常见脉冲强光装置原理如图3所示。

图3 常见脉冲强光装置原理[24]

储能电容的能量计算公式如下：

式中：W为单脉冲光输入能量，J；C为储能电容容量，μF；V为输入电压，kV。

结合图3和公式（1），储能电容容量和输入电压可以控制单脉冲输入的电能，还可以通过改变重复频率控制一定时间内的累积能量，从而决定杀菌效果[25-26]。

廖云辉[8]通过控制单一变量分别研究了输入电压、电容容量和重复频率对脉冲强光杀菌效率的影响，同等情况下每组实验取三次的平均值，每次实验辐射时间均为2 min。（1）电压的影响。固定电容容量70 μF，重复频率1 Hz，输入电压600～1 000 V，平均杀菌效率68.2%～78.9%。可见输入电压越大，脉冲强光的杀菌效率越高。这是因为储能电容中的存储能量与输入电压成正比关系，输入电压增大会增加脉冲强光辐射能量，而辐射剂量又会直接决定杀菌效果。因此，可以通过增大输入电压更好地杀菌。（2）电容容量的影响。固定输入电压800 V，重复频率1 Hz，电容容量30～110 μF，平均杀菌效率67.4%～78.9%，脉冲强光的杀菌效率和电容容量成正比。由式（1）可知，当输入电压不变时，单脉冲光输入能量与电容容量成正比，和实验结果是相符的。（3）重复频率的影响。固定输入电压800 V，电容容量70 μF，平均杀菌效率72.7%～79.5%，可见重复频率增加会使得杀菌效率增加。但值得注意的是，随着频率的增加，对应杀菌效率增速越来越慢，最后达到一个上限值后，重复频率就不再对提升杀菌效率有作用。这是因为当重复频率过高使得每次的闪照时间少于氙灯的实际放电时间时，可能会导致放电不充分。即前一次放电还未完成，下一次电容储能己经开始，因此单位时间内脉冲氙灯的杀菌效率不会和重复频率呈正线性相关关系。

另外，光谱特性对杀菌效果也有很大的影响。脉冲强光光谱覆盖200～1 100 nm整个波段，光谱范围广，且在紫外、可见光、红外均有较强的辐射强度。这三个波段对应的峰值大小以及每个波段内光谱的分布情况都会直接影响杀菌效果[27]。江天宝[2]实验发现UV-C在脉冲强光杀菌中具有重要的作用，而可见光和红外光对脉冲强光杀菌起的作用较小，可能是因为其杀菌主要只能依靠热效应和光化学效应，对微生物的灭活作用较弱。除此以外，实验还发现脉冲强光中各种光谱对杀灭微生物具有明显的协同增效作用，并不是各种光谱成分杀菌作用简单的叠加。这种协同作用机制也是后续需要研究的问题。

3.2 脉冲光源的特性参数

以脉冲氙灯为例，在灭菌过程中，脉冲氙灯的长度、材料、氙气压等都能通过影响脉冲强光的光谱功率分布和辐射通量影响脉冲强光的杀菌效果。

3.3 脉冲光源灭菌环境参数

实际灭菌操作时，温度、相对湿度、空气流通速度和微生物附着浓度等外部环境参数都会对杀菌效果产生直接影响。另外，灭菌作用时间、灭菌对象与脉冲强光装置间的距离、脉冲光源辐照面积等相关参数也对杀菌效果有影响。

3.4 灭活微生物的特性

因为不同种类的微生物对脉冲强光的辐照耐受力不同，所以不同微生物实现完全灭活所需脉冲强光能量不同。研究表明，对一些常见的微生物，脉冲强光灭活真菌的难度大于细菌；真菌中霉菌灭活最为困难，其次是酵母菌；细菌中灭活大肠杆菌最容易。

同时，微生物存在状态也会影响杀菌效果，当微生物存在形式是菌块或者菌团时，存在对光的遮挡效应，可以抵抗部分脉冲强光辐照，减弱其受到的伤害。这是真菌比细菌更难灭活的原因之一。

此外，微生物附着物体的特性也会影响杀菌效果。物体的透过率决定了脉冲强光的穿透深度，透过率越高，穿透能力就越强，实现整体杀菌就越容易。对于空气和水，在紫外和可见光区均有很高的透过率，使得脉冲强光可以轻松地对其进行整体杀菌。对于糖液、酒等液体，较差的透过率使得脉冲强光穿透比较困难，实现整体杀菌所需能量值较高。当物体完全不透明时，脉冲强光只能对表面杀菌，无法实现彻底杀菌。