LEDs技术在果蔬杀菌保鲜领域应用研究进展

范刘敏，张嵘，董闪闪，相启森

郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450001）；河南省冷链食品质量安全控制重点实验室（郑州 450001）

新鲜水果和蔬菜富含糖类、维生素、矿物质、膳食纤维等多种营养成分，在均衡饮食、维持机体健康等方面发挥重要作用。随着社会发展和生活水平提高，消费者对于新鲜果蔬的需求量不断增大。然而，果蔬在生长、采收、运输和加工等环节极易受到各种微生物的污染，导致腐败变质甚至引发食源性疾病[1-2]。近年来，随着消费者对食品品质和安全要求的提高，超高压、脉冲电场、超声波、冷等离子体、微酸性电解水等非热加工技术成为食品加工技术和食品安全领域的研究热点[3-4]。

近年来，发光二极管（Light-emitting diodes，LEDs）技术作为一种新型非热物理杀菌技术，被应用于食品杀菌保鲜、饮用水消毒、食品接触材料消毒等领域[5-7]。综述LEDs技术在果蔬杀菌保鲜领域的应用研究进展，分析LEDs处理对果蔬品质的影响，探讨LEDs杀菌机理和影响因素，旨在为今后LEDs技术在果蔬领域的应用提供理论参考。

1 LEDs技术介绍

LEDs是一种可以直接将电能转换为光能的固体电致发光半导体器件，其核心结构是由Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料构成的p—n结[8]。施加电压时，电流从p侧流到n侧，导致导带电子和价带上的空穴复合。当电子-空穴相互作用导致电子从高能态回到低能态时，能量会以光子形式释放出来，从而产生电致发光现象[9]（见图1）。根据半导体材料种类和禁带宽度的不同，LEDs可以发出红光（610～700 nm）、橙光（590～610 nm）、黄光（570～590 nm）、绿光（500～570 nm）、蓝光（400～500 nm）、紫外（UVA 315～400 nm、UVB 280～315 nm、UVC 200～280 nm）等不同波长的单色光，同时也可以将单色LED与荧光粉结合或将不同颜色比例的单色光组合生成白光等组合光[10-11]。

相对于传统光源，LEDs技术具有发射波长集中、光电转化效率高、光子通量或辐照度低、热输出小、体积小、携带方便、易于集成到电子系统、寿命长等优点[12-14]，在果蔬采后保鲜[15-16]、植物生长[17]等领域应用广泛。

图1 LEDs工作原理

2 LEDs技术在果蔬杀菌中的应用

果蔬在贮藏和加工等环节极易受到微生物污染，引起腐败变质、货架期短缩，造成巨大的经济损失和健康危害。国内外研究表明，LEDs可有效失活草莓[18]、卷心菜[19]、鲜切哈密瓜[20]、木瓜[21]等果蔬表面的食源性致病菌和致腐菌，有效延长产品贮藏期（表1）。

表1 LEDs技术在果蔬杀菌中的应用

3 LEDs杀菌效果的影响因素

3.1 波长

波长是影响LEDs杀菌效果的关键因素之一。Ghate等[25]研究蓝光（461 nm）、绿光（521 nm）和红光（642 nm）LEDs对大肠杆菌O157：H7、沙门氏菌、李斯特菌和金黄色葡萄球菌的失活作用，结果发现在相同温度和照射剂量下，蓝光LEDs的杀菌效果最好。同样地，Kumar等[26]发现当其他条件相同时，蓝光LEDs（405和460 nm）对蜡样芽孢杆菌、植物乳杆菌和副溶血性弧菌的杀灭效果明显优于绿光LEDs（520 nm），且405 nm LEDs的杀菌效果最好。Subedi等[27]研究结果表明，在1 199 J/cm2照射剂量下，UVA（395和365 nm）和蓝光（455 nm）LEDs处理使小麦粉中沙门菌分别降低2.48，2.22和1.61 log CFU/g。Oguma等[28]研究发现，UVC（265 nm）和UVB（280 nm）的杀菌效果优于UVA（310 nm）LEDs。

3.2 照射剂量

LEDs的照射剂量是影响其微生物灭活的又一关键因素。照射剂量是指被微生物所吸收的光的能量[29]，为照射强度（mW/cm2）与照射时间（s）的乘积，一般表示为mJ/cm2或J/m2。一定照射剂量范围内，LEDs对微生物的杀灭效果随照射剂量升高而增强。但照射剂量越高，所需时间更长，能耗也越高，因此，应根据果蔬产品特性对照射剂量进行优化。

3.3 微生物种类

研究证实，LEDs对不同种微生物的杀菌效果存在差异。Kim等[30]研究266～279 nm波长UVC-LEDs灭活革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和酵母菌的效果，结果发现在照射剂量0.2 mJ/cm2时，大肠杆菌O157：H7降低约5 log CFU/mL，沙门氏菌降低约3 log CFU/mL，李斯特菌失活少于1 log CFU/mL，金黄色葡萄球菌减少2 log CFU/mL左右。毕赤酵母和酿酒酵母的失活不到1 log CFU/mL。Kim等[31]在另一项研究也发现类似现象，革兰氏阴性菌对LEDs最敏感，革兰氏阳性菌次之，酵母霉菌等最不容易被灭活。

3.4 产品表面特性

待处理样品粗糙度、表面疏水性等性质均会影响LEDs的杀菌效果。Kim等[32]研究食品接触材料的表面性质对UVC-LEDs失活大肠杆菌O157：H7、沙门氏菌和李斯特菌效果的影响。结果发现，玻璃、聚氯乙烯、不锈钢、聚四氟乙烯、硅材料的粗糙度依次增大、疏水性依次递减，但经UVC-LEDs处理，接种在其表面的微生物的失活率依次降低。这表明UVCLEDs的杀菌效果与待处理样品表面粗糙度和疏水性密切相关。但有关于果蔬表面特性（色泽、粗糙度等）对LEDs杀菌效果影响的研究未见报道，有待进一步研究。

3.5 其他影响因素

在实际应用中还应考虑光照、温度等外界环境因素对LEDs杀菌效果的影响。一方面在LEDs照射过程中应严格避光，减少DNA修复对杀菌效果的影响[33]；另一方面，有研究发现低温胁迫有利于LEDs对微生物失活[34]。

4 LEDs杀菌机制

4.1 蓝光LEDs杀菌机制

研究证实，蓝光LEDs的杀菌作用与微生物细胞中的内源性卟啉类化合物（最大吸收波长405 nm）等有关[35-37]。吸收蓝光后，卟啉类化合物能够被激发到更高的能态，在其返回基态过程中，卟啉分子与氧分子、氧化物等发生反应并生成单线态氧、过氧化氢和超氧阴离子等活性氧。这些活性氧能够造成微生物细胞膜、DNA等氧化损伤，从而导致其失活[38-40]。

4.2 UV-LEDs杀菌机制

UV-LEDs在照射过程中也会产生羟基自由基、过氧化氢等活性氧，从而诱导DNA、蛋白质和细胞膜等发生氧化损伤，最终造成微生物失活[41]。有效波长在260～265 nm UV-LEDs处杀菌效果最强，上述波长范围与DNA最大吸收波长范围相一致。在UVC作用下，DNA中的嘧啶和嘌呤碱基发生化学反应形成环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）和6-4光产物（6-4PP）等产物，干扰正常的RNA转录和DNA复制，最终导致细胞死亡[42]。与UVC相比，暴露于UVB-LEDs产生的CPDs、6-4PPs较少，但仍在杀菌中发挥重要作用。

5 LEDs处理对果蔬品质的影响

在有效杀灭果蔬表面微生物的同时，LEDs处理也可能对果蔬品质造成影响。

5.1 LEDs处理对果蔬理化指标的影响

Souza等[24]研究了UVC-LEDs（277 nm）对苹果理化品质的影响。结果表明，未处理和UVC-LEDs处理的苹果在贮藏期间，其理化品质均有所下降，表现为果皮和果肉硬度下降、总酸度降低、可溶性固形物含量和苹果质量均无明显变化；在相同贮藏时间内，UVC-LEDs处理组苹果与未处理组样品理化参数均无显著性差异（p＞0.05）。Aihara等[19]发现采用365 nm UVA-LEDs处理鲜切卷心菜后，其质量和维生素C含量均无显著变化。Kim等[21]研究表明，与对照组相比，405 nm LEDs处理对鲜切木瓜维生素C、β-胡萝卜素、番茄红素、类黄酮含量和抗氧化能力均无显著性影响。因此，LEDs处理在有效灭活果蔬表面微生物的同时，能够较好地保持果蔬的营养成分和抗氧化活性等。

5.2 LEDs处理对果蔬感官品质的影响

果蔬色泽是评价果蔬感官品质的重要指标之一，直接影响消费者对果蔬产品的接受度。Kim等[22]发现鲜切芒果经405 nm LEDs在不同温度下（4，10和20 ℃）处理，其黄度指数（YI值）无显著变化（p＞0.05）。然而Ghat等[23]研究不同温度（7，16和25 ℃）下LEDs（460 nm）处理对鲜切菠萝色泽的影响，结果发现照射强度为254.7 mW/cm2时，鲜切菠萝的YI值分别降低至25.48，38.63和47.87，显著低于未处理组（YI值分别为78.41，75.75和86.75）。上述差异可能与所用的果蔬原料有关。460 nm LED光照可使菠萝含有的β-胡萝卜素（450 nm和478 nm处有吸收峰）发生降解从而造成菠萝YI值降低[23]。因此，LEDs处理能够在一定程度上保持新鲜果蔬色泽，但是高剂量长时间处理可能导致天然色素等组分发生降解，引起色泽发生显著变化。

6 结语与展望

近年来，LEDs技术作为一种非热加工技术，具有杀菌效果强、绿色无污染、能耗低等优点，在生鲜果蔬杀菌保鲜领域具有广阔的应用前景。LEDs杀菌效果受波长、照射剂量、食品理化特性和微生物种类等因素的影响，在实际应用中应加以考虑。此外，目前关于LEDs在果蔬领域的应用多集中于杀菌保鲜，对果蔬营养和感官品质影响的研究尚不够充分。同时，LEDs存在成本高、散热性较差等问题，有待在今后的工作中进一步研究和改进，以推动LEDs技术在食品工业领域的广泛应用。