非热加工技术在果蔬保鲜中的应用

翟娅菲*，田佳丽，相启森，禹晓，申瑞玲，王章存

郑州轻工业学院食品与生物工程学院（郑州 450001）

水果和蔬菜是某些关键营养成分和膳食纤维的主要来源。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，新鲜果蔬已成为人们日常生活中必不可少的农产品[1]，然而果蔬中丰富的营养物质使得微生物易于在其中繁殖。新鲜果蔬的微生物污染可能有多种来源，包括农场环境、采后处理、加工设备的接触以及贮藏和零售过程中对果蔬的处理[2]。携带于农产品表面的微生物生长需要营养物质，果蔬则是天然的培养基。果蔬表面的水分会促进微生物的生长，有的微生物自身可以生成生物胞外酶，作用于碳水化合物，分解的产物一部分用来组成微生物细胞的物质，另一部分转化为代谢所需的能量。在各类微生物存在的情况下，果蔬成分被分解，同时产酸产气、变臭、变色，使果蔬变质[3]。果蔬变质使果蔬行业面临巨大的经济损失。此外，腐败的农产品也是导致全球人类疾病暴发的重要来源[4]，果蔬变质已成为亟待解决的问题。

目前，已有许多研究来评估食品杀菌与微生物及食品品质之间的关系。热杀菌技术是指单独加热或与其他成分一起加热，以确保除嗜温菌或嗜热菌之外的微生物失活[5]，延长保质期并避免食物变质。热杀菌在有效杀灭微生物的同时，食品的感官特性和营养成分会受到热处理的影响。与热杀菌相比，非热加工技术有利于保持食品的新鲜、风味、颜色和营养特性，特别是一些热不稳定化合物，如抗坏血酸和多酚[6]。因此，新型的非热加工技术在食品保鲜方面具有潜在的应用价值。综述了近年来国内外非热加工技术在预防果蔬变质中的研究进展，包括杀菌剂、低温等离子体、紫外线、脉冲光杀菌及其联合处理，以期为今后果蔬保鲜提供一些策略。

1 杀菌剂

传统的清洗处理虽然可以很好地去除果蔬表面的泥土，但是对于微生物的影响不明显。因此，将杀菌剂应用于农产品的清洗处理中，对于杀灭微生物以及抑制微生物的生长尤为重要。被应用于清洗的杀菌剂包括氯、二氧化氯、溴、磷酸三钠、有机酸、过氧乙酸还有电解水[7]。

氯产品在食品加工中已经应用几十年，是20世纪食品工业中使用最广泛的杀菌剂。传统的含氯杀菌剂有Cl2、NaClO、Ca(ClO)2和ClO2等，一般要求有效氯含量为100～200 mg/kg，溶液中形成的次氯酸易分解，产生新生态氧，起到杀菌消毒作用[8]。研究表明ClO2可通过抑制孢子萌发，改变灰葡萄孢菌丝的形态并破坏质膜，从而有效抑制灰葡萄孢菌的生长，控制灰葡萄孢菌引起的青椒和冬枣的灰霉病[9]。

残留的氯产品杀菌剂对人体及环境会造成一定伤害。而电解水作为一种新型的杀菌剂，能有效缓解这一问题。弱酸性电解水是一种新型消毒剂，它是通过在设有分离膜的电解池中电解稀氯化钠、盐酸或两者的混合溶液而产生的，无色、无味且对人体和环境无害，已在日本和美国的食品表面直接使用。弱酸性电解水由于能够产生可利用的氯化合物，包括CLO-，高氯酸和Cl2[10]，从而可达到良好的杀菌效果。Ye等[11]通过酸性电解水诱导大肠杆菌失活并研究了细菌的失活机制。结果表明，酸性电解水的pH为6.40，氧化还原电位为910 mV，有效氯浓度为60 mg/L，体积比为20：1时，杀菌效果最佳。在处理10 min内，细胞形态发生了变化，表现为细胞膨胀，细胞伸长和膜通透性增加。同时，细菌细胞中释放出活性氧物质。说明酸性电解水能够诱导大肠杆菌失活和凋亡。Zhang等[12]将微酸性电解水应用于芹菜、香菜的保鲜中，结果发现弱酸性电解水可以有效减少芹菜和香菜上的天然微生物，在有效氯浓度为30 mg/L下处理5 min，25 mg/L下处理7 min可将芹菜和香菜上的酵母和霉菌降低到不可检测的水平。在4和20 ℃下储存，芹菜和香菜的微生物数量保持较低水平。试验证明微酸性电解水在消除芹菜和香菜表面上的微生物方面非常有效，可用于抵抗新鲜产品中的天然微生物。

然而，某些类型的农产品通常在收获后直接在田间包装，不需要或只需要很少的处理或卫生处理。而且消毒之后的农产品存在潜在的健康影响，一些化学食品防腐剂（如次氯酸钠和氯）也引起了人们的关注[13]。因此，近年来开发了更多新型的物理杀菌方法，来进一步满足消费者对新鲜和安全食品日益增长的需求。

2 低温等离子体

低温等离子体杀菌被认为是一种新型的非热加工技术，与传统的加工方法相比，冷等离子体能耗低、温度要求低，主要用于微生物灭活和食品去污[14]。等离子体处理系统主要由高频等离子体发生器和陶瓷电极组成。等离子体是物质的第4种状态，是一种部分电离的气体，由离子、紫外光子、电子、自由基、分子和被激发的原子等活性物质组成。这些活性物质可以与蛋白质相互作用并改变其构象[15]。许多研究表明等离子体处理在果蔬杀菌方面有潜在的应用价值。

Tian等[16]研究表明等离子体活化水可引起细菌的氧化应激反应，导致细胞内活性氧积累，进而使膜电位下降和膜完整性受损，并最终导致细菌细胞死亡。Xiang等[17]将等离子体活化水应用于绿豆芽的保鲜中。结果表明，处理30 min后，绿豆芽上总的好氧细菌总数、霉菌和酵母菌的数量分别减少2.32和2.84个对数值。在4 ℃储存6 d后，处理过的绿豆芽细菌总数比对照组相少3.6个对数值，霉菌和酵母菌也有相应地减少。此外，处理之后的绿豆芽的抗氧化能力、总酚和类黄酮含量以及感官特性均未见明显变化。袁圆等[18]用不同电压条件下处理蒸馏水得到的等离子体活化水处理生菜，结果发现随电压的升高，等离子体活化水对生菜的杀菌效果显著提高，在75 kV处理组中菌落总数降低1.15 lg（CFU/g），大肠菌群数较对照组低1.38 lg（MPN/100 g）。但是，该处理对叶绿素和维生素C含量产生了不良影响。此外，低温等离子体还被应用于蓝莓、蘑菇等多种果蔬的保鲜中（表1）。低温等离子体处理可能是一种理想的食品杀菌方法，但由于不同农产品本身特征影响杀菌条件有待探索。

表1 低温等离子体在果蔬中的应用

3 紫外杀菌

紫外光属于100～380 nm的电磁波，自1910年以来，紫外线辐射已被广泛应用于水消毒[24]。紫外发光二极管（UV-LED）照射也是近年来出现的一种有潜力应用于食品工业的方法。紫外线根据波长范围分为UVA、UVB和UVC区域。其中UV-C杀菌效果最大。与UV灯相比，UVC-LED的一些独特性使其更适合应用，如温度无关的辐照度输出，体积小，无汞，相对较长的寿命，以及无限的开关周期[25]。其无需预热时间即可达到最大辐照剂量，从而能够实现瞬间杀菌的效果。辐照过程中细菌DNA会强烈吸收紫外光，形成嘧啶二聚体，从而引起核酸损伤，足够水平的二聚体会导致细菌细胞死亡[26]。同样，辐照产生的活性氧在细胞内也会破环核酸及细胞成分，从而达到杀菌灭活微生物的效果[27]。

表2总结了紫外在果蔬中的应用情况。Aihara等[28]用UVA-LED处理卷心菜，结果表明随辐照时间的增加，细菌失活数量增加，处理90 min时细菌失活量达3.23个对数值。与对照组相比，照射后的卷心菜品质和维生素C含量均没有显著的变化。对于菠菜叶片而言，高剂量的紫外照射虽然可以达到很好的灭活微生物的效果，但是菠菜的总抗氧化活性和多酚含量较对照组有所降低[29]。而在黄瓜的处理中，与未处理组相比，辐照一定时间之后总酚含量有所增加[30]。

表2 紫外杀菌在果蔬中的应用

4 脉冲光杀菌技术

脉冲光（PL）由一系列非常短的高强度脉冲的广谱白光组成，包括紫外光（54%）、可见光辐射（26%）和红外线（20%）[34]。已知脉冲光可以通过产生光化学和光热损伤而导致微生物细胞死亡。光化学损伤灭活与通过紫外线辐射诱导DNA链断裂和嘧啶二聚体形成有关。加热是一种局部现象，可能会随着热应力的产生而终止[35]。Llano等[36]在用脉冲光处理苹果的过程中，在水果表面没有记录到温度的变化，证明大多数灭活是通过非热机制实现的。

Lee等[37]对黄曲霉孢子、短小芽孢杆菌和大肠杆菌进行强脉冲光处理后观察微生物的形态，结果发现强脉冲光处理比低温等离子体处理对微生物细胞的损害更大，黄曲霉孢子萎缩，短小芽孢杆菌孢子和大肠杆菌 O157：H7破裂。较高通量的脉冲光会引发光热效应，并且细胞中水分的汽化可能会增加细菌内部的压力，从而导致细胞壁被破坏，影响微生物的形态。但这不足以提高产品温度[38]。

脉冲光处理后的番茄中嗜冷细菌、霉菌和酵母菌的数量较未处理组明显减少，脉冲通量越大，微生物的抑制效果越好。在灭活微生物的同时，脉冲光处理也会加快硬度的降低，这可能与西红柿水分蒸发和脉冲光对酶活性的影响有直接的关系[39]。表3总结了近期关于脉冲光应用于果蔬保藏的研究。在油麦菜和白菜的处理中，脉冲电压达到2 500 V时，蔬菜表面混合菌的致死率达98%以上，而且对于蔬菜的品质均无显著影响[40]。

表3 脉冲光杀菌技术在果蔬中的应用

5 栅栏技术

如上所述，单一加工技术的应用可能对降低某些食物表面微生物的效果有限。各种杀菌技术的结合为抑制微生物提供了一种新的策略。栅栏技术就是一种通过结合不同的保鲜技术来确保食品安全的方法[44]。合适的障碍组合可以有效提高食品的微生物安全性、储存稳定性、营养特性和感官质量。近年来，新兴的非热技术与传统的跨栏方法相结合已经得到了广泛的探索。

栅栏技术在灭菌中经常表现出累加或协同效果。Xiang等[45]的研究表明等离子体活化水和温热的联合处理具有协同杀菌作用，葡萄上的酿酒酵母在55 ℃下经等离子体活化水处理30 min后，最大失活率为5.85 log 10 CFU/g，明显高于25 ℃下进行的等离子体活化水处理以及55 ℃条件下进行的无菌蒸馏水处理的结果。同时，葡萄在不同温度下进行30 min的等离子体活化水处理后，其总可溶性固形物、还原糖、pH、可滴定酸度、硬度、表面颜色、总酚、维生素C和抗氧化特性均未见明显变化。UVC和二氧化氯气体联合处理菠菜叶和番茄，对其表面的大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌均表现出协同杀菌效果，联合处理所实现的灭活作用均显著高于单独UVC和ClO2气体灭活的总和。单独使用二氧化氯处理过的菠菜叶的颜色在储存过程中逐渐改变，颜色的改变可能是由于ClO2气体的高氧化能力。未经处理的样品与经UVCClO2气体处理的样品保存7 d，菠菜叶的颜色和质地无显着差异[46]。有研究报告显示，枸杞干果经臭氧和紫外复合处理后杀菌率高达98.99%，明显优于单一的臭氧、紫外杀菌效果。经复合处理之后的枸杞色泽参数有所变化，其余理化指标与对照相比无显著性差异，说明臭氧与紫外的复合处理不仅可以高效杀菌，而且能较好地维持枸杞的外观品质[47]。上述表明，栅栏技术的研究可以进一步帮助新鲜农产品的保鲜，确保农产品的微生物安全性。

6 结语和展望

果蔬变质作为一个全球性的健康问题，有望通过一些创新的非热杀菌技术来解决，如电解水、低温等离子体、紫外线、脉冲光以及不同技术的结合。如上所述，这些非热杀菌技术在抑制食品表面微生物、最大程度地保持食品品质方面显示了潜在的应用前景。与单个处理相比，协同处理在大多数情况下具有更好的效果。此外，不同加工条件对农产品品质包括色泽、硬度、抗氧化性以及营养成分的影响不能以一概全，而且处理剂量与效果不一定呈正比，再加上不同农产品自身特性的区别，对于特定果蔬的杀菌仍需要进一步的研究。