脉冲强光技术在果蔬保鲜中的研究进展

俞静芬，林旭东，尚海涛，卢超儿，陈曙颖

（1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；2.宁波市绿盛菜篮子商品配送有限公司，浙江 宁波 315000）

果蔬富含多种维生素、多酚类、黄酮类等活性组分，可以提高机体免疫力，促进肠道活力，对维护人体健康具有重要的促进作用。微生物污染和酶促褐变已逐渐成为果蔬保鲜中的两大难题。微生物污染发生在果蔬采摘、加工、运输、贮藏的各个环节，不仅降低了果蔬的营养价值与感官品质，而且极易引起食源性疾病，危害人体健康。全世界50%以上的果蔬及其加工产品的损失是由于酶促褐变引起的，酶促褐变对果蔬产业造成了巨大的经济损失[1]。因此，果蔬保鲜问题一直是食品工业领域中研究的重要内容。目前多采用热加工技术灭活果蔬中的微生物和内源酶，但同时会破坏果蔬中的热敏性成分，进而降低果蔬的营养价值，造成感官品质劣变。近年来，因具有处理温度低、处理时间短、不破坏热敏性成分等优点，脉冲强光（Pulsed light,PL）、脉冲电场、超高压、超声波、低温等离子体、高压二氧化碳技术等非热加工技术在食品工业中的应用受到了人们的广泛关注[2-5]。

PL 是一种新型非热加工技术，具有时间短、能耗低、无污染的优点。研究证实，PL 能够有效灭活食品中的微生物及内源酶，在果蔬保鲜领域有着广泛的应用潜力[6-7]。本文综述了PL 在果蔬杀菌和钝酶领域的国内外最新研究进展，并对今后的研究方向进行了展望，旨在为PL 在果蔬保鲜中的广泛应用提供参考。

1 脉冲强光概述

PL 又称脉冲紫外线、强光脉冲、高强度广谱脉冲光、高强度脉冲紫外光和脉冲白光，由宽范围的“白光”光谱组成，具有高强度、短脉冲的持续脉冲光，其光谱范围包括紫外光区（λ=200～400 nm），可见光区（λ=400～700 nm）和红外光区（λ=700～1 100 nm）[8-10]。虽然PL 具有与太阳光相似的光谱范围，但是PL 光谱输出富含紫外光区域而太阳光光谱输出富含可见光区域，而且PL 产生的脉冲光强度很高，约为到达海平面处太阳光强度的2 万倍[10-11]。

1.1 脉冲强光装置

如图1 所示，PL 设备由动力单元、控制单元和处理单元3 部分组成[12]。动力单元的功能是将低压交流电转换成高压直流电，然后将其传输到电容器内进行储存，当电容器内的电压达到一定数值之后，通过瞬时的高压脉冲放电将电能输送至氙气闪光灯。控制单元的功能是将高功率的电脉冲信号转换成高能量的瞬时光辐射。处理单元的功能是为光辐射作用于物品表面进行杀菌或钝酶提供处理场所[13-14]。

图1 PL 处理装置Fig.1 PL processing device

1.2 脉冲强光处理效果的影响因素

PL 的处理效果主要受脉冲强度、脉冲次数、微生物种类、样品特性等因素的影响[12,15]。研究证实，PL 的处理效果随脉冲强度的增加而增强。Aguirre 等[16]发现，使用较高脉冲强度（0.525 J/cm2）处理单细胞增生李斯特菌比低脉冲强度（0.175 J/cm2）的灭活率提高了65.9%。PL 的处理效果随脉冲次数的增加而增强。马凤鸣等[15]研究发现，使用较高脉冲次数（256 次）处理多酚氧化酶比低脉冲次数（1 次）的失活率提高了32.34%。PL 对细菌的杀菌效果优于孢子和真菌[17]。

2 脉冲强光杀菌技术

PL 具有穿透力高、能耗低、杀菌效率高等优点，被广泛应用于果蔬、肉类、乳制品等的杀菌保鲜[18-21]。

2.1 脉冲强光杀菌机制

国内外学者对PL 的杀菌机制进行了广泛研究，目前普遍认为其作用机制主要包括光化学、光热和光物理效应3 个方面。根据处理条件和微生物类型，上述3 个机制间可以独自或协同作用使微生物灭活[22]。光化学效应是指微生物的DNA 会吸收PL 中的紫外光形成胸腺嘧啶二聚体，进而阻碍微生物DNA 的自我复制过程，从而导致其失活[23]；同时光辐射可破坏蛋白质的空间结构，致使特定酶失活，最终导致微生物被彻底灭活[24]。光物理效应是指高能量的脉冲作用于微生物时，会破坏细胞膜结构，引起细胞膜通透性增加，致使细胞内容物外泄，最终导致微生物死亡[25]。光热效应是指PL 处理微生物后，会引发微生物表面产生瞬时过热现象，导致微生物细胞膜完整性丧失，进而实现对微生物的灭活[26]。

2.2 脉冲强光在果蔬杀菌中的应用

研究证实，PL 能够杀灭蓝莓、覆盆子、草莓、鲜切牛油果、菠菜等在采摘、加工、运输、贮藏过程中伴生的沙门氏菌、大肠杆菌、无毒李斯特菌、酿酒酵母等有害微生物，从而达到延长果蔬货架期以及保鲜的目的（表1）。

表1 PL 在果蔬杀菌中的应用Table 1 Application of PL in the sterilization of fruits and vegetables

Bialka 等[27]使用脉冲强度为22.6 J/cm2的PL 处理蓝莓，发现其表面肠道沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌的数量分别减少4.3 lg(CFU/g)、2.9 lg(CFU/g)和3.4 lg(CFU/g)。与此类似，Agüero 等[31]研究表明，菠菜经0.8 J/cm2PL 处理后，其表面肠道无毒李斯特菌和大肠杆菌的数量分别减少1.85 lg(CFU/g)和1.72 lg(CFU/g)。

2.3 脉冲强光对果蔬品质的影响

国内外学者在广泛研究PL 在果蔬杀菌中应用的同时，也评价了其对果蔬感官品质（如外观、色泽、质地、口感等）和营养品质（如多酚含量、维生素含量、抗氧化能力等）的影响[33]。

2.3.1 脉冲强光对果蔬感官品质的影响

Bialka 等[27-28]和Ramos-Villarroel 等[29]研究发现，经过PL 处理的蓝莓、覆盆子和草莓，其色泽和感官特性（如硬度、气味、口感等）无明显变化。同样，Avalos-Llano 等[34]发现，分别经4 J/cm2和8 J/cm2的PL 处理后，草莓硬度未发生显著变化。另外，Lopes 等[35]研究表明，经过PL 处理的芒果在贮藏7 d 后果皮的色度值增加了140%，果肉的色度值增加了130%。然而，Gómez-López 等[36]研究发现，在脉冲距离12.8 cm，脉冲能量7 J，脉冲数量2 700 个的条件下，经PL 处理的莴苣出现变色，鲜切白菜出现塑料般的异味。

2.3.2 脉冲强光对果蔬营养品质的影响

大量研究表明，PL 处理未对果蔬中的营养成分造成不利影响。Avalos-Llano 等[34]发现，在脉冲强度分别为4 J/cm2和8 J/cm2的条件下使用PL 处理鲜切草莓，其VC 和总花色苷含量并未发生变化。另外，Aguiló-Aguayo 等[30]研究发现，经PL 处理的西红柿，其营养成分如β-胡萝卜素、α-胡萝卜素和总番茄红素的含量都显著增加。同样地，Agüero 等[31]观察到菠菜经PL 处理后，其多酚类化合物含量和抗氧化活性均略有增加。

3 脉冲强光钝酶技术

果蔬在贮藏加工过程中极易发生酶促褐变，造成其营养和感官品质的降低。研究证实，PL 处理能够有效灭活果蔬中多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）等的活性，进而有效抑制酶促褐变的发生[37-38]。

3.1 脉冲强光钝酶机制

PL 的钝酶机制可能是经PL 处理后蛋白质发生聚集或分解现象，进而抑制酶的活性。研究证实，PL处理可引发氨基酸残基之间发生交联反应，引起蛋白质发生聚集现象，进而造成蛋白质结构发生变化，最终导致酶活性的丧失[39]。此外，脉冲光会通过激发Trp、Tyr、Phe、Met 和Cys 基团影响蛋白质的结构，从而诱导二硫键（S-S）的还原，二硫键的断裂将直接破坏蛋白质结构，从而导致其生物学活性的丧失[40]。Manzocco 等[41]通过分析高效液相色谱发现，脉冲光通过诱导蛋白质聚集和骨架裂解，从而对PPO 的蛋白结构进行修饰，最终导致了PPO 的失活。

3.2 脉冲强光在果蔬钝酶中的应用

彭光华等[42]将荸荠经PL 处理15 min 后进行贮藏试验，发现其POD 活性被有效抑制。马凤鸣等[15]发现PL 处理能够显著失活从梨中提取的PPO。同样地，刘亮等[43]研究发现，从水蜜桃中提取的PPO 在脉冲强度240 mJ/cm2，脉冲次数12 次，pH 值4.2 的条件下经PL 处理后，其残余酶活性仅剩20.62%。周婷婷等[44]研究了经PL 处理的双孢蘑菇贮藏不同时间后其PPO 和POD 活性的变化，发现在贮藏后期其PPO 和POD 活性均显著降低。但是，PL 处理强度过高会加速果蔬的酶促褐变。Gómez 等[45]发现，经PL 处理的鲜切苹果，其表面褐变程度会随着处理强度的增大而增强。造成此种现象的原因可能是由于苹果鲜切后，使得酶与底物的接触机会增多，而过高强度的PL 会加速组织褐变[46]。针对上述问题，可在PL 处理前对果蔬添加抗褐变剂（如抗坏血酸、柠檬酸、L-半胱氨酸等）等方法抑制酶促褐变的发生[47]。Gómez 等[48]发现与PL单独处理相比，PL 协同抗坏血酸处理能够显著抑制鲜切苹果的褐变。

4 结语

脉冲强光技术作为一种新型非热加工技术，在果蔬保鲜领域中具有巨大的应用前景。在今后的工作中首先应解决PL 对食品表面和食品内部杀菌不均匀的问题；其次，应采取措施控制PL 热效应对果蔬品质造成的不良影响；此外，在实际生产中可以将PL与其他技术协同处理，以提高其杀菌钝酶效果，从而不断推动PL 技术在食品工业中的应用。