脉冲强光在食品杀菌中的应用研究进展

王 龑，郑 勇，杨 开

（浙江工业大学食品科学与工程学院 杭州310014）

自1996年脉冲光技术被美国食品与药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于食品工业以来，脉冲强光（Pulsed Light，PL）作为一种新兴的非热杀菌技术受到越来越多的关注。PL 是表面杀菌技术，在食品杀菌保鲜方面有大量研究。目前在无菌包装和卫生包装工艺中，普遍采用过氧乙酸和过氧化氢等消毒剂消毒，和这些非热杀菌技术相比，PL 具有成本低、效率高、安全性高等优点[1]。在过去的几十年里，研究人员开展了大量PL 应用研究，证实PL 在果蔬、肉类、蛋类、奶类等食品中的杀菌保鲜作用[2-6]。此外，PL 对复杂食品基质的体内实验也有大量报道。然而，由于缺乏统一标准，且实验重现性不高，因此限制了其在食品工业中的发展[7]。

PL 具有和太阳相似的波长光谱200～1 100 nm，包括紫外光区200～400 nm，可见光区400～700 nm，红外光区700～1 100 nm[8]。其中70%为紫外光区，是PL 中的主要光谱区[6]。脉冲强光以交流电为电源，主要包括动力单元、氙灯单元和冷却系统。动力单元主要提供高压直流电流，交流电经过变压器升压，对电容器充电，产生高压直流电流，直流电流通过强光发生器产生直流高压，经过系统触发器产生高压脉冲。两端氙灯电离产生PL，放电后，电压下降，等待下一次放电。PL 能量高，放电时间短，产生的能量为太阳光到海平面强度的2×104倍[9-10]。

脉冲强光频率通常采用1～20 次闪光数/s，表面能量密度为0.01～50 J/cm2[11]。其对食品表面微生物有较好的杀灭效果，符合巴氏杀菌的基本要求。不同微生物对脉冲强光的敏感性有所不同。研究表明，不同微生物对PL 敏感性排序为革兰氏阴性菌＞革兰氏阳性菌＞细菌芽孢＞真菌孢子[8，12-13]。PL 处理参数主要是样品和脉冲灯之间距离、脉冲数和总能量，优化这些参数可以达到最佳的杀菌效果。

本文总结脉冲强光处理对一些常见食品中微生物的杀菌效果以及对食品品质、营养指标保持等方面的影响，分析包装材料和食品接触面对脉冲强光处理效率的影响因素，为脉冲强光非热杀菌技术应用于食品杀菌保鲜提供参考。

1 脉冲强光处理对食品中微生物的影响

脉冲强光具有非常宽的光谱，主要起作用的是紫外光，对于细菌、真菌、孢子、病毒等都具有较好的杀灭效果。脉冲强光的抗菌作用机理主要是光化学效应和光热效应共同发挥作用，导致DNA 损伤、细胞膜和细胞壁破裂等，从而达到抗菌效果[14-15]。

在连续流动的脉冲强光系统对果汁灭菌作用的研究中，发现细胞损伤，尤其是细胞膜损伤是PL 杀灭细菌的一个重要机制[16]。Cheigh 等[17]通过观察食源性病原体单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、大肠杆菌（Escherichia coli）O157：H7 在PL 处理后的透射电镜图发现，细菌的细胞结构被严重破坏，细胞壁、细胞质膜及内部组织均被破坏。Ferrario 等[18]研究了PL 对苹果汁中酿酒酵母的杀灭作用机制。流式细胞术和透射电子显微镜观察结果表明，酿酒酵母细胞的活力丧失不仅是由于细胞壁和细胞质膜的损伤，而且导致胞内细胞器紊乱。除了细菌和真菌，PL 对病毒也具有较好的杀灭效果。Vimont 等[19]用小鼠诺如病毒（MNV-1）代替人类诺如病毒，通过对小鼠诺如病毒形态观察、病毒蛋白和RNA 完整性的分析，发现PL 处理能够破坏小鼠诺如病毒结构，引起病毒蛋白和RNA 降解。

不同微生物对脉冲强光的敏感性不同，而不同的食品基质也会影响脉冲强光的杀菌效果，表1 总结了PL 对于几种常见食品中不同微生物的杀灭效果。总体来说，不同微生物对PL 抵抗力顺序为：真菌孢子＞细菌芽孢>寄生生物>病毒≥植物性细菌[20]。研究发现，革兰氏阴性菌对于PL 的敏感性高于革兰氏阳性菌[21-22]。PL 对真菌（霉菌、酵母）的影响非常显著。张佰清等[23]运用光流量为0～37.302 mJ/cm2PL 处理黑曲霉、灰霉、啤酒酵母和热带假丝酵母。结果表明，杀菌效率与光流量成正比，且在最大光流量时，霉菌致死率达到99.04%，酵母菌致死率达到100%。

表1 PL 对常见食品中微生物的杀菌效果Table 1 Inactivation effect of pulsed light on microorganism in common food

1.1 细菌

细菌对PL 处理的敏感性较强。短乳杆菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌、无毒李斯特菌、沙门氏菌、鼠伤寒沙门菌、副溶血性弧菌等是PL处理的食品中最常见的细菌[37]。Ignat 等[24]运用1.75 J/cm2和15.75 J/cm2PL 处理鲜切苹果，短乳杆菌分别减少3.0 和3.75 lg（CFU/cm2），而单核细胞增生李斯特菌分别减少2.7 和3.82 lg（CFU/cm2）；苹果切片天然微生物的细菌总数为（2.62±0.15）lg（CFU/cm2），经17.5 J/cm2PL 照射后，细菌总数因小于1.70 lg（CFU/cm2）而未检出，且在7 d 贮藏期内，细菌总数不断增加。Gomez 等[25]研究了PL 对鲜切苹果中接种的大肠杆菌、无毒李斯特菌的杀菌作用，在11.9 J/cm2和71.6 J/cm2PL 照射下，大肠杆菌分别减少了（0.34±0.06）和（0.56±0.05）lg（CFU/cm2），贮藏7 d 后略有增加；无毒李斯特菌分别减少了（0.30±0.05）和（1.0±0.2）lg（CFU/cm2），7 d 贮藏期内不断减少。这证明高强度PL 对无毒李斯特菌的抑制作用比大肠杆菌更强。Bialka 等[27]研究表明PL 对鲜切草莓中大肠杆菌和沙门氏菌的灭菌效果非常接近，在5.4 J/cm2和64.42 J/cm2PL 处理后，大肠杆菌和沙门氏菌分别减少1.3，2.3 和1.0，2.3 lg（N/N0）；和较高通量PL 相比，较低通量PL 的杀菌效果随着PL通量的增加更加明显。Leng 等[31]运用31.5 J/cm2PL 处理小番茄，和对照组相比，沙门氏菌降低了2.3 个lg（CFU/g），该结果和Bialka 等[27]的研究结果一致。PL 还可以用于蛋壳表面沙门氏菌的灭活。Lasagabaster 等[32]运用0.35，0.7 和2.1 J/cm2PL处理蛋壳，沙门氏菌分别减少了3.5，4.3 和4.9 lg（CFU/cm2）。肉制品中的微生物灭活也可采用脉冲强光技术实现。鼠伤寒沙门菌和副溶血性弧菌是肉制品中两类重要的致病菌。Hierro 等[34]研究发现，0.7 J/cm2和11.9 J/cm2PL 处理后，生牛肉片中鼠伤寒沙门菌减少了0.3 和1.0 个对数值，而金枪鱼片中副溶血性弧菌的总数减少了0.2 和1.0 个对数值，杀菌效果随着PL 通量的增加而提高，且在金枪鱼片和生牛肉片中的杀菌效果趋势接近。Keklik 等[38]运用60～67 J/cm2PL 处理生牛肉片，对鼠伤寒沙门菌的最大杀菌程度为2.4 个对数值。

1.2 真菌

酿酒酵母、拓展青霉和灰葡萄孢霉是果蔬中常见的真菌，降低其水平有利于果蔬贮藏和品质的保持。Ferrario 等[18]运用11.9 J/cm2和71.6 J/cm2PL 处理苹果汁，酿酒酵母分别减少0.7 和3.9 lg（CFU/mL）；灭活曲线和投射电镜表明，PL 通量小于11.9 J/cm2时，PL 敏感性较强的细胞因受损而失活，而当PL 通量大于11.9 J/cm2，PL 抵抗性更强的微生物逐渐积累损伤。PL 处理使得部分微生物细胞成为可存活但不可培养细胞（viable but not cultivable cells，VBNC），这可能缩短果汁保质期[39]。天然橙汁和草莓汁在200～400 nm 紫外光区表现出高吸光度，这会降低PL 中作用于微生物的紫外光剂量，导致酿酒酵母减少量小于1.0 lg（CFU/mL）[29]。此外，微生物负荷也是影响PL 对果汁杀菌效率的一个重要因素，因为高密度菌群中的微生物分层，最上层被杀灭，下层微生物因为阴

影效应而得以存活[40]。Maftei 等[26]运用16 J/cm2PL 处理接种量为3×105CFU/mL 和2.3×104CFU/mL 的苹果汁，酿酒酵母分别减少1.3 和3.21 lg（CFU/mL），而在32 J/cm2PL 处理下，酿酒酵母分别减少2.66 和3.76 lg（CFU/mL），这表明PL 对低密度微生物污染的杀菌效果更明显。灰葡萄孢是葡萄、蔬菜中一种能够引起植物灰霉病、导致果蔬腐烂的坏死性真菌[41]。Bernal 等[28]研究表明，11.9和23.9 J/cm2PL 处理草莓后，对照组和PL 处理组的感染果实百分比[IF（%）]显著增加，贮藏10 d 后，PL 处理组IF 比对照组低16%～20%，贮藏12 d 后，对照组和PL 处理组结果接近，但是PL 处理使得草莓腐烂延迟2 d，这为短期贮藏草莓提供了一种可行方法；11.9 和23.9 J/cm2PL 处理下，蛋白胨水中灰葡萄孢子总数分别降低2 和3.5 lg（N/N0），当PL 通量大于11.9J/cm2时，大多数真菌细胞因亚损伤而进入“VBNC”状态，需要进一步研究“VB NC”状态以更好阐明PL 处理对真菌孢子的影响。

（续表1）

1.3 病毒

病毒会通过食物或者环境传染给人类，导致严重的传染性疾病，如2019年12月爆发的新型冠状病毒肺炎，给人类带来了重大的灾难。PL 处理对于体外病毒的杀灭效果非常明显，1.88 J/cm2PL 照射悬浮在磷酸盐缓冲溶液中的F-特异性RNA 噬菌体MS2（ATCC 15597-B1），初始接种密度为9.1 lg PFU，处理效果达到（5.63±0.49）lg PFU；大于4 J/cm2PL 处理，处理效果达到8 lg PFU；运用9.4 J/cm2PL 处理黑胡椒粉末、大蒜和薄荷粉末，ATCC 15597-B1 分别减少（0.64±0.52）、（0.12±0.09）、（0.68±0.47）lg PFU，这表明复杂食品基质会严重降低PL 处理杀灭病毒的效果[42]。Vimont 等[19]对常见的小鼠诺如病毒（MNV-1）进行研究，对悬浮在磷酸盐缓冲液中的小鼠诺如病毒进行2.07 J/cm2PL 处理，其中病毒接种量为105PFU/mL，基本实现对诺如病毒的完全灭活（>104lg PFU）；研究还发现，浊度会显著降低PL处理效果，3.45 J/cm2PL 处理200 散射浊度（NTU）的浑水，小鼠诺如病毒仅仅降低3 lg PFU，这是由于溶液在254 nm 处透光率降低，导致其对紫外光吸收度，降低PL 中紫外光处理效果。大多数果汁的浊度低于200 NTU，且微生物负荷较低，所以不需要对PL 设备进行改进就可以处理果汁[36，43]。

2 脉冲强光处理对食品品质的影响

2.1 色泽

脉冲强光技术对于食品的作用不仅体现在杀菌，同时还会对食品品质产生较大的影响。色泽是影响食品品质的一个重要指标，研究表明，低剂量脉冲强光对食品色泽有一定的保护作用，而高剂量脉冲强光会引起食品色泽的变化。Ignat 等[24]运用0～157.5 kJ/m2处理苹果，发现低剂量PL 照射苹果色泽变化不明显，高剂量（157.5 kJ/m2）PL 照射显著加速了苹果的褐变。Gomez 等[25]以2.4～221.1 J/cm2PL 处理鲜切苹果片，发现高剂量PL 照射同样会引起苹果片变暗，光学显微镜图表明，苹果细胞壁降解，原生质膜和叶绿体被破坏。红色是草莓的天然颜色，PL 处理会引起红色变暗，降低草莓品质。Cao 等[2]运用不同通量PL 处理草莓，处理条件分别为3 J/cm2（0.05 J/cm2/pulse，L3）、3 J/cm2（0.1 J/cm2/pulse，H3）、5 J/cm2（0.1 J/cm2/pulse，H5），和对照组相比，3 种PL 处理的草莓明暗度（L*）没有显著差异，在20 d 贮藏期内，L*呈略微下降趋势，L3和H3 的红绿值（a*）没有显著差异，而H5 中a*值降低，可能是H5 PL 处理条件促进了红色素降解，这表明高强度PL 处理草莓会影响草莓色泽。Pataro 等[16]运用1～8 J/cm2PL 处理西红柿，在（20±2）℃下贮藏21 d，对照组和处理组的西红柿色泽均没有显著差异。PL 处理对肉制品色泽的影响也有大量报道。PL 处理显著降低了牛肉的a*和b*（黄蓝值），对于L*没有显著影响，而b*在大于8.4 J/cm2PL 剂量时有显著差异，a*在大于2.1 J/cm2PL 剂量时有显著差异，所以在牛肉中a*对PL 更加敏感。Hierro 等[34]研究表明，4.2 J/cm2PL 处理显著提高了牛肉贮藏过程中的L*；在PL 处理的金枪鱼片中，b*对PL 更加敏感，0.7 J/cm2PL 处理显著降低b*；a*和L*对PL 不敏感，8.4 J/cm2PL 处理才对金枪肉片有显著影响，在此PL 剂量下，L*提高，a*降低，导致肌肉透明度丧失，红色变淡，因此高剂量PL 处理会降低金枪鱼片和牛肉色泽，影响消费者可接受度。

2.2 硬度

在评价果蔬的新鲜度时，硬度通常被认为是品质参数之一。西红柿是一种非常容易软化的果蔬，而PL 处理能够引起西红柿硬度降低。Aguilo-Aguayo 等[30]研究表明，5.36 J/cm2PL 处理西红柿，20 ℃贮藏15 d 后，西红柿表皮出现严重的褶皱，硬度降低，且质量损失10%，这可能和Luksiene等[44]指出的PL 处理过程中的产热、引起果实脱水失重有关。然而，芒果和草莓的研究结果与西红柿相反。PL 处理有利于鲜切芒果硬度的保持，防止软化。Charles 等[45]指出，8 J/cm2PL 处理鲜切芒果，在6 ℃下贮藏7 d 后，鲜切芒果硬度增加了1.5 N，而对照组硬度降低了1.5 N 左右。Avalos-llano等[46]研究表明，4，8 J/cm2PL 处理能够降低鲜切草莓软化发生率，（5±1）℃贮藏14 d 后，处理组基本保持初始硬度不变，对照组硬度显著降低；12，16 J/cm2PL 处理后，草莓硬度下降程度跟对照组接近。这表明，PL 处理对果蔬硬度效果因果蔬而异。

2.3 风味

食品风味是吸引消费者的一个重要因素，包括甜、酸、苦、辣、咸、涩、鲜，由许多赋予食品芳香的化合物构成，这使食品的风味非常复杂。Ignat等[24]运用0～0.1575 J/m2处理苹果，发现0.1575 J/cm2PL 处理鲜切苹果的风味显著下降，低剂量PL处理后，苹果风味变化不显著；研究者还观察到高强度PL 下产生的“熟味”，在贮藏过程中消失，这可能是由于酯类和其它化学物发生的光诱导反应。Koh 等[47]研究表明，PL 处理对哈密瓜香气浓度的保持具有一定的作用，PL 处理组具有更低的呼吸速率，而且可以通过杀菌避免不良气味的形成，最终保持果香。也有研究表明，PL 结合含钙的可食用涂层可以捕获芳香化合物，延缓果蔬衰老，从而最大程度保持香气[48]。干腌火腿具有一种强烈而特别的风味，PL 处理会使火腿产生不良风味。8.4 J/cm2PL 处理干腌火腿，4 ℃和20 ℃下贮藏30 d，试味员观察到硫臭味和金属味，试味员也在4.2 J/cm2或者更高通量PL 处理的牛肉中观察到硫臭味[34]，这可能是由于PL 处理肉制品过程中产生高铁血红蛋白，促进了脂质氧化[49]。

2.4 多酚

众所周知，成熟果实中含有很多天然生物活性物质，多酚作为一种主要的抗氧化成分。果蔬中多酚含量跟收获后加工处理方式有很大关系。脉冲强光杀菌技术为保持总酚含量提供了潜在可能[50]。在成熟柿子中，不同PL 处理对于总酚含量没有显著差异。在未成熟柿子中，和对照组相比，2 J/cm2PL 处理柿子的总酚含量有显著差异，且2，6 J/cm2PL 处理使得总酚含量峰值提前，这是由于PL 处理促进原花青素合成，使得可溶性丹宁含量增加，最终多酚含量提高[51-52]；6 J/cm2PL 处理组中的总酚含量最稳定。PL 处理或将有助于降低柿子收敛性[53]。PL 处理对草莓中总酚含量没有影响。Cao 等[54]运用不同剂量PL 处理草莓，与对照组相比，3 个处理组在处理后20 d 贮藏期间，总酚含量没有显著差异，且轻微上升，在第10 天达到总酚含量的峰值。Avalos-llano 等[46]运用4～16 J/cm2PL 处理鲜切草莓，结果表明PL 处理对于总酚含量没有显著影响。

2.5 抗氧化能力

PL 处理在一定程度上能够保持甚至提高果蔬的抗氧化能力。Cao 等[54]运用不同剂量PL 处理鲜切草莓，结果表明，PL 处理不影响整个贮藏期内鲜切草莓的抗氧化能力。主成分分析表明，相比总花青素，总酚和维生素C 与抗氧化能力更相关，而16 J/cm2以下PL 对维生素C 和总酚含量没有影响，所以对鲜切草莓抗氧化能力没有影响[46]。柿子的抗氧化能力非常高，2 和6 J/cm2PL 处理显著提高了未成熟柿子的抗氧化能力，使得抗氧化能力峰值提前，这和总酚含量变化的结果相似，说明抗氧化能力和总酚含量存在一定相关性[53]。

2.6 其它成分

脉冲强光除了影响色泽、硬度、风味、多酚等，还显著影响食品中的一些重要成分，如维生素、蛋白质、酶等。PL 处理可以显著提高蘑菇中维生素D2含量，Kalaras 等[55]观察到，蘑菇经过2.373 J/cm2PL 处理后，维生素D2含量从0.005 μg/g 干重快速增加到12.6 μg/g 干重，且在低强度PL 照射下，维生素D2生成量和PL 通量符合零级动力学；9.492～14.238 J/cm2PL 范围内，随着PL 的增加维生素D2含量不断增加，质量浓度达到最大27 μg/g 干重，但不符合零级动力学。Koyyalamudi 等[56]也报道了类似的结果，在0～47.46 J/cm2PL 照射下，维生素D2、PD2、T2和L2剂量-反应曲线呈非线性函数关系。此外，PL 中的紫外光能够诱导麦角甾醇产生光异构体D2、PD2、T2和L2，这或将有助于工业生产维生素D2[57]。

脉冲强光还可以通过改变蛋白质结构，降低β-乳球蛋白抗原性及提高蛋白质溶液的发泡能力和发泡稳定性[58-59]。Innocente 等[60]运用0.26～26.25 J/cm2PL 处理生牛乳，导致94%碱性磷酸酶的失活，这是光化学效应（紫外光）和光热效应（可见光和红外光）共同作用的结果，即通过光诱导化学修饰和热损伤灭活生牛乳中的碱性磷酸酶（ALP）的活性。

脂肪氧合酶（LOX）容易引起食品酸败，PL 处理可以灭活脂肪氧合酶的活性。以初始LOX 活性为（136±10）μmol/L 共轭二烯/min 为例，96 J/cm2PL 处理可将LOX 活性降低至可忽略水平（＜1%RA），这是因为PL 处理引起氨基酸氧化及α-螺旋含量降低，而游离巯基显著增加表明蛋白质因二硫键断裂展开，最终蛋白质因疏水相互作用聚集而失活，这完全是光化学效应的结果[61]。

3 包装材料和食品接触面对脉冲强光处理效率的影响

通常来说，食品基质、微生物和处理参数是脉冲强光杀菌技术的三大要素。然而，包装材料性质也是一个不可忽视的因素。传统化学消毒会在包装材料上残留大量的化学物质，对消费者具有潜在的危害性，已经不能满足人们对于绿色安全理念的追求。而脉冲强光作为一种新型非热表面杀菌技术，具有处理成本低、绿色无残留和光谱杀菌等优点，已经广泛应用于包装食品净化。透光率是影响包装材料净化效果的一个重要参数，不透明材料和基质可能会干扰光吸收，只有避免这些材料才能实现均匀去污[62-63]。表2 研究了不同包装材料和食品接触面对食品中接种微生物的影响。

表2 不同包装材料和食品接触面对PL 处理杀菌效果的影响Table 2 The influence of different packaging materials and food contact surfaces on the PL-treated sterilizing effect

脉冲强光处理包装食品主要运用于肉类和肉类产品[7]。有研究表明，PA/PE/LDPE 的透明度很高，PL 能够轻易通过这些材料，因此它们不仅能作为食品接触材料，还可以作为食品包装材料，且对食品品质没有显著影响[38，69-70]。MET 和EP 具有较高的镜面反射率，TR 具有较高的漫反射率，且三者粗糙度较高，这都降低了PL 处理效率[67]。Kramer 等[33]运用1.2 J/cm2PL 处理羊肠衣和牛胶原蛋白肠衣的法兰克福香肠，使用PA/PE 包装袋真空包装，PL 在240～280 nm 紫外光区的透射率为50%～75%，结果表明PL 处理分别降低了无毒李斯特菌3.65 和4.75 lg（CFU/cm2）；然而，9.4 J/cm2PL 处理未包装的维也纳香肠，无毒李斯特菌仅仅降低了1.37 个对数值，这主要是因为维也纳香肠表面粗糙度更高，导致微生物分层聚集，从而产生阴影效应[64]。PE 和SS 是常见的食品接触材料，且PL 对两者处理效果非常好，都能够导致接种浓度为4 lg（CFU/cm2）的萤光假单胞菌完全失活，且PL 对PE 的处理效果更好，0.034 J/cm2PL处理就能够使得萤光假单胞菌低于检测限（0.25 CFU/cm2）[66]。

经PL 处理的食品接触材料存在潜在的安全风险。Castillo 等[71]运用HPLC-GC 联用法分析PL处理后的PP 材料，结果表明，添加巴斯夫抗氧剂Irgafos 168 的PP 材料经PL 处理后，材料中产生了大量的未知物质，且一些物质已经远远超过塑料中1 mg/kg 的阈值浓度；PP 材料本身含有大量安全性未知的低聚物、添加剂和杂质，这些材料都有可能经PL 处理后迁移到食品中，对人体造成危害。

4 结论

脉冲强光作为一种非热杀菌技术，具有热杀菌技术不可比拟的优势，在对食品进行杀菌的同时，能够最大程度保持食品品质，且没有化学物残留，是未来技术发展的方向。但是到目前为止，脉冲强光技术更多地停留在研究阶段，还没有投入到大规模的实际生产中。阻碍脉冲强光技术实现工业化的最大难题是统一的技术操作标准，由于脉冲强光试验重现性不高，所以很难制定标准。FDA 在1996年已经规定了脉冲强光的最大使用剂量为12 J/cm2。然而在目前的大多数研究中，使用剂量已经远远超出12 J/cm2，是否应该提高处理剂量标准也是需要考虑的问题。

总的来说，脉冲强光在食品杀菌保鲜方面的前景良好。虽然复杂的食品基质会降低脉冲强光的处理效果，但是脉冲强光结合其它技术会显著提高杀菌处理效果。我们还需要注意到，脉冲强光处理可能会存在食品包装材料中的化学物质迁移

到食品中的风险，微生物细胞进入“VBNC”状态干扰试验结果，脉冲强光引起食品温度上升而产生的热损伤等。为了使脉冲强光技术更好地运用于实际生产，还需要进一步对脉冲强光潜在影响进行更多的研究。