脉冲光技术对肉制品保鲜的研究进展

王志琦，赵 钟，周 辉，徐宝才，王兆明

（1.合肥工业大学 食品与生物工程学院，合肥 230601；2.安徽省尚康食品有限公司，安徽六安 237143）

0 引言

肉制品营养丰富，在生产、加工、运输和储藏过程中极易被微生物污染，导致腐败变质，从而丧失食用价值。热杀菌技术在有效杀灭食品中腐败微生物和病原菌的同时，也对食品热敏性营养成分和感官品质造成很大的影响。脉冲光（Pulsed light，PL）杀菌是一种新型非热加工技术，具有快速、高效、处理温度低、无污染等优点。1999年，PL已获得美国药品食品监督管理局（FDA）批准在食品加工、生产处理等方面的应用［1］。PL技术具有高能量（35 MW）、瞬时杀菌（10-2～10-3ms）和广光谱（200～1 100 nm）的特点［2］，与紫外系统相比，PL具有较大的输入能量，可以在非常短的时间内在食品表面产生大量的能量，但根据FDA法规，PL处理食品的能量密度不能超过12 J/cm2［3］。PL能够有效杀灭食品在加工和储存过程中所污染的有害微生物，从而达到食品延长储存和保鲜的目的［4］。本文综述了PL技术已探明的杀菌机理，以及PL对肉制品表面微生物的灭菌效果和理化性质及感官品质等的影响，为PL技术在肉制品的保鲜研究提供理论参考。

1 脉冲光作用机理研究

脉冲光是一种广谱光，其中的近红外光能辐射能量，可使细胞表面局部升温至50～150 ℃，破坏细菌细胞壁，使细胞液蒸发，破坏细胞结构，导致细菌死亡［5］。有研究结果表明脉冲形式提供能量主要表现在脉冲次数和脉冲持续时间，在达到相等总能量的情况下，脉冲提供的功率较连续光辐照功率更大，每次脉冲的持续时间更短，峰值功率更大，具有更高的渗透能力［6］。

脉冲紫外光（PL-UV）的光化学效应和光热效应在杀菌机理中起着关键作用［7］。微生物细胞中的核酸吸收大量紫外光，在PL-UV辐射条件下形成丙二嗪和甲基二嗪的同分异构体。微生物代谢功能障碍遗传和死亡。在光热效应快速、高能、强脉冲光辐射的条件下，细胞内的水可以瞬间蒸发，导致细胞壁破裂，微生物在几秒钟内死亡，且PL照射通过改变细菌DNA结构防止细菌细胞复制和分裂［8］。

2 脉冲光对肉制品的杀菌作用研究

2.1 影响脉冲光杀菌的因素

脉冲总能量是PL杀菌效果最重要的决定因素。脉冲闪光灯发出的能量与到达样品表面的能量不同，受到脉冲次数、单次脉冲能量、脉冲频率、闪照距离、传播介质的影响［9］。由于PL的光线穿透力有限，样品厚度以及处理对象成分都会影响PL的杀菌效果。

PL试验的结果会受到微生物的菌株年龄的影响［10］。FARRELL 等［11］通过研究发现，生长14 h的白色念珠菌对PL的敏感性高于培养24 h的白色念珠菌，相同的趋势也发生在生长16 h和 24 h的大肠杆菌（E.coli O157：H7）培养物。CUDEMOS等［12］同样发现荧光蜡状芽孢杆菌和酿酒酵母在静止状态时比在潜伏期或指数生长期对PL的抗性更强。微生物的吸光性也是影响PL杀菌效果的一项重要因素。主要因为PL处理过程中，一些液体中的光吸收溶质（如蛋白质等）作用，导致撞击细胞的光子数量显著减少，从而降低了 PL 杀伤微生物的效果［13］。ARTÍGUEZ 等［14］研究了 β-乳球蛋白和 β-酪蛋白对PL灭活无害李斯特菌的影响。在低蛋白浓度下（ β-乳球蛋白和 β-酪蛋白最高10 mg/mL），施加的最低通量PL（0.2 J/cm2）可导致细胞计数减少超过7 log。但是，当该菌悬浮在较高蛋白质浓度的溶液中时，需要更高的PL通量才能致使无害李斯特菌产生类似的减少。

2.2 脉冲光对肉制品的杀菌效果

GANAN等［15］在2种即食干腌肉制品（salchichon and loin）的表面，测试了PL对降低李斯特菌和鼠伤寒沙门氏菌的效果。当施加11.9 J/cm2的照射通量时，2种微生物的最大对数减少量在1.5到1.8 lg（cfu/cm2）之间，且在贮藏30 d（室温）内未出现色泽和感官上的变化。LIU等［16］采用PL-UV照射方法，对肉制品进行如下脉冲光参数的处理：脉冲能量为8 J，进行300次PL照射，有效照射距离为10 cm；紫外线照射功率6 W，有效照射距离为11 cm，照射时间为5 min。PL-UV照射后，干腌肉中细菌总数由6.89下降到4.53 lg（CFU/g），微球菌和葡萄球菌数量从6.49下降到4.10 lg（CFU/g），霉菌和酵母菌数量从5.45下降到4.28 lg（CFU/g），乳酸菌由3.97增加到4.55 lg（CFU/g），并且未检出大肠杆菌。RAJKOVIC等［17］发现PL对肉制品中李斯特菌和大肠杆菌有杀灭作用，但随着脉冲间隔时间的延长，灭菌效果变差。在对干发酵香肠表面的李斯特菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门菌和金黄色葡萄球菌采用3 J/cm2的PL-UV研究中，发现抑制作用分别为2.24，2.29，2.25，2.12 lg（CFU/g）。HIERRO 等［18］在真空包装熟火腿和博洛尼亚香肠的切片表面接种李斯特菌，用 0.7，2.1，4.2，8.4 J/cm2PL 处理，经过8.4 J/cm2PL的处理，使煮熟火腿中的李斯特菌减少了1.78 lg（cfu/cm2），博洛尼亚香肠切片中的单核增生李斯特菌减少了1.11 lg（cfu/cm2）。在作者的另一项研究中［19］，通过对牛肉和金枪鱼切片表面接种约3 lg（cfu/cm2）的李斯特菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和副溶血性弧菌，用相同强度的PL对接种后的样品进行处理，发现经过8.4，11.9 J/cm2PL的处理使选定的病原体灭活了约 1 lg（cfu/cm2），而经过 2.1，4.2 J/cm2PL 处理的样品中病原体的失活率低于1 lg（cfu/cm2）。KRAMER等［20］研究了PL对包装好的法兰克福香肠（2种不同的肠衣）、水煮火腿片和鸡肉冷切片的灭菌效果，结果表明，PL处理可以使火腿切片和鸡肉冷切块表面的弯曲乳杆菌减少约1个log单位，而法兰克福香肠切片表面减少约3～4个log单位，在贮藏过程中李斯特菌保持在减少量的水平。HAUGHTON等［21］研究了高强度光脉冲（HILP）技术（3 Hz，最大505 J/脉冲，脉冲持续时间360 µs）对鸡肉及其包装材料和表面材料的灭菌效果。经30 s HILP处理后，液体中的空肠杆菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌完全灭活。将空肠杆菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌接种到包装材料和接触表面上5 s后，观察到分别降低了3.56，4.69，4.60 lg（cfu/cm2）。HILP对空肠杆菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的抑制作用最大，分别为1.22，1.69，1.27 lg（cfu/g）。NICORESCU 等［22］以生烤猪肉（RPR）、烤猪肉（RP）和三文鱼（RS）为研究对象，研究了PL对需氧菌群和荧光假单胞菌的影响。发现在RP样品中，微生物灭活的最大值达到3.4 lg（CFU/g）。结果证明PL技术对需氧菌群和荧光假单胞菌都有灭活的潜力，但是为了达到满意的灭菌水平和产品质量，必须采用中等的PL强度。

OZER等［23］研究了PL-UV对大肠杆菌和李斯特菌对鲑鱼鱼片灭菌的效果。在输入电压为3 800 V时，灭菌系统在灯表面产生5.6 J/cm2的PL，将鱼皮或鱼肉侧接种的鲑鱼鱼片（8 cm×1.5 cm）置于培养皿中。对于大肠杆菌经过60 s PL照射后，鱼肉侧的菌落最大减少量为1.09 lg（CFU/g），而经过30 s PL照射，鱼皮侧的菌落最大减少量为0.86 lg（CFU/g）。对于李斯特菌，鱼皮侧60 s PL照射且在8 cm处的最大减少量为1.02 lg（CFU/g），而鱼肉侧60 s PL照射在8 cm处的最大减少量为0.74 lg （CFU/g）。CHEIGH 等［24］研究了 IPL（强脉冲光）对接种于固体培养基表面上的李斯特菌和对比目鱼、鲑鱼、虾片等海鲜产品的灭活作用。在固体培养基上，UV-C照射1 000 s使李斯特菌减少约4个log单位，而IPL以1.75 mJ/cm2的能量密度处理180 s（900次脉冲）使其降低了约6个log单位，处理过程中的温升（< 2.0 ℃）可以忽略不计。在海鲜产品上，同样使用1.75 J/cm2的IPL处理，分别使接种在虾、鲑鱼和比目鱼鱼片上的李斯特菌减少约2.2，1.9，1.7个log单位，透射电镜观察清楚地表明，与UV-C处理的细胞不同，IPL处理的李斯特菌的细胞壁被破坏、细胞质收缩和胞质内物质渗漏。

3 脉冲光处理对肉制品贮藏期间品质影响研究

国内外学者在研究PL对肉制品杀菌作用的同时，也评价了PL处理对肉品感官品质、脂肪氧化、pH值等品质指标的影响。

3.1 感官品质的影响

评定食品感官品质较为普遍的方法主要是感官评价，该方法能够直接发现食品感官性状的异常，甚至是食品品质的微观变化。在我国，食品感官品质评价主要由评价员通过视觉、嗅觉、味觉及触觉等对食品进行综合评价。

肉及肉制品会因腐败而发生色泽及肌肉组织结构的变化，而肌肉组织结构的变化会最终改变产品的质地。PL处理的肉制品的感官品质与肉制品的种类、脉冲次数、单次脉冲能量、脉冲频率、闪照距离和传播介质有关。FERNÁNDEZ等［25］研究了在真空包装的西班牙Serrano和伊比利亚2种干腌即食火腿切片表面接种无毒李斯特菌，使用 2.1，4.2，8.4 J/cm2PL-UV 照射。在 4 ℃和20 ℃贮藏期间，一些挥发性化合物的浓度增加，如甲氧基、二甲基二硫化物和1-辛-3-酮，这些化合物虽然在储存过程中消失，但仍有少量的硫味和金属味。KEKLIK等［26］将抗药性鼠伤寒沙门氏菌菌株接种在未包装和真空包装无骨鸡胸肉表面上，在距PL-UV室石英窗5，8，13 cm的距离处用 PL 处理 5，15，30，45，60 s。通过轻度（13 cm持续5 s）、中度（8 cm持续30 s）和极端（5 cm持续60 s）处理，发现轻度和中度处理后，颜色没有显著变化。

TOMASEVIC［27］对 4 种海鲜产品（金枪鱼、鲑鱼、比目鱼和螃蟹）分别使用1～5个光脉冲（脉冲持续时间300 µs，脉冲强度 3.4 J/cm2），以每2秒1个脉冲的速率进行处理。在采用各种IPL处理后，所有海鲜产品样本均被评定为可接受，感官评价总分值等于或大于4.6（总分值5.0）。IPL处理后气味变化最显著。PL处理降低了金枪鱼的L*（亮度值），但只有在较高强度的处理（17 J/cm2）后，a*（红度值）和b*（黄度值）与对照组没有显著差异。低剂量的脉冲光（3.4 J/cm2）对金枪鱼的颜色值没有影响，但鲑鱼样品的L*值会显著降低，而a*和b*值不受IPL处理的影响。比目鱼和蟹肉样品显示，与L*值和a*值相比，其b*值对IPL更敏感。在对2种红肉（牛肉和猪肉）、2种家禽（鸡肉和火鸡）和3种野味肉（鹿、兔和袋鼠）为样品的研究中，采用相同的试验方法。PL处理后，所有肉、禽和野味样品的气味都发生了显著变化，在研究的肉类中，只有火鸡在处理后的得分低于良好质量等级。FIGUEROA-GARCÍA 等［28］研究结果表明，IPL可以影响海鲜产品的颜色，但变化不大，这与以前的一些结果相反。在0.5～2 J/cm2的通量范围内应用IPL照射鲶鱼鱼片时，没有观察到仪器的颜色参数变化，因此认为IPL处理不会导致海鲜产品的颜色发生明显变化。

脉冲能否显著影响色泽及感官性质不仅与PL本身选择的参数有关，一定程度上还由产品的类型及性质决定。所以在保证较好杀菌效果的同时，应减少PL的处理参数，以此来保持产品的感官品质。

3.2 脂肪氧化的影响

随着肉制品贮藏时间的延长，脂肪在微生物和氧气的作用下发生氧化分解，进而影响产品品质，这是肉及肉制品品质下降的一个重要原因。硫代巴比妥酸反应物质（thiobarbituric acid reactive substances，TBARs）的值与肉类的脂肪氧化程度呈正相关，TBARs值越大，脂肪的氧化程度越髙，酸败也越严重，因此常把TBARs值作为肉及肉制品脂肪氧化的一个重要指标［29］。

FERNÁNDEZ等研究了PL对西班牙Serrano和伊比利亚2种干腌即食火腿的表面杀菌效果。在4 ℃和20 ℃贮藏期间，Serrano火腿中的过氧化物值与最初的过氧化物值相比增长了2倍；在2种温度下，发现PL未使干腌火腿的过氧化值高于正常水平。在伊比利亚火腿中，所有样品在4 ℃下储存30 d后，过氧化值仍接近初始水平。当储存在20 ℃时，对照样品和经2.1 J/cm2处理的切片也显示出接近初始值的最终值。除了8.4 J/cm2处理并保存在20 ℃的样品显示最高值，第15 d的过氧化值比初始水平高出70%～80%，在储存结束时呈轻微下降趋势。WAMBURA等［30］研究了PL-UV光照对火腿色泽、质地和脂质氧化稳定性的影响。将100 g生火腿（厚度5 mm）样品在紫外线系统中处理 60，90，120 s。另取 100 g 未处理样品作为对照。离灯中心轴的距离分别为4.5，8.3，14.6 cm。结果表明，对照组，4.5 cm/60 s，4.5 cm/90 s，4.5 cm/120 s，8.3 cm/60 s，8.3 cm/90 s，8.3 cm/120 s，14.6 cm/60 s，14.6 cm/90 s，14.6 cm/120 s的脂质氧化稳定性在贮藏14 d后分别下降了 21%，67%，53%，54%，39%，71%，75%，56%，58%，55%。随着处理时间的延长，脂质氧化稳定性降低的程度更高，但随着离灯距离的增加而降低。总的来说，样品的颜色和质地与处理时间和样品离灯的距离成反比。NICORESCU等［22］以生烤猪肉（RPR）、烤猪肉（RP）和三文鱼（RS）为研究对象，发现暴露于3，10 J/cm2PL处理的样品没有引起脂质过氧化。而暴露在30 J/cm2的RS和RP样品中，MDA含量显著增加，分别增加了39.3%和25.5%。PL处理的样品氧化过程较快，可能是热效应促进其氧化，并且氧化反应产生的过氧化物也使肉中脂质的氧化稳定性降低［31］。而在ELMNASSER等［32］研究PL处理对牛奶蛋白质组分的影响过程中发现了PL并不能引起脂质的氧化，这也许是由于PL处理的对象是液体的缘故。

3.3 pH值变化

pH值是影响肉制品中细菌繁殖的一个较为重要的因素。在肉制品的贮藏过程中，食品的pH值主要变化发生在两方面：（1）蛋白质被分解成氨基酸，导致产品pH值下降；（2）碳水化合物被微生物分解，生成有机酸，导致产品pH值下降［33］。因此对pH值控制在预防肉制品腐败变质方面具有重要意义。

LIU等［16］采用PL-UV照射对干腌肉处理，在30 d贮藏期间，4组干腌肉样品的pH值均呈上升趋势，这是因为肉蛋白分解成碱性氨和有机碱等胺类化合物，促进了细菌的繁殖。PL-UV处理后的pH值为6.03±0.005，贮藏5 d后的pH值为6.10±0.01，但PL-UV照射抑制了肉制品的肉蛋白分解，最后测得的pH值低于对照组。董飒爽［34］以冷却分割鸡胸肉为研究对象进行PL杀菌处理，以pH值作为技术指标的一部分，发现在脉冲能量为300～500 J时，pH值无显著变化，在脉冲距离为9～15 cm时，pH值随着脉冲距离的增大而增大，且脉冲时间对pH值的影响很小。

4 展望

脉冲光技术作为一种绿色低温杀菌技术，对肉制品品质相比其他加工方式而言影响很小。PL技术比传统的杀菌方法具有突出优势，但是要将其商业化仍然存在一些问题需要研究和解决。PL技术对平整的固体表面及透明液体具有较好的杀菌效果；由于存在遮光效应和光的折射、反射、散射等的作用，PL在凹凸不平的肉制品表面会降低杀菌效果；PL作为电磁波，渗透力有限，肉制品的厚度也会影响灭菌效果。

相信随着研究的深入和科学技术的不断进步，脉冲光在肉制品工业中的应用会得到更多的关注。未来可充分发挥PL与其他食品杀菌方式（如超高压处理［35］、低温等离子体处理［36］、热处理［37］、声热处理［38］、超声波处理等）的互补优势，并且可以同食品包装方法如使用纳米包装材料相结合［39］，开发更为有效的肉制品杀菌方法，推动对PL技术的深度开发和广泛利用。