脉冲强光杀菌技术在饮料包装领域的应用研究

陆健锋 周卫林 杨亚军

安全是消费者选择食品的第一要素，传统的热杀菌给食品带来了很高的安全系数，但也破坏了其中的营养成分，因此，脉冲强光、超高压技术、电子束、脉冲电场等“冷”杀菌技术引起了越来越多的关注。早在2014年，江苏新美星包装机械股份有限公司就创新研发出国内第一代电子束灭菌（EDS）设备，并投入商业化运行，成为中国第一家、全球第二家将EDS 技术成功应用到PET瓶装饮品的液体包装解决方案供应商。时至今日，新美星可以为海内外客户提供各种安全、高效、节能、环保、经济的杀菌技术，降低能源消耗，更好地保护了生态环境。本文主要介绍脉冲强光在饮料包装材料上的杀菌成效，与业界同仁共享、共勉，共同推动行业技术的升级迭代。

1 介绍

脉冲强光是一种能在极短时间内（数十至数百微秒），以光辐射形式释放出高能量，由此产生极高峰值功率的光能[1]。其特点在于：

（1）在短时间内突变，又迅速返回初始值的脉冲过程。

（2）与UV杀菌相比，具有更宽泛的光谱。

（3）能量高，光强度相当于地表太阳光强度的数千乃至数万倍。

（4）灯管内充填物是无污染的惰性气体— 氙气。

脉冲强光灯输出的光谱取决于电流密度，当电流密度从几十A/cm2增加到几千A/cm2，紫外光谱强度比红外光谱增加得快，在低电流密度时，色温为5000K，而在高电流密度下达10000K。通常脉冲强光灯效率为60%，也就是说输入电能的60%能够转换成200 ～1000nm 的光能[2]。脉冲强光灯效率与充入气体的压强、电流密度和电路设计有关，电流密度增加, 其总效率会增加,充入气体压强增加, 总效率也会增加，直到饱和点。脉冲强光灯将电能转化为光能时会有热能的释放，因此需要对释放的热能进行合理冷却。脉冲强光灯的冷却系统分为自然冷却、强迫空冷以及水冷。

脉冲强光的杀菌机理分为三方面。

首先是光化学作用。紫外线照射微生物时，核酸物质(DNA、RNA)中的胸腺嘧啶、胞嘧啶之间将会发生光化学反应，生成CPD 或PP 二聚物，使微生物核酸物质受损，阻碍DNA 复制与转录而造成细胞死亡，并可能引起细胞变异。除紫外光谱段，其他光谱段起到协同杀菌作用[3]。

其次是光热学作用。当每平方厘米面积上的峰值功率达到103W 以上时，在物体表面或水中的微生物将被加热到＞100℃，因时间极短，微生物无法正常降温，导致细胞内水分汽化，形成小的蒸汽流，撑破细胞膜而死亡。

最后是脉冲作用。脉冲强光的瞬时冲击导致微生物的细胞壁和其他细胞成分的损坏，抑制或破坏酶的活性，从而对细菌产生致死作用。1996 年美国食品药品管理局(FDA)批准脉冲光在食品消毒领域的应用[4]。

G. Pataro 等[5]人使用脉冲强光技术对苹果汁、橙汁进行杀菌试验，结果发现4J/cm2处理后，苹果汁和橙汁中的大肠杆菌下降4Log 和2.9Log，李斯特菌分别下降2.98Log 和0.93Log，同时检测到两种细菌菌株存在细胞损伤，从而证实膜损伤是脉冲强光灭活细菌的重要原因。脉冲强光技术应用于大枣、枸杞、干果、槟榔、蔬菜水果[6]保鲜等各类固体物料表面的连续杀菌处理，也应用于乳品、饮料、医药等行业的包装材料表面在线杀菌。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

材 料： PET 片（2.5×2.5cm） PET 瓶坯 PET 空瓶（380mL） HDPE 瓶盖（28 口）

指示菌：萎缩芽孢杆菌ATCC9372 中国工业微生物菌种保藏管理中心

培养基：大豆酪蛋白消化物培养基 青岛高科技工业园海博生物技术有限公司

氯化钠：分析纯 国药集团化学试剂有限公司

吐温20：分析纯 国药集团化学试剂有限公司

无菌取样袋：EPR-3070 EPR - 4590 EPR -7012 Labplas 公司

脉冲强光装置：PE50-C 上海帕乇真空技术有限公司

电热式压力蒸汽灭菌器：XFH-50CA 浙江新丰医疗器械有限公司

超净工作台：SW-CJ-1D 苏州净化设备有限公司

隔水式电热恒温培养箱：GNP-9160BS-Ⅲ 上海新苗医疗器械制造有限公司

电热恒温鼓风干燥箱：101-A 上海尚仪仪器设备有限公司

2.2 试验方法

2.2.1 样品准备与接种

（1）PET片、瓶坯、空瓶、瓶盖使用75%的酒精浸泡30min，再使用无菌水冲洗后放置于50℃烘箱中进行干燥。

（2）配置107CFU/mL菌悬液，将100μL的菌液接种于PET片表面。

（3）配置105CFU/mL菌悬液，将10μL的菌液接种于瓶坯底部、瓶坯内侧壁。

（4）配置105CFU/mL菌悬液，将10μL的菌液接种于空瓶的瓶口、瓶颈、瓶身、瓶底、瓶底边缘。

（5）配置105CFU/mL菌悬液，将100μL的菌液接种于瓶盖底部、侧壁。

2.2.2 样品杀菌与处理

（1）将PET片置于脉冲强光灯，开启设备，分别经1、 2、 3、 4、 5、 6 、7次脉冲照射。

（2）将瓶坯置于脉冲强光灯，开启设备，经3次脉冲照射。

（3）将空瓶置于脉冲强光灯，开启设备，瓶口经3次脉冲照射，其余经6次脉冲照射。

（4）将瓶盖置于脉冲强光灯，开启设备，经3次脉冲照射。

（5）上述灭菌后的样品用100mL洗脱液在无菌袋中洗脱，分别稀释不同梯度后，涂布到平板上，经培养后形成肉眼可见的菌落，采用平面菌落计数法

进行统计。

2.2.3 数据计算

杀菌效率SE=Log(N0杀菌前菌落数)-Log(N 杀菌后菌落数)

3 结果与分析

3.1 脉冲强光在PET 表面的杀菌效率

脉冲强光的杀菌效率与照射距离、照射次数、细菌种类、物体表面粗糙度、照射角度等因素相关，通常情况下，菌种对脉冲强光敏感性排序如下：革兰氏阴性菌＞革兰氏阳性菌＞真菌孢子＞细菌孢子，并且真菌孢子的颜色在抵抗脉冲强光杀菌过程中可以起到保护作用，这是因为细胞壁中存在深色颜料（比如黑色）吸收了更多的UV-C 光，从而保护DNA 免受紫外线照射引起的损伤[7]。本实验选用萎缩芽孢杆菌作为测试菌种。脉冲强光的穿透率比较低，指示菌的接种方法会影响测试结果的准确性。McDonald 等人用2μL 萎缩芽孢杆菌悬浮液进行点接种，菌悬液每滴浓度为101至106cfu。测试结果表明，当每滴浓度＞105cfu 时，脉冲强光杀菌效率发生改变[8]。这是因为高浓度的菌悬液在干燥之后形成菌族，上面一层的菌对下层的菌起到了保护作用，因此本实验接种后不会采用自然干燥，这样有利于提高杀菌效果。在实际应用中，灭菌前可以增加水冲洗步骤，有效去除包装容器内的异物。如果被消毒物体的表面粗糙度过高，光线不会发生反射，并且细菌有可能隐藏在阴影处，从而导致杀菌效率下降。

如图1 所示，在同等距离条件下，增加脉冲次数，当剂量增加到4.09 J/cm2，对PET 表面的杀菌效率可以达到6.26 Log，因此设备研发过程中，如果受距离限制，可以通过增加脉冲次数来提高杀菌效率。

3.2 脉冲强光在瓶坯内表面的杀菌效率

如图2 所示，瓶坯放置于脉冲强光灯下方5cm 处，经3 次脉冲强光照射，TS1（瓶坯内侧壁）杀菌效率为0.03±0.01 Log，TS2（瓶坯内底部）杀菌效率为0.07±0.02 Log。由于瓶坯形状狭长，没有足够的光线进入瓶坯内部，导致TS1 和TS2 杀菌强度很弱。TS2 垂直于光线，虽然比TS1 距离光源更远，但杀菌强度更大，说明杀菌效果与照射角度也有关系。如果只是把光源放置于瓶坯上方，对瓶坯内部很难起到杀菌作用，因此需要借助一些辅助光学工具，如反射板、透镜等来优化光的线路，从而达到理想的杀菌强度。

图2

3.3 脉冲强光在空瓶内表面的杀菌效率

如图3 所示，空瓶放置于脉冲强光灯下方5cm 处，TS1（瓶口内壁）经3 次脉冲强光照射，TS2（瓶颈内壁）、TS3（瓶身内壁）、TS4（瓶内底部）、TS5（瓶内底边缘）经6 次脉冲强光照射。TS1 杀菌效率为2.55±0.05 Log，TS2、TS3、TS4、TS5 杀菌效率为0 Log。结果表明，光源放置于空瓶上方对空瓶内部（除瓶口外）没有杀菌效果，这是因为从瓶口进入瓶内的光线很少，不足以提供足够的能量杀灭细菌，需要优化光源设计，比如使用棒状灯管，伸入空瓶内部进行发光杀菌。

图3

3.4 脉冲强光在瓶盖内表面的杀菌效率

如图4 所示，瓶盖放置于脉冲强光灯下方5cm 处，经3 次脉冲强光照射，TS1（瓶盖内底部）杀菌效率为3.46±0.05 Log，TS2（瓶盖内侧壁）杀菌效率为1.98±0.05 Log。TS1 照射角度优于TS2，因此TS1 杀菌效果比TS2好。从光线传播角度分析，瓶盖很多地方是无法照射到的，这些地方被称为“阴影”[9]，比如防盗环里面、螺纹L 角，这些地方都是杀菌“死角”。某种情况下脉冲强光对于瓶盖可以达到6log 的杀菌强度，但这不代表可以达到无菌状态，需要进行更多优化才能满足无菌要求。

图4

4 结论

脉冲强光是一项快速并且对环境友好的杀菌技术，目前应用到水处理、空气杀菌、食品加工、制药、农副产品等众多领域，经过合理的结构设计优化，在饮料包装材料消毒灭菌领域一定会取得理想的杀菌效果。