鲜切果蔬物理杀菌技术研究进展

张洋洋，刘 聪，王嘉一

（邵阳学院食品与化学工程学院，湖南邵阳 422000）

蔬菜水果是维生素、矿物质、纤维素的重要来源，除一些个例外（如番茄热处理后抗氧化活性会得到提高[1]），大部分果蔬经过热处理后会产生营养损失，故有些蔬菜生食营养价值更高。作为生食果蔬的一种产品形式，鲜切是以新鲜果蔬为原料，经清洗、去皮、修整、包装等过程而制成的果蔬制品，亦分为半加工果蔬（partial processing）、轻度加工果蔬（light processing）和最小加工果蔬（minimal processing）[2]。鲜切产业起源于20 世纪50年代的美国，80 年代后在加拿大、欧洲和日本等发达国家逐渐兴起。随着我国中央厨房、健身、连锁快餐等产业的蓬勃发展以及现代生活节奏的加快，人们对开盒即用即食的鲜切果蔬的需求日益旺盛。虽然鲜切产品具有方便、快捷、卫生等优点，但由于切割造成了机械损伤，流出的汁液为致腐致病微生物的加速繁殖提供了有利条件，使其易感染致病菌[3]；而一旦有致病菌感染，其高致死率造成巨大的安全隐患。仅在2011 年，食源性致病菌导致美国产生940 万病例，其中55 961 人住院治疗，1351 人死亡[4]。在美国和欧洲暴发的食源性疾病中有39.5%和42.6%是由消费新鲜农产品引起的[5]。美国CDC 最近的一项报告显示，在2018—2020 年期间，共有539 起大肠杆菌O157：H7 感染事件，其中489 起是由于摄入即食蔬菜引起的[6]。这一情况在发展中国家更为严峻，在巴西的一项调查显示，市场上53.1%的即食蔬菜被大肠杆菌所污染，被单增李斯特和沙门氏菌污染的比例分别为3.7%和1.2%[7]。在卢旺达，有15%的农产品被致病菌所污染，其中大肠杆菌占比最大，达到6.1%[8]。因此，采取适宜的技术手段，在对果蔬品质破坏最小化的前提下，使杀菌效率最大化是鲜切果蔬产业需要解决的主要问题。

物理、化学、生物杀菌手段近年来被广泛研究与应用。其中物理杀菌技术具有无残留、无耗材、杀菌效果好的特点。本文从基本原理、应用和优缺点三个方面，对物理技术进行了综述，以期为净菜加工和食品安全研究提供理论参考。

1 物理杀菌技术

1.1 热处理

热处理通过使微生物蛋白质、核酸和活性物质失去活性来实现杀菌作用。短时高温漂烫温度一般控制在85～100 ℃，时间根据漂烫对象而定，一般不会超过1 min，对沙拉混合菜上大肠菌群灭杀值一般不会超过1 log CFU/g，对鲜切苹果上大肠杆菌O157：H7 的灭杀值大于5 log CFU/g[9]。经过短时高温漂烫的蔬菜，其PPO 酶和木质素酶可被钝化，控制了鲜切胡萝卜变色[10]。该技术缺陷在于蔬菜营养素会因为热处理造成热降解、热弥散及浸出。热冲击通常处理温度在45～70℃，处理时间小于5min。

相关资料显示，热处理技术能够钝化多酚氧化酶，抑制褐变，特别是在50～60 ℃时，对鲜切生菜褐变具有良好的抑制作用[11]。但该技术温度较低，不能完全灭活微生物，往往需要与其他杀菌手段联合使用。

1.2 放射线技术

伽马射线、X 射线和电子束在作用时能够电离产生电离子，被统称为电离辐射。电离辐射不会造成残留，也不会产生热量，因此对鲜切果蔬的损伤较小。放射线杀菌机理主要通过电离产生的自由基和离子直接破坏微生物的DNA 结构[12-13]。在可控条件下，伽马射线是一种安全系数高、环境友好型技术，能有效杀灭昆虫和致病菌，在对新鲜农产品处理时，FDA 批准伽马射线最高使用剂量为1 kGy[14-15]。

Han 等[16]使用1 kGy 伽马射线处理鲜切青椒和胡萝卜块，分别能够灭杀单增李斯特菌4、5 log CFU/g。西红柿、西蓝花、卷心菜上的单增李斯特菌能被灭活4.14～5.25 log CFU/g。Foley 等[15]研究发现，0.35 kGy 能够灭杀鲜切生菜上的菌落总数达1.5 log CFU/g，如果加大剂量到0.8 kGy 以上时，鲜切生菜质量将受到负面影响。耿亚娟等[17]通过实验得出，伽马射线还可延缓农产品发芽和后熟，进而延长农产品货架期。如0.03～0.15 kGy 伽马射线能够抑制生菜心、土豆、洋葱、姜和大蒜发芽。由于该技术杀菌效率适中，设备成本较高，限制了其实际应用。

1.3 紫外线照射

紫外线杀菌技术是一种非电离辐射技术，已经成功应用在各行业，应用历史悠久[17]。在采取适当防护措施的前提下，紫外照射技术被认为是一种环境友好、无残留、无毒、低成本的杀菌处理技术。紫外波长范围为200～400 nm，在此区间内共分为三类：320～400 nm 为UV-A，280～320nm为UV-B，200～280nm为UV-C[18]。在260～265 nm 时，杀菌效果最好，因为在此区间内DNA 拥有最大吸收峰。紫外照射杀菌主要通过直接作用微生物DNA双链上的嘧啶和嘌呤核苷酸碱基对，但由于嘌呤对紫外吸收强度是嘧啶的10 倍，嘌呤光解后形成的DNA 光解产物（主要为环丁烷嘧啶二聚体和嘧啶6-4 嘧啶酮）能够抑制细菌DNA 转录和复制，最后导致细胞死亡。微生物在一些特定情况下会通过DNA 修复抵抗紫外杀菌作用，如在紫外处理之前经历的热、酸、渗透压和饥饿等逆境胁迫[19]。

鲜切苹果经紫外处理后，菌落总数在贮藏过程中要比对照组低1～2 logCFU/g[20]。Bermúdez-Aguirre[21]利用紫外处理西红柿表面的大肠杆菌，发现UV-C 能够减少2.7 log CFU/g，灭杀效果强于其他表面相对不光滑的农作物，如生菜和胡萝卜等。Martínez-Hernández 等[22]利用UV-C 对鲜切西兰花上大肠杆菌、沙门氏菌和单增李斯特菌进行杀菌处理，并对其杀菌动力学进行拟合，发现在贮藏过程中紫外处理组中致病菌数量显著低于对照组。同时发现灭活三种致病菌所需要的紫外剂量相差极大，灭活1 log 的大肠杆菌、沙门氏菌和单增李斯特菌分别需要1.07、0.02、9.26 kJ/m2，说明与其他致病菌相比，单增李斯特菌对紫外处理具有很强的抗性。最近的一项研究表明，光敏剂姜黄素与UV 组合对西红柿和菠菜上大肠杆菌具有协同杀菌作用[23]。

UV-C 处理还能够提升果蔬感官品质。鲜切苹果经过UV-C 处理后褐变能够被显著抑制[24-25]。经过12 d 冷藏的鲜切青椒，UV-C 处理能够延缓果胶降解，使处理组样品的硬度比对照组高50%[26]。经UV-C 处理的鲜切杨桃，褐变得到显著抑制，并且依然能够保持新鲜的感官品质[27]。经UV-C 处理后的菠萝，硬度高于对照组，同时减缓了糖还原速率[28]。鲜切绿圆葱经UV-C 的处理后色泽能得到很好的保持[29]。很多研究表明紫外处理是通过抑制多酚氧化酶来抑制褐变，杀灭微生物来提高鲜切产品品质；另一项研究表明，紫外处理能够诱导鲜切苹果表面形成一层干薄的保护膜，阻止微生物附着而继续增殖，同时减缓失水[30]。过大剂量的UV 处理也会导致农产品品质劣变，如对鲜切苹果处理剂量超过1.2 kJ/m2，将会导致切面细胞失水，发生氧化现象[30]；鲜切圆葱的电解质泄露率和失重率也会随处理剂量的加大而增加[29]。

紫外技术的另一大优点在于能够诱导组织中营养物质的积累。为了应对紫外照射，细胞中线粒体会应激产生活性氧，在活性氧诱导下，细胞会加快抗氧化物质的合成[31]。一项研究表明UV-C 能够诱导蓝莓中多酚含量的提高，并且当强度超过2.15 kJ/m2后，多酚含量不会再增加，其中槲皮素-3-半乳糖苷升高最为显著，是对照组的2 倍。这种诱导效应在刚刚处理后效果最为明显，随着处理后时间的推移，这种效应将会逐渐减弱[32]。最近的研究表明紫外与臭氧结合能够起到叠加作用，诱导果蔬抗氧化活性的提高[33-34]。

1.4 脉冲强光

脉冲强光是一种利用惰性气体（主要是氙气）的照射技术，由于光谱范围广（从紫外到近红外波段；100～1 100 nm），其杀菌作用主要依赖于紫外波段，故其杀菌机理与紫外类似，都是通过DNA 的光解作用，抑制微生物转录来实现杀菌作用[35]。该技术在流体食物杀菌（如果汁和牛奶）上的应用较为广泛，近年来在果蔬杀菌领域中的应用也引起关注[36]。Ramos-Villarroel 等[37]利用12 J/cm2强度的脉冲强光对鲜切蘑菇进行处理，能使大肠杆菌和单增李斯特菌分别减少2、3 log CFU/g，但是硬度和L*值却显著低于对照组。该组研究人员使用相同强度的脉冲强光处理鲜切西瓜，发现能够使大肠杆菌减少量超过3 log CFU/g，使单增李斯特菌减少2.7 log CFU/g，但对颜色、质地和风味物质造成负面影响[38]。脉冲强光技术对菌落总数的灭杀效果有限，Aguiló-Aguayo 等[39]发现脉冲强光能够使鳄梨菌落总数减少1.2 log CFU/g。4 J/cm2强度的脉冲强光仅能使番茄菌落总数减少1 log CFU/g，而接种的酿酒酵母在2.2 J/cm2的强度下能够减少2.3 log CFU/g，但在贮藏3 d 后，失重率高于对照组并且伴有软化和表皮褶皱现象出现[40]。可见，该技术会对果蔬品质造成一定负面影响，这可能是因为其光谱较宽，除被细菌吸收外，部分也会被食品物料所吸收，导致品质劣变[40]。

1.5 低温等离子体

低温等离子体技术主要通过气体激发生成的等离子来实现杀菌作用，其气体源主要为空气、氧气、氮气以及稀有混合气体（氦气、氩气和氖气）[41]，这些气体可以在激光、微波、射频、磁场以及电击下，被激发成为一种包含正负离子、自由电子、激发和非激发态分子的准中性气体，亦称等离子体，是一种除固态、液态和气态以外的第四种物质形态。这些激发态离子会与细菌细胞膜作用，同时这些激发态离子在重新组合的过程中释放的能量以紫外光的形式作用细菌DNA，双重作用实现杀菌[42]。Fernandez 等[41]研究发现低温等离子体技术处理15 min后，生菜上的沙门氏菌减少2.72 log CFU/g，草莓上减少1.76 log CFU/g，土豆上减少0.94 log CFU/g。随后的电镜分析表明，等离子体技术杀菌效果与所处理物料的表面结构有很大关系。Bermúdez-Aguirre 等[43]对番茄、胡萝卜和生菜进行等离子体处理，发现由于表面光滑，番茄上的大肠杆菌更容易被灭活，但是即使延长到最大处理时间（10 min），大肠杆菌的减少数量也仅为1.6 log CFU/g。而Ziuzina 等[44]发现延长等离子体处理时间，会增加其对表面结构复杂农产品的杀菌效率，对于表面光滑的番茄，处理10、60、120 s 就能分别将沙门氏菌、大肠杆菌和单增李斯特菌灭杀到无法检出的状态；而对于草莓来说，处理300 s 能够使上述三种致病菌分别减少3.8、3.5、4.2 log CFU/g。可见，等离子体技术的杀菌效率受农产品表面结构的影响很大。Perni 等[45]认为这主要是由于致病菌从切口由外向里内化所引起的。而等离子体杀菌效率还与侵染微生物的数量有关。Fernandez 等[46]对比了等离子体与热处理的杀菌效率，发现初始沙门氏菌的数量越少，等离子体效率越高，而当加大菌数量后，杀菌效率下降，通过显微镜形态及D值观察发现当细菌数量多时，覆盖在上层的菌死亡后会为下一层活体细胞提供屏障和保护，降低了等离子体杀菌效率。

低温等离子体设备目前还较昂贵，尚处在理论研究阶段，还无法对大批量果蔬进行杀菌处理。此外，介质阻挡等离子体技术能够对包装内果蔬进行消毒，且能够与清洗消毒技术联合使用，但该技术控制不当容易将塑料包装击穿并且对叶菜品质破坏较为明显，处理参数（如输入电压、脉冲频率和处理时间等）还有待于进一步优化和探究。

2 展望

果蔬属于环境样本，其表面微生物多样性会随季节、产地及运输条件发生显著性变化。杀菌会改变鲜切蔬菜微生物多样性，相应地，随批次和季节的变换，每批果蔬在杀菌后微生物多样性变化也会出现差异。近几年，农业生产集中化趋势愈发明显，以个体为主的分散式农作物种植模式将逐步被取代，其优势主要在于施肥及管理更加科学和有规律。果蔬微生物多样性的采前差异将逐渐缩小。此外，政府对智能物流建设的大力支持，也将缩小运输环节果蔬微生物多样性的差异。因此，可选择一特定优势作物产区及主要消费城市为示范区，将产地、运输、净菜加工及超市货架等环节进行串联，对各环节微生物多样性进行监控，收集3～5 年的数据，以大数据思维，掌握宏观变化规律，进而指导净菜加工。

未来物理杀菌技术有望将现有物理杀菌技术进行组合，从降低处理时间、提高杀菌效率的角度出发，探索新颖的栅栏技术。此外，现有物理杀菌技术都为一次杀菌行为，无法在处理后（如运输和货架期）对果蔬表面微生物进行控制，未来研究也可将物理杀菌技术与气调包装、噬菌体技术和涂膜等技术联合使用，对果蔬微生物实现包装前和包装后的连续化控制。