脉冲光杀菌新技术在食品及包装中的应用

’ - 广州食品工业科技Guarlgzhou Fb。d sc1衄ce and rechn0lqgy ．15 No,2(总5{) 55 脉 冲光杀菌新技术在食品及包装 中的应用 一 一r ? 、 素梅 ’ (无锡轻工大学食品学院江苏214036) 了 摘 要 脉冲光是一高强度 、宽光谱的白色闪光，用于包装 及各种食品的杀菌 ．可显著延长产品货架期， 是一 塞 、 { 。食品 靠嘏度 关键词脉冲光、I微生物包装食品 x／、 Abstract Pulsed一 ht is a hJga—intensity and broad—spectrtnm white flash，kiiilng micrcorganisrns with t,his technology-onf,xd and packaging could significantly extendthe shelflife of products．It’s a】1 effective．eoon~rnica]．safe and new sterilization method Key Dn出 Pulsed—light，Microorganism，Fm,d，Packaging 九十年代初 ，美国圣地亚哥纯脉冲技术研 究所推出了一项有望取代传统的物理和化学杀 菌手段的专利新技术 ，它利用瞬时、高强度的脉 冲光能量，可有效杀灭暴露在食品和包装材料 面的包括细菌、霉菌、孢子、病毒 、原生质、休 眠孢子等在内的各类微生物以及食 品中的内源 酶。这种商品名为”纯亮”的脉 冲光杀菌新技术 在食品、医药及包装材料上 的应用已获得 FDA 的批 准。 1 脉冲光技术简介 1．1 脉冲光的产生 脉冲光的产生需要两部分装置来完成 ，其 一 是具有功率放大作用的能量贮存器，它能够 在相对较长的时间内(几分之一秒 )积蓄电能， 而后在短时间内(微秒或毫秒级)将该能量释放 作功，这样在每一工作循环内就会产生相 当高 的功率(而实际消耗平均功率并不高)，从而起 到功率放大的作用；另外还有一光电转换系统 ， 将产生 的脉冲能量贮存在惰性气 体氤(xe)灯 中，由电离作用即可产生高强度的瞬时脉冲光。 脉冲光是一宽光谱 白色闪光 ，波长范围从 远紫外 (200—30Ohm)、近紫外 (300—38Ohm)、 可 见 光 (380—780 rm~)到 远 红 外 (780— 1lOOnm)，谱带的分配与太 阳光相似，见图 l，但 每一脉冲闪光强 度约是海 平面处太 阳光强度 (包括被大气层滤掉的某些紫外 线)的 20，000 倍 ，发射峰值集中在 400—500nm。脉冲光因处 于长波范围，不会引起小分子化合物的电离，在 电磁光谱 中属于”非电离”部分。脉冲光能量的 大小由每单位照射面积上光的流量或入射光能 量 来衡量，单位为J／crn2。 0 6 芒 0 0 200 400 600 800 1000 波 长 (nm) 图 l 。纯亮”脉冲光与太阳光的比较 l 2 脉冲光的杀菌效果 脉冲光中的紫外部分已证实有很好的生物 作用，这部分波长下光的杀菌作用主要是通过 蛋白质和核酸中高度共轭的碳碳双键的吸收引 起的。一盏氙灯每秒钟可产生几十次闪光，而 一 到几次闪光便可达到很高的杀菌效率。在模 拟包装环境的琼脂平板杀菌实验中，接种 了七个 1O倍浓差的金黄色葡萄球菌(StaphyIo。 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 广州食 品工业科技 Guemgzhou Fct~d Science and T~h+togy vol 15 No 2(总 57) OC~CUS au~us)平板，适当条件下培养后 ，未经杀 菌处理的对照平板上几乎每一接种量均形成了 大片菌落 (1cm )，而经两次流量为 0．75J／cn12 的脉冲光照射后的平板上均未长出菌落，即总 处理 量仅 为 1．5J／c 的 脉 冲 光 即可 杀 灭 lO7CFU／cm2(CFU：菌落形成单位 )的金黄色 葡萄球菌。大 量实验表明，4～6J／cm2的几次 闪光可杀 死 的 细菌 或 霉菌 孢 子数 为 l0 ～ lOsCFU／crn2，营养细胞数(10 CFU／cm2．。 对于食品体系中常见的危害人体健康的病 原菌：革兰氏阳性李斯特单胞菌【Listeria morlo— cytogenes)、革兰氏阴性 0—157大肠杆菌(Es— cherichoa coli 0—157：I-I7)等脉冲光表现出了 显著的杀菌效果 ，0．5～lJ／c 的闪光一次即 可使 10 CFU／cm2的上述病原菌全部致死 ；kl／ m ，闪光数次杀菌量高达 10 ～to9CFU／c ．。 脉冲光的高杀菌率还表现在对一些传统杀菌手 段很难处理的抗性微生物亦有 良好的杀灭性 ， 如抗 电 离 辐 射 的 短 小 芽 孢 杆 菌 (Bacillus Pumilus)芽孢，抗碱 、强氧化剂及热的枯草芽孢 杆菌(B．subtilus)黑色变形球状芽孢，抗蒸汽加 热的嗜热脂肪芽孢杆菌(B．stearothem~ophilus) 孢子，抗紫外线的黑曲霉 (Aspergillus niger)孢 子，在分别接种量为 l0 的情况下，经脉冲闳光 处理 10次，8o个样品中无一活菌存在，而未处 理样中菌数却有增无减。 与传统的非脉冲或连续波长紫外线的杀菌 效果作一比较，见图 2。对黑曲霉孢子，紫外杀 菌的特征动力学曲线有如下特点 ：①为双阶段 杀菌曲线；②初始杀菌效率高；③经过 l0 ～10 菌数的减少后 ，有”拖尾”现象，再延长照射时间 杀菌效果也不显著。相比之下，在不到一秒内 的几次脉冲闪光处理后 ，黑曲霉孢子数锐减 了 l0 。另与其它物理或化学杀菌方法相 比，脉 冲 光不象过氧化氢会产生化学残留；不象加热杀 菌对产品的感观品质及营养价值有不良影响； 亦不会产生电离辐射。 脉冲光杀菌装置简单，在产品或包装上方 安装一系列有灯罩的氙灯即可 ；或直接将灯安 装在生产线上以实现连续定位操作，因此说脉 冲光非常适合生产线的杀菌。 图2 比较脉冲光与传统高强度紫外光的杀菌效果 注：实线 ：脉冲光；虚线：紫外光 2 脉冲光在实际生产 中的应用 2．1 在包装材料上的应用 对于透光性好的包装材料，内部产品可直 接透过包装来杀菌。许多非苯塑料如聚乙烯 、 聚丙烯、尼龙、EVA、EVOH等均具有 良好 的透 过脉冲光的性质，但 一些聚芳烃塑料象 PET、 PC、PS、Pvc等 因不具备好的透光性 ，不能进 行产 品的直接处理 。“纯脉冲”研究所上属食品 公司与一些国际性食 品包装和机械公司(如利 乐拉伐等 )曾合作检验“纯亮”的可靠性 ，得到的 结果是令人满意的，脉 冲光有望取代过氧过氢 成为包装材料的主要杀菌手段 。93年”纯亮” 在欧洲进行了二级试验，已经有食品公司在无 菌牛奶 、饮料生产线上应用这一包装杀菌工艺。 2 2 在食品中的应用 脉冲光在食 品中的应用已得到 FDA的批 准，在论证脉冲光处理食品的安全可靠性方面， 针对食品中的化学成分(包括营养成分)及微生 物菌群的变化做了大量试验，得出的结论是：脉 冲光技术可有效减少食品表面的微生物数量； 经脉冲光处理的食品与未处理的相比，化学成 分和营养特性没有变化。在 CFR修正案中，规 定出了食品中允许使用的脉 冲光最大流量为 12j／c 。脉冲光应用于食品中总的益处有 ：延 长产品货架期、降低病原菌的危害以及提高经 济效益等 具体应用如下： 2．2．1 焙烤制品 焙烤制品处于烤炉条件下，一般的微生物 维普资讯 http://www.cqvip.com 广州食品工业科技 Gmngzhou Food Science and hml(牺r vol 15 No 2(总 57) 57 均不能生存(热稳定性的芽孢属孢子除外)，但 是在烤后冷却 、切片和包装过程中会有二次污 染 ，使得产品在贮存过程中出现霉变现象，脉冲 光的处理可有效缓解此情况。由两个聚乙烯袋 包装的切片面包试验，未经处理的样品在室温 下存放 5～7天即有霉菌生长，11天后霉变现 象相当严重 ；而透过包装袋经脉冲光处理过的 样品室温下放置 l1天 以上仍无霉变迹象。表 1是皮萨饼经脉冲光处理的与空白样品的贮存 对照试验 ，7℃下暴露在环境中存放的皮萨饼 ， 未经脉冲光处理的样品 20天后有 30％出现肉 跟可见的霉斑，而处理样品仍完好；30天后，前 者有 8O％以上长霉，而后者仅 2％ 类似的结 果从棍子面包、纸托蛋糕、百吉圈等焙烤制品的 贮存试验中也反映出来。 表 L 7％7环境下贮存的皮萨饼受霉菌污染情况(％】 2．2．2 海产 品 虾经脉冲光处理后，在冰箱 中保存 7天仍 可食用 ，而未经处理的虾则出现被微生物大量 降解、变色、有腐 败臭味等变质现象，失去食用 性。经脉冲光处理过的鱼片则不论从微生物角 度还是感官质量方面均得以改善。 2 2．3 肉制品 大批量试验均显示脉冲光确可加强肉制品 的贷架期和安全性。营养与化学成分分析亦发 现处理与未处理样品之间无差别，所测成分包 括：蛋白质、V 亚硝胺 、苯并芘和 Vc、V 很容 易吸收可见光 ，对光、热及氧化敏感，但对牛肉、 鸡肉和鱼 肉的研究表明，即便是过量的脉冲光 也未影响到 VB2的含量。脉冲光杀菌是没有 选择性的(非特异性)，只要是暴露在光下的微 生物均可杀灭 ，但对于具有复杂表面的材料(如 肉)，其杀菌效果要 明显低于简单表面的介质或 包装 ，这是 因为 肉的表面存在小的凹陷、裂缝、 折叠 ，使微生物有了藏身之所 ，光无法达到 ，因 此杀菌效率会降低，一般只有 10--10 cFU。 2．2 4 水 脉冲光是处理罐装或配料水 的有效手段。 实验室演示脉冲光可高度灭活水中的陆生克雷 伯氏杆菌(KIebsiella terrigena)、似 隐球菌小球 卵胞菌(Cryptosporidium paricon oocysts)以及 水中其它悬浮微生物，前者是环保部门推荐的 检测水的杀菌效果的指标菌；后者则是水中最 具抗性的病原菌，氯及传统 的紫外线方法均不 能杀灭；而经 lJ／c 的脉冲闪光一次，由动物 试验，含似臆球菌小球卵胞菌量达 l06～10 的 水对大鼠失去了感染力。 3 结论 综上所述，脉冲光在处理简单表面物体和 透明介质(水、空气等)时具有高效杀菌性(10 ～ l0 CFU)，对不透 明和不规则食 品的表 面也 有一定的杀菌效果(1O～l0 cFu)，因此可有效 延长产品货架期，增加安全性。另外，值得一提 的是 ，脉冲光杀菌的费用并不高，据保守估计， 实际应用 中包括设备固定投资、灯的替换、电能 及维修费 ，折合所耗总功率 为 4J／cm2，那 么每 平方英尺处理面积的生产成本还不到一美分， 所以说 ，脉冲光是一种有效、简单、可行 的杀菌 新技术，值得大力推广。 参 考 文 献 l Joseph n】m1．Thomas Ott a】1d Wayne(21ark Pulsed— Light Treatment of Food and Packaging Food T∞h一 ∞ l0gy Sept 95—98，1995 2 J Dunn，A Bashnell，T Ott and W Clark Pu Lsed W K Light Food Processing Cerea1．Foods W ． 42，NO 7，510—515，1997 3 July Rice Startling with Light and Electrical Impuls一 § Food Processing July，66，1994 4 joseph E Dunn．Rmlch。La C~sta et Methodsfor Presevatlon of Foodstuffs礁 4 Patent No 5034235 july，23，1991 5 Dunn，J．；Bushnell，A ，Pusled Ught for 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