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超声协同气体杀菌技术在果蔬产品质量安全节造中的利用2023-09-19

水果和蔬菜能够提供人类营养所需的炊事纤维、维生素、矿物质等，还拥有抗氧化、调节身段免疫力、预防衰老、招架疾病等功效。果蔬从田间到餐桌必要经过出产、采摘、分拣、质检、包装、配送、营销、售后加工等环节，这些环节都很容易被微生物传染,果蔬中常见的致病菌有致病性大肠埃希菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌等,采后果蔬也容易习染青霉属、曲霉属、链格孢菌属、炭疽菌属和根霉属的真菌。进食被传染的果蔬可对人的消化系统、神经系统等造成风险。与新鲜果蔬消费有关的食源性疾病暴发的高频率和高发病率是一个亟待解决的公共卫生问题。因而，若何节造果蔬中微生物的数量，保险果蔬质量安全就显得极度沉要。

杀菌是使微生物失活、保险果蔬安全最有效的步骤之一。传统的热力杀菌技术多选取巴氏杀菌等表部加热进行杀菌，拥有杀菌成效好、合用领域广蹬着点，已被宽泛利用于果蔬的杀菌处置中。然而，热灭菌技术会影响产品的质地、色彩和韵味，并且在包装过程中容易造成二次传染,因而，选择相宜的加工技术包办热杀菌就显得极度沉要。随着现代工业技术的发展和人们对果蔬产品质量安全要求的提高，非热灭菌技术的发展受到极大的推动。在各类新兴的非热杀菌技术(超高压、辐照、紫表照射、脉冲光照射、冷等离子体、超声波)中，超声波的钻研已罕见百年的汗青。目前，超声波杀菌已宽泛利用于各类乳制品、肉制品、果蔬等食品中，在保险食品质量安全中起着沉要的作用。

超声波是指频率大于20 kHz的高频声波，能够引起空化作用以及一系列效应，如机械效应、热效应、化学效应等，使细菌毒力失落或殒命。相较于传统的高温加热灭菌工艺，超声不会粉碎食品的韵味和成分。超声波技术在抗菌利用中的最早钻研始于1920年，前人证实了超声波技术对藻类微生物的作用。超声波是一种绿色低碳的杀菌方式，已被证明对多种微生物拥有杀菌作用，但其单独杀菌的作用成效有限。近年来，超声协同气体杀菌因其拥有优良的协同杀菌效应，能够缩短杀菌处置的功夫，降低能耗，同时削减对果蔬的不良影响蹬着点被宽泛钻研。本文综述了超声协同气体的杀菌作用机造及其在节造果蔬质量安全方面的利用，旨在为进一步钻研基于超声波与气体杀菌的绿色组合技术，从而更好地为保险果蔬的质量安全提供参考。

1 超声空化及其杀菌方式

液体中的微幼气泡在超声波的作用下会产生振动，当超声能量足够高时，就会产生空化作用，当能量达到肯定阈值时，空化气泡会迅速坍塌并分裂，整个过程约为0.1 μs, 能够开释巨大的能量并产生110 m·s-1的微射流和碰撞密度达到1.5 kg·cm-2的冲击力�？栈饔枚韵妇赴峁沟囊幌盗星苛椅锢砗突в跋�(重要蕴含声穿孔、声化学和声致发光)会粉碎细胞结构并导致蛋白质变性。

1.1 声穿孔

超声波对细胞膜造成的物理危险重要是由于声穿孔景象所导致的细胞膜通透性的增长,使抗菌剂更容易通过孔隙进入细菌细胞，导致细胞中职能物质的泄漏，最终造成细胞殒命。细菌对超声波的抵抗力与细菌的状态、大幼、厚度、刚杜仔关。然而，只管高强度超声(HPU)处置睬对细菌细胞造成不成逆的危险，但空化作用介导的声穿孔通常不被以为是导致细胞殒命的决定性成分。由于在超声穿孔后膜的复原过程中，随着Ca2+流入细胞的膜孔，胞内囊泡将起头积累，从而沉新关合膜孔。

1.2 声化学

声化学是指由声空化产生的自由基引发的一系列二次化学反映的景象。由于空化气泡在极短的功夫内坍塌，泡内压缩气体产生的热能无法实时辰散，从而将空化泡内的物质以及空化泡与液体之间的界面(液壁)加热到极高的温度，导致液体分子分裂，产生大量活性氧自由基(ROS)并开释到细胞周围的液体中。钻研批注，ROS及其代谢产品能够与蛋白质、脂质、多糖、核酸等各类细菌生物分子产生反映。开释的ROS会与邻近细菌细胞膜反映，达到细胞内部，使细胞内部氧化压力失调，并与细胞内生物大分子反映，导致蛋白质变性、酶失活、脂质过氧化、DNA断裂，最终导致细胞殒命。

1.3 声致发光

声致发光是指当液体中的气泡受到机械波的引发时，气泡爆裂并迸发出极短暂的亮光的景象。超声波在液体中传布时，在液体的负压区域，空化核会逐步成长形成肉眼可见的微米量级的气泡，当空化气泡内部压力不休加强、温度持续上升时，会导致光的辐射。大量钻研批注，惯性空化气泡忽然坍塌产生的闪光能够激活声敏剂形成ROS。声敏剂吸收声致发光产生的光能，跃迁到更高但不不变的能量状态，在回到基态之前在与生物底物相互作用时开释能量并产生各类自由基(过氧化氢、超氧阴离子、羟基自由基和单线态氧),这些分子共同作用导致微生物殒命。在利用声动力杀菌的实际中，铁-氧化锌纳米颗粒作为声增敏剂，能够有效节造水中志贺氏菌和沙门氏菌的微生物传染，为绿色果蔬产品供给链中用水部门的安全提供参考。

基于超声空化效应所致的声穿孔、声化学、声致发光3种景象，超声对细胞的强致死作用能够得到较好诠释：超声波空化效应导致的部门瞬时高温高压会使胞内蛋白质变性，声穿孔可粉碎细胞膜结构，增长其通透性，导致细胞内有机质渗漏；声化学反映和声增敏剂的活化会产生ROS等自由基，对细胞内聚合物产生不成逆的粉碎性作用(图1)。这也为超声协同气体杀菌技术在对果蔬的利用提供了理论支持。

2 超声结合气体的协同抗菌及其在果蔬质量安全节造中的利用

2.1 O3协同

O3是一种拥有高氧化电位(2.07 eV)的优良消毒剂。O3的自由基链在衰变过程中形成的羟基自由基和活性氧(ROS)被以为是O3可能杀灭细菌的重要原因。近年来，超声协同O3杀菌步骤在果蔬中的利用已得到宽泛钻研，为超声协同O3杀菌技术提供了进一步的理论领导和尝试数据，证了然超声协同O3处置是一种高效安全、绿色低碳的技术，能够在保障果蔬营养价值的同时实现微生物的有效灭活，保险果蔬的质量安全。超声结合O3的优良协同效应能够从以下两个方面诠释：首先，超声波会粉碎O3气泡，提高O3的溶化速度和单元体积内O3的浓度，高浓度的O3可能迅速杀死微生物;其次，超声波空化作用造成的部门高温高压在促使水分子分化产生自由基的同时也会推进O3分化产品在室和善压力下由氧化性较弱的O2转化为氧化性极强的·OH-(羟基自由基),从而杀死微生物。

图1 超声处置的杀菌机造

均钻研了超声波和O3协同处置对草莓微生物的杀菌效能和营养成分的影响。钻研发现，O3和超声协同处置能够有效杀灭草莓中98%的细菌，且草莓中抗坏血酸、花青素的含量和抗氧化酶活性也能得到很好保留。钻研低浓度O3水溶液和多频超声的协同作用对樱桃番茄中的凋落微生物和质量影响，也得到了类似了局。就O3水溶液和超声(28 kHz)协同和单独作用对鲜切生菜中致病微生物的杀灭成效进行了对比尝试，发现协同超声处置在更高效杀菌的同时还能够将总处置功夫削减约20 s。尝试证了然O3协同超声(40 kHz, 100 W)仅需8 min即可充分杀灭卷心菜中的细菌，并且不会危险其叶片。在使用3.33 mg·min-1的O3和40 kHz的超声处置新鲜菠菜10 min后，菠菜中总细菌数(细菌总数、大肠埃希菌、沙门氏菌和李斯特菌)削减了1.46 lg(CFU·g-1),削减量近94.04%,而当使用一样的前提处置番茄5 min后，番茄中总菌落削减了1.76 lg(CFU·g-1)。

除此之表，超声作为绿色高效的去污剂.其协同O3在去除果蔬表表的农药残留中阐发也极度优良，一项钻研评估了超声协同O3在去除莴苣上的甲胺磷敌敌畏的效力，发现去除率高达82.16%。菠菜上的噻虫嗪、吡虫啉、啶虫脒在3.33 mg·kg-1的O3和40 kHz的超声处置10 min和15 min后，残留农药去除率可别离达94.04%和99.77%。这些了局均证了然超声协同O3是一种保险果蔬质量安全的新型绿色高效技术。

2.2 ClO2协同

ClO2是一种氧化性气体，通常由氯酸钠和酸/氯反映产生。ClO2对细菌、真菌和病毒都拥有抗菌作用，作为氯气的代替品，它的氧化能力是氯气的2.5倍，且不会形成致癌副产品。目前已有很多尝试钻研证了然超声协同ClO2灭菌的效力和机理。在HPU(60 W)和ClO2(4 mg·L-1)的协同作用下，10 min后金黄色葡萄球菌的灭活率就可达99.03%,并且金黄色葡萄球菌的生物膜也能得到有效的分离和断根。而有一半的金黄色葡萄球菌在单独用ClO2处置10 min后仍处于亚致死状态；单独使用HPU处置的杀菌率更差，仅有18.72%。关于超声协同ClO2灭菌的机理，钻研证明经超声波破碎后，水中较大的悬浮颗�；岱只捎卓帕�，从而更均匀地分散在水中，与杀菌剂齐全接触]。超声波的空化作用还会增长细菌细胞膜通透性，使ClO2更容易进入细胞。此表，超声波诱导产生的ROS和ClO2会对细菌细胞产生双沉氧化作用，ClO2的参与将放大超声波导致的细菌细胞蛋白质损失和渗入压失衡的情况，影响细胞内幼分子代谢过程，从而加剧细菌细胞内稳态的失衡，造成细胞殒命。Murphy等则提出了超声协同ClO2杀菌的另一个可能机造，他们以为HPU会激活细胞中用于互换营养物质、废料和代谢产品的通路，从而使ClO2渗入到生物膜的深层。

如今，超声协同ClO2灭菌作用的利用实际重要集中在生鲜果蔬中。评估了超声波协同ClO2水溶液对苜蓿和绿豆中大肠埃希菌和肠炎沙门氏菌的杀菌成效，尝试了局批注，协同处置可别离削减苜蓿和绿豆中的沙门氏菌和大肠埃希菌。在ClO2协同超声对西兰花中传染微生物的处置尝试中，ClO2协同超声的杀菌成效显著高于单独使用ClO2和使用超声作为前处置或后处置伎俩(超声/ClO2或ClO2/超声)。探索了ClO2和超声波处置对大白菜保质期、营养成分和生物活性化合物的综合影响。了局证明，协同处置别离将大白菜中假单胞菌数量和细菌总数削减了2.8 lg(CFU·g-1)和2.5 lg(CFU·g-1),大白菜的表观、色彩、叶绿素含量、总抗坏血酸和酚类含量在12 d的贮存期内都能够得到有效�；�。钻研了ClO2水溶液和超声波对李子的处置成效。ClO2单独处置组中的李子在贮存40 d后，霉菌含量就超过了尺度值，协同处置组贮存的60 d中李子的霉菌含量一向在可接受领域内，批注超声能够加强ClO2的抗菌成效。这些结论都讲了然ClO2协同超声杀菌是保险果蔬质量安全、提高果蔬营养价值的有效伎俩。

2.3 超临界CO2协同

由于CO2临界温度和压力低，所以CO2的超临界状态(SC-CO2)很容易达到。SC-CO2可能酸化细胞，使酶失活，在灭活各类微生物如大肠埃希菌、酿酒酵母等方面阐发优良，已被用于乳制品、禽肉类和果蔬类食品的杀菌,但要达到与传统热杀菌类似的灭活水平，SC-CO2必要的功夫较长，难以满足现实食品加工出产的必要。因而，将其他非热灭菌技术与SC-CO2协同是SC-CO2灭菌技术的发展趋向。

超声是最常与SC-CO2联用的技术,超声能提高SC-CO2杀菌成效的原因被以为是超声波场产生的剧烈搅拌作用和空化效应不仅会提高SC-CO2在液体中的溶化速度，还会危险细菌和酵母菌细胞的细胞膜和细胞壁，加强SC-CO2向细胞内部的传质和渗入，继而细胞活性所必须的胞内物质被SC-CO2抽提。发现，SC-CO2协同HPU能够削减橙汁中的大肠埃希菌融洽氧嗜温菌，酿酒酵母在处置后也削减了99.7%。评估了SC-CO2协同HPU对分歧细菌(大肠埃希菌和缺点假单胞菌)和真菌孢子的灭活成效和机造。他们发现经SC-CO2协同HPU处置细胞的细胞壁和细胞膜塌陷变形，细胞质内容物泄漏严沉。

超声协同SC-CO2技术能有效抑造微生物滋生，对果蔬有优良的杀菌保鲜成效。发现与单独使用SC-CO2相比，协同HPU能够实现对香菜更快地脱水杀菌。在超临界流体装置中试验了一种基于HPU的新型灭活技术，协同使用SC-CO2和HPU时，细菌数量削减8 lg(CFU·g-1),所需功夫削减了95%。他们还探求了是否能够通过SC-CO2和HPU的结合来实现脂质乳液的非热巴氏灭菌，了局批注，HPU能够降低油脂在灭活中对细菌的�；ぷ饔�，加强SC-CO2的杀菌能力，是对含有热敏物质的脂质乳剂进行灭菌的一种有效步骤。当SC-CO2与HPU协同灭菌时，椰子水中的细菌在处置15 min之后削减了5 lg(CFU·g-1),并且HPU能够有效地改善椰子水在灭菌后不够不变、微生物在贮存过程中容易再生的情况，将椰子水的保质期耽搁到28 d。

2.4 MAP(改进气调包装)协同

MAP包装(modified atmosphere packaging)是在真空包装以及充氮包装的基础上发展改进所得到的一种重要用于食品保鲜的包装。通过调节分歧比例的气体成分(通常为N2、O2、CO2),MAP能够起到维持食品质量，耽搁保质期的作用。通常来说，3%～6% O2和2%～10%CO2能够抑造微生物的成长，耽搁新鲜产品的保质期。其他气体，如氦气、氩气和氙气(罕见气体),以及一氧化二氮(N2O),也会被用于MAP中。

只管MAP协同超声对微生物成长抑造作用的机理尚未明显，但对其在果蔬上利用的了局评估足以证明MAP协同超声处置是一种优良的果蔬保鲜技术。在6%的O2、4%的CO2和90%的N2的气调下，使用超声(20 kHz, 180 W)处置番茄和丝瓜5 min, 能够有效削减果实中丙二醛的堆集量，且果实的硬度、水分和抗坏血酸含量在处置前后根基没有变动。将MAP协同超声使用到采后番石榴中也得到了类似的了局，贮存30 d后番石榴保鲜率仍可达81.82%。

在MAP协同超声对果蔬贮存期间各类凋落微生物成长滋生的抑造作用钻研中，尝试了局批注，MAP协同超声处置10 min后，大白菜的初始细菌计数从7.11 lg(CFU·g-1)降低到6.01 lg(CFU·g-1),MAP协同超声还能够有效降低大白菜中过氧化物酶和多酚氧化酶的活性，耽搁保质期。超声协同MAP对鲜切生菜微生物及品质性状的影响尝试中的了局批注，MAP协同超声能有效抑造贮藏期间生菜细菌、霉菌和酵母菌的成长。钻研了超声波处置对鲜切黄瓜在MAP包装贮藏过程中微生物和品质的影响，了局批注，超声能够抑造新鲜黄瓜贮存过程中总细菌菌落、霉菌和酵母菌的成长，是改善鲜切黄瓜常压包装防腐成效的有效步骤。

2.5 VOCs(EOs)协同

从植物中提取到的挥发性化合物(VOCs)(也被称为精油EOs),自古以来就因其高效的抗菌活性而备受关注，至今仍是生物医学钻研的热点方向�；臃⑿灾参锘衔镏匾芄环治葡⒑衔铩⒎枷阕寤臃⑽锖椭狙趸铬杈恫难苌�。它们被以为能够作用于微生物的细胞膜，影响细胞膜齐全性和渗入性。例如，萜烯会通过与磷脂中的�；唇岷戏鬯橄赴�，导致电解质和离子的泄漏,芳香族化合物(尤其是苯丙素类)会与膜蛋白结合，扭转它们的构象。

由于气相EOs能够与食品表表直接接触，抗菌作用比液相更强，因而，已经有不少钻研利用气相中的EOs作为保鲜贮存果蔬的抗菌剂。气相EOs对造就基中和萝卜芽表表的李斯特菌的抗菌活性的对比尝试批注，在造就基中拥有显著李斯特菌抗菌活性的气相EOs在萝卜芽表表也阐发出相应的致死活性。评估了气相芥末精油对番茄中黑曲霉的抑造作用，体表和体内的尝试了局均证了然芥末精油蒸气匹敌黑曲霉的有效性，并且不会侵害番茄的感官个性，是传统合成抗菌剂的优良代替品�；诖丝⒊龈咝Ш侠淼木吞崛〖际醵杂诩忧烤涂咕芰κ羌瘸烈�，与传统的浸渍提取、索氏提取相比，超声辅助提取(UAE)能够缩短提取功夫和提高提取效能，并且不合提取物的结构、活性产生影响，操作单一易行，有效成分易于分离纯化。很多钻研证实，超声辅助提取精油能够加强其抗氧化、抗菌活性，但其具体机造尚未明确。

将UAE用于从青钱柳中提取黄酮类化合物，发显熹对金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌的抗菌活性显著加强。别离使用索氏提取和UAE提取绿藻中的酚类化合物，了局显示，UAE提取物对测试细菌——肠炎沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、乳双歧杆菌和干酪乳杆菌的抗菌生物活性水平最高，对测试病毒——甲型肝炎病毒和鼠诺如病毒的病毒抗性最高。在从蜂胶中提取VOCs化合物的尝试证明，使用超声辅助提取能够增长从蜂胶中提取到的VOCs化合物(黄酮类化合物和多酚类化合物)的含量，从而加强蜂胶的抗菌活性，提高其营养价值。证了然使用UAE来提取烟草中的新植二烯能够加强其对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性，耽搁烟草的保质期。

3 结论与瞻望

超声协同气体杀菌技术可能充分保留果蔬的营养物质，拥有高效低碳、绿色环保的利益，切合消费者钻营的无传染、优质的消费理想。然而，超声协同气体灭菌技术目前还不成熟，在大规模的推广和利用方面面对着诸多挑战。目前大部门钻研均基于细胞表观的机械性危险电镜和物化个性分析，而在分子水平上，如通过调控细胞代谢凋亡的有关基因在超声协同气体作用下的变动来论述微生物失活的有关钻研较少。在今后的钻研中，一方面要进一步加深对超声协同气体杀菌的机理索求，另一方面要将其使用于更多果蔬产品中，持续观测、检测分析果蔬在一段功夫的贮藏过程中凋落菌、致病菌以及各类营养物质含量的变动，对食品养吩旆质及安全性进行综合评估及预测，为工业化提供参考价值。此表，超声协同气体还可与更多的杀菌剂或非热杀菌技术结合使用，例如能够将微波技术使用到超声和气体的协同处置过程中，也会是一个较有远景的钻研方向。

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