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氣體二氧化氯在果蔬殺菌保鮮方面的研究與應用

2014-12-04 20:34:19耿鵬飛高貴田趙金梅谷留杰
食品工業科技 2014年6期
關鍵詞:研究

耿鵬飛,高貴田,薛 敏,趙金梅,谷留杰

(陜西師范大學食品工程與營養科學學院,陜西西安710062)

食品安全一直是全社會關注的焦點問題,而人類食品絕大多數都來自于農產品,農產品在采收前后,一些病原微生物如細菌、霉菌等會通過多種途徑侵襲,不僅會給食品加工行業帶來巨大的經濟損失,而且還對人類身體健康造成極大的威脅。最新研究表明,隨著人們對果蔬產品消費需求的逐步上升,伴隨而來的一些食源性疾病也與日俱增[1]。因此,為了最大限度的降低經濟損失,提高食品的安全性,對果蔬進行采后殺菌保鮮具有極其重要的意義。

二氧化氯(ClO2)作為一種安全高效的殺菌劑,在中國和美國都被允許用于新鮮水果和蔬菜的殺菌保鮮[2-3]。有研究發現,ClO2不但能高效地殺滅果蔬表面的病原微生物,還能顯著地延長果蔬保存的貨架期而且不會降低果蔬的品質[4]。近年來,液體ClO2殺菌技術已經廣泛地應用于各個領域,但由于其液態特性的影響,使其在殺菌消毒的應用方面受到了一些限制。如今,氣體ClO2制備及應用的研究已取得了突破性成果,必將給果蔬加工行業帶來巨大的影響。本文綜述了ClO2的殺菌保鮮機理及氣體ClO2的特性與優點,總結了近年來國內外關于氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮方面的研究,指出氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮方面的應用前景及存在的問題,并提出相關建議。

1 二氧化氯的理化性質

ClO2在室溫下是一種具有刺激性氣味的氣體,顏色會隨著濃度的增大而呈現出由黃綠色到橙黃色的變化。分子量為67.45,沸點11℃,熔點-59℃,氣體密度為3.09kg/m3,液體密度為1.64kg/L。ClO2氣體易溶于水,室溫下的溶解度是氯氣的5倍,在水中以水合分子存在,不易發生水解反應。ClO2在酸性溶液中比較穩定,在堿性溶液中會迅速發生歧化反應,生成亞氯酸鹽和氯酸鹽的混合物。

2 二氧化氯的殺菌保鮮機理

早期的研究表明ClO2是通過將部分氨基酸氧化從而抑制蛋白質的合成導致細胞死亡[5],后來很多學者認為ClO2主要是通過對細胞外膜造成損傷,導致細胞膜的滲透功能喪失從而導致細胞死亡[6-7]。有報道稱對細胞遺傳物質造成損傷也可能是ClO2發揮效用的一個因素[8]。近年來的研究發現ClO2處理會使細胞形態發生變化,表面變得凹凸不平,并被不同程度的拉長,進而影響細胞正常的分裂和生理代謝功能[9]。由于ClO2能夠高效的殺滅多種微生物,極大的降低了果蔬采后的腐爛率,而且ClO2能迅速有效的阻止果蔬中蛋氨酸合成乙烯,并破壞已生成的乙烯,從而延緩果實衰老,對果蔬起到長久保鮮的效果[10]。

3 氣體二氧化氯的特性與優點

普通的氯系消毒劑殺菌效率較低,還會產生一些如三氯甲烷、氯代酸等對人體危害極大的副產物,實驗證明這些物質具有致突變性和致癌性,有的具有致畸性和神經毒性作用,可引起肝、腎和腸道腫瘤[11-13]。而ClO2較其他用于殺菌的氯產品具有更高的氧化能力而且并不產生有害的副產物[14]。

由于細胞膜表面張力及一些特殊結構(如氣孔、裂縫)的影響,使液體ClO2的殺菌效率受到很大的影響,而氣體ClO2具有很強的擴散性、穿透性、使用均勻性,因此,氣體ClO2具有比液體ClO2更廣泛的殺菌面積和更強的殺菌效果[15-17]。研究表明,在相同濃度和處理條件下,氣體ClO2要比液體ClO2的殺菌效率高8lg CFU以上[18]。

4 氣體二氧化氯處理對果蔬上細菌和真菌的殺滅作用

4.1 對果蔬上細菌的殺滅作用

新鮮果蔬產品在采收前后可能受到多種細菌侵染,在果蔬上最常見的食源性致病細菌是沙門氏菌(Salmonella)、O157∶H7型大腸桿菌(Escherichia coli O157∶H7)和單核細胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)[19],國內外關于氣體ClO2對細菌殺滅作用的研究大多集中在這三種菌上。Mahmoud等[20-22]研究了氣體ClO2對O157∶H7型大腸桿菌,單核細胞增生李斯特菌和腸道沙門氏菌的殺滅效果,將三種菌分別接種在草莓表面,用不同濃度的氣體ClO2處理草莓10min,結果表明:用5mg/L的氣體ClO2處理后O157∶H7型大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌和腸道沙門氏菌數目分別減少了4.6、4.7、4.3lgCFU,而且氣體ClO2處理不影響草莓顏色,將貨架期從原先的8d延長到16d,以生菜和甜瓜為實驗材料也取得了類似的結果,在生菜葉子上分別接種了O157∶H7型大腸桿菌和腸道沙門氏菌,用5mg/L的氣體ClO2對兩種菌分別處理14.5min和19min,結果兩種菌的數目均減少了5lg CFU;在甜瓜上分別接種了O157∶H7型大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌和Poona型沙門氏菌,用氣體ClO2分別處理了6、8、10min,結果Poona型沙門氏菌減少了5lg CFU,O157∶H7型大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌分別減少了4.6和4.3lg CFU。Trinetta等[23-25]以西紅柿為材料研究了高濃度氣體ClO2短時間處理對沙門氏菌的殺滅效果,處理前沙門氏菌的量為(6.03±0.11)lg CFU/cm2,材料用濃度為8、10mg/L的氣體ClO2分別處理60s和120s,結果沙門氏菌的量分別降到了3.09、2.17lg CFU/cm2,而用10mg/L的氣體ClO2處理180s,沙門氏菌的量則降到了1.16lg CFU/cm2。在研究氣體ClO2對單核細胞增生李斯特菌殺滅效果上也取得理想的結果,用2mg/L的氣體ClO2處理30min可使單核細胞增生李斯特菌減少5lg CFU/cm2以上。隨后他們在西紅柿、甜瓜和草莓上分別研究了氣體ClO2對單核細胞增生李斯特菌、沙門氏菌以及O157∶H7型大腸桿菌三種混合菌的殺滅效果,結果表明:沙門氏菌減少了幾乎5lg CFU/cm2,而O157∶H7型大腸桿菌和單核細胞增生李斯特菌只減少了約3lg CFU/cm2,說明O157∶H7型大腸桿菌和單核細胞增生李斯特菌對氣體ClO2的耐受性要強于沙門氏菌。Popa等[26]用濃度為4mg/L的氣體ClO2處理表面接種了單核細胞增生李斯特菌,spp型沙門氏菌和O157∶H7型大腸桿菌的藍莓12h,結果三種菌的數量分別減少了3.94、3.62、4.25lg CFU/g。Lee等[27]用氣體ClO2處理接種O157∶H7型大腸桿菌,單核細胞增生李斯特菌和Typhimurium型沙門氏菌的生菜葉子,3h后細菌數量分別減少了6.9、5.4、5.4lg CFU。

關于氣體ClO2對果實上其他細菌作用效果的研究國外也有一些報道。Mahovic等[28]研究了氣體ClO2處理對西紅柿采后細菌性軟腐病的影響,在西紅柿上對軟腐歐文氏菌(Erwinia carotovora)進行人工刺傷接種后,分別用88mg劑量的氣體ClO2處理24h,用99mg氣體ClO2處理2h,并在室溫下放置3d,結果并沒有出現果實腐爛現象,而對照組果實的腐爛率達到91.3%,表明氣體ClO2能有效控制細菌性軟腐病的發生。Lee等[29]研究了氣體ClO2對酸土環脂芽孢桿菌(Alicyclobacillus acidoterrestris)的殺菌效果,接種了酸土環脂芽孢桿菌孢子的蘋果用4.32mg/L的氣體ClO2處理60min,在室溫下儲藏7d后對細菌數量進行檢測,結果殺菌率在5lg CFU以上。

4.2 對果蔬上真菌的殺滅作用

國內外多項研究表明,氣體ClO2對果蔬上的真菌也有很好的殺滅效果。Jin等[30]研究了氣體ClO2處理對葡萄表面幾種霉菌的影響,結果表明:隨著氣體ClO2濃度和處理時間的增加,對灰霉菌、青霉菌及鏈格孢菌的殺滅效果也越強,當用10mg/m3的氣體ClO2對葡萄處理30min時,三種霉菌的數量均減少了4lg CFU以上。在研究氣體ClO2處理對葡萄品質影響的結果發現:處理后VC和還原糖的含量均較對照組高。Trinetta等[31]從西紅柿上分離出了Alternaria alternata和Stemphylium vesicarium兩種真菌,然后接種到PDA培養基上,用濃度為10mg/L的氣體ClO2處理平板,結果表明:處理3min便會抑制這兩種菌的菌絲生長和孢子萌發。而兩種菌在果實刺傷接種后處理的結果表明:對接種Stemphylium vesicarium和Alternaria alternata的果實分別處理5min和7min能極大地降低果實的腐爛率。Sy等[32]用濃度為4.1、6.2、8mg/L的氣體ClO2分別對藍莓、草莓和紅莓進行30、60、120min的處理,結果表明:用8mg/L的氣體ClO2處理120min對霉菌的殺菌效果最好,藍莓、草莓和紅莓上的霉菌數量分別減少了2.06~2.32,4.07~4.16和2.56lg CFU/g。申小靜等[33]研究了氣體ClO2對鮮棗表面青霉菌的殺菌效果,并研究了氣體ClO2濃度、殺菌時間和殺菌溫度三種因素對青霉菌殺菌率的影響,結果表明:殺菌率會隨著氣體ClO2濃度和處理時間的增加而增大,而三種因素對青霉菌的影響大小依次為:氣體ClO2濃度>殺菌時間>殺菌溫度。Wu等[34]研究了氣體ClO2處理對土豆表面微生物數量的影響,用5個不同濃度的氣體ClO2分別處理2、3、4g土豆樣品2.5h和5h,結果發現:氣體ClO2的濃度、處理時間和處理的樣品量的不同都會對殺菌效果產生影響,用40mg/L的氣體ClO2處理4g樣品5h對霉菌的殺滅率最高,霉菌的減少量在5lg CFU以上。Vandekinderen等[35]用(0.08±0.02)mg/L的氣體ClO2在室溫下對幾種食源性微生物處理1min,結果表明:氣體ClO2對霉菌的殺滅效果不是很理想,這可能與氣體ClO2的濃度、處理時間以及處理環境的不同有很大的關系。

5 氣體二氧化氯處理對果蔬營養成分和生理特性的影響

氣體ClO2不但具有高效的殺菌作用,而且能降低果蔬的腐爛率,延長果蔬的貨架期。Guo等[36]用氣體ClO2對鮮切哈密瓜處理了12h,然后在溫度為5℃,相對濕度為95%的冷庫里貯藏19d,期間對哈密瓜的品質進行測定,結果發現:對照組的哈密瓜在第8d的時候霉爛率已經達到80%,而經過氣體ClO2處理后的果實,直到出庫時也沒有出現霉爛情況,這就表明氣體ClO2處理可顯著防止果實腐爛。在貯藏的第8d,對照組的失重狀況顯著增加,而處理組則增加的不明顯;處理組和對照組的可溶性固形物(TSS)含量都出現了增加,但在貯藏前期,處理組的可溶性固形物含量要顯著低于對照組;對照組的氨基酸(AA)含量在第3d的時候由3.15mg/100g增加到8.16mg/100g,而處理組的氨基酸含量并沒有發生明顯變化,這與López-Gálvez等的研究結果一致[37];在貯藏期間處理組丙二醛(MDA)含量的增加也顯著低于對照組,這表明ClO2不但能夠殺滅水果表面的微生物,還能夠防止果實的軟化成熟,這對于延長水果的貨架期有非常重要的意義。

氣體ClO2處理還可降低果實的呼吸作用,處理組的呼吸峰值的出現較對照組晚,而且呼吸峰值也較對照組小;經過氣體ClO2處理以后還有效的降低了乙烯生成量,該研究表明氣體ClO2對水果有很好的保鮮效果。Du等[38]研究了經氣體ClO2處理后青椒生理和貯藏品質的變化,分別用0、5、10、20、50mg/L的氣體ClO2在(10±0.5)℃條件下將青椒處理40d,結果表明:用氣體ClO2處理可極大地降低青椒的腐爛率,相比對照組,腐爛率降低了50%以上,而且20mg/L和50mg/L的氣體ClO2處理會使青椒的呼吸速率顯著降低,但5mg/L和10mg/L的處理對呼吸作用的影響不明顯。用50mg/L氣體ClO2處理還降低了丙二醛的生成量,而其他濃度處理的影響則不明顯;該研究中氣體ClO2處理對青椒的失重率、VC、可滴定酸和可溶性固形物的含量均沒有顯著的影響。顧寧等[39]研究了經氣體ClO2處理后葡萄中VC、還原糖和可滴定酸含量的變化規律。結果表明:當氣體ClO2濃度為5、10mg/m3時,葡萄中VC的含量隨著作用時間的延長,出現先減少后上升的趨勢;當氣體ClO2濃度為15mg/m3時,葡萄中VC和還原糖的含量隨著作用時間(10~60min)的延長呈上升趨勢;可滴定酸的含量隨氣體ClO2濃度增加和作用時間延長出現上升趨勢。綜上所述,氣體ClO2的應用對果蔬的防腐保鮮作用有極其重要的意義。

6 展望

隨著生活水平的提高,人們越來越重視飲食的營養與安全,這就對食品加工行業的技術要求越來越高。對果蔬加工行業來說,防腐保鮮技術不成熟不但嚴重影響果蔬品質,還會造成巨大的經濟損失。目前,國內在果蔬防腐保鮮方面的工作取得了一些成果,但依然存在例如殺菌效率低、產生有害副物質、影響果蔬品質等一系列問題。氣體ClO2對果蔬上的微生物具有高效的殺菌作用,而且不產生有毒有害的副產物,特別適合大面積環境的消毒殺菌。因此,氣體ClO2在果蔬加工領域具有較為廣闊的應用前景。

目前,國內對于氣體ClO2的研究較少,仍有許多問題亟待解決:

a.ClO2的殺菌機理尚未十分清楚。國內外研究者分別以核酸、蛋白質、細菌、病毒等多種材料研究了ClO2的殺菌機理[40],但在ClO2殺菌的致命靶點上仍有較大爭議;

b.氣體ClO2發生設備的研制相對滯后。國外已有公司生產氣體ClO2發生設備,國內市場仍以液體ClO2發生設備為主,僅個別科研機構自主研發了氣體發生設備,使氣體ClO2在果蔬保鮮方面的應用受到限制;

c.氣體ClO2在低溫條件下的液化情況不明確。果蔬采收后多在低溫條件下貯藏,而氣體ClO2在11℃下會發生液化,造成氣體ClO2濃度降低;

d.氣體ClO2在貯藏庫中的分布不均勻。ClO2氣體較空氣重,在貯藏庫中自然釋放會造成ClO2氣體空間分布不均勻,對殺菌效率和果實品質產生一定影響;

e.缺乏氣體ClO2安全使用標準。氣體ClO2對呼吸系統有較強的刺激作用,過量吸入會導致急性肺損傷[41],而且氣體ClO2具有一定的爆炸危險性[42],不規范使用會對生命和財產造成巨大損失;

f.缺乏氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮過程中的應用規范。氣體ClO2應用濃度過高會增加成本,還可能對果蔬品質造成傷害;

g.相對于傳統殺菌保鮮劑,氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮的應用成本較高。

針對上述問題,應創新思路,徹底搞清楚其防腐保鮮機理及對果蔬品質的影響,研發性能優良的氣體ClO2發生設備,在實驗室研究的基礎上,結合企業需求,對氣體ClO2在果蔬貯藏庫中應用時出現的問題進行研究,攻克相關技術難題,降低應用成本,并依據研究成果制訂出氣體ClO2在果蔬殺菌保鮮過程中安全使用標準及應用規范,這樣才能更好地將氣體ClO2應用到農產品加工及貯藏的領域中。

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