[科普中国]-脉冲强光杀菌

简介

新方法用太阳光一样光的一种强力闪光的杀细菌力，藉以延长食品的货架寿命和杀灭包装材料上的微生物。

杀菌原理脉冲强光的杀菌机理可归因于光热、光化学效应。而多数研究认为其杀菌作用主要依赖于光化学效应。脉冲强光包括25%的紫外光谱，这些紫外光对杀菌具有非常重要的作用。有试验研究表明，如果将脉冲强光通过一个可以去除波长320 nm以下紫外光区的滤光器．过滤后的脉冲强光将失去杀菌作用2。
微生物经脉冲强光照射后．细胞内物质发生变 化而失活。紫外杀菌能破坏细菌的嘧啶二聚体结构(其中主要是胸腺嘧 啶)。结构发生改变的二聚体能抑制新的DNA 链形成，从而使微生物失活：此外，紫外光处理主要可导致细菌芽孢形成“芽孢光照产物”。DNA的单链、双链、环丁烷嘧啶二聚体破坏。目前，大多学者认为脉冲强光杀菌是一个多靶处理过程。DNA 变性是导致微生物死亡的主要原因．同时还伴随着细胞膜、蛋白质等大分子物质的破坏。Kazuko3比较了连续紫外光和PL对酵母细胞的破坏作用． 结果发现酵母细胞通过PL处理后．细胞内液泡膨 胀、细胞膜变形．细胞形状改变，并存在大量的游 离蛋白．而通过连续紫外光处理后的酵母细胞结构 和处理前基本一致．这表明PL能破坏酵母细胞的 细胞膜。有学者研究发现近紫外光辐射对酵母细胞 膜功能有损害作用，却没有近紫外光辐射引起酵母细胞结构变化的相关报道。PL处理样品后， 氙气灯产生的热或样品吸收PL后温度升高．从而 实现热杀菌效应。Hiramoto发现黑曲霉经PL 处理后，吸收大量的光线，温度升高，杀灭霉菌，证实了光热杀菌机制存在4。

脉冲的光脉冲光系用工程工艺产生，使力增大许多倍数。在一能量贮存电容器内，经相对长时间(一秒的分数)使积蓄的电力被放大，并释放此种贮存的能于极短时间内(一秒的千分之一或百万分之一)，以奏其工作。结果是功用周期的极高力(功率)，且具有仅是不过分的平均力消费的消耗量。对在食品及包装上应用，贮存的能脉冲为一惰性气灯，它能产生仅持续儿百微秒（百万分之一秒)的强烈闪光。

虽然脉冲光谱的幅度、期间及强度对处理食品与包装极有用，目前创制的脉冲光集中于广域谱上，“白”光闪光所含波长从紫外线的200nm到约近红外线的.lmm。该光谱性分布似太阳光，具有400及500nm之间的峰发射，然而每一脉冲光闪光为约在海平面日光经地球大气层滤过效应后，其紫外线波长强度的20000倍。由于脉冲光的彼长太长，不能使小分子离子化，而是在电磁光谱的“非离子化”部分。

在表面上的光能能量密度(Fiuenc)可以检测之，或每单位面积的入射光能，即每平方厘米上的焦耳(Joule;略词J)。1焦耳为少于1/4卡，因此将水升高1℃需4焦耳以上的能量。

抗微生物效应在脉冲光光谱中所含紫外线波长的生物学效应业已有纪实。这些波长的抗微生物效应系原通过被在蛋白质与核酸高度结合的碳一对一碳双键系统吸收而中介。这方面许多研究者业经广泛讨论。从一到几个脉冲闪光便有令入注目的抗微生物效应。于2个含标准琼脂的陪氏皿上，滴注以7滴(每滴扩散成1cm)，每滴各含有功倍系列稀释度的金凳葡萄球菌ATCC2761和TSB培养物，一个平板行脉冲光处理。即在孵育前暴光。2个0.75J/cm注量脉冲闪光，即总共注量为1.5J/cm。另一平板不处理作对照。发现能杀死金葡菌的浓度达10CFU/cm。

并证明一单次0.5~1J/cm闪光，可使10/cm浓度的单核细胞增多症李氏杆菌，大肠杆菌O157:H7，短小芽胞杆菌芽胞及黑曲霉分生抱子无一活存；用每闪光为1J/cm闪耀几次，可使上述细菌每m有7一9对数降减。

脉冲之利和非脉冲式或连续一波(CW)传统UV来源比较，脉冲光显示重大的更高的杀灭效应，一个到几个脉冲闪光能高水平的杀死户有暴光的微生物。每秒钟可提供几个到十几个闪光，且在一秒钟的分数能完全高水平的杀菌。因此可能具有高的物料通过率。和用强烈CWUV一C汞气灯比较，几个脉冲光闪光可杀死7对数以上的黑曲霉抱子，而前者则不是很有效，且虽大大增加暴光时间而对杀菌效果的改进很少或没有。

脉冲强光杀菌与紫外线杀菌早在1928年人们就发现紫外线具有杀菌功能" 紫外线可使微生物处于不稳定状态"从而破坏其化学结合。紫外线杀菌技术与设备在我国也早已广泛应用，紫外线灯通常用充水银灯管制成，具有设备简单，成本低廉的特点，但是，由于水银灯光所发出功率低，而且不稳定，紫外线穿透性差，所以杀菌能力受到较大限制，有的细菌细胞在紫外线下被破坏后还能修复，所以较多用于空气净化和薄层流体及容器表面杀菌。 脉冲强光杀菌设备采用氙气灯管，发出能量高达2J/cm2，比紫外线灯管高200倍以上，能有效破坏各种细菌，穿透性能强于紫外线，因此除了空气净化外可有效解决表面粗糙的食品和其他物料染菌问题。

脉冲强光杀菌与放射线杀菌放射线杀菌是指采用放射性同位素钴60放出的一种波长极短的电磁波，使微生物的细胞质产生变异或死亡，也可使微生物代谢的核酸代谢环节受抑制，使蛋白质发生变性，损害其繁殖机能。放射线具有较强的穿透性能，我们曾对包装后的板鸭采用放射性杀菌处理，表明能够在保持原有风味的前提下显著延长保质期。但是，放射线杀菌设备昂贵，而且由于放射线对人体具有损害作用，所以对保护措施有很高要求，使其推广应用受到很大限制。各厂家必须将产品送到辐射站处理，无法在厂内直接加工，很不方便，影响生产效率和加工成本。与放射线杀菌比较，脉冲强光杀菌设备成本低，并且可以安装于食品加工生产线上，进行连续性生产，在生产成本和效率方面占有明显优势，在解决板鸭等系列产品包装过程二次染菌和饮品冷杀菌等方面具有广阔的应用前景5。

应用脉冲光提供今人注目的对各种食品的货架寿命的延长和保存效益。于脉冲光处理后，焙烤食品、海产食品及肉类、水果与蔬菜，以及许多其它食品，显示其上的微生物负载降减，增长货架寿命，增加安全，且对营养性质无变化。

焙烤食品：以2个无包装的面包，各切成两半，贮于实验室聚乙烯薄膜袋内，未处理的样品于在室温内存放5~7天后，有霉菌菌落出现，11天后则满布霉菌;同样情况经脉冲光处理者，11天时没有生霉迹象。同样结果亦从其它焙烤商品如面包片、巧格力杯模蛋糕、烘馅饼、玉米饼及百吉卷获得。

海产食品：剥壳小虾(虾仁)用脉冲光处理并贮存于冰箱内7天，仍可食用，而未处理的虾仁则显示广泛的微生物性降解，变色及有恶臭，不适于食用。鱼片经脉冲光处理后，其微生物学的和感官的货架寿命有重大的延长。

肉类：经对各种肉品的广泛试验，显示脉冲光可用以加强产品的货架寿命及安全性；对所有微生物型类的回收计数可减少1一3对数。将光鸡翅膀浸浴于三株沙门氏菌的混合液中(经5分钟使细菌附着)，经接种的样品约带菌5logs/ cm (高水平)及2logs/ cm（低水平)，经用脉冲光处理后，相似的菌数减少至2logs/ cm。以无害李氏杆菌接种于猪牛肉混合灌肠，接种量为3及5logs/ cm灌肠的相应的低与高水平，亦被脉冲光降低～2logs。即使用30J/ cm总注量处理，经分析其营养成分和蛋白质、核黄素、硝基胺、苯并花及维生素C和未处理的样品无区别。

核黄素能强力吸收可见光线，且对光、热与氧化作用的降解敏感，经从牛肉、鸡及鱼的研究结果，显示即使过量的脉冲光处理，并不影响核黄素浓度。

经对零售牛肉的许多试验证实，脉冲光的功效为重大的有利于微生物学性及感官上的货架寿命的增进。脉冲光为非选择性的，当用它处理肉，所有暴光的微生物均可被杀死，总需氧菌计数、乳酸菌、肠型菌及假单胞菌计数均相似地减少约1一3对数。

脉冲光处理对介质、包装物或相关的样品表面，以及像肉那样的复杂表面(存在有小的表面凹穴、裂隙与皱褶，可使微生物避免暴光)，一般可致1一3对数的降减。

水：脉冲光对饮用水或组合水亦可作有效的处理。实验室的试验型模式显示以脉冲光处理水具潜在的有效性，对陆源克雷白氏菌、小隐球孢子霉的卵囊，及在水中或悬浮状态的其它微生物，均有高的灭活作用;而城市供水系统所用的氯处理方法与传统的UV水处理，对卵囊仅有不被重视的效应，且隐球孢子霉(现已有大规模隐球孢子霉病暴发)的卵囊对化学品如KMnO4及固定剂抵抗。

美国疾病控制中心Miehael Arrowood氏的试验，用小白鼠活体作感染力检测，原来含6或7logs/ml陆源克雷白氏菌悬液及6或7logs/ml的小隐球孢子霉卵囊悬液，经用2脉冲光闪光处理，每次闪光为少于0.5J/ cm，足以使无活菌存在。藉一次脉冲光一闪光在1J/ cm，，则可使菌悬液成为无感染性。

适应领域（1）应用于家用直饮机、小型家用净水设备、食品加工用水处理设备、纯净水、矿泉水处理设备等饮用水处理设备。

(2)应用于生活污水、工业废水、游泳场、养殖厂污水等小型污水处理设备，还可应用到污水处理厂中的大型污水处理设备，处理能力强大。

(3)应用于饮料杀菌设备上，如果汁、牛奶、豆浆、汽水、茶饮料等，及应用在固体食品、药品表面杀菌设备上，如花生、瓜子、糖果、面包以及各种胶囊。

(4)应用于便携式杀菌灯、各种包装杀菌设备、消毒柜、衣柜、冰箱、医疗用具消毒设备、公共物品消毒设备。

(5)应用于小型空气净化器、汽车空气杀菌器、室内空调、中央空调等各类空气净化消毒设备。

(6)应用各个光固化领域，包括汽车零配件、木板固化、电子器件、集成电路、眼镜等行业的胶合、涂装、被覆、印刷、打印、注型等，以及温室种植房内辅助植物生长，灭虫。

现状脉冲光具极高杀死微生物水平，一般不透明及食品的不规则表面，有些微生物可被隐蔽，但即使像肉那样高度不规则的表面，脉冲光亦可致1一3对数的总微生物数降减。此结果可能延长食品的货架寿命及使病原微生物的降减。1994年2月美国食品及药物管理局已接受申请应用脉冲光处理食品。脉冲光处理成本是极有利的，保守性估计用4J/cm脉冲光，包括设备的摊提，灯的替换，电力与维持费用，所需的成本为每平方英尺处理面积不到1美分。