LED深紫外线杀菌特性及其在草莓保鲜中的应用

LED深紫外线杀菌特性及其在草莓保鲜中的应用

食源性致病菌是引起食物中毒的主要原因，常见的有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等。近年来，由食源性致病菌引起的食源性疾病在各国频发，对食品安全构成严重威胁。传统的热杀菌技术虽然有效，但会对食品造成热损伤。相比之下，非热杀菌技术，尤其是紫外杀菌法，因其能较好地保留食物的营养和风味而受到越来越多的关注。本文研究了LED深紫外线杀菌技术在草莓保鲜中的应用效果，为该技术在食品领域的推广提供了科学依据。

LED深紫外线杀菌技术及其在草莓保鲜中的应用

1. 材料与方法

1.1 材料与试剂

• 大肠杆菌O157∶H7、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌取自江南大学食品学院生物技术中心微生物实验室
• 草莓购自江苏无锡翠娟草莓园
• 酵母提取物、胰蛋白胨、氯化钠、琼脂、乙醇，国药集团化学试剂有限公司

1.2 仪器与设备

• 深紫外LED灯珠(发光角度120°、辐射功率6 mW、波长275 nm)
• 恒压直流电源，安徽毅昌科技有限公司

1.3 实验方法

• LED深紫外灯数目与位置对杀菌率影响的测定
• LED深紫外灯照射时间对3种致病菌杀菌率影响的测定
• LED深紫外线照射处理草莓
• 果实坏果率、腐败指数、失重率的测定

2. 结果与分析

2.1 LED深紫外灯数目与位置对大肠杆菌杀菌率的影响

通过调整LED深紫外灯的数目与位置研究其对大肠杆菌的杀菌率，具体如图1所示，分别为正上方一灯、正上方两灯、正上方三灯、侧方一灯、侧方两灯与侧方三灯。其中的反光板可增加深紫外线强度并扩大紫外线照射范围。以大肠杆菌为试验对象，控制LED深紫外灯杀菌时间为15 s，用6种不同的LED深紫外灯组合对一定浓度的大肠杆菌进行深紫外线照射，试验结果如图2所示。

表1 不同LED深紫外灯数目与位置对大肠杆菌的杀菌率 单位:%
Table 1 Bactericidal rate ofE.coliby different numbers and positions of LED deep ultraviolet lamps

由表1可见,大肠杆菌杀菌率随LED深紫外灯灯数增加,上升幅度减小且减小程度较为明显,说明无论是在正上方还是侧方,当LED深紫外灯数目为3个时,进一步增加灯数对大肠杆菌的杀菌效果提升有限。因此设计正上方与侧方各有3个灯的LED深紫外灯组合以提高杀菌率(图3),试验发现用此设备对大肠杆菌照射15 s,杀菌率可大幅提高至(99.18±0.82)%。这表明LED深紫外的杀菌效果与紫外强度和照射方向相关,这种组合方式增加了深紫外照射的覆盖面,故采用正上方与侧方各有3个灯的LED深紫外灯组合对大肠杆菌具有最好的杀菌效果。

2.2 LED深紫外灯照射时间对细菌杀菌率的影响

采用正上方与侧方各有3个灯的LED深紫外灯组合,对一定浓度的大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌进行不同时间的深紫外线照射处理,试验结果如图4所示。

A-大肠杆菌;B-铜绿假单胞菌;C-金黄色葡萄球菌

图4 LED深紫外灯对3株菌照射不同时间的试验结果
Fig.4 Experimental results of three strains of bacteria exposed to LED deep ultraviolet lamp for different time

比较不同LED深紫外灯照射时间下大肠杆菌死亡率发现(表2),利用该LED深紫外杀菌设备对大肠杆菌照射5、10、15 s,大肠杆菌的杀菌率逐渐上升,分别为(89.06±0.46)%、(96.08±1.08)%、(99.18±0.82)%,当LED深紫外灯照射时间为20 s时,即可将大肠杆菌全部杀灭。对于铜绿假单胞菌在照射10、20、30 s后,铜绿假单胞菌的杀菌率逐渐上升,分别为(64.56±2.42)%、(91.11±1.84)%、(97.89±0.22)%,当LED深紫外线照射时间为40 s时,即可将铜绿假单胞菌全部杀灭(表3)。对于金黄色葡萄球菌,照射15、30、60 s后的死亡率逐渐上升,分别为(24.14±1.30)%、(45.84±0.67)%、(89.16±2.50)%,当LED深紫外灯照射时间为120 s时可将金黄色葡萄球菌全部杀灭(表4)。由此可见,大肠杆菌和铜绿假单胞菌对LED深紫外线敏感性要优于金黄色葡萄球菌。

表2 不同LED深紫外灯照射时间下大肠杆菌的杀菌率
Table 2 Bactericidal rate ofE.coliunder different LED deep ultraviolet lamp irradiation time

表3 不同LED深紫外灯照射时间下铜绿假单胞菌的杀菌率
Table 3 Bactericidal rate ofP.aeruginosaunder different LED deep ultraviolet lamp irradiation time

表4 不同LED深紫外灯照射时间下金黄色葡萄球菌的杀菌率
Table 4 Bactericidal rate ofS.aureusunder different LED deep ultraviolet lamp irradiation time

总体来说,随着LED深紫外灯照射时间的延长,大肠杆菌、铜绿假单胞菌以及金黄色葡萄球菌的杀菌率均逐渐升高。其中对LED深紫外线的敏感性:大肠杆菌>铜绿假单胞菌>金黄色葡萄球菌。大肠杆菌与铜绿假单胞菌同为革兰氏阴性菌,其对LED深紫外线敏感度差别并不大。而作为革兰氏阳性菌的金黄色葡萄球菌,对LED深紫外线敏感性要明显弱于另外2株革兰氏阴性菌,这也与一些研究者们的观点相符[16,23],这可能是由于革兰氏阳性菌与阴性菌的细胞壁结构和组成不同,从而导致它们对外界环境的抵抗能力不同。另外可能也与细菌的形状大小有关,金黄色葡萄球菌为较小尺寸的球状菌,而大肠杆菌和铜绿假单胞菌为较大一点的杆状菌,因此金黄色葡萄球菌在相同时间内接触的紫外线量可能不及其他2株菌。试验发现,利用正上方与侧方各有3个灯的LED深紫外灯组合只需2 min即可将大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌杀灭,这比已知的相同功率的汞灯具有更好的杀菌效果,因此在食源性致病菌的杀菌处理方面具有很好的应用前景。

2.3 常温贮藏下LED深紫外线处理对草莓保鲜的效果

2.3.1 草莓果实腐败程度的测定结果及分析

坏果率与腐烂指数是衡量草莓果实腐败程度的重要指标,草莓在常温下贮藏极易发生病变。分别在24、48、60 h,对不同时长LED深紫外线照射的草莓的坏果率与腐烂指数进行调查统计,结果如图5、图6所示。无论是照射组还是对照组,草莓坏果率与腐烂指数均随着贮藏时间的延长而增加。在常温下贮藏24 h时,所有组均有草莓发生了腐败,对照组的坏果率与腐烂指数分别为71.43%与42.85%,而LED深紫外线处理5 min的照射组的坏果率与腐烂指数分别为42.85%与21.43%,显著低于对照组。此外,所有LED深紫外线照射组的腐烂指数和坏果率均小于对照组,LED深紫外线处理5 min对草莓的保鲜效果最好,其坏果率与腐烂指数分别为71.43%,33.33%。在48 h后,草莓的腐败速度加快,在60 h时,所有草莓果实均产生了腐败,且照射组与对照组的腐烂指数的差别不再明显。

图5 LED深紫外灯照射时间对草莓贮藏期间坏果率的影响
Fig.5 Effect of LED deep ultraviolet lamp irradiation time on the bad fruit rate of strawberry during storage

图6 LED深紫外灯照射时间对草莓贮藏期间果实腐败指数的影响
Fig.6 Effect of LED deep ultraviolet lamp irradiation time on fruit decay index of strawberry during storage

总之,适当的LED深紫外线处理对抑制草莓的腐败具有一定的效果,其原因一方面可能是深紫外线照射直接抑制了草莓病原菌的生长,另一方面,适当的深紫外线处理可能激活了草莓果实的防御反应[24],从而减小病原菌在草莓上的繁殖。此外,试验结果表明并不是LED深紫外线处理时间越长,对草莓的保鲜效果越好。LED深紫外线处理10 min的照射组的坏果率与腐烂指数均大于同一时间处理5 min的照射组。由于在试验过程中,LED深紫外线处理10 min的照射组出现一定的表面出汁现象,推测可能是过高的深紫外线处理对草莓果实外层的细胞产生了一定程度的损伤,加速了草莓表面的破损,最终导致腐烂程度上升[23,25]。

2.3.2 草莓果实失重率的测定结果及分析

对草莓果实进行不同时长的LED深紫外照射处理,每隔12 h记录果实的失重率如图7所示,草莓实际情况如图8。无论是照射组还是对照组,草莓失重率均随着贮藏时间的延长而增加。在前期(0～24 h)照射组的失重率均小于对照组,在同样的贮藏时间内,随着LED深紫外线照射时间的延长,失重率逐渐下降。在36 h与48 h时,仅LED深紫外线处理5 min的照射组失重率小于对照组;LED深紫外线处理1 min与3 min的照射组失重率与对照组差别不再明显;LED深紫外线处理10 min的照射组失重率反而高于对照组(分别平均比对照组高1.21%,1.03%)。这可能是过高的深紫外线处理破坏了草莓表面,导致果实汁液流失,从而增加了失重率。总体来说,适当剂量的LED深紫外线处理能有效抑制草莓果实水分的流失,降低失重率。

图7 LED深紫外线照射时间对草莓贮藏期间果实失重率的影响
Fig.7 Effect of LED deep ultraviolet irradiation time on weight loss rate of strawberry during storage

A-对照组;B-1 min;C-3 min;D-5 min;E-10 min

图8 贮藏时间为48 h时,不同时长LED深紫外线处理过后的草莓
Fig.8 Strawberries after long LED deep ultraviolet treatment at different time when stored for 48 h

2.4 密封冷藏下LED深紫外线处理对草莓保鲜的效果

经不同时长LED深紫外线处理的草莓用无菌均质袋单个密闭包装,放入4 ℃左右贮藏,每隔1 d观察并记录草莓感官状态,贮藏18 d后取出。试验发现对照组在第10天即发生腐败。在贮藏18 d时(图9),对照组表面长满了大量的白色毛霉并存在着一定程度的出水;经LED深紫外线处理1 min的草莓表面也出现了较明显的出水与长霉现象;经LED深紫外线处理3 min与5 min的草莓仍可以保持较好的感官性质,果实有光泽,色泽鲜艳,且有些许草莓特有的清香;经LED深紫外处理10 min的草莓表面出现了较严重的失水现象,并在根部附近长出了少量的白色毛霉。这说明适度的LED深紫外线处理与密封冷藏可大大延长草莓的保质期,二者对草莓的保鲜具有协同作用。

图9 在4 ℃下密封贮藏18 d时,不同时长LED深紫外线处理后的草莓
Fig.9 Strawberries after LED deep ultraviolet treatment at different time when sealed stored at 4 ℃ for 18 days

3. 结论

本试验通过获得合适的LED深紫外灯组合,探索深紫外线照射时间对不同致病菌杀菌率的影响以及深紫外线照射对草莓保鲜的效果。随着染菌平板正上方或侧方的LED深紫外灯数目增加,对大肠杆菌的杀菌率上升。当染菌平板正上方与侧方各有3个LED深紫外灯时,杀菌效果最好。在一定范围内,随着LED深紫外线照射时间的延长,金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌的死亡率上升。这些结果表明深紫外的杀菌效率与照射强度、照射方向以及照射时长相关。同时大肠杆菌具有对LED深紫外线最高的敏感性,其次是铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌。研究发现草莓在进行适当时长的LED深紫外线处理后,能够降低常温贮藏下的坏果率、腐烂指数、失重率并增加其感官评分,具有良好的应用价值。但同时需要避免过强过长的深紫外线照射破坏草莓表面的情况。另外,适度的LED深紫外线处理与密封冷藏可大大延长草莓的保质期,二者对草莓保鲜具有协同作用。