清洗技術對鮮切果蔬微生物與品質影響的研究進展

張曉芳,胡文忠,*,劉程惠,陳 晨,馮 可,金黎明,張艷慧,孫小淵

(1.大連民族大學生命科學學院,遼寧大連 116600; 2.生物技術與資源利用教育部重點實驗室,遼寧大連 116600)

鮮切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是一種新式速食果蔬制品[1]。果蔬在種植、灌溉、收獲、運輸和加工等過程中,表面會附著和污染微生物,鮮切前的清洗可以去除其表面的大部分微生物,但是有些果蔬表面凹凸不平,比如根莖類蔬菜的芽眼、葉菜類的褶皺和水果的果蒂處等,這些區域不容易清洗,微生物難以徹底清除,因此鮮切果蔬在切分后仍需要進一步清洗。而且果蔬經過切分后,汁液流出,為微生物的繁殖提供營養,加速腐敗速率,使果蔬品質迅速下降。清洗可以去除表面溢出的汁液,減輕鮮切果蔬的品質劣變,同時結合清洗劑清洗,如檸檬酸、維生素C(VC)、植物精油、植物天然提取物等,能夠抑制微生物生長繁殖,有利于保持鮮切果蔬的品質,延長其貨架期。因此,清洗在鮮切果蔬的加工保鮮過程中至關重要[2]。近年來,鮮切果蔬的清洗技術發展迅速,主要包括物理清洗技術、化學清洗技術和生物清洗技術。熱水、超聲波和機械水力清洗等物理清洗技術由于操作簡單、綠色環保、安全性高而廣受人們的認可;臭氧水、酸電解水、有機酸、二氧化氯和次氯酸鈉清洗等化學清洗因其較強的殺菌保鮮效果、低廉的成本,是目前最常用的清洗技術;天然提取物、抗菌素和噬菌體等生物清洗是近年來發展起來的新型廣譜、高效的清洗技術。然而,幾種清洗技術在鮮切果蔬的殺菌效果和品質保持方面缺少綜述。

因此,本文就幾種常用的清洗技術進行了整理,介紹了清洗技術的殺菌作用機制、作用條件及其對鮮切果蔬的微生物與品質的影響,同時還歸納了不同種類鮮切果蔬的適宜清洗條件,并提出了鮮切果蔬清洗技術的研究方向,以期為今后的清洗技術在鮮切果蔬中的應用與研究提供一定的參考。

1 物理清洗技術

物理清洗技術不添加任何清洗劑,通過物理作用,如熱、超聲波和壓力等去除鮮切果蔬表面的微生物和流出的汁液,主要包括熱水清洗、超聲波清洗和機械水力清洗等,它的優點是清洗后不產生任何殘留物,安全性高,而且滅菌效果良好。目前,在鮮切果蔬中應用較多的是超聲波清洗和熱處理清洗。

1.1 超聲波清洗

超聲波清洗技術是利用頻率大于20 kHz的超聲波在液體中產生強大壓力、剪切力和高溫,使生物結構在液體介質中因細胞內空化而發生化學和物理變化,導致微生物細胞壁、細胞膜和DNA遭到破壞,達到殺滅微生物的目的[3-4]。

目前,超聲波清洗技術在鮮切黃瓜[5]、鮮切生菜[6]和鮮切百合鱗片[7]等鮮切果蔬的微生物控制方面已取得良好的效果,Fan等[5]采用功率為400 W的超聲波處理鮮切黃瓜10 min,貯藏期間細菌、霉菌和酵母菌總數均低于對照組,且在貯藏末期分別比對照組減少了1.44和0.92 lg CFU/g。Yin等[6]發現功率為240 W的超聲波處理鮮切生菜10 min后,其表面初始菌落總數下降了0.91 lg CFU/g,且貯藏期間始終低于對照組,在4 ℃下可貯存15 d。此外,張森旺等[7]將鮮切百合鱗片經過200～1000 W超聲處理,發現微生物滅活率隨著超聲功率的增大而增大,但當功率為800 W時增加則不明顯,與700 W時相比,微生物滅活率僅增加了4.25%。由此可見,并不是超聲功率越大對微生物殺滅作用越顯著,當功率達到一定值時,接近其最佳功率密度,殺菌作用最強,功率繼續增大,其空化作用反而下降,從而導致微生物的失活率降低。

超聲波還能抑制與鮮切果蔬褐變相關的多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)等酶的活性[8-9],降低營養物質消耗。Fan等[5]用超聲波處理鮮切黃瓜,可降低其失重率,抑制丙二醛(MDA)的積累,而對總可溶性固形物(TSS)和VC無明顯破壞作用。Yin等[6]用超聲波處理鮮切生菜后,POD和PPO的活性受到抑制,同時減少了葉綠素和VC的損失,從而延緩了鮮切生菜的衰老和褐變。張森旺等[7]還發現經過超聲處理的鮮切百合鱗片,其褐變指數在500 W時最低,之后則隨著功率的增大而增大。這可能是因為過強的超聲波破壞了百合原有的細胞結構,細胞膜通透性增加,導致酚類物質與酚類氧化酶接觸,加速褐變。綜上,超聲波清洗鮮切果蔬時,其所引起的空化效應、機械效應和熱效應能夠殺滅微生物,破壞引起褐變的酶的活性,但也會對鮮切果蔬的組織產生一定的傷害,易導致其營養成分損失,使其商品價值降低。目前,國內外使用超聲波清洗鮮切果蔬的功率范圍大多在100～600 W,但仍應根據不同果蔬的自身特性選擇其最適的超聲功率。

1.2 熱處理清洗

采用適宜溫度的熱水處理鮮切果蔬,不僅可以抑制微生物生長,還能鈍化酶的活性,抑制褐變,從而延長鮮切果蔬的貨架期。

熱處理通過抑制微生物的生長來控制鮮切果蔬貯藏過程中的腐敗變質。Tirawat等[10]使用100 ℃的飽和水蒸氣處理鮮切卷心菜、鮮切黃瓜、鮮切胡蘿卜、鮮切甜椒、鮮切菠蘿和鮮切甜瓜0.3～0.4 s后,四種鮮切蔬菜的嗜溫細菌總數減少了大約2 lg CFU/g,兩種鮮切水果的嗜溫細菌總數減少了約1 lg CFU/g。Alegria等[11]將鮮切胡蘿卜浸泡于100 ℃熱水中45 s后,初始嗜溫需氧細菌總數比對照組低1.6 lg CFU/g,并且在貯藏期間始終低于對照組,其貨架期延長了3 d。Aguayo等[12]研究發現,將鮮切蘋果經過48和55 ℃熱水處理2 min,貯藏28 d后,細菌、酵母菌和霉菌總數均下降了約1 lg CFU/g,且48 ℃處理組的抑菌效果略優于55 ℃處理組。范林林等[13]比較了50、60和70 ℃的熱水浸泡鮮切蘋果2 min后其表面微生物數量的變化,結果發現三種溫度的熱處理均能有效抑制微生物的生長繁殖,至8 d時,處理組細菌總數均低于對照組1.5～2 lg CFU/g,但此時50、60 ℃處理組的抑菌效果優于70 ℃處理組。綜上,高溫短時間或是中溫長時間的熱水處理均能抑制鮮切果蔬上微生物的生長繁殖,通常高溫熱處理的溫度為100 ℃,處理時間在0.3～60 s,中溫熱處理的溫度一般在40～60 ℃,處理時間1～5 min,兩種熱處理抑菌效果相近,且對于中溫熱處理,并不是溫度越高抑菌效果越強。

熱處理除了具有顯著的抑菌效果外,對鮮切果蔬的酶活性和品質保持也有影響。Tirawat等[10]發現經過飽和水蒸氣處理后的鮮切黃瓜、鮮切胡蘿卜、鮮切甜椒、鮮切菠蘿和鮮切甜瓜的L*、a*、b*值均無明顯變化,而鮮切卷心菜的L*、a*、b*值明顯低于對照組;鮮切卷心菜和鮮切甜椒的VC也受到了嚴重破壞,而其他鮮切果蔬的VC含量無明顯變化,說明高溫對果蔬組織有一定的破壞作用。Carla等[14]將鮮切胡蘿卜浸泡于100 ℃熱水中45 s,0 d時,處理組的總酚、總類胡蘿卜素含量分別提高30%和67%,且在貯藏期間始終高于對照組,其POD活性也受到抑制。由此可見,對于質地較軟的鮮切果蔬,特別是綠葉類的鮮切蔬菜,過高的溫度會對其組織產生傷害,營養物質損失,因此,該類鮮切果蔬適宜采用中溫熱處理清洗。范林林等[13]還發現,相對于60、70 ℃處理組鮮切蘋果的VC和TSS含量的大幅度下降,50 ℃處理組僅分別下降了25.2%和12.3%,并且高于對照組。由此可見,并不是溫度越高越有利于鮮切果蔬品質的保持,對于質地較硬的鮮切果蔬,高溫短時間或是中溫長時間熱處理清洗均能抑制酶活性,降低呼吸強度,抑制乙烯生成,延長貨架期。

2 化學清洗技術

化學清洗技術一般采用一定濃度、安全無毒副作用的清洗劑清洗鮮切果蔬,以抑制微生物的生長,控制褐變,提高產品的品質與貨架期[15]。目前,化學清洗技術主要包括臭氧水清洗、酸電解水清洗、有機酸清洗、二氧化氯清洗和次氯酸鈉清洗等清洗技術。表1列出了臭氧水、有機酸、次氯酸鈉清洗對鮮切果蔬和酸電解水、二氧化氯清洗對鮮切蔬菜的微生物、酶活的抑制作用,感官品質、貨架期的影響,以及VC、總酚和固形物等營養物質的保持效果。

表1 化學清洗技術在鮮切原料保鮮中的應用Table 1 Application of chemical cleaning technology in fresh-cut raw material

續表

2.1 臭氧水清洗

臭氧又稱為超氧,是具有特殊臭味的氧氣同素異形體。已有研究表明,臭氧水可以有效抑制微生物的生長[34]。其殺菌作用機理為:臭氧通過與細菌細胞膜脂類的雙鍵反應,進入菌體內部,與蛋白質和脂多糖作用,增加細胞膜的通透性,使胞內物質外流,從而導致細菌死亡[35]。由于臭氧水具有強氧化性,可使鮮切果蔬中的酶失去生物活性[34],降低其品質劣變。目前,臭氧水已廣泛應用于鮮切果蔬的殺菌保鮮中。由表1可知,大多數研究報道認為適宜濃度的臭氧水在一定的時間內處理鮮切果蔬能有效抑制其微生物的生長,降低酶的活性,提高硬度、TSS和VC含量,進而提高抗氧化能力,保持鮮切果蔬的品質。但是,臭氧水處理時間過長,會影響鮮切果蔬的品質保持(表1)。研究表明,當鮮切木瓜經過臭氧水處理超過10 min后,VC含量下降,且臭氧處理時間越長,對VC的不良影響越大[18],這一現象可能是因為在臭氧的脅迫下,抗壞血酸氧化酶(AO)促進VC氧化為脫氫抗壞血酸(DHA),而DHA不穩定,被臭氧降解,從而導致VC含量下降[36]。綜上,臭氧水濃度越高,浸泡時間越長,殺菌效果越好,但是長時間處理容易破壞鮮切果蔬的營養物質,加快其生理代謝速率,而不同鮮切果蔬其體現最佳品質和殺菌效果的臭氧水濃度與時間不同,因此,選擇適宜的臭氧水濃度和浸泡時間有利于保持鮮切果蔬的品質。

2.2 酸電解水清洗

酸電解水也叫酸電解氧化水,由電解槽中稀釋的氯化物溶液電解產生,是一種具有氧化能力的新型消毒劑,根據有效氯濃度和pH可分為強酸性電解水(AEW),其pH2.3～2.8,有效氯濃度(ACC)為60～100 mg/L;弱酸性電解水(SAEW),其pH5.0～6.5,ACC10～30 mg/L[37],其中有效氯起主要殺菌作用,pH、氧化還原電位和活性氧等起協同殺菌作用。由于酸電解水綠色、環保,因此,對環境和人體健康的不良影響較小。目前,酸電解水在鮮切果蔬的保鮮上已得到廣泛研究。一般認為,采用SAEW和AEW處理鮮切果蔬3～10 min,均能有效減少微生物數量,且有研究表明,相同處理時間條件下,SAEW稍優于AEW的殺菌效果,與100 ml/L次氯酸鈉作用相同(表1)。由表1可知,兩種處理均能保持鮮切果蔬的品質。比較來看,SAEW有效氯濃度比較低,呈微酸性,作為鮮切果蔬的消毒劑,殺菌效果較好,對果蔬的顏色沒有影響,并且SAEW對加工設備的腐蝕性較弱。因此,SAEW在鮮切果蔬保鮮中有良好的應用前景。

2.3 有機酸清洗

有機酸是指一些分布在植物中且具有酸性的有機化合物,植物中常見的有機酸包括乙酸、草酸、蘋果酸、檸檬酸、VC、綠原酸和其他有機酸[38]。有機酸已經通過GRAS認證(GRAS是美國FDA評價食品添加劑的安全性指標,GRAS認證:一般認為安全的英文縮寫,全稱為Generally Recognized as Safe),可用于食品的防腐[39-40]。其抑菌作用機理為:有機酸進入細菌細胞后使細胞質酸化,破壞質子動力,產生滲透脅迫和抑制大分子合成,從而導致微生物死亡[39-41]。已有研究表明,有機酸,如蘋果酸、乳酸、VC和檸檬酸,作為天然防腐劑不僅能抑制鮮切果蔬中細菌和酵母菌的生長,還對大腸桿菌O157∶H7的生長也有一定的抑制作用(表1)。此外,有學者研究發現,鮮切蘋果經過VC與乙醇復配處理后,其總需氧菌、酵母菌、霉菌以及大腸桿菌O157∶H7和單增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)的生長均受到抑制,說明這種組合處理可以提高鮮切蘋果的安全性[25]。有機酸還能抑制鮮切果蔬中酶的活性,減少營養物質的損失,保持其感官品質(表1)。但Chen等[24]發現,單一使用檸檬酸溶液處理會促進鮮切蘋果表面的褐變,其推測這可能是因為鮮切蘋果在貯藏過程中損失了水分,所以導致其L*和白度指數下降。而VC與乙醇復配處理能有效抑制鮮切蘋果果肉的褐變[25]。相比于單獨的有機酸處理,有機酸與乙醇復配使用在抑制鮮切果蔬中微生物的生長和品質保持方面效果更佳[25],因此,未來開發有機酸與乙醇復配處理鮮切果蔬的前景廣闊。

2.4 二氧化氯清洗

二氧化氯是一種易溶于水,具有一定揮發性和光敏感性的強氧化劑、殺菌劑,以氣態或液態的形式用于食品和食品設備的消毒,且不產生殘留氣味和有害物質[42-43]。其作用機理為:二氧化氯破壞微生物中的部分氨基酸,氧化細胞內含巰基的酶,進而控制蛋白質的合成,最后導致微生物死亡[44]。我國已允許使用二氧化氯水溶液對水果和蔬菜進行消毒[45]。大部分研究認為二氧化氯的殺菌保鮮效果和濃度、處理時間有關,通常10～100 mg/L二氧化氯溶液處理鮮切果蔬5～20 min即可顯示出較好的殺菌保鮮效果(表1)。綜合微生物和感官質量兩個方面來看,對于根莖類鮮切果蔬,較高濃度(大于60 mg/L)和較長時間(大于10 min)的二氧化氯處理可以有效抑制微生物的生長,降低酶活性,抑制褐變,延長商品貨架期;而對于葉類鮮切蔬菜,由于二氧化氯的強氧化性,濃度過高會使葉片發黃和褪色以及氧化作用和營養物質的損失加重,因此,該類鮮切蔬菜適合采用低濃度、短時間的二氧化氯處理。

2.5 次氯酸鈉清洗

次氯酸鈉是一種具有水溶性的高效、廣譜殺菌劑,適用于各種環境[46]。其殺菌作用機理為:次氯酸鈉溶于水后形成次氯酸(HClO),次氯酸分子小且無電性,穿透細胞膜進入細胞,與細胞內的蛋白質發生反應,使細胞液凝固,從而有效地殺死細菌[47]。雖然很多研究認為一定濃度的次氯酸鈉溶液不僅可以有效抑制鮮切果蔬上微生物的生長,還能保持其品質(表1),但次氯酸鈉對熱不穩定,容易與食品中的有機物反應生成氯化物,對人體產生危害,而且還會破壞產品的風味和品質[48-49]。目前,已有德國、荷蘭等歐洲國家禁止在鮮切果蔬中使用含氯消毒劑[50]。因此,尋求替代目前常用的次氯酸鈉溶液清洗鮮切果蔬的技術,是未來發展的必然趨勢。

3 生物清洗技術

生物清洗技術主要利用生物體內天然提取物、抗菌素和噬菌體等對鮮切果蔬進行清洗,達到殺菌保鮮的目的。

植物中的生物堿、揮發油、酚類、凝集素和肽等化學物質具有抗菌作用,這些物質能增加微生物細胞膜的透性,使其細胞內容物滲出而死亡。目前應用最多的是植物精油,但其作為鮮切果蔬殺菌劑還處于研究階段。黃文部等[51]比較6種精油對鏈格孢菌(Alternariaalternata)的抑菌性效果,結果發現,0.15 μL/mL的肉桂精油抑菌效果最好,同時降低了鮮切西蘭花花球的黃化率和切面褐變率。Chen等[52]研究發現,0.05%丁香精油對鮮切萵苣有防腐和褐變抑制作用。這些研究都表明植物精油有較高的殺菌保鮮效果,但是植物精油因其具有特殊的芳香氣味,在使用時可能對果蔬原有的香氣有一定的影響,同時其用于食品的安全性尚不明確,因此,在食品領域中應用還需作進一步研究。

抑菌素主要來源于微生物代謝產物,包括乳酸鏈球菌素、納他霉素和曲酸等。但它們抗菌譜比較窄:乳酸鏈球菌素對革蘭氏陽性菌作用效果較強;納他霉素對真菌的生長抑制效果明顯,對細菌的作用不明顯等[53-54]。乳酸鏈球菌素含有一些乳酸菌產生的陽離子肽[55],對細菌、酵母菌和霉菌的生長有抑制作用[56]。Martínez等[56]使用0.25g/L乳酸鏈球菌素處理鮮切茴香,其嗜溫細菌、腸桿菌科細菌和酵母菌與霉菌總數分別減少0.5、0.6和1.1 lg CFU/g,且處理后的鮮切茴香沒有異味。黃鏡如等[57]研究發現,鮮切白蘿卜經過0.10 g/L的納他霉素溶液處理后,其霉菌及酵母菌的生長受到抑制,失重率降低,硬度、VC和TSS含量提高,延緩了鮮切白蘿卜的衰老。由于這些抑菌素可在哺乳動物的腸道中降解或是直接排出體外,所以對人體來說無毒副作用。因此,抑菌素在鮮切果蔬的貯藏中具有較大的應用潛力。

噬菌體是一種可以感染真菌、細菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒,在進入宿主體內后可使宿主裂解,進而導致宿主死亡[58]。目前,美國FDA已認定部分噬菌體制劑為GRAS級產品,可用于食品[59]。近年來,噬菌體在鮮切果蔬的殺菌保鮮中也有部分研究。Oliveira等[60]評價了1011PFU/mL的Listex P100噬菌體對鮮切甜瓜、梨和蘋果污染單增李斯特菌后的清除效果,結果發現,鮮切甜瓜和梨的菌落總數分別降低了約1.5和1.0 lg CFU/plug,而在鮮切蘋果上,噬菌體的數量迅速下降到幾乎無法檢測的水平,這說明噬菌體易受pH影響,對酸敏感。因此,可通過增加噬菌體溶液的濃度或是與其他清洗劑結合使用來提高其在低pH鮮切果蔬中的應用。

4 結論與展望

由于鮮切果蔬可以開袋即食即用,因此對其質量與安全性的要求極其嚴格。清洗是鮮切果蔬在加工過程中不可缺少的環節,它可以起到殺菌效果來保障鮮切果蔬的安全,也可以通過抑制酶活性延緩褐變,同時還能降低呼吸強度與乙烯的生成進而減少營養物質的損失等,保持其品質并延長貨架期。不同種類的鮮切果蔬具有其自身特點,而各種清洗技術對其殺菌保鮮效果也不同,且僅采用一種清洗技術往往不能達到最佳保鮮目的,因此,為了達到鮮切果蔬的最佳保鮮效果,針對不同的鮮切果蔬原料的特點選擇合適的單一或者復合清洗技術和清洗條件十分必要。目前,國內外用于鮮切果蔬清洗的技術種類很多,但相關技術的研究不深入,且部分清洗技術的殺菌機理尚不明晰,同時它們在鮮切果蔬的食用安全方面的應用技術尚不完善,有待于進一步研究。因此,未來應加強對以下內容的研究:熱處理和酸電解水清洗技術以及抑菌素等新型抑菌劑的殺菌作用機理;不同鮮切果蔬的適宜清洗技術;不同清洗技術處理條件的優化;用于鮮切果蔬的清洗技術的食用安全性;兩種或多種清洗技術的協同作用條件及機制等,用以提高鮮切果蔬的品質、安全和經濟效益。