臭氧微納米氣泡在食品殺菌中的應用

周 輝，徐華興，高亞飛，徐寶才

（1.合肥工業大學 食品與生物工程學院，合肥 230000；2.安徽禾豐食品有限責任公司，安徽亳州 236000）

0 引言

微納米氣泡（MNBs）是指將氣體分散在溶液中，形成的微米級（＜100 μm）和納米級（＜1 μm）的微小氣泡顆粒［1］。MNBs 具有比表面積大、穩定性強、氣液傳質效率高和易于產生自由基等理化特性，目前被廣泛應用于農業、水產養殖業和環境污染治理等領域［2-3］。

臭氧具有強大的氧化、抗菌和抗病毒能力，對包括細菌、病毒、原生動物和內生孢子在內的病原體具有極好的滅活能力。食品中的臭氧化是一種不改變營養、感官和物理化學特性的綠色殺菌技術，有利于保持食品的質量和安全性［4］。然而臭氧的高度不穩定性以及臭氧殺菌副產物的毒性數據還未研究清楚，是臭氧殺菌應用的主要限制［5］。

微納米氣泡與臭氧的結合提高臭氧在水中的溶解度，并極大減少臭氧的損失［6］，從而提升臭氧的處理效率?；诖颂匦?，臭氧微納米氣泡（OMNBs）技術已經廣泛應用于污水處理、水產養殖和農業種植等領域［7-9］，然而在食品殺菌領域的研究和應用還比較少。因此本文圍繞MNBs 的基本性質、制備方法、表征方法，以及OMNBs 的特性、影響因素，及其在食品殺菌中的應用進行闡述，以期為OMNBs 在食品殺菌領域中的應用提供參考，促進其發展。

1 微納米氣泡

1.1 理化特性

不同尺寸大小的氣泡擁有不同的性質。相較于普通大氣泡，MNBs 具有比表面積大、在水中留存時間長、氣液傳質效率高、Zeta 電位高以及破裂后產生羥基自由基等特點。

1.1.1 比表面積大

MNBs 的比表面積定義為氣泡的表面積與體積之比，通過式（1）計算。MNBs 的直徑越小，比表面積越大［10］。由于比表面積的大小影響MNBs 的氣液界面面積和穩定性，因此是保持MNBs 穩定性和功能性的重要物理參數。

式中 SSA——比表面積，m2/m3或1/m；

d——MNBs 的直徑，m。

1.1.2 留存時間長

MNBs 在水中的浮力Fb根據浮力公式（2）計算。在溶液中，氣泡直徑越小，受到的浮力越小，上升速度越慢。因此，MNBs 在溶液中由于其低浮力而停留時間較長［11］。其上升過程如圖1 所示。

圖1 普通大氣泡與微納米氣泡上升過程的比較Fig.1 Comparison of rising process of ordinary large bubbles and MNB

式中 dp——氣泡直徑，m；

ρ1——溶液密度，kg/m3；

ρp——氣泡中氣體的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

1.1.3 傳質效率高

根據氣液界面表面張力理論，氣泡直徑越小，表面張力對氣泡的影響越明顯。溶液體系內，MNBs 內部壓力與氣泡直徑或大小的關系如Young-Laplace 方程（3）所示［12］。MNBs 的直徑非常小，從而受到較大的表面張力，使其直徑不斷縮小，并使氣泡內部壓力增大。當收縮過程達到某個極限值時，氣泡內部氣壓將趨于無限大，最終導致氣泡溶于水或破裂［13］。在此過程中，因為MNBs 具有較大的比表面積，即使水體中氣體溶解率達到過飽和狀態，仍可實現氣液傳質并具有較高的傳質效率。

式中 Pin——內部氣相壓力，Pa；

Pout——液相壓力，Pa；

γ——氣液表面張力，N/m；

r——氣泡半徑，m。

1.1.4 Zeta 電位高

Zeta 電位是膠體粒子在電場作用下運動時，在滑動或剪切面上的電動勢，是關系到膠體體系穩定性的重要粒子表面特性［14］。研究結果表明，水中MNBs 表面主要是以OH-為主，因此帶負電荷［15］。當MNBs 收縮時，氣泡表面離子的吸附和內表面反離子的產生共同作用形成高界面Zeta電位。當Zeta 絕對值較高時，MNBs 表面電荷產生的排斥力抑制氣泡的聚集，從而使得液體體系中MNBs 具有高度穩定性［16］。

1.1.5 羥基自由基的生成

MNBs 破裂瞬間產生羥基自由基，羥基自由基具有非常高的氧化還原電位，因此MNBs 具有很強的殺菌能力［17］。由Young-Laplace 方程可知，MNBs 的內壓遠高于大氣壓，在氣液界面因氣泡破裂而消失的瞬間，積聚在氣液界面上的高濃度帶電離子瞬間釋放出大量能量，進而產生羥基自由基［18］。

1.2 制備方法

一種低成本、簡易、高效、成熟和穩定的制備方法以及制備技術是研究和應用MNBs 的重要條件。目前制備MNBs 的方法根據其產生原理主要分為3 類，即空化、電解和應用納米孔膜。

1.2.1 空化法

MNBs 在溶液中的形成、產生和破裂過程常被稱為空化。根據產生方式，空化大致可分為以下4 類［19］。

流體動力空化是通過改變系統幾何形狀，引起運動流體的壓力變化，從而發生汽化并產生氣泡［20］。文丘里發生器是基于流體動力空化原理的MNBs 發生器［21］，利用該裝置生成OMNBs 的流程如圖2 所示。流體動力空化具有設備簡單、維護成本低等優點，是目前生成MNBs 最經濟、最節能的方式之一。

圖2 文丘里噴射器生成臭氧微納米氣泡的實驗裝置Fig.2 Experimental setup for generating ozone micro- and nanobubbles by Venturi injector

聲空化是通過在液體中傳播超聲波，導致壓力變化從而形成MNBs［22］。

光學空化是通過高強度光束（短脈沖激光）射入液體中而產生MNBs。

粒子空化是通過水中的基本粒子穿過液體中的高強度光子產生MNBs。

1.2.2 電化學法

電化學法通過電解水在陽極和陰極上產生氫氣和氧氣，當電極上的氫氣和氧氣達到飽和狀態時產生MNBs。ZHU 等［23］使用ec-H2O 納米清洗設備電解氯化鈉溶液，成功制備直徑約為100 nm且在溶液中穩定存在了24 h 的MNBs。

1.2.3 納米孔膜法

納米孔膜法是利用納米孔膜作為氣體和液體分散的介質，氣體通過納米孔膜進入液體，納米孔膜對氣體進行壓縮而產生MNBs。AHMED 等［24］利用管狀陶瓷納米濾膜注入空氣、氮氣和氧氣從而生成納米氣泡，并且發現，膜孔大小和表面能對納米氣泡的尺寸大小和Zeta 電位有明顯的影響。

1.3 表征方法

微納米氣泡的尺寸＜100 μm，并且在一般情況下透明。因此，區分液體中MNBs 和固體納米顆粒、納米油滴等膠體分散物較為困難，故有效的尺寸測量方法至關重要。目前主要有以下幾種常用的表征方法。

1.3.1 動態光散射

動態光散射是測量MNBs 尺寸最常用的方法，測量范圍為0.5 nm～6 μm。當激光照射MNBs的懸浮液時，使用快速光子探測器在散射角θ處探測散射光的波動。因為粒子遵循布朗運動，所以尺寸大的粒子產生較大的散射并且波動較慢。通過對波動強度的分析就可以得出MNBs 的尺寸大?。?5］。

1.3.2 納米粒子跟蹤分析

納米粒子跟蹤分析技術是通過暗場顯微鏡捕捉不同粒徑的顆粒在溶液中的運動［26］，并根據布朗運動的斯托克斯-愛因斯坦關系分析它們的軌跡，以確定其尺寸大小。該技術檢測顆粒大小的范圍在10～1 000 nm。

1.3.3 共振質量測量

共振質量測量是一種利用獨特的微電子機械系統諧振器，通過測量頻率變化來檢測粒子浮力的技術［27］。該技術不僅可以解決其他傳統技術在區分100～200 nm MNBs 時的缺陷，而且能夠區分浮力粒子（氣泡）和非浮力粒子（固體）［28］，是一種測量MNBs 尺寸的創新性技術。

1.3.4 光學圖像分析

光學圖像分析主要是通過高倍顯微攝像機進行拍攝，再利用計算機通過拍攝的圖片測量MNBs的尺寸［29］。雖然光學圖像分析對于驗證MNBs的存在具有優勢，但是由于不能同時測量大量氣泡，從而無法提供MNBs 尺寸的精確值［30］。

除此之外，測量MNBs 尺寸的方法還有Zeta 電位分析儀、數字全息顯微鏡和光譜技術等［31-33］。

2 臭氧微納米氣泡

2.1 臭氧殺菌局限性

臭氧是一種強氧化性氣體，在20 世紀初用于飲用水的消毒之后，開始在食品加工領域應用［34］。然而臭氧殺菌也存在著局限性：首先，雖然臭氧在水中高度不穩定，不會留下殘留的消毒劑，但是也限制了其在二次消毒中的有效性；其次，臭氧可將溴化物氧化成溴酸鹽［35］，這是一種已知的致癌物；最后，臭氧與天然有機物反應生成有機臭氧殺菌副產物，目前對這些副產物的毒性數據還未研究清楚［36］。

2.2 臭氧的殺菌機制

臭氧的抗菌能力主要是由于其對自由基的高氧化電位。臭氧分子與可氧化的細胞成分反應，引起抑制微生物生長的氧化反應，導致細胞損傷或微生物死亡。臭氧殺菌過程中主要反應如下式［37］：

目前，針對臭氧的殺菌作用已經提出2 種重要的機制：一是多肽、蛋白質和酶巰基被臭氧氧化，產生小分子肽；二是多不飽和脂肪酸的氧化形成酸性過氧化物［38］。細胞膜中不飽和脂肪酸的降解使得細胞裂解，從而導致微生物失活。此外，核酸的嚴重損傷以及細胞蛋白質的廣泛氧化也會導致微生物快速死亡［39］。

2.3 臭氧與微納米氣泡的結合

2.3.1 臭氧溶解度的提高

傳統的臭氧化主要通過臭氧在水中的溶解，但是會使臭氧大量逸出導致消耗量非常大。當MNBs用于溶解臭氧時，臭氧的溶解量會有明顯的提高，因此臭氧的殺菌能力也會有明顯的增強［40］。HU等［41］研究發現，在氣泡產生30 min 內，MNBs 中臭氧的溶解濃度最高值達到（10.09±0.09）mg/L，而毫米級氣泡中臭氧的溶解濃度最大值為0.64 mg/L。

2.3.2 臭氧化負面效果的抑制

溫度的升高會降低臭氧在水中的溶解度，低pH 值條件下臭氧化效率也會受到抑制，而MNBs能夠抑制pH 值和溫度對臭氧化效率的負面影響。TEMESGEN 等［42］研究顯示，溫度從19 ℃升高到25 ℃時，與傳統臭氧化相比，臭氧在納米氣泡中的溶解度增加；在酸性條件下，隨著pH 值的升高，OMNBs體系中產生的羥基自由基比傳統臭氧化更多。

2.3.3 臭氧傳質系數的增強

MNBs 曝氣相較于大氣泡可以增強臭氧的傳質系數。FAN 等［43］研究結果表明，納米氣泡曝氣的臭氧傳質系數為0.179 min-1，溶解的臭氧濃度為13.4 mg/L，分別是大氣泡曝氣（0.038 min-1和7.9 mg/L）的4.7，1.7 倍。GAO 等［44］研究發現，在0～10 min，臭氧在微米氣泡體系中的傳質系數是0.023 4 min-1，而在傳統的大氣泡體系中是0.005 5 min-1。

2.3.4 臭氧半衰期的延長

MNBs可以有效延長臭氧在水相中的半衰期。最近的一項研究表明，臭氧在納米氣泡體系中的半衰期是大氣泡中的23 倍［45］。臭氧半衰期延長的原因可能是因為氣泡的排斥理論［46］。

MNBs 的利用可以提高臭氧的溶解度并極大地減少臭氧用量，顯著增強臭氧的利用效率。

2.4 臭氧微納米氣泡的影響因素

對于OMNBs，穩定性是影響臭氧溶解性的重要因素。而OMNBs 穩定性的主要影響因素如下。

2.4.1 溫度

溫度是影響OMNBs 穩定性的一個關鍵因素。ALUTHGUN 等［47］研究結果表明，隨著溫度的升高，臭氧納米氣泡的尺寸隨之增加，Zeta 電位隨之降低。Zeta 電位的降低可能是由于隨著溫度的升高，溶液中離子的遷移率更高，氣泡表面的OH-濃度降低所致。

2.4.2 pH 值

溶液pH 值對OMNBs 的Zeta 電位同樣具有較大影響。一般氣泡的Zeta 電位在高酸性溶液中為正值。ZHENG 等［48］研究結果表明，當 pH為8.0 時，OMNBs 的Zeta 電位約為-33 mV；而當pH 降至7.0 時，Zeta 電位仍高于-20 mV。在高pH 值條件下，OMNBs 的穩定性更高，主要是因為氣液界面處吸附的OH-增加，并且臭氧的分解速率也會加快。因此為了達到相同的氧化還原電位，需要產生更多的MNBs。

2.4.3 鹽濃度

溶液鹽濃度不僅影響OMNBs 的Zeta 電位，還影響氣泡尺寸的大小。MEEGODA 等［49］研究結果表明，OMNBs 的Zeta 電位均為負值，并且隨著NaCl 濃度的增加而降低，而其氣泡直徑隨著NaCl 濃度的增加而增加。

3 臭氧微納米氣泡在食品殺菌中的應用

3.1 水處理

臭氧是非常有效的消毒劑，可有效殺滅導致水傳播疾病的病原體，是飲用水消毒的主要方法之一。而臭氧在水中快速分解并且臭氧化可能會產生副產物，是其用于飲用水消毒的主要缺點。因此在臭氧的基礎上，引入MNBs 用于飲用水消毒，可以有效改善該工藝的效率。因為MNBs 的加入不僅可以降低臭氧的降解速率，還可以提高臭氧的溶解度，從而減少臭氧殺滅病原體的投加量。

JYOTI 等［50］研究結果表明，與單獨的物理處理技術相比，流體動力空化和臭氧化的結合在成本和殺菌性能方面更加優越。雖然單獨臭氧處理的成本更低，但是混合方法在提高處理效率的同時降低了臭氧化副產物的形成。SINGH 等［51］研究發現，通過流體動力空化技術產生的OMNBs可以有效殺滅水中的微生物，對飲用水進行殺菌。因為MNBs 不僅可以維持臭氧的高溶解度，并且產生的自由基引起的氧化反應也加速了微生物的滅活。KARAMAH 等［52］研究表明，臭氧化和流體動力空化的組合對大腸桿菌的滅活效率更高，細菌濃度在45 min 由105 CFU/mL 下降至0，而單獨使用臭氧化或者流體動力空化的滅活時間為60 min，充分展示出臭氧化和流體動力空化的組合在大腸桿菌滅活方面的性能。

利用OMNBs 進行飲用水殺菌時，在維持較高的傳質效率的同時又使用更低的臭氧量，并且降低臭氧消毒副產物的生成，在水處理領域具有良好的應用前景。

3.2 果蔬清洗

果蔬在生長期間易感染水和土壤等因素帶來的微生物，并且在采摘、運輸和生產加工過程中易被微生物污染從而影響貯存期［53］。利用OMNBs水清洗果蔬屬于氣泡清洗方式。氣泡清洗方式是一種對果蔬損傷較小的方法。與傳統氣泡清洗方式不同，OMNBs 直徑更小，可以對果蔬的細微處進行更有效的清洗。此外，OMNBs 還具有強氧化性，不僅可以快速殺滅果蔬表面的細菌、病毒和蟲卵等，還可以分解果蔬表面的農藥殘留，從而延長果蔬的儲存時間，提高食用安全性，并且臭氧會分解為氧氣，不會在果蔬表面殘留，因此該方法是一種安全高效的清洗方式。

HOU 等［54］研究OMNBs 水對番茄上的腸炎沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的滅活程度，結果顯示，OMNBs 水可有效殺滅番茄上的細菌，并且細菌數量顯著低于臭氧水處理的對照組，此外OMNBs 水處理之后對番茄的顏色、質地和感官特征都無明顯影響。USHIDA 等［55］研究表明，與含次氯酸鈉的MNBs處理相比，OMNBs 交替流動處理使白菜樣品的活菌數大約降低了1 個數量級。王雪青等［56］研究結果表明，OMNBs 處理可以有效保證細胞的完整性，并且延緩VC 和葉綠素含量的下降，通過抑制細胞呼吸和乙烯的釋放提高菠菜的耐貯性，提高抗氧化酶的活性，從而達到保鮮的效果。

此外，OMNBs 可以有效降解果蔬中的農藥殘留，從而降低農藥殘留在果蔬加工過程中對人體健康的影響。LI 等［57］研究表明，與自來水、次氯酸水、臭氧水和微米氣泡水相比，OMNBs 水處理蘋果樣品，對敵百蟲和丁硫克百威的去除效果更好。此外有研究表明，OMNBs 處理對缸豆上5 種農藥殘留的去除率比臭氧大氣泡處理高15%～47%。

OMNBs 對果蔬采后食用安全性的提高以及保鮮貯存時間的延長表現出巨大的潛力。

3.3 水產品殺菌

水產品中含有豐富的營養物質，在全球食品供應中發揮著至關重要的作用。水產品受到污染與許多病原體有關，由此引起的食品安全問題一直是社會關注的熱點［58-59］。因此，有效的病原體殺滅方法是保證水產品安全的重要途徑，而OMNBs 可以有效殺滅病原體，是一種非常具有前景的方法。

NGHIA 等［60］研究結果顯示，臭氧納米氣泡處理2，4，6 min 后，細菌濃度分別為原先的23%，2.2%，0%。JHUNKEAW 等［61］研究結果表明，臭氧納米氣泡單一處理10 min，可使無乳鏈球菌或維氏氣單胞菌的細菌載量降低96.11%～97.92%，并且使用臭氧納米氣泡對羅非魚處理10 min，在48 h之后未觀察到死亡。IMAIZUMI 等［62］使用960 mV氧化還原電位的海水對副溶血性桿菌進行殺菌試驗，結果顯示，在處理1 min 后，超過99%的細菌被殺滅；在處理5 min 之后，殺菌效率達到100%，表明臭氧納米氣泡具有很強的殺菌效率。

除了臭氧殺滅致病菌之外，KURITA 等［63］還報告了臭氧納米氣泡對小型寄生浮游甲殼類動物的殺滅效果，這些生物是水產品中主要的致病性甲殼動物，結果表明，相對于未處理組，臭氧納米氣泡處理25 min 減少了63%的寄生浮游甲殼類動物，并且該處理對海參和海膽都安全。

OMNBs 對魚類致病菌和致病性甲殼動物具有很強的殺滅效果，為OMNBs 在水產品中的應用提供了研究基礎。

4 結語

本文介紹了MNBs 的性質、制備和表征方法以及OMNBs 的特性、影響因素，及其在食品殺菌領域中的應用。相比于普通氣泡，MNBs 表現出更高的穩定性、氣體溶解性和傳質效率，MNBs 破裂可產生羥基自由基，因此使其具有很強的殺菌能力。OMNBs 技術克服了臭氧殘留、殺菌能力弱和臭氧溶解度低導致臭氧使用量大的缺點，有效降低臭氧殺菌工藝的運行和維護成本，并且臭氧用量大幅降低，比傳統技術也更加環保。

目前OMNBs 的研究處于起步階段，還存在較多欠缺。首先，OMNBs 的特性與氣泡尺寸密切有關，因此開發數量和尺寸精準的制備方法尤其重要；其次，需要開發MNBs 的快速表征方法，以快速檢測MNBs 的數量和尺寸；最后，有必要進一步探索OMNBs 在食品殺菌領域的應用，進一步研究其作用機理。OMNBs 技術在食品殺菌領域表現出了巨大的潛力，有待進一步研究。