气体二氧化氯在果蔬杀菌保鲜方面的研究与应用

耿鹏飞，高贵田，薛 敏，赵金梅，谷留杰

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安710062）

食品安全一直是全社会关注的焦点问题，而人类食品绝大多数都来自于农产品，农产品在采收前后，一些病原微生物如细菌、霉菌等会通过多种途径侵袭，不仅会给食品加工行业带来巨大的经济损失，而且还对人类身体健康造成极大的威胁。最新研究表明，随着人们对果蔬产品消费需求的逐步上升，伴随而来的一些食源性疾病也与日俱增[1]。因此，为了最大限度的降低经济损失，提高食品的安全性，对果蔬进行采后杀菌保鲜具有极其重要的意义。

二氧化氯（ClO2）作为一种安全高效的杀菌剂，在中国和美国都被允许用于新鲜水果和蔬菜的杀菌保鲜[2-3]。有研究发现，ClO2不但能高效地杀灭果蔬表面的病原微生物，还能显著地延长果蔬保存的货架期而且不会降低果蔬的品质[4]。近年来，液体ClO2杀菌技术已经广泛地应用于各个领域，但由于其液态特性的影响，使其在杀菌消毒的应用方面受到了一些限制。如今，气体ClO2制备及应用的研究已取得了突破性成果，必将给果蔬加工行业带来巨大的影响。本文综述了ClO2的杀菌保鲜机理及气体ClO2的特性与优点，总结了近年来国内外关于气体ClO2在果蔬杀菌保鲜方面的研究，指出气体ClO2在果蔬杀菌保鲜方面的应用前景及存在的问题，并提出相关建议。

1 二氧化氯的理化性质

ClO2在室温下是一种具有刺激性气味的气体，颜色会随着浓度的增大而呈现出由黄绿色到橙黄色的变化。分子量为67.45，沸点11℃，熔点-59℃，气体密度为3.09kg/m3，液体密度为1.64kg/L。ClO2气体易溶于水，室温下的溶解度是氯气的5倍，在水中以水合分子存在，不易发生水解反应。ClO2在酸性溶液中比较稳定，在碱性溶液中会迅速发生歧化反应，生成亚氯酸盐和氯酸盐的混合物。

2 二氧化氯的杀菌保鲜机理

早期的研究表明ClO2是通过将部分氨基酸氧化从而抑制蛋白质的合成导致细胞死亡[5]，后来很多学者认为ClO2主要是通过对细胞外膜造成损伤，导致细胞膜的渗透功能丧失从而导致细胞死亡[6-7]。有报道称对细胞遗传物质造成损伤也可能是ClO2发挥效用的一个因素[8]。近年来的研究发现ClO2处理会使细胞形态发生变化，表面变得凹凸不平，并被不同程度的拉长，进而影响细胞正常的分裂和生理代谢功能[9]。由于ClO2能够高效的杀灭多种微生物，极大的降低了果蔬采后的腐烂率，而且ClO2能迅速有效的阻止果蔬中蛋氨酸合成乙烯，并破坏已生成的乙烯，从而延缓果实衰老，对果蔬起到长久保鲜的效果[10]。

3 气体二氧化氯的特性与优点

普通的氯系消毒剂杀菌效率较低，还会产生一些如三氯甲烷、氯代酸等对人体危害极大的副产物，实验证明这些物质具有致突变性和致癌性，有的具有致畸性和神经毒性作用，可引起肝、肾和肠道肿瘤[11-13]。而ClO2较其他用于杀菌的氯产品具有更高的氧化能力而且并不产生有害的副产物[14]。

由于细胞膜表面张力及一些特殊结构（如气孔、裂缝）的影响，使液体ClO2的杀菌效率受到很大的影响，而气体ClO2具有很强的扩散性、穿透性、使用均匀性，因此，气体ClO2具有比液体ClO2更广泛的杀菌面积和更强的杀菌效果[15-17]。研究表明，在相同浓度和处理条件下，气体ClO2要比液体ClO2的杀菌效率高8lg CFU以上[18]。

4 气体二氧化氯处理对果蔬上细菌和真菌的杀灭作用

4.1 对果蔬上细菌的杀灭作用

新鲜果蔬产品在采收前后可能受到多种细菌侵染，在果蔬上最常见的食源性致病细菌是沙门氏菌（Salmonella）、O157∶H7型大肠杆菌（Escherichia coli O157∶H7）和单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）[19]，国内外关于气体ClO2对细菌杀灭作用的研究大多集中在这三种菌上。Mahmoud等[20-22]研究了气体ClO2对O157∶H7型大肠杆菌，单核细胞增生李斯特菌和肠道沙门氏菌的杀灭效果，将三种菌分别接种在草莓表面，用不同浓度的气体ClO2处理草莓10min，结果表明：用5mg/L的气体ClO2处理后O157∶H7型大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和肠道沙门氏菌数目分别减少了4.6、4.7、4.3lgCFU，而且气体ClO2处理不影响草莓颜色，将货架期从原先的8d延长到16d，以生菜和甜瓜为实验材料也取得了类似的结果，在生菜叶子上分别接种了O157∶H7型大肠杆菌和肠道沙门氏菌，用5mg/L的气体ClO2对两种菌分别处理14.5min和19min，结果两种菌的数目均减少了5lg CFU；在甜瓜上分别接种了O157∶H7型大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和Poona型沙门氏菌，用气体ClO2分别处理了6、8、10min，结果Poona型沙门氏菌减少了5lg CFU，O157∶H7型大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌分别减少了4.6和4.3lg CFU。Trinetta等[23-25]以西红柿为材料研究了高浓度气体ClO2短时间处理对沙门氏菌的杀灭效果，处理前沙门氏菌的量为（6.03±0.11）lg CFU/cm2，材料用浓度为8、10mg/L的气体ClO2分别处理60s和120s，结果沙门氏菌的量分别降到了3.09、2.17lg CFU/cm2，而用10mg/L的气体ClO2处理180s，沙门氏菌的量则降到了1.16lg CFU/cm2。在研究气体ClO2对单核细胞增生李斯特菌杀灭效果上也取得理想的结果，用2mg/L的气体ClO2处理30min可使单核细胞增生李斯特菌减少5lg CFU/cm2以上。随后他们在西红柿、甜瓜和草莓上分别研究了气体ClO2对单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌以及O157∶H7型大肠杆菌三种混合菌的杀灭效果，结果表明：沙门氏菌减少了几乎5lg CFU/cm2，而O157∶H7型大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌只减少了约3lg CFU/cm2，说明O157∶H7型大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌对气体ClO2的耐受性要强于沙门氏菌。Popa等[26]用浓度为4mg/L的气体ClO2处理表面接种了单核细胞增生李斯特菌，spp型沙门氏菌和O157∶H7型大肠杆菌的蓝莓12h，结果三种菌的数量分别减少了3.94、3.62、4.25lg CFU/g。Lee等[27]用气体ClO2处理接种O157∶H7型大肠杆菌，单核细胞增生李斯特菌和Typhimurium型沙门氏菌的生菜叶子，3h后细菌数量分别减少了6.9、5.4、5.4lg CFU。

关于气体ClO2对果实上其他细菌作用效果的研究国外也有一些报道。Mahovic等[28]研究了气体ClO2处理对西红柿采后细菌性软腐病的影响，在西红柿上对软腐欧文氏菌（Erwinia carotovora）进行人工刺伤接种后，分别用88mg剂量的气体ClO2处理24h，用99mg气体ClO2处理2h，并在室温下放置3d，结果并没有出现果实腐烂现象，而对照组果实的腐烂率达到91.3%，表明气体ClO2能有效控制细菌性软腐病的发生。Lee等[29]研究了气体ClO2对酸土环脂芽孢杆菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）的杀菌效果，接种了酸土环脂芽孢杆菌孢子的苹果用4.32mg/L的气体ClO2处理60min，在室温下储藏7d后对细菌数量进行检测，结果杀菌率在5lg CFU以上。

4.2 对果蔬上真菌的杀灭作用

国内外多项研究表明，气体ClO2对果蔬上的真菌也有很好的杀灭效果。Jin等[30]研究了气体ClO2处理对葡萄表面几种霉菌的影响，结果表明：随着气体ClO2浓度和处理时间的增加，对灰霉菌、青霉菌及链格孢菌的杀灭效果也越强，当用10mg/m3的气体ClO2对葡萄处理30min时，三种霉菌的数量均减少了4lg CFU以上。在研究气体ClO2处理对葡萄品质影响的结果发现：处理后VC和还原糖的含量均较对照组高。Trinetta等[31]从西红柿上分离出了Alternaria alternata和Stemphylium vesicarium两种真菌，然后接种到PDA培养基上，用浓度为10mg/L的气体ClO2处理平板，结果表明：处理3min便会抑制这两种菌的菌丝生长和孢子萌发。而两种菌在果实刺伤接种后处理的结果表明：对接种Stemphylium vesicarium和Alternaria alternata的果实分别处理5min和7min能极大地降低果实的腐烂率。Sy等[32]用浓度为4.1、6.2、8mg/L的气体ClO2分别对蓝莓、草莓和红莓进行30、60、120min的处理，结果表明：用8mg/L的气体ClO2处理120min对霉菌的杀菌效果最好，蓝莓、草莓和红莓上的霉菌数量分别减少了2.06～2.32，4.07～4.16和2.56lg CFU/g。申小静等[33]研究了气体ClO2对鲜枣表面青霉菌的杀菌效果，并研究了气体ClO2浓度、杀菌时间和杀菌温度三种因素对青霉菌杀菌率的影响，结果表明：杀菌率会随着气体ClO2浓度和处理时间的增加而增大，而三种因素对青霉菌的影响大小依次为：气体ClO2浓度＞杀菌时间＞杀菌温度。Wu等[34]研究了气体ClO2处理对土豆表面微生物数量的影响，用5个不同浓度的气体ClO2分别处理2、3、4g土豆样品2.5h和5h，结果发现：气体ClO2的浓度、处理时间和处理的样品量的不同都会对杀菌效果产生影响，用40mg/L的气体ClO2处理4g样品5h对霉菌的杀灭率最高，霉菌的减少量在5lg CFU以上。Vandekinderen等[35]用（0.08±0.02）mg/L的气体ClO2在室温下对几种食源性微生物处理1min，结果表明：气体ClO2对霉菌的杀灭效果不是很理想，这可能与气体ClO2的浓度、处理时间以及处理环境的不同有很大的关系。

5 气体二氧化氯处理对果蔬营养成分和生理特性的影响

气体ClO2不但具有高效的杀菌作用，而且能降低果蔬的腐烂率，延长果蔬的货架期。Guo等[36]用气体ClO2对鲜切哈密瓜处理了12h，然后在温度为5℃，相对湿度为95%的冷库里贮藏19d，期间对哈密瓜的品质进行测定，结果发现：对照组的哈密瓜在第8d的时候霉烂率已经达到80%，而经过气体ClO2处理后的果实，直到出库时也没有出现霉烂情况，这就表明气体ClO2处理可显著防止果实腐烂。在贮藏的第8d，对照组的失重状况显著增加，而处理组则增加的不明显；处理组和对照组的可溶性固形物（TSS）含量都出现了增加，但在贮藏前期，处理组的可溶性固形物含量要显著低于对照组；对照组的氨基酸（AA）含量在第3d的时候由3.15mg/100g增加到8.16mg/100g，而处理组的氨基酸含量并没有发生明显变化，这与López-Gálvez等的研究结果一致[37]；在贮藏期间处理组丙二醛（MDA）含量的增加也显著低于对照组，这表明ClO2不但能够杀灭水果表面的微生物，还能够防止果实的软化成熟，这对于延长水果的货架期有非常重要的意义。

气体ClO2处理还可降低果实的呼吸作用，处理组的呼吸峰值的出现较对照组晚，而且呼吸峰值也较对照组小；经过气体ClO2处理以后还有效的降低了乙烯生成量，该研究表明气体ClO2对水果有很好的保鲜效果。Du等[38]研究了经气体ClO2处理后青椒生理和贮藏品质的变化，分别用0、5、10、20、50mg/L的气体ClO2在（10±0.5）℃条件下将青椒处理40d，结果表明：用气体ClO2处理可极大地降低青椒的腐烂率，相比对照组，腐烂率降低了50%以上，而且20mg/L和50mg/L的气体ClO2处理会使青椒的呼吸速率显著降低，但5mg/L和10mg/L的处理对呼吸作用的影响不明显。用50mg/L气体ClO2处理还降低了丙二醛的生成量，而其他浓度处理的影响则不明显；该研究中气体ClO2处理对青椒的失重率、VC、可滴定酸和可溶性固形物的含量均没有显著的影响。顾宁等[39]研究了经气体ClO2处理后葡萄中VC、还原糖和可滴定酸含量的变化规律。结果表明：当气体ClO2浓度为5、10mg/m3时，葡萄中VC的含量随着作用时间的延长，出现先减少后上升的趋势；当气体ClO2浓度为15mg/m3时，葡萄中VC和还原糖的含量随着作用时间（10～60min）的延长呈上升趋势；可滴定酸的含量随气体ClO2浓度增加和作用时间延长出现上升趋势。综上所述，气体ClO2的应用对果蔬的防腐保鲜作用有极其重要的意义。

6 展望

随着生活水平的提高，人们越来越重视饮食的营养与安全，这就对食品加工行业的技术要求越来越高。对果蔬加工行业来说，防腐保鲜技术不成熟不但严重影响果蔬品质，还会造成巨大的经济损失。目前，国内在果蔬防腐保鲜方面的工作取得了一些成果，但依然存在例如杀菌效率低、产生有害副物质、影响果蔬品质等一系列问题。气体ClO2对果蔬上的微生物具有高效的杀菌作用，而且不产生有毒有害的副产物，特别适合大面积环境的消毒杀菌。因此，气体ClO2在果蔬加工领域具有较为广阔的应用前景。

目前，国内对于气体ClO2的研究较少，仍有许多问题亟待解决：

a.ClO2的杀菌机理尚未十分清楚。国内外研究者分别以核酸、蛋白质、细菌、病毒等多种材料研究了ClO2的杀菌机理[40]，但在ClO2杀菌的致命靶点上仍有较大争议；

b.气体ClO2发生设备的研制相对滞后。国外已有公司生产气体ClO2发生设备，国内市场仍以液体ClO2发生设备为主，仅个别科研机构自主研发了气体发生设备，使气体ClO2在果蔬保鲜方面的应用受到限制；

c.气体ClO2在低温条件下的液化情况不明确。果蔬采收后多在低温条件下贮藏，而气体ClO2在11℃下会发生液化，造成气体ClO2浓度降低；

d.气体ClO2在贮藏库中的分布不均匀。ClO2气体较空气重，在贮藏库中自然释放会造成ClO2气体空间分布不均匀，对杀菌效率和果实品质产生一定影响；

e.缺乏气体ClO2安全使用标准。气体ClO2对呼吸系统有较强的刺激作用，过量吸入会导致急性肺损伤[41]，而且气体ClO2具有一定的爆炸危险性[42]，不规范使用会对生命和财产造成巨大损失；

f.缺乏气体ClO2在果蔬杀菌保鲜过程中的应用规范。气体ClO2应用浓度过高会增加成本，还可能对果蔬品质造成伤害；

g.相对于传统杀菌保鲜剂，气体ClO2在果蔬杀菌保鲜的应用成本较高。

针对上述问题，应创新思路，彻底搞清楚其防腐保鲜机理及对果蔬品质的影响，研发性能优良的气体ClO2发生设备，在实验室研究的基础上，结合企业需求，对气体ClO2在果蔬贮藏库中应用时出现的问题进行研究，攻克相关技术难题，降低应用成本，并依据研究成果制订出气体ClO2在果蔬杀菌保鲜过程中安全使用标准及应用规范，这样才能更好地将气体ClO2应用到农产品加工及贮藏的领域中。

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