清洗技术对鲜切果蔬微生物与品质影响的研究进展

张晓芳,胡文忠,*,刘程惠,陈 晨,冯 可,金黎明,张艳慧,孙小渊

(1.大连民族大学生命科学学院,辽宁大连 116600; 2.生物技术与资源利用教育部重点实验室,辽宁大连 116600)

鲜切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是一种新式速食果蔬制品[1]。果蔬在种植、灌溉、收获、运输和加工等过程中,表面会附着和污染微生物,鲜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,比如根茎类蔬菜的芽眼、叶菜类的褶皱和水果的果蒂处等,这些区域不容易清洗,微生物难以彻底清除,因此鲜切果蔬在切分后仍需要进一步清洗。而且果蔬经过切分后,汁液流出,为微生物的繁殖提供营养,加速腐败速率,使果蔬品质迅速下降。清洗可以去除表面溢出的汁液,减轻鲜切果蔬的品质劣变,同时结合清洗剂清洗,如柠檬酸、维生素C(VC)、植物精油、植物天然提取物等,能够抑制微生物生长繁殖,有利于保持鲜切果蔬的品质,延长其货架期。因此,清洗在鲜切果蔬的加工保鲜过程中至关重要[2]。近年来,鲜切果蔬的清洗技术发展迅速,主要包括物理清洗技术、化学清洗技术和生物清洗技术。热水、超声波和机械水力清洗等物理清洗技术由于操作简单、绿色环保、安全性高而广受人们的认可;臭氧水、酸电解水、有机酸、二氧化氯和次氯酸钠清洗等化学清洗因其较强的杀菌保鲜效果、低廉的成本,是目前最常用的清洗技术;天然提取物、抗菌素和噬菌体等生物清洗是近年来发展起来的新型广谱、高效的清洗技术。然而,几种清洗技术在鲜切果蔬的杀菌效果和品质保持方面缺少综述。

因此,本文就几种常用的清洗技术进行了整理,介绍了清洗技术的杀菌作用机制、作用条件及其对鲜切果蔬的微生物与品质的影响,同时还归纳了不同种类鲜切果蔬的适宜清洗条件,并提出了鲜切果蔬清洗技术的研究方向,以期为今后的清洗技术在鲜切果蔬中的应用与研究提供一定的参考。

1 物理清洗技术

物理清洗技术不添加任何清洗剂,通过物理作用,如热、超声波和压力等去除鲜切果蔬表面的微生物和流出的汁液,主要包括热水清洗、超声波清洗和机械水力清洗等,它的优点是清洗后不产生任何残留物,安全性高,而且灭菌效果良好。目前,在鲜切果蔬中应用较多的是超声波清洗和热处理清洗。

1.1 超声波清洗

超声波清洗技术是利用频率大于20 kHz的超声波在液体中产生强大压力、剪切力和高温,使生物结构在液体介质中因细胞内空化而发生化学和物理变化,导致微生物细胞壁、细胞膜和DNA遭到破坏,达到杀灭微生物的目的[3-4]。

目前,超声波清洗技术在鲜切黄瓜[5]、鲜切生菜[6]和鲜切百合鳞片[7]等鲜切果蔬的微生物控制方面已取得良好的效果,Fan等[5]采用功率为400 W的超声波处理鲜切黄瓜10 min,贮藏期间细菌、霉菌和酵母菌总数均低于对照组,且在贮藏末期分别比对照组减少了1.44和0.92 lg CFU/g。Yin等[6]发现功率为240 W的超声波处理鲜切生菜10 min后,其表面初始菌落总数下降了0.91 lg CFU/g,且贮藏期间始终低于对照组,在4 ℃下可贮存15 d。此外,张森旺等[7]将鲜切百合鳞片经过200～1000 W超声处理,发现微生物灭活率随着超声功率的增大而增大,但当功率为800 W时增加则不明显,与700 W时相比,微生物灭活率仅增加了4.25%。由此可见,并不是超声功率越大对微生物杀灭作用越显著,当功率达到一定值时,接近其最佳功率密度,杀菌作用最强,功率继续增大,其空化作用反而下降,从而导致微生物的失活率降低。

超声波还能抑制与鲜切果蔬褐变相关的多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)等酶的活性[8-9],降低营养物质消耗。Fan等[5]用超声波处理鲜切黄瓜,可降低其失重率,抑制丙二醛(MDA)的积累,而对总可溶性固形物(TSS)和VC无明显破坏作用。Yin等[6]用超声波处理鲜切生菜后,POD和PPO的活性受到抑制,同时减少了叶绿素和VC的损失,从而延缓了鲜切生菜的衰老和褐变。张森旺等[7]还发现经过超声处理的鲜切百合鳞片,其褐变指数在500 W时最低,之后则随着功率的增大而增大。这可能是因为过强的超声波破坏了百合原有的细胞结构,细胞膜通透性增加,导致酚类物质与酚类氧化酶接触,加速褐变。综上,超声波清洗鲜切果蔬时,其所引起的空化效应、机械效应和热效应能够杀灭微生物,破坏引起褐变的酶的活性,但也会对鲜切果蔬的组织产生一定的伤害,易导致其营养成分损失,使其商品价值降低。目前,国内外使用超声波清洗鲜切果蔬的功率范围大多在100～600 W,但仍应根据不同果蔬的自身特性选择其最适的超声功率。

1.2 热处理清洗

采用适宜温度的热水处理鲜切果蔬,不仅可以抑制微生物生长,还能钝化酶的活性,抑制褐变,从而延长鲜切果蔬的货架期。

热处理通过抑制微生物的生长来控制鲜切果蔬贮藏过程中的腐败变质。Tirawat等[10]使用100 ℃的饱和水蒸气处理鲜切卷心菜、鲜切黄瓜、鲜切胡萝卜、鲜切甜椒、鲜切菠萝和鲜切甜瓜0.3～0.4 s后,四种鲜切蔬菜的嗜温细菌总数减少了大约2 lg CFU/g,两种鲜切水果的嗜温细菌总数减少了约1 lg CFU/g。Alegria等[11]将鲜切胡萝卜浸泡于100 ℃热水中45 s后,初始嗜温需氧细菌总数比对照组低1.6 lg CFU/g,并且在贮藏期间始终低于对照组,其货架期延长了3 d。Aguayo等[12]研究发现,将鲜切苹果经过48和55 ℃热水处理2 min,贮藏28 d后,细菌、酵母菌和霉菌总数均下降了约1 lg CFU/g,且48 ℃处理组的抑菌效果略优于55 ℃处理组。范林林等[13]比较了50、60和70 ℃的热水浸泡鲜切苹果2 min后其表面微生物数量的变化,结果发现三种温度的热处理均能有效抑制微生物的生长繁殖,至8 d时,处理组细菌总数均低于对照组1.5～2 lg CFU/g,但此时50、60 ℃处理组的抑菌效果优于70 ℃处理组。综上,高温短时间或是中温长时间的热水处理均能抑制鲜切果蔬上微生物的生长繁殖,通常高温热处理的温度为100 ℃,处理时间在0.3～60 s,中温热处理的温度一般在40～60 ℃,处理时间1～5 min,两种热处理抑菌效果相近,且对于中温热处理,并不是温度越高抑菌效果越强。

热处理除了具有显著的抑菌效果外,对鲜切果蔬的酶活性和品质保持也有影响。Tirawat等[10]发现经过饱和水蒸气处理后的鲜切黄瓜、鲜切胡萝卜、鲜切甜椒、鲜切菠萝和鲜切甜瓜的L*、a*、b*值均无明显变化,而鲜切卷心菜的L*、a*、b*值明显低于对照组;鲜切卷心菜和鲜切甜椒的VC也受到了严重破坏,而其他鲜切果蔬的VC含量无明显变化,说明高温对果蔬组织有一定的破坏作用。Carla等[14]将鲜切胡萝卜浸泡于100 ℃热水中45 s,0 d时,处理组的总酚、总类胡萝卜素含量分别提高30%和67%,且在贮藏期间始终高于对照组,其POD活性也受到抑制。由此可见,对于质地较软的鲜切果蔬,特别是绿叶类的鲜切蔬菜,过高的温度会对其组织产生伤害,营养物质损失,因此,该类鲜切果蔬适宜采用中温热处理清洗。范林林等[13]还发现,相对于60、70 ℃处理组鲜切苹果的VC和TSS含量的大幅度下降,50 ℃处理组仅分别下降了25.2%和12.3%,并且高于对照组。由此可见,并不是温度越高越有利于鲜切果蔬品质的保持,对于质地较硬的鲜切果蔬,高温短时间或是中温长时间热处理清洗均能抑制酶活性,降低呼吸强度,抑制乙烯生成,延长货架期。

2 化学清洗技术

化学清洗技术一般采用一定浓度、安全无毒副作用的清洗剂清洗鲜切果蔬,以抑制微生物的生长,控制褐变,提高产品的品质与货架期[15]。目前,化学清洗技术主要包括臭氧水清洗、酸电解水清洗、有机酸清洗、二氧化氯清洗和次氯酸钠清洗等清洗技术。表1列出了臭氧水、有机酸、次氯酸钠清洗对鲜切果蔬和酸电解水、二氧化氯清洗对鲜切蔬菜的微生物、酶活的抑制作用,感官品质、货架期的影响,以及VC、总酚和固形物等营养物质的保持效果。

表1 化学清洗技术在鲜切原料保鲜中的应用Table 1 Application of chemical cleaning technology in fresh-cut raw material

续表

2.1 臭氧水清洗

臭氧又称为超氧,是具有特殊臭味的氧气同素异形体。已有研究表明,臭氧水可以有效抑制微生物的生长[34]。其杀菌作用机理为:臭氧通过与细菌细胞膜脂类的双键反应,进入菌体内部,与蛋白质和脂多糖作用,增加细胞膜的通透性,使胞内物质外流,从而导致细菌死亡[35]。由于臭氧水具有强氧化性,可使鲜切果蔬中的酶失去生物活性[34],降低其品质劣变。目前,臭氧水已广泛应用于鲜切果蔬的杀菌保鲜中。由表1可知,大多数研究报道认为适宜浓度的臭氧水在一定的时间内处理鲜切果蔬能有效抑制其微生物的生长,降低酶的活性,提高硬度、TSS和VC含量,进而提高抗氧化能力,保持鲜切果蔬的品质。但是,臭氧水处理时间过长,会影响鲜切果蔬的品质保持(表1)。研究表明,当鲜切木瓜经过臭氧水处理超过10 min后,VC含量下降,且臭氧处理时间越长,对VC的不良影响越大[18],这一现象可能是因为在臭氧的胁迫下,抗坏血酸氧化酶(AO)促进VC氧化为脱氢抗坏血酸(DHA),而DHA不稳定,被臭氧降解,从而导致VC含量下降[36]。综上,臭氧水浓度越高,浸泡时间越长,杀菌效果越好,但是长时间处理容易破坏鲜切果蔬的营养物质,加快其生理代谢速率,而不同鲜切果蔬其体现最佳品质和杀菌效果的臭氧水浓度与时间不同,因此,选择适宜的臭氧水浓度和浸泡时间有利于保持鲜切果蔬的品质。

2.2 酸电解水清洗

酸电解水也叫酸电解氧化水,由电解槽中稀释的氯化物溶液电解产生,是一种具有氧化能力的新型消毒剂,根据有效氯浓度和pH可分为强酸性电解水(AEW),其pH2.3～2.8,有效氯浓度(ACC)为60～100 mg/L;弱酸性电解水(SAEW),其pH5.0～6.5,ACC10～30 mg/L[37],其中有效氯起主要杀菌作用,pH、氧化还原电位和活性氧等起协同杀菌作用。由于酸电解水绿色、环保,因此,对环境和人体健康的不良影响较小。目前,酸电解水在鲜切果蔬的保鲜上已得到广泛研究。一般认为,采用SAEW和AEW处理鲜切果蔬3～10 min,均能有效减少微生物数量,且有研究表明,相同处理时间条件下,SAEW稍优于AEW的杀菌效果,与100 ml/L次氯酸钠作用相同(表1)。由表1可知,两种处理均能保持鲜切果蔬的品质。比较来看,SAEW有效氯浓度比较低,呈微酸性,作为鲜切果蔬的消毒剂,杀菌效果较好,对果蔬的颜色没有影响,并且SAEW对加工设备的腐蚀性较弱。因此,SAEW在鲜切果蔬保鲜中有良好的应用前景。

2.3 有机酸清洗

有机酸是指一些分布在植物中且具有酸性的有机化合物,植物中常见的有机酸包括乙酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、VC、绿原酸和其他有机酸[38]。有机酸已经通过GRAS认证(GRAS是美国FDA评价食品添加剂的安全性指标,GRAS认证:一般认为安全的英文缩写,全称为Generally Recognized as Safe),可用于食品的防腐[39-40]。其抑菌作用机理为:有机酸进入细菌细胞后使细胞质酸化,破坏质子动力,产生渗透胁迫和抑制大分子合成,从而导致微生物死亡[39-41]。已有研究表明,有机酸,如苹果酸、乳酸、VC和柠檬酸,作为天然防腐剂不仅能抑制鲜切果蔬中细菌和酵母菌的生长,还对大肠杆菌O157∶H7的生长也有一定的抑制作用(表1)。此外,有学者研究发现,鲜切苹果经过VC与乙醇复配处理后,其总需氧菌、酵母菌、霉菌以及大肠杆菌O157∶H7和单增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)的生长均受到抑制,说明这种组合处理可以提高鲜切苹果的安全性[25]。有机酸还能抑制鲜切果蔬中酶的活性,减少营养物质的损失,保持其感官品质(表1)。但Chen等[24]发现,单一使用柠檬酸溶液处理会促进鲜切苹果表面的褐变,其推测这可能是因为鲜切苹果在贮藏过程中损失了水分,所以导致其L*和白度指数下降。而VC与乙醇复配处理能有效抑制鲜切苹果果肉的褐变[25]。相比于单独的有机酸处理,有机酸与乙醇复配使用在抑制鲜切果蔬中微生物的生长和品质保持方面效果更佳[25],因此,未来开发有机酸与乙醇复配处理鲜切果蔬的前景广阔。

2.4 二氧化氯清洗

二氧化氯是一种易溶于水,具有一定挥发性和光敏感性的强氧化剂、杀菌剂,以气态或液态的形式用于食品和食品设备的消毒,且不产生残留气味和有害物质[42-43]。其作用机理为:二氧化氯破坏微生物中的部分氨基酸,氧化细胞内含巯基的酶,进而控制蛋白质的合成,最后导致微生物死亡[44]。我国已允许使用二氧化氯水溶液对水果和蔬菜进行消毒[45]。大部分研究认为二氧化氯的杀菌保鲜效果和浓度、处理时间有关,通常10～100 mg/L二氧化氯溶液处理鲜切果蔬5～20 min即可显示出较好的杀菌保鲜效果(表1)。综合微生物和感官质量两个方面来看,对于根茎类鲜切果蔬,较高浓度(大于60 mg/L)和较长时间(大于10 min)的二氧化氯处理可以有效抑制微生物的生长,降低酶活性,抑制褐变,延长商品货架期;而对于叶类鲜切蔬菜,由于二氧化氯的强氧化性,浓度过高会使叶片发黄和褪色以及氧化作用和营养物质的损失加重,因此,该类鲜切蔬菜适合采用低浓度、短时间的二氧化氯处理。

2.5 次氯酸钠清洗

次氯酸钠是一种具有水溶性的高效、广谱杀菌剂,适用于各种环境[46]。其杀菌作用机理为:次氯酸钠溶于水后形成次氯酸(HClO),次氯酸分子小且无电性,穿透细胞膜进入细胞,与细胞内的蛋白质发生反应,使细胞液凝固,从而有效地杀死细菌[47]。虽然很多研究认为一定浓度的次氯酸钠溶液不仅可以有效抑制鲜切果蔬上微生物的生长,还能保持其品质(表1),但次氯酸钠对热不稳定,容易与食品中的有机物反应生成氯化物,对人体产生危害,而且还会破坏产品的风味和品质[48-49]。目前,已有德国、荷兰等欧洲国家禁止在鲜切果蔬中使用含氯消毒剂[50]。因此,寻求替代目前常用的次氯酸钠溶液清洗鲜切果蔬的技术,是未来发展的必然趋势。

3 生物清洗技术

生物清洗技术主要利用生物体内天然提取物、抗菌素和噬菌体等对鲜切果蔬进行清洗,达到杀菌保鲜的目的。

植物中的生物碱、挥发油、酚类、凝集素和肽等化学物质具有抗菌作用,这些物质能增加微生物细胞膜的透性,使其细胞内容物渗出而死亡。目前应用最多的是植物精油,但其作为鲜切果蔬杀菌剂还处于研究阶段。黄文部等[51]比较6种精油对链格孢菌(Alternariaalternata)的抑菌性效果,结果发现,0.15 μL/mL的肉桂精油抑菌效果最好,同时降低了鲜切西兰花花球的黄化率和切面褐变率。Chen等[52]研究发现,0.05%丁香精油对鲜切莴苣有防腐和褐变抑制作用。这些研究都表明植物精油有较高的杀菌保鲜效果,但是植物精油因其具有特殊的芳香气味,在使用时可能对果蔬原有的香气有一定的影响,同时其用于食品的安全性尚不明确,因此,在食品领域中应用还需作进一步研究。

抑菌素主要来源于微生物代谢产物,包括乳酸链球菌素、纳他霉素和曲酸等。但它们抗菌谱比较窄:乳酸链球菌素对革兰氏阳性菌作用效果较强;纳他霉素对真菌的生长抑制效果明显,对细菌的作用不明显等[53-54]。乳酸链球菌素含有一些乳酸菌产生的阳离子肽[55],对细菌、酵母菌和霉菌的生长有抑制作用[56]。Martínez等[56]使用0.25g/L乳酸链球菌素处理鲜切茴香,其嗜温细菌、肠杆菌科细菌和酵母菌与霉菌总数分别减少0.5、0.6和1.1 lg CFU/g,且处理后的鲜切茴香没有异味。黄镜如等[57]研究发现,鲜切白萝卜经过0.10 g/L的纳他霉素溶液处理后,其霉菌及酵母菌的生长受到抑制,失重率降低,硬度、VC和TSS含量提高,延缓了鲜切白萝卜的衰老。由于这些抑菌素可在哺乳动物的肠道中降解或是直接排出体外,所以对人体来说无毒副作用。因此,抑菌素在鲜切果蔬的贮藏中具有较大的应用潜力。

噬菌体是一种可以感染真菌、细菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒,在进入宿主体内后可使宿主裂解,进而导致宿主死亡[58]。目前,美国FDA已认定部分噬菌体制剂为GRAS级产品,可用于食品[59]。近年来,噬菌体在鲜切果蔬的杀菌保鲜中也有部分研究。Oliveira等[60]评价了1011PFU/mL的Listex P100噬菌体对鲜切甜瓜、梨和苹果污染单增李斯特菌后的清除效果,结果发现,鲜切甜瓜和梨的菌落总数分别降低了约1.5和1.0 lg CFU/plug,而在鲜切苹果上,噬菌体的数量迅速下降到几乎无法检测的水平,这说明噬菌体易受pH影响,对酸敏感。因此,可通过增加噬菌体溶液的浓度或是与其他清洗剂结合使用来提高其在低pH鲜切果蔬中的应用。

4 结论与展望

由于鲜切果蔬可以开袋即食即用,因此对其质量与安全性的要求极其严格。清洗是鲜切果蔬在加工过程中不可缺少的环节,它可以起到杀菌效果来保障鲜切果蔬的安全,也可以通过抑制酶活性延缓褐变,同时还能降低呼吸强度与乙烯的生成进而减少营养物质的损失等,保持其品质并延长货架期。不同种类的鲜切果蔬具有其自身特点,而各种清洗技术对其杀菌保鲜效果也不同,且仅采用一种清洗技术往往不能达到最佳保鲜目的,因此,为了达到鲜切果蔬的最佳保鲜效果,针对不同的鲜切果蔬原料的特点选择合适的单一或者复合清洗技术和清洗条件十分必要。目前,国内外用于鲜切果蔬清洗的技术种类很多,但相关技术的研究不深入,且部分清洗技术的杀菌机理尚不明晰,同时它们在鲜切果蔬的食用安全方面的应用技术尚不完善,有待于进一步研究。因此,未来应加强对以下内容的研究:热处理和酸电解水清洗技术以及抑菌素等新型抑菌剂的杀菌作用机理;不同鲜切果蔬的适宜清洗技术;不同清洗技术处理条件的优化;用于鲜切果蔬的清洗技术的食用安全性;两种或多种清洗技术的协同作用条件及机制等,用以提高鲜切果蔬的品质、安全和经济效益。