水果和蔬菜可以提供人類營養(yǎng)所需的膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等，還具有抗氧化、調(diào)節(jié)身體免疫力、預(yù)防衰老、抵御疾病等功效。果蔬從田間到餐桌需要經(jīng)過生產(chǎn)、采摘、分揀、質(zhì)檢、包裝、配送、營銷、售后加工等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都很容易被微生物污染,果蔬中常見的致病菌有致病性大腸埃希菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、單增李斯特菌等,采后果蔬也容易感染青霉屬、曲霉屬、鏈格孢菌屬、炭疽菌屬和根霉屬的真菌。進食被污染的果蔬可對人的消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等造成危害。與新鮮果蔬消費相關(guān)的食源性疾病暴發(fā)的高頻率和高發(fā)病率是一個亟待解決的公共衛(wèi)生問題。因此，如何控制果蔬中微生物的數(shù)量，保障果蔬質(zhì)量安全就顯得十分重要。
殺菌是使微生物失活、保障果蔬安全最有效的方法之一。傳統(tǒng)的熱力殺菌技術(shù)多采用巴氏殺菌等外部加熱進行殺菌，具有殺菌效果好、適用范圍廣等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于果蔬的殺菌處理中。然而，熱滅菌技術(shù)會影響產(chǎn)品的質(zhì)地、顏色和風味，并且在包裝過程中容易造成二次污染,因此，選擇合適的加工技術(shù)代替熱殺菌就顯得十分重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們對果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全要求的提高，非熱滅菌技術(shù)的發(fā)展受到極大的推動。在各種新興的非熱殺菌技術(shù)(超高壓、輻照、紫外照射、脈沖光照射、冷等離子體、超聲波)中，超聲波的研究已有數(shù)百年的歷史。目前，超聲波殺菌已廣泛應(yīng)用于各類乳制品、肉制品、果蔬等食品中，在保障食品質(zhì)量安全中起著重要的作用。
超聲波是指頻率大于20 kHz的高頻聲波，可以引起空化作用以及一系列效應(yīng)，如機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學效應(yīng)等，使細菌毒力喪失或死亡。相較于傳統(tǒng)的高溫加熱滅菌工藝，超聲不會破壞食品的風味和成分。超聲波技術(shù)在抗菌應(yīng)用中的最早研究始于1920年，前人證實了超聲波技術(shù)對藻類微生物的作用。超聲波是一種綠色低碳的殺菌方式，已被證明對多種微生物具有殺菌作用，但其單獨殺菌的作用效果有限。近年來，超聲協(xié)同氣體殺菌因其具有良好的協(xié)同殺菌效應(yīng)，可以縮短殺菌處理的時間，降低能耗，同時減少對果蔬的不良影響等優(yōu)點被廣泛研究。本文綜述了超聲協(xié)同氣體的殺菌作用機制及其在控制果蔬質(zhì)量安全方面的應(yīng)用，旨在為進一步研究基于超聲波與氣體殺菌的綠色組合技術(shù)，從而更好地為保障果蔬的質(zhì)量安全提供參考。
液體中的微小氣泡在超聲波的作用下會發(fā)生振動，當超聲能量足夠高時，就會發(fā)生空化作用，當能量達到一定閾值時，空化氣泡會迅速坍塌并破裂，整個過程約為0.1 μs, 可以釋放巨大的能量并產(chǎn)生110 m·s-1的微射流和碰撞密度達到1.5 kg·cm-2的沖擊力?？栈饔脤毦毎Y(jié)構(gòu)的一系列強烈物理和化學影響(主要包括聲穿孔、聲化學和聲致發(fā)光)會破壞細胞結(jié)構(gòu)并導致蛋白質(zhì)變性。
超聲波對細胞膜造成的物理損傷主要是由于聲穿孔現(xiàn)象所導致的細胞膜通透性的增加,使抗菌劑更容易通過孔隙進入細菌細胞，導致細胞中功能物質(zhì)的泄漏，最終造成細胞死亡。細菌對超聲波的抵抗力與細菌的形狀、大小、厚度、剛度有關(guān)。然而，盡管高強度超聲(HPU)處理會對細菌細胞造成不可逆的損傷，但空化作用介導的聲穿孔通常不被認為是導致細胞死亡的決定性因素。因為在超聲穿孔后膜的恢復(fù)過程中，隨著Ca2+流入細胞的膜孔，胞內(nèi)囊泡將開始積聚，從而重新閉合膜孔。
聲化學是指由聲空化產(chǎn)生的自由基引發(fā)的一系列二次化學反應(yīng)的現(xiàn)象。由于空化氣泡在極短的時間內(nèi)坍塌，泡內(nèi)壓縮氣體產(chǎn)生的熱能無法及時分散，從而將空化泡內(nèi)的物質(zhì)以及空化泡與液體之間的界面(液壁)加熱到極高的溫度，導致液體分子破裂，產(chǎn)生大量活性氧自由基(ROS)并釋放到細胞周圍的液體中。研究表明，ROS及其代謝產(chǎn)物可以與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖、核酸等各種細菌生物分子發(fā)生反應(yīng)。釋放的ROS會與鄰近細菌細胞膜反應(yīng)，到達細胞內(nèi)部，使細胞內(nèi)部氧化壓力失調(diào)，并與細胞內(nèi)生物大分子反應(yīng)，導致蛋白質(zhì)變性、酶失活、脂質(zhì)過氧化、DNA斷裂，最終導致細胞死亡。
聲致發(fā)光是指當液體中的氣泡受到機械波的激發(fā)時，氣泡爆裂并迸發(fā)出極短暫的亮光的現(xiàn)象。超聲波在液體中傳播時，在液體的負壓區(qū)域，空化核會逐漸成長形成肉眼可見的微米量級的氣泡，當空化氣泡內(nèi)部壓力不斷增強、溫度持續(xù)上升時，會導致光的輻射。大量研究表明，慣性空化氣泡突然坍塌產(chǎn)生的閃光可以激活聲敏劑形成ROS。聲敏劑吸收聲致發(fā)光產(chǎn)生的光能，躍遷到更高但不穩(wěn)定的能量狀態(tài)，在回到基態(tài)之前在與生物底物相互作用時釋放能量并產(chǎn)生各種自由基(過氧化氫、超氧陰離子、羥基自由基和單線態(tài)氧),這些分子共同作用導致微生物死亡。在應(yīng)用聲動力殺菌的實踐中，鐵-氧化鋅納米顆粒作為聲增敏劑，可以有效控制水中志賀氏菌和沙門氏菌的微生物污染，為綠色果蔬產(chǎn)品供給鏈中用水部分的安全提供參考。
基于超聲空化效應(yīng)所致的聲穿孔、聲化學、聲致發(fā)光3種現(xiàn)象，超聲對細胞的強致死作用可以得到較好解釋：超聲波空化效應(yīng)導致的局部瞬時高溫高壓會使胞內(nèi)蛋白質(zhì)變性，聲穿孔可破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，增加其通透性，導致細胞內(nèi)有機質(zhì)滲漏；聲化學反應(yīng)和聲增敏劑的活化會產(chǎn)生ROS等自由基，對細胞內(nèi)聚合物產(chǎn)生不可逆的破壞性作用(圖1)。這也為超聲協(xié)同氣體殺菌技術(shù)在對果蔬的應(yīng)用提供了理論支持。
O3是一種具有高氧化電位(2.07 eV)的良好消毒劑。O3的自由基鏈在衰變過程中形成的羥基自由基和活性氧(ROS)被認為是O3能夠殺滅細菌的主要原因。近年來，超聲協(xié)同O3殺菌方法在果蔬中的應(yīng)用已得到廣泛研究，為超聲協(xié)同O3殺菌技術(shù)提供了進一步的理論指導和實驗數(shù)據(jù)，證明了超聲協(xié)同O3處理是一種高效安全、綠色低碳的技術(shù)，可以在保證果蔬營養(yǎng)價值的同時實現(xiàn)微生物的有效滅活，保障果蔬的質(zhì)量安全。超聲聯(lián)合O3的良好協(xié)同效應(yīng)可以從以下兩個方面解釋：首先，超聲波會粉碎O3氣泡，提高O3的溶解速率和單位體積內(nèi)O3的濃度，高濃度的O3能夠迅速殺死微生物;其次，超聲波空化作用造成的局部高溫高壓在促使水分子分解產(chǎn)生自由基的同時也會促進O3分解產(chǎn)物在室溫和壓力下由氧化性較弱的O2轉(zhuǎn)化為氧化性極強的·OH-(羥基自由基),從而殺死微生物。
均研究了超聲波和O3協(xié)同處理對草莓微生物的殺菌效率和營養(yǎng)成分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，O3和超聲協(xié)同處理可以有效殺滅草莓中98%的細菌，且草莓中抗壞血酸、花青素的含量和抗氧化酶活性也能得到很好保留。研究低濃度O3水溶液和多頻超聲的協(xié)同作用對櫻桃番茄中的腐敗微生物和質(zhì)量影響，也得到了類似結(jié)果。就O3水溶液和超聲(28 kHz)協(xié)同和單獨作用對鮮切生菜中致病微生物的殺滅效果進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)協(xié)同超聲處理在更高效殺菌的同時還可以將總處理時間減少約20 s。實驗證明了O3協(xié)同超聲(40 kHz, 100 W)僅需8 min即可充分殺滅卷心菜中的細菌，并且不會損傷其葉片。在使用3.33 mg·min-1的O3和40 kHz的超聲處理新鮮菠菜10 min后，菠菜中總細菌數(shù)(細菌總數(shù)、大腸埃希菌、沙門氏菌和李斯特菌)減少了1.46 lg(CFU·g-1),減少量近94.04%,而當使用相同的條件處理番茄5 min后，番茄中總菌落減少了1.76 lg(CFU·g-1)。
除此之外，超聲作為綠色高效的去污劑.其協(xié)同O3在去除果蔬表面的農(nóng)藥殘留中表現(xiàn)也十分優(yōu)秀，一項研究評估了超聲協(xié)同O3在去除萵苣上的甲胺磷敵敵畏的效能，發(fā)現(xiàn)去除率高達82.16%。菠菜上的噻蟲嗪、吡蟲啉、啶蟲脒在3.33 mg·kg-1的O3和40 kHz的超聲處理10 min和15 min后，殘留農(nóng)藥去除率可分別達94.04%和99.77%。這些結(jié)果均證明了超聲協(xié)同O3是一種保障果蔬質(zhì)量安全的新型綠色高效技術(shù)。
ClO2是一種氧化性氣體，通常由氯酸鈉和酸/氯反應(yīng)產(chǎn)生。ClO2對細菌、真菌和病毒都具有抗菌作用，作為氯氣的替代品，它的氧化能力是氯氣的2.5倍，且不會形成致癌副產(chǎn)物。目前已有許多實驗研究證明了超聲協(xié)同ClO2滅菌的效能和機理。在HPU(60 W)和ClO2(4 mg·L-1)的協(xié)同作用下，10 min后金黃色葡萄球菌的滅活率就可達99.03%,并且金黃色葡萄球菌的生物膜也能得到有效的分離和清除。而有一半的金黃色葡萄球菌在單獨用ClO2處理10 min后仍處于亞致死狀態(tài)；單獨使用HPU處理的殺菌率更差，僅有18.72%。關(guān)于超聲協(xié)同ClO2滅菌的機理，研究證明經(jīng)超聲波破碎后，水中較大的懸浮顆粒會分解成小顆粒，從而更均勻地分散在水中，與殺菌劑完全接觸
如今，超聲協(xié)同ClO2滅菌作用的應(yīng)用實踐主要集中在生鮮果蔬中。評估了超聲波協(xié)同ClO2水溶液對苜蓿和綠豆中大腸埃希菌和腸炎沙門氏菌的殺菌效果，實驗結(jié)果表明，協(xié)同處理可分別減少苜蓿和綠豆中的沙門氏菌和大腸埃希菌。在ClO2協(xié)同超聲對西蘭花中污染微生物的處理實驗中，ClO2協(xié)同超聲的殺菌效果顯著高于單獨使用ClO2和使用超聲作為前處理或后處理手段(超聲/ClO2或ClO2/超聲)。探究了ClO2和超聲波處理對大白菜保質(zhì)期、營養(yǎng)成分和生物活性化合物的綜合影響。結(jié)果證明，協(xié)同處理分別將大白菜中假單胞菌數(shù)目和細菌總數(shù)減少了2.8 lg(CFU·g-1)和2.5 lg(CFU·g-1),大白菜的外觀、顏色、葉綠素含量、總抗壞血酸和酚類含量在12 d的貯存期內(nèi)都可以得到有效保護。研究了ClO2水溶液和超聲波對李子的處理效果。ClO2單獨處理組中的李子在儲存40 d后，霉菌含量就超過了標準值，協(xié)同處理組儲存的60 d中李子的霉菌含量一直在可接受范圍內(nèi)，表明超聲可以增強ClO2的抗菌效果。這些結(jié)論都表明了ClO2協(xié)同超聲殺菌是保障果蔬質(zhì)量安全、提高果蔬營養(yǎng)價值的有效手段。
由于CO2臨界溫度和壓力低，所以CO2的超臨界狀態(tài)(SC-CO2)很容易達到。SC-CO2能夠酸化細胞，使酶失活，在滅活各種微生物如大腸埃希菌、釀酒酵母等方面表現(xiàn)良好，已被用于乳制品、禽肉類和果蔬類食品的殺菌,但要達到與傳統(tǒng)熱殺菌相似的滅活水平，SC-CO2需要的時間較長，難以滿足實際食品加工生產(chǎn)的需要。因此，將其他非熱滅菌技術(shù)與SC-CO2協(xié)同是SC-CO2滅菌技術(shù)的發(fā)展趨勢。
超聲是最常與SC-CO2聯(lián)用的技術(shù),超聲能提高SC-CO2殺菌效果的原因被認為是超聲波場產(chǎn)生的劇烈攪拌作用和空化效應(yīng)不僅會提高SC-CO2在液體中的溶解速率，還會損傷細菌和酵母菌細胞的細胞膜和細胞壁，增強SC-CO2向細胞內(nèi)部的傳質(zhì)和滲透，繼而細胞活性所必需的胞內(nèi)物質(zhì)被SC-CO2抽提。發(fā)現(xiàn)，SC-CO2協(xié)同HPU可以減少橙汁中的大腸埃希菌和好氧嗜溫菌，釀酒酵母在處理后也減少了99.7%。評估了SC-CO2協(xié)同HPU對不同細菌(大腸埃希菌和缺陷假單胞菌)和真菌孢子的滅活效果和機制。他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)SC-CO2協(xié)同HPU處理細胞的細胞壁和細胞膜塌陷變形，細胞質(zhì)內(nèi)容物泄漏嚴重。
超聲協(xié)同SC-CO2技術(shù)能有效抑制微生物繁殖，對果蔬有良好的殺菌保鮮效果。發(fā)現(xiàn)與單獨使用SC-CO2相比，協(xié)同HPU可以實現(xiàn)對香菜更快地脫水殺菌。在超臨界流體裝置中試驗了一種基于HPU的新型滅活技術(shù)，協(xié)同使用SC-CO2和HPU時，細菌數(shù)目減少8 lg(CFU·g-1),所需時間減少了95%。他們還探討了是否可以通過SC-CO2和HPU的結(jié)合來實現(xiàn)脂質(zhì)乳液的非熱巴氏滅菌，結(jié)果表明，HPU可以降低油脂在滅活中對細菌的保護作用，增強SC-CO2的殺菌能力，是對含有熱敏物質(zhì)的脂質(zhì)乳劑進行滅菌的一種有效方法。當SC-CO2與HPU協(xié)同滅菌時，椰子水中的細菌在處理15 min之后減少了5 lg(CFU·g-1),并且HPU可以有效地改善椰子水在滅菌后不夠穩(wěn)定、微生物在儲存過程中容易再生的情況，將椰子水的保質(zhì)期延長到28 d。
MAP包裝(modified atmosphere packaging)是在真空包裝以及充氮包裝的基礎(chǔ)上發(fā)展改進所得到的一種主要用于食品保鮮的包裝。通過調(diào)節(jié)不同比例的氣體成分(通常為N2、O2、CO2),MAP可以起到保持食品質(zhì)量，延長保質(zhì)期的作用。一般來說，3%～6% O2和2%～10%CO2可以抑制微生物的生長，延長新鮮產(chǎn)品的保質(zhì)期。其他氣體，如氦氣、氬氣和氙氣(稀有氣體),以及一氧化二氮(N2O),也會被用于MAP中。
盡管MAP協(xié)同超聲對微生物生長抑制作用的機理尚未清楚，但對其在果蔬上應(yīng)用的結(jié)果評估足以證明MAP協(xié)同超聲處理是一種優(yōu)秀的果蔬保鮮技術(shù)。在6%的O2、4%的CO2和90%的N2的氣調(diào)下，使用超聲(20 kHz, 180 W)處理番茄和絲瓜5 min, 可以有效減少果實中丙二醛的積累量，且果實的硬度、水分和抗壞血酸含量在處理前后基本沒有變化。將MAP協(xié)同超聲運用到采后番石榴中也得到了類似的結(jié)果，儲存30 d后番石榴保鮮率仍可達81.82%。
在MAP協(xié)同超聲對果蔬貯存期間各類腐敗微生物生長繁殖的抑制作用研究中，實驗結(jié)果表明，MAP協(xié)同超聲處理10 min后，大白菜的初始細菌計數(shù)從7.11 lg(CFU·g-1)降低到6.01 lg(CFU·g-1),MAP協(xié)同超聲還可以有效降低大白菜中過氧化物酶和多酚氧化酶的活性，延長保質(zhì)期。超聲協(xié)同MAP對鮮切生菜微生物及品質(zhì)性狀的影響實驗中 的結(jié)果表明，MAP協(xié)同超聲能有效抑制貯藏期間生菜細菌、霉菌和酵母菌的生長。研究了超聲波處理對鮮切黃瓜在MAP包裝貯藏過程中微生物和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，超聲可以抑制新鮮黃瓜儲存過程中總細菌菌落、霉菌和酵母菌的生長，是改善鮮切黃瓜常壓包裝防腐效果的有效方法。
從植物中提取到的揮發(fā)性化合物(VOCs)(也被稱為精油EOs),自古以來就因其高效的抗菌活性而備受關(guān)注，至今仍是生物醫(yī)學研究的熱門方向。揮發(fā)性植物化合物主要可以分為萜烯、含氮化合物、芳香族揮發(fā)物和脂肪氧化酶途徑產(chǎn)生的衍生物。它們被認為可以作用于微生物的細胞膜，影響細胞膜完整性和滲透性。例如，萜烯會通過與磷脂中的酰基鏈結(jié)合破壞細胞膜，導致電解質(zhì)和離子的泄漏,芳香族化合物(尤其是苯丙素類)會與膜蛋白結(jié)合，改變它們的構(gòu)象。
由于氣相EOs可以與食品表面直接接觸，抗菌作用比液相更強，因此，已經(jīng)有不少研究利用氣相中的EOs作為保鮮儲存果蔬的抗菌劑。氣相EOs對培養(yǎng)基中和蘿卜芽表面的李斯特菌的抗菌活性的對比實驗表明，在培養(yǎng)基中具有顯著李斯特菌抗菌活性的氣相EOs在蘿卜芽表面也表現(xiàn)出相應(yīng)的致死活性。評估了氣相芥末精油對番茄中黑曲霉的抑制作用，體外和體內(nèi)的實驗結(jié)果均證明了芥末精油蒸氣對抗黑曲霉的有效性，并且不會損害番茄的感官特性，是傳統(tǒng)合成抗菌劑的良好替代品?；诖碎_發(fā)出高效合理的精油提取技術(shù)對于增強精油抗菌能力是十分重要的，與傳統(tǒng)的浸漬提取、索氏提取相比，超聲輔助提取(UAE)可以縮短提取時間和提高提取效率，并且不對提取物的結(jié)構(gòu)、活性產(chǎn)生影響，操作簡單易行，有效成分易于分離純化。許多研究證實，超聲輔助提取精油可以增強其抗氧化、抗菌活性，但其具體機制尚未明確。
將UAE用于從青錢柳中提取黃酮類化合物，發(fā)現(xiàn)其對金黃色葡萄球菌、傷寒沙門氏菌的抗菌活性顯著增強。分別使用索氏提取和UAE提取綠藻中的酚類化合物，結(jié)果顯示，UAE提取物對測試細菌——腸炎沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、李斯特菌、乳雙歧桿菌和干酪乳桿菌的抗菌生物活性水平最高，對測試病毒——甲型肝炎病毒和鼠諾如病毒的病毒抗性最高。在從蜂膠中提取VOCs化合物的實驗證明，使用超聲輔助提取可以增加從蜂膠中提取到的VOCs化合物(黃酮類化合物和多酚類化合物)的含量，從而增強蜂膠的抗菌活性，提高其營養(yǎng)價值。
超聲協(xié)同氣體殺菌技術(shù)能夠充分保存果蔬的營養(yǎng)物質(zhì)，具有高效低碳、綠色環(huán)保的優(yōu)點，符合消費者追求的無污染、優(yōu)質(zhì)的消費理念。然而，超聲協(xié)同氣體滅菌技術(shù)目前還不成熟，在大規(guī)模的推廣和應(yīng)用方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。目前大部分研究均基于細胞表觀的機械性損傷電鏡和物化特性分析，而在分子水平上，如通過調(diào)控細胞代謝凋亡的相關(guān)基因在超聲協(xié)同氣體作用下的變化來闡述微生物失活的相關(guān)研究較少。在今后的研究中，一方面要進一步加深對超聲協(xié)同氣體殺菌的機理探索，另一方面要將其運用于更多果蔬產(chǎn)品中，持續(xù)觀測、檢測分析果蔬在一段時間的貯藏過程中腐敗菌、致病菌以及各類營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化，對食品營養(yǎng)品質(zhì)及安全性進行綜合評估及預(yù)測，為工業(yè)化提供參考價值。此外，超聲協(xié)同氣體還可與更多的殺菌劑或非熱殺菌技術(shù)結(jié)合使用，例如可以將微波技術(shù)運用到超聲和氣體的協(xié)同處理過程中，也會是一個較有前景的研究方向。
