脉冲光灭菌在包装材料上的应用

脉冲光灭菌在包装材料上的应用

由Food Packaging and Shelf Life 5(2015)1-9翻译

脉冲光技术是一种强力UV光，广域发光波长的新兴表面灭菌技术。相较于一般灭菌方式，如:热或化学灭菌法，脉冲光具有下列优势:可快速灭菌且无任何残留。主要探讨脉冲光灭菌原理与其在表面灭菌上的应用，特别是食品包装材料的除污与灭菌，脉冲光灭菌的功效取决于几个因素，包含UV穿透率、微生物遮蔽效应、微生物组成与其表面特性，最终针对脉冲光在微生物上的机制进行总结。为了提升灭菌效率，也探讨利用一般化学物质或其他灭菌手法搭配脉冲光的应用。经由本篇可完全了解脉冲光对微生物的灭菌效果，作为食品工业灭菌应用的指标。

1. 食品包装灭菌技术简介

非热食品加工技术是一种可用于增长产品上架时间的新兴技术。一般的热处理技术容易对产品原料以及口感造成不可逆的破坏，故为了保有食物原有特性与营养价值，物理以及非热特性的灭菌逐渐受到注意。已被开发的非热技术包含: 活性包装、高压制程、脉冲光灭菌、电子束照射、高强度超音波与冷电浆(Muredzi, 2012; Vanderroost, Ragaert, Devlieghere, & De Meulenaer, 2014)。这些非热食品加工技术期待用在食品与农业产品与品质管理之商业用途减少微生物造成的危害。

高强度&广域发光的脉冲光可快速降低食品、设备、包装材料的表面微生物活性。发光范围从UV波段(100-400nm)、可见光(480-780nm)、近红外光波段(700-1100nm)皆有涵盖。用在食品处理上，产生每秒1 - 20闪，以及0.01-50J/cm ²的脉冲能量(Condon, Alvarez, & Gayan, 2014)。脉冲光灭菌技术具备下列特性: 简易操作、脉冲间距短，故此技术可取代传统热灭菌或氧化氢、过氧乙酸…等化学灭菌。

美国FDA准许脉冲光在食品灭菌上的安全性，脉冲光对下列微生物反应敏感度呈现以下趋势(递减排列): 革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、真菌孢子和细菌孢子。指出真菌孢子的颜色在UV敏感度中有重要影响，且黑曲霉孢子比镰孢镰刀菌孢子对UV脉冲光更具抵抗能力(Levy, Aubert, Bornard, & Carlin, 2012; Oms-Oliu, Martin- Belloso, & Soliva-Fortuny, 2010). Esbelin, Mallea, Ram, and Carlin (2013)，黑曲霉真菌孢子的抵抗能力主要由于其围绕孢子的壁层中有保护性深色涂层，可能由于黑曲霉孢子中的涂层在UVC波段吸收的能量较暗纹葡萄孢子中的颜料吸收的光更多，因而保护黑曲霉孢子。脉冲光灭菌主要因为UV紫外光会使DNA损伤。 Turtoi and Nicolau (2007) 孢子颜色对光脉冲的抗性具有一定影响，黑曲霉（黑色）和肉桂曲霉（棕色）产生的深色丝状孢子比白毛曲霉（绿色）更容易被破坏。黑曲霉色素强烈吸收240-480 nm波段。 Takeshita et al. (2003) 观察到，连续紫外光处理酿酒酵母细胞的DNA损伤高于脉冲光处理。然而，当UV照度增加时，酵母细胞中蛋白质洗脱在脉冲光下较多而一般UV则较少。 Krishnamurthy, Irudayaraj, Demiric, and Yang (2008) 指出透过电子显微镜与红外线傅立叶转换的结果显示，对磷酸盐缓冲液体中的金黄色葡萄球菌照射脉冲光5秒后，产生一些效应，包含:细胞壁损伤、细胞膜收缩、粒线体崩解…等。脉冲光是非化学且非离子形式的灭菌方式，主要用于物品表面消毒，如:食品、包装材料、加工与医疗设备。本文将介绍脉冲光用在食品包装表面的加工技术与可应用范围(Keklik & Demirci, 2014)。包装可增加食品存放、运输、零售…等便利性，最重要的是延长保质期。目前采用的包装材料包含纸张、纸板、塑料…等。然而食品制造过程中，包装材料容易暴露于各种污染物与微生物风险中，对生产过程造成威胁，尤其在无菌包装过程中可能引起食安问题。现阶段用于包装材料的化学消毒剂，如:过氧乙酸与过氧化氢，其浓度最高为30%，温度为80度(Ansari & Datta, 2003)；然而却可能带来化学残留，因此引发人们对于开发新兴包材灭菌技术的兴趣。

2. 脉冲光灭菌特性与机制

1970年日本科学家发现脉冲光可用来消毒并于1984年申请专利。透过短脉冲间距强光(1ms-0.1s)，完成灭菌并抑制酵素活性(Demirci & Keklik, 2012)。除此之外，脉冲光运作效率极高因此适合用在生产线上，由脉冲光照射表面一次或多次来达成灭菌目的(Gomez-Lopez, Ragaert, Debevere, & Devlieghere, 2007)。当波长低于300 nm的脉冲光被遮蔽时，整体的灭菌效果会大幅降低，因脉冲光主要靠该波段进行灭菌。相较一般紫外光灯，脉冲光释放的瞬间能量峰值极大，但消耗的功率反而非常低，且灭菌效果更强，比一般紫外光灭菌效果好上4至6倍(Krishnamurthy, Tewari, Irudayaraj, & Demiric, 2010)。脉冲光的灭菌机制主要依赖以下两种光反应(Demirci & Keklik, 2012)。

(1) 光热效应:部分脉冲光波长，如:可见光与近红外光波段会因高能量脉冲传递热量至物体表面，使得局部表面温度上升50-80度。但在10μm表面上传递，因此不影响被照射物的内部温度。

(2) 光化学反应:紫外光能量会破坏蛋白质，且被DNA与RNA吸收引起光化损伤，从而消灭微生物。 Levy (2012)等人使用SEM观察枯草芽孢杆菌和黑曲霉孢子因脉冲光而造成的损伤(图一)，脉冲光导致微生物细胞破裂，细胞壁损害，细胞膜收缩，以及细胞内部结构崩解，细胞质溢漏导致细胞死亡；然而并非所有细胞在脉冲光照射后皆会造成结构破坏(Krishnamurthy et al., 2010)。

图一.枯草芽孢杆菌孢子（A，B）和黑曲霉孢子（C，D），处理前（A，C）和处理后（B，D）之SEM图；分别以两次1.8 J / cm2的光脉冲进行处理，电压为2.5 kV

由于脉冲光灭菌受物体表面吸收的能量影响，透明或吸收程度差的物体可添加光吸收剂来增加吸收，或使用喷雾或添加物。为了有最大的吸收程度，可以选择美国食品药物管理署批准的胡萝卜素、3号红色色素、绿石灰、黑樱桃或其他混合物作为脉冲光的光吸收剂(FDA, 2013)。

3. 脉冲光设备介绍

脉冲光技术包含，在电容中储存高密度能量，接着释放所储存的峰值能量产生脉冲电场。采用填充惰性气体的脉冲灯管，例如:氙气或氪气，此类气体可有效将电能转换为光能。高能量脉冲电流通过灯管时，气体被游离因而产生强光，脉冲光波段组成为25%UV、45%可见光与30%红外光。波长分布根据特定需求进行调整，例如:用脉冲光进行灭菌时，UV波长范围要增加；波长的比例可由加入滤光片进行调整，有固态滤光片，如:玻璃UV滤光片，以及液态滤光片，如:硫酸铜溶液。调整电流也可以改变波长比例(Keklik, Krishnamurthy, & Demirci, 2012)，脉冲光系统主要由两个单元组成，包含电力单元和照射单元。

(1) 电力单元: 提供高电压与高能量电流给灯泡，再将交流电(AC)转为直流电(DC)，并将直流电储存在电容中。控制器再将电力传输给灯管释放高能量电流。

(2) 照射单元: 主要用来产生脉冲光的灯管。灯管数量及位置取决于被处理物的面积；脉冲频率与灯管顺序由冷却速度以及包装过程要求决定。图二为各种不同类型的灯管，如:线型灯管、螺旋灯管、U型灯管…等。

图二. 脉冲光系统中使用的灯管可针对特定应用配置。螺旋灯可提供360度的无死角灭菌。各式客制脉冲UV灯，满足所有要求。请参考台湾瀚笙科技网站( http://www.mostech.com.tw/products_2-04-xenon.asp )

图二中的直线灯管主要用于单一表面照射，与反射镜设计二者结合，光可有效地聚焦至被照物表面，提高照射效率；螺旋灯管可用于需要360度均匀照射的环境。 XENON亦提供实验室桌上型UV脉冲系统(Model X-1100)，组件说明如图四；图三是用于食品接触面的输送机脉冲光灭菌系统(Model Z-2000)；图五为脉冲光瓶盖灭菌系统，可减少3-4个数量级的菌落，本系统每小时约可消毒90,000个瓶盖。

图三. 食品接触输送机脉冲光灭菌系统解决方案

图四. 实验型脉冲光系统解决方案

4. 脉冲光灭菌系统

脉冲光具有快速、非热…等特性，使其成为包装材料表面灭菌的最佳替代方案。后续将说明脉冲光如何应用于食品表面灭菌。

图五. 瓶盖灭菌系统解决方案( http://www.claranor.com/ )

4.1 食品接触表面与包装材料表面灭菌

在食品制造过程中，污染物可能透过表面接触和包装材料再转移到食品本身从而造成食品变质，甚至是细菌引起的公卫问题；因此，确保食品安全并延长保鲜期是很重要的。包材特性以及脉冲光灭菌效率的研究越来越多。 (表一) Haughton et al. (2011) 在家禽类加工时使用脉冲光表面处理过的包装材料，相较于不规则表面（如:PS和PP）而言，光滑表面（如:不锈钢和铝）脉冲光灭菌的均匀度更好。 Woodling and Moraru (2005) 研究了四种不同表面的光洁度，包括: 不锈钢、电抛光、研磨、喷砂和氧化铝处理。 Ringus and Moraru (2013) 比较了五种不同包装材料表面十点粗糙度，以及脉冲光处理后细菌减少。当材料表面粗糙度达到微米等级时（如聚乙烯层压的超金属化对苯二甲酸乙二醇酯MET，聚乙烯涂层的纸板TR，和聚乙烯涂层的铝箔纸板层压板EP），表面缺陷区可能会被一层或多层细胞遮蔽并阻碍脉冲光照射。

4.2 食品包装材料灭菌

脉冲光处理可增加包装食品的安全性和保存期限(Wekhof, 2001)。脉冲光处理首先需要穿透包材，然后对包材的底面和食品表面进行消毒，然而，视觉上的透明程度并不等于灭菌效率。脉冲光处理的灭菌效果主要利用<400 nm波段，而<280 nm波长是抑制微生物生长所需要的光谱(Levy et al., 2012; Woodling & Moraru, 2007)。紫外线穿透率是脉冲光处理对包装食品灭菌效果的关键因素，会受到包装材料的成分和厚度影响。常用的透明包装材料是由聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯、聚丙烯、PP、尼龙和其他由单体组成的复合材料的塑料薄膜(Marsh & Bugusu, 2007)。这些材料没有任何吸收紫外线的官能基，如:苯环可促进紫外线通过包材。因此包材的成分和厚度是两个影响脉冲光紫外线通过的关键因素。表二显示脉冲光对不同包材的食品经过处理的灭菌效率。 Keklik、Demirci 和Puri (2010) 测量了五种不同包材（PP、E-300、PE、LDPE 和聚酰胺）的穿透光谱。结果显示，PP 的UV260 透过率最高，为75%，其次是E-300、PE、LDPE 和聚酰胺，分别为72%、68%、20% 和5%。进一步研究发现PP包裹的鸡胸肉脉冲光处理后减少了1.2 log菌落。然而，紫外线穿透率并不是脉冲光灭菌的唯一影响因素。 Ringus 和Moraru (2013) 研究对LDPE（厚度为0.04 毫米）表面和LDPE正面与反面的脉冲光处理效率。将10滴含有2 X 10 ⁹ CFU的50 mL菌液放置在LDPE表面，并用2、4、6和8 J/cm2的能量进行处理。将接种菌液的正面暴露在光线下或反面接种的样品倒置进行处理，不同能量对于L. innocua灭菌没有显著差异，可能是消灭L. innocua 所需的能量很低，且可用具有20%紫外线穿透率的LDPE膜实现。另一种可能是Keklik 等人的研究中使用的LDPE 的成分和Ringus (2013)的不一样，它们有不同的紫外线穿透率。此外，需要评估包材的适用性以及脉冲光处理所引起的食品和包装的变化，如:微生物总数、食品品质和包装损坏。许多包装材料已经过脉冲光评估适用性测试（表二），尽管包膜使紫外线穿透率降低了25%以上，但对PP、PE、聚酰胺/聚乙烯/醋酸乙烯酯基共聚物(PEVAc )、PET-PP、聚烯烃(PO)、PVC 和LDPE等包装薄膜进行脉冲光处理后，仍可实现微生物约4-6个对数减少。亦有研究针对脉冲光处理后食品颜色变化，Keklik et al. (2009)指出，用67.14 J/cm ²的能量处理时，用PP包装的法兰克福鸡肉的颜色会发生显著变化，对处理过的鸡胸肉，颜色变化可能会因包装材料不同而有所不同。用67.14 J/cm ²脉冲光处理后，PP包装的鸡胸肉颜色发生变化（Haughton 等人，2011）。然而，当用PVC 和PO 包装时，即使在106.2 J/cm ²的脉冲光处理后，颜色也没有变化。在其他测试中，评估了脉冲光处理时的各种影响，包括食品的感官、品质和保存期限，以及包材的机械性质(Haughton et al., 2011; Keklik et al., 2009, 2010)。有趣的是，脉冲光处理可减少微生物数量，但不会延长牛肉片和金枪鱼的保存期限。当能量等于或大于2.1 J/cm ²时，处理过的食物甚至会缩短保存期限，并伴有硫磺气味和变质。

4.3 实际应用与专利参考

对食品、包材、加工设备和其他仪器表面消毒的新方法和技术的需求正在增加。脉冲光灭菌可以减少对化学消毒剂的需求，且不会有任何残留。此外，脉冲光的非热灭菌特性使其可应用于对热源敏感的表面或食品上。已经有许多实际应用与研究并获得专利，有一项专利在无菌处理中使用脉冲光对包材进行表面灭菌(US Patent, 5,768,853)。包材浸入吸收增强剂中，然后用脉冲光闪烁，包材经由输送机传送到装有吸收增强剂的罐中，然后用脉冲光照射包材表面。包材经过灌装、成型、切割后，完成灭菌过程。脉冲光也可以用在对容器进行消毒。在容器喷上吸收增强剂后，使用脉冲光照射容器完成灭菌过程（US patent，5768853），然后装入产品，折叠并切割成最终产品，脉冲光表面处理也可用于预成型包装材料。 (US patent，5,034,235）。

表一. 脉冲光系统在包装与物体表面的灭菌资料

表二. 脉冲光系统在包装材料进行灭菌资料

5.脉冲光的前景

光分解氧化是一种结合光敏化学与UV表面灭菌的过程；过程中表面喷涂或浸入少量的光敏化学物质，并用连续UV或脉冲光照射。 (Toledo, 1988)结合了两种灭菌的方法，直接攻击病原体的遗传物质并反应破坏微生物结构。然而结合两种灭菌的效果并不总是正面的，会受到过氧化氢浓度和脉冲光强度的影响。 McDonald et al. (2000) 测试了脉冲光和1％过氧化氢的组合，结果显示，相较于单用脉冲光，枯草芽孢杆菌孢子多减少了2个数量级。另外，结合式灭菌提供仅用单一方法无法达到的优点:可用在处理抗脉冲光或抗化学性的微生物上。脉冲光与其他方法结合可产生加乘作用。 Xu, Chen, Huang, and Wu (2013)采用脉冲光结合表面活性剂来处理葱，与单独脉冲光或单独活性剂相比，脉冲光与活性剂的组合结果额外减少了一个数量级。 Uesugi and Moraru (2009)研究脉冲光与乳酸链球素对L. innocua.的阻挡作用。乳酸链球菌素和脉冲光处理的组合比单独使用乳酸链球菌素(2.35 ± 0.09)或单独使用脉冲光(1.37 ± 0.30)更有效，可降低CFU 4.03 ± 0.15数量级。此外亦研究了结合脉冲光电场与热的应用。 (Caminiti et al., 2011; Caminiti, Noci, Morgan, Cronin, & Lyng, 2012; Munoz et al., 2012) 脉冲光处理后再进行脉冲电场处理可以有5-log活性下降，且研究指出对果汁无任何不良影响，显示此种组合可在饮料业中作为热灭菌的替代方案。使用脉冲光作为第一道灭菌后，可使得已受损的微生物细胞对后续处理更加有效。

6.新兴非热脉冲光灭菌技术总结

新兴的非热灭菌技术具有消灭细菌活性、让产品延长保值期和增加营养价值的功能，同时对处理后的包装材料或食品无负面影响。研究指出脉冲光对食品接触后的表面与包装材料有灭菌的潜力。相较其他方法，脉冲光灭菌具有许多优势：(1)增加安全性(2)低温操作，对食品不会产生变异(3)照射时间短，操作效率高(4)可用于食品制造与加工过程。脉冲光并非离子状态，因此不可对无法照射到的阴影区域进行消毒，而主要对具有光滑表面的物体和高透明度的流体进行灭菌。脉冲光灭菌成本主要包含:设备摊提，灯管更换，电力与维护；在4 J / cm ²能量下每处理一平方英尺面积花费低于0.03台币。为一种有前景的技术，相较于传统热或化学灭菌，可为食品工业带来更大的帮助。

本文系瀚笙科技翻译；更多XENON脉冲光灭菌资讯请洽:

瀚笙科技股份有限公司

竹北市嘉丰十一路一段100号13楼之6

T: (03) 667-3868