張雨宸 謝 晶

(1. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部冷庫(kù)及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，上海 201306；3. 食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心〔上海海洋大學(xué)〕，上海 201306；4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種利用半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)或類(lèi)似結(jié)構(gòu)作為發(fā)光材料，能夠直接將電轉(zhuǎn)化為各種色彩的可見(jiàn)光以及紫外光等的電磁輻射的半導(dǎo)體發(fā)光元件[1]，具有體積小、可應(yīng)用范圍廣、發(fā)光效率高、經(jīng)久耐用等良好特性，屬于典型的綠色照明光源[2]。在果蔬行業(yè)中，應(yīng)用LED光照技術(shù)殺滅果蔬中的致病菌與傳統(tǒng)的化學(xué)滅菌法相比，具有無(wú)毒無(wú)害，成本低廉，殺菌同時(shí)可提升果蔬自身營(yíng)養(yǎng)成分等的其他滅菌法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[3]，滿(mǎn)足了現(xiàn)階段生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)綠色環(huán)保處理方式的需求，因此在果蔬的采后處理中有較廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段中國(guó)微生物源食源性安全問(wèn)題非常突出[4]，LED照射處理方法具有豐富的研究?jī)r(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。文章將LED分為可見(jiàn)光、紫外兩部分，分別就其特性、優(yōu)勢(shì)、機(jī)理，以及殺菌效果進(jìn)行綜述，指出了當(dāng)前LED在果蔬采后應(yīng)用中存在的問(wèn)題，以期為L(zhǎng)ED技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

1 LED特性及其殺菌機(jī)制

根據(jù)波長(zhǎng)的不同，可將光分為可見(jiàn)光(400～700 nm)、紫外光(100～400 nm)等。LED的發(fā)光范圍廣，光質(zhì)純，可根據(jù)發(fā)出的光的波長(zhǎng)范圍不同分為可見(jiàn)光、紫外LED。下面分別闡述兩種LED的特性、殺菌機(jī)理和殺菌效果。

1.1 可見(jiàn)光LED

1.1.1 特性 與傳統(tǒng)的熒光燈和高壓鈉燈相比，LED燈具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 光電轉(zhuǎn)換效率高，LED光能利用率高達(dá)80%～90%；② 光質(zhì)純，可發(fā)射波譜范圍廣，LED發(fā)射的波譜寬度為±30 nm，可發(fā)射光波較狹窄的單色光的同時(shí)還可根據(jù)需要組合出不同顏色的光源[2]；③ 發(fā)熱低，LED屬于冷光源，近距離照射果蔬時(shí)不會(huì)由于溫度過(guò)高影響果蔬保鮮效果；④ 綠色環(huán)保，LED是由可回收的原料制成的光源，不含污染元素，且耗電量?jī)H為白熾燈的1/8、日光燈的1/2[5]；⑤ 壽命長(zhǎng)，LED使用壽命通常在10萬(wàn)h以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)照明光源[3]；⑥ 體積小，LED體積比傳統(tǒng)光源小，不占用太多的空間，更有利于放置在不同設(shè)備儀器中使用；⑦ 啟動(dòng)時(shí)間短[1]。LED與傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 LED與熒光燈和高壓鈉燈的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Advantages and disadvantages of LED, fluorescent lamp and high-pressure sodium lamp

1.1.2 殺菌機(jī)理 LED照射滅活部分食源性致病菌的途徑主要有光動(dòng)力學(xué)滅活和光催化滅活2種[9]。Kim等[10]研究發(fā)現(xiàn)在400～450 nm波段內(nèi)，LED在波長(zhǎng)峰值為405 nm時(shí)對(duì)致病菌抑制效果最好，其機(jī)理是通過(guò)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的損傷達(dá)到殺菌目的的，而非對(duì)DNA的破壞?？梢?jiàn)光LED的殺菌方法根據(jù)目前的研究主要分為添加光敏劑和不添加光敏劑2種類(lèi)型。在未添加任何化合物的情況下，經(jīng)LED發(fā)射出的405 nm等的特定波段的光線照射后，可借助細(xì)菌內(nèi)源性糞卟啉產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氧，進(jìn)而由激發(fā)態(tài)氧破壞細(xì)菌組織結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到滅菌效果[11]。而在添加光敏劑的情況下，由光敏劑將LED光的能量轉(zhuǎn)移到氧分子上，形成激發(fā)態(tài)氧從而滅菌。2種滅菌方法都可以有效滅菌，相比而言，未添加光敏劑往往要照射7 h以上才能達(dá)到滅菌的效果，添加光敏劑后通常只需10～20 min，因此加入光敏劑更加節(jié)能；不過(guò)光敏劑大多為色素，將光敏劑涂抹在果蔬表面會(huì)影響感官和消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)欲。兩者共同優(yōu)勢(shì)為：應(yīng)用LED照射食源性致病菌相較于添加化學(xué)物質(zhì)滅菌更加綠色環(huán)保，且處理效果受溫度影響小，為低溫滅菌方法提供了新的選擇?？傊?，應(yīng)用在食品行業(yè)的滅菌技術(shù)在考慮經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)，技術(shù)本身的安全性更應(yīng)放在首位。

1.1.3 可見(jiàn)光LED照射對(duì)食源性致病菌的影響 目前研究發(fā)現(xiàn)LED對(duì)食源性致病菌具有良好的殺菌作用。Endarko等[12]使用405 nm LED光，照射達(dá)到185 J/cm2劑量時(shí)，可以減少5 lg CFU/g的單核增生李斯特菌和其他種類(lèi)的李斯特菌數(shù)量，并發(fā)現(xiàn)405 nm等的波段殺菌效果最佳。Kumar等[13]使用460 nm LED光，分別在4，10，25 ℃溫度下，照射蠟樣芽孢桿菌、單核增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌O157:H7、銅綠假單胞菌及傷寒沙門(mén)氏菌6種細(xì)菌，均有效減少了細(xì)菌數(shù)量。例如，金黃色葡萄球菌在照射7 h后數(shù)量最少，蠟樣芽孢桿菌照射9 h后數(shù)量減少3 lgCFU/g。并且細(xì)菌中的11-脫氧皮質(zhì)醇、放線酰胺素、助間型霉素、酪胺、殼二糖等維持生命活動(dòng)的物質(zhì)均在LED光照射下得到了有效控制；并發(fā)現(xiàn)LED滅菌效果受溫度影響較小，可以在不同溫度條件下較廣泛的使用。Josewin等[14]用405，460 nm波長(zhǎng)的藍(lán)光在4 ℃下，以輻照劑量為1 210 J/cm2的條件下或20 ℃，5 356 J/cm2的條件下，能夠較好地將哈密瓜表面初始濃度為4 lg CFU/cm2的李斯特菌和沙門(mén)氏菌殺滅。Wilborn等[15]結(jié)合波長(zhǎng)為405 nm的藍(lán)光和880 nm的紅光輻照金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌，結(jié)果顯示：在20 J/cm2的輻照劑量下，銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌分別能夠減少93.8%和72.0%。

1.2 紫外LED

1.2.1 特性 紫外光根據(jù)波長(zhǎng)的不同分為UV-A(315～400 nm)、UV-B(280～315 nm)和UV-C(100～280 nm)。紫外LED通常指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400 nm以下的LED[16]。由于短波長(zhǎng)光線殺菌效果更好，所以紫外殺菌在果蔬采后處理中有著廣泛的應(yīng)用[17]?，F(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)UV-A可以結(jié)合光敏劑，作為非加熱型滅菌法紫外光使用紫外發(fā)光二極管(UV LED)發(fā)射紫外光，相較于傳統(tǒng)的采取汞蒸氣放電方式獲取的紫外光光子能量更大，且本身更環(huán)保。UV LED直徑<5 mm，壽命在10萬(wàn)h以上，比紫外燈壽命長(zhǎng)100倍，具有響應(yīng)速度快，可靠性高，壽命長(zhǎng)，單色性好等優(yōu)勢(shì)[18]。

1.2.2 殺菌機(jī)理 傳統(tǒng)方法主要采取UV-C殺菌[19]，但結(jié)合光敏劑后，發(fā)現(xiàn)UV-A殺菌也十分有效[20]。其殺菌機(jī)理分別如下。

(1) UV-C：細(xì)菌DNA在吸收紫外線能量后，2個(gè)相互臨近的嘧啶會(huì)形成嘧啶二聚體，致使密碼子錯(cuò)亂、DNA無(wú)法在轉(zhuǎn)錄中有效表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致mRNA無(wú)法合成有效的生存所需的蛋白質(zhì)和酶，最終達(dá)到滅菌的效果[21-22]。核酸會(huì)吸收光譜范圍在240～280 nm的紫外線，且對(duì)260 nm的紫外線吸收最為強(qiáng)烈[23]，Kim等[24]研究發(fā)現(xiàn)從266～279 nm波段的UV-C LED對(duì)食源性革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌滅菌主要作用于DNA，且以265 nm波長(zhǎng)段最有效。因此在單獨(dú)使用紫外照射技術(shù)殺菌時(shí)，UV-C(200～280 nm)殺菌效果最好。UV-C對(duì)食源性致病菌DNA破壞的同時(shí)，也會(huì)對(duì)其細(xì)胞膜造成損傷，從而達(dá)到滅菌目的[25]。

(2) UV-A：UV-A在激發(fā)光敏劑后，激發(fā)態(tài)的光敏劑會(huì)將能量傳遞給周?chē)难鯕猱a(chǎn)生活性氧，使細(xì)菌細(xì)胞的細(xì)胞壁等部位發(fā)生毒性反應(yīng)，從而達(dá)到細(xì)胞損傷、壞死的目的[26]。

1.2.3 UV LED對(duì)食源性致病菌的影響 Kim等[25]使用254 nm的UV-C在25 ℃下連續(xù)照射1 min，生菜表面的O157：H7大腸桿菌、鼠傷寒沙門(mén)氏菌和李斯特菌，分別降低了1.45，1.35，2.12 lg CFU/g，但在4 ℃的試驗(yàn)條件下僅分別降低了0.31，0.57，1.16 lg CFU/g的細(xì)菌數(shù)量。Adhikari等[27]在使用254 nm的UV-C以0.92 kJ/m2的劑量下連續(xù)輻照60 s，分別將蘋(píng)果和梨表面的O157:H7大腸桿菌數(shù)量降低了2.9，2.1 lg CFU/mL。經(jīng)8，12 min的UV-C照射后能分別減少草莓和覆盆子表面2.0，1.1 lg CFU/mL的O157:H7大腸桿菌數(shù)量。光照劑量3.75 kJ/m2時(shí)，254 nm UV-C照射能減少蘋(píng)果表面1.6 lg CFU/mL的單核增生李斯特菌，并且梨、哈密瓜和草莓表面單增李斯特菌數(shù)量分別在254 nm UV-C照射光照劑量11.9 kJ/m2時(shí)減少1.7，1.0，1.0 lg CFU/g的細(xì)菌數(shù)量。Yun等[28]使用光照劑量47 mJ/cm2的UV-C照射杏表面的O157:H7大腸桿菌和沙門(mén)氏菌，能迅速減少0.9～1.5 lg CFU/g的細(xì)菌數(shù)量。但過(guò)量的紫外照射在殺菌的同時(shí)也會(huì)對(duì)果蔬本身造成損傷，例如周偉[5]研究表明采后處理過(guò)程中，過(guò)量的 UV-C 照射會(huì)加快上海青品質(zhì)劣變。因此在殺菌的同時(shí)應(yīng)當(dāng)控制紫外光的使用劑量。

綜上所述，LED滅菌效果顯著，有諸多優(yōu)勢(shì)：① 相較于傳統(tǒng)的低溫殺菌法無(wú)殘留，綠色環(huán)保。② 在保證殺滅細(xì)菌的同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)果蔬自身生理活動(dòng)來(lái)延長(zhǎng)保質(zhì)期。例如：李寧等[29]在4 ℃低溫條件下使用紅藍(lán)復(fù)合光處理西蘭花延長(zhǎng)了保質(zhì)期(10～15 d)，也較好地保持了西蘭花外觀。③ 可以提升蔬菜品質(zhì)，例如，Zhan等[30]在7 ℃溫度下使用強(qiáng)度為2 000 lux的光照射鮮切芹菜，使其總酚值明顯高于存儲(chǔ)于黑暗條件下的鮮切芹菜。但也存在一些劣勢(shì)：堆放高度有限，光的穿透性弱，例如在LED照射處理西蘭花時(shí)，接受到光照的西蘭花保鮮效果更好，故試驗(yàn)時(shí)只能單層擺放[31]。在實(shí)際應(yīng)用中是否需要每層蔬菜上都設(shè)LED，如此是否會(huì)增加成本，以及經(jīng)濟(jì)效益如何等都有待進(jìn)一步研究。

2 光敏劑輔助LED照射對(duì)食源性致病菌的影響

光敏劑是指在光化學(xué)反應(yīng)中能夠吸收光子，并將能量傳遞給特定分子使其參與化學(xué)反應(yīng)，但本身不參與化學(xué)反應(yīng)的一類(lèi)物質(zhì)[32]。在果蔬采后處理中應(yīng)用較廣的光敏劑主要為卟啉類(lèi)化合物及其衍生物[33]。其作用機(jī)理為光敏劑在吸收光子能量后，激發(fā)態(tài)的光敏劑使周?chē)鯕廪D(zhuǎn)化為活性氧(ROS)，進(jìn)而使細(xì)菌細(xì)胞的細(xì)胞壁等部位發(fā)生毒性反應(yīng)，從而達(dá)到細(xì)胞損傷、壞死的目的[26]。目前使用較為廣泛的光敏劑有金絲桃素、姜黃素、葉綠素等。下面分類(lèi)介紹各類(lèi)光敏劑及其使用效果。

2.1 使用葉綠素及其衍生物等作為光敏劑

葉綠素是由1個(gè)卟啉環(huán)和脂肪烴側(cè)鏈構(gòu)成，具有良好的光吸收的物質(zhì)[34]。王小情等[35]以1 mL 10-5mol/L葉綠素鈉鎂鹽作光敏劑，使用400～415 nm的LED燈，在光照強(qiáng)度最大為1 250 lux的情況下光照荔枝清液10 min后，殺滅了4.5 lg CFU/g的金黃色葡萄球菌，但當(dāng)用同樣方法處理荔枝濁液時(shí)，發(fā)現(xiàn)固體顆粒的存在會(huì)大大降低葉綠素的光動(dòng)力殺菌效果，僅減少了0.14 lg CFU/g的金黃色葡萄球菌，說(shuō)明在應(yīng)用LED處理的過(guò)程中，應(yīng)注意光的穿透性不強(qiáng)，確保需消毒物體能夠直接接受到光照，以達(dá)到較好的滅菌效果。Luksiene等[36]使用葉綠酸鈉作為光敏劑，蠟樣芽孢桿菌ATCC 12826和單核細(xì)胞增生李斯特氏菌ATCC 7644及其耐熱菌株蠟樣芽孢桿菌SV90和單核細(xì)胞增生李斯特氏菌56LY經(jīng)405 nm光照殺菌后，可減少食品包裝材料表面7 lg CFU/mL的細(xì)菌。Buchovec等[37]使用1.5 ×10-5mol/L濃度葉綠素作為光敏劑，使用405 nm波段的可見(jiàn)光照射120 min，光照劑量達(dá)到46.1 J/cm2時(shí)，可減少2.05 lg CFU/mL的腸道沙門(mén)氏菌。Buchovec等[37]還發(fā)現(xiàn)使用葉綠素作為光敏劑，高功率紫外脈沖可有效殺滅革蘭氏陰性菌。

2.2 使用姜黃素作為光敏劑

姜黃素是一種從姜黃根莖發(fā)現(xiàn)的多酚化合物，本身呈鮮黃色，在傳統(tǒng)上食品工業(yè)中用作天然著色劑或作為膳食補(bǔ)充劑[38-39]，作為光敏劑使用時(shí)具有高效、低毒[40]、低成本等特點(diǎn)。姜黃素在光輻射下會(huì)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)并增強(qiáng)自身的抗菌活性[41]。姜黃素的光激發(fā)可以促使ROS的形成，例如單線態(tài)氧，通過(guò)該類(lèi)物質(zhì)可以氧化損傷微生物進(jìn)而達(dá)到滅活微生物的目的。最近的研究[42]還表明，除ROS外，姜黃素的受光照激發(fā)還可以生成自由基，并對(duì)細(xì)菌DNA造成嚴(yán)重?fù)p傷。據(jù)許川山等[43]研究，姜黃素在200～230 nm和400～450 nm波段處各有一吸收峰值，其中可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)的最大吸收峰值在425 nm處，熒光最大激發(fā)波長(zhǎng)在425 nm處。作為光敏劑輔助LED殺菌時(shí)受溫度影響較小。例如Penha等[44]使用姜黃素作為光敏劑，光照劑量為278 J/cm2時(shí)可將金黃色葡萄球菌數(shù)量減少3.5 lg CFU/mL，當(dāng)光照劑量繼續(xù)增強(qiáng)到417 J/cm2時(shí)，金黃色葡萄球菌完全失活；大腸桿菌在光照劑量達(dá)到278 J/cm2時(shí)數(shù)量顯著減少，在到達(dá)417 J/cm2時(shí)完全失活；嗜水氣單胞菌在光照劑量達(dá)到139 J/cm2時(shí)數(shù)量顯著減少，在達(dá)到417 J/cm2時(shí)完全失活。Oliveira等[20]使用姜黃素結(jié)合UV-A對(duì)大腸桿菌O157:H7和innocua李斯特菌進(jìn)行照射殺菌處理發(fā)現(xiàn)該方式比單純的可見(jiàn)光照射處理更加有效。

2.3 使用其他光敏劑

除葉綠素和姜黃素光敏劑外，還有使用金絲桃素、ZnO納米粒子等作為光敏劑輔助LED照射，效果同樣顯著。Aponiene等[45]使用金絲桃素作為光敏劑，先將果蔬在0.1 μmol/L金絲桃素中處理60 min，再用585 nm光照射，劑量9.2 J/cm2時(shí)，可去除果蔬表面4.4 lg CFU/mL的蠟樣芽孢桿菌。Aponiene等[38]使用ZnO納米粒子作為光敏劑，使用劑量5×10-4mol/L，405 nm波段光照10 min，當(dāng)光照劑量達(dá)到380 kJ/m2時(shí)，可減少7 lg CFU/mL的大腸桿菌。Ercan等[46]發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用9.53 kJ/m2劑量的UV-A僅能減少3.9 lg CFU/mL的細(xì)菌數(shù)量，而結(jié)合ZnO后可以殺滅6 lg CFU/mL的細(xì)菌數(shù)。Oliveira等[47]使用UV-A結(jié)合沒(méi)食子酸和乳酸可以使大腸桿菌O157:H7細(xì)菌數(shù)減少(4.7±0.5) lg CFU/mL，而單獨(dú)使用UV-A照射僅減少不到1 lg CFU/g的細(xì)菌數(shù)。

總之，相比光照處理的10～20 h的時(shí)間，添加光敏劑之后僅需10～60 min就可以達(dá)到滅菌效果，具有縮短加工時(shí)長(zhǎng)，節(jié)約能源消耗的優(yōu)勢(shì)。目前常用的光敏劑如葉綠素、姜黃素等來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值；但葉綠素、姜黃素等本身都是色素，涂抹在果蔬表面上難免會(huì)影響果蔬感官和消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)欲望，甚至有些光敏劑是低毒的[37]，應(yīng)避免食用。故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)權(quán)衡選擇是否使用光敏劑，防止降低生產(chǎn)成本反而導(dǎo)致銷(xiāo)售量受影響或者增加食品安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

使用光敏劑的情況下，LED光照射可以高效殺滅細(xì)菌，且光照劑量小，與單純地使用光照相比較節(jié)約能源，盡管可食用光敏劑本身綠色環(huán)保，但大多數(shù)光敏劑(例如葉綠素、姜黃素等)都有顏色，涂抹在食品上會(huì)影響感官以及消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)欲望。相比之下，在未添加光敏劑情況下的LED光照射殺滅果蔬采后細(xì)菌的方法，可以不改變果蔬外觀顏色，且在光照殺菌的同時(shí)，可見(jiàn)光本身就可以對(duì)采后的果蔬有一定的生命活動(dòng)的促進(jìn)作用，因此該處理方式相較于傳統(tǒng)的單純殺菌的處理方式有一舉兩得的優(yōu)勢(shì)。例如，使用300 lx藍(lán)光LED光照處理蜜橘果實(shí)可以有效改善其著色等[48]。此外，LED光照對(duì)果蔬中一些主要營(yíng)養(yǎng)成分的含量變化也有影響，如葉黃素和胡蘿卜素等[49]，因此也需研究LED光照對(duì)果蔬自身品質(zhì)的作用?？傊琇ED光處理是一種有效的果蔬采后處理技術(shù)，能有效地殺滅果蔬表面的致病微生物，減少食源性致病菌的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也可以殺滅致腐菌等其他菌種[19]。

今后LED技術(shù)的應(yīng)用前景主要有：① 目前的LED技術(shù)研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，且所用到的設(shè)備多為定制或?qū)嶒?yàn)者自建，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的LED設(shè)備有待開(kāi)發(fā)，例如如何將可調(diào)的LED燈置入零售終端貨架、冰箱、冷庫(kù)中，進(jìn)而形成一個(gè)簡(jiǎn)便、有效的蔬菜保鮮方式仍待解決。② 結(jié)合人工智能技術(shù)，在貯存運(yùn)輸裝置中通過(guò)可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光的調(diào)節(jié)，模擬太陽(yáng)光環(huán)境，使得貯運(yùn)中的果蔬依然保持很好的活性有待研發(fā)。③ 如何將LED技術(shù)與其他保鮮技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于采后果蔬的保鮮，如氣調(diào)與LED光照保鮮聯(lián)合使用、低溫貯藏與LED聯(lián)合使用等，使其能夠得到更佳的且經(jīng)濟(jì)綠色的保鮮效果仍待進(jìn)一步研究。④ 如何彌補(bǔ)LED使用中的不足，因可見(jiàn)光穿透性差，處理果蔬的堆放高度受限，例如在處理西蘭花試驗(yàn)過(guò)程中只有接受到光照的西蘭花殺菌效果更好，故在試驗(yàn)過(guò)程中只能單層擺放。在實(shí)際生產(chǎn)中為保證保鮮效果可能需要每層蔬菜架上都擺一層LED燈，其經(jīng)濟(jì)效益、成本都有待進(jìn)一步論證。