超高压、紫外线等6种非热物理杀菌技术原理及在冷链食品中的应用分析

非热杀菌技术，尤其是非热物理杀菌技术，因其无需热能消耗且无化学残留即可杀灭食品中有害或致病微生物，在冷链食品中的应用受到广泛关注。本文综述了几种常见非热物理杀菌技术的工作机制、灭菌效果以及对食品品质的影响。

超高压技术杀菌

一、超高压技术杀菌原理

超高压技术通过将水或其他液体介质作为传递压力的媒介对样品进行加压，从而起到杀菌的作用。一般来说，50 MPa 的压力可以抑制微生物的蛋白质合成，减少核糖体的数量；100 MPa 的压力会使部分蛋白质发生变性；200 MPa的压力会对细胞膜和细胞内部结构造成损伤；压力增加到300 MPa 以上时，酶和蛋白质会发生不可逆变性改变，细胞膜破裂，导致细菌死亡。

二、超高压技术杀菌在食品中的应用

在较低的温度下，超高压仍能保持较好的灭菌效果。REYES 等发现，在 4 ℃下，超高压处理可以抑制嗜冷菌和产硫细菌的生长，尤其是希瓦氏菌。金子双等发现，超高压结合微冻处理的鸡汤在贮藏 100 d 时，菌落总数仅为2.11 logCFU/mL。

超高压处理时，压力可以快速、均匀地传递到食品中，无热产生，可以有效避免破坏食品中的热敏性成分，抑制褐变反应的发生，延长食品货架期，较大程度地保持食品的原有品质。

研究表明，在 200~300 MPa 下，经超高压杀菌的大黄鱼杀菌率可达 98.10%以上，而鱼体特征黄色区域体表色泽及脂肪氧化程度无变化，理化性质得到改善，且显著提高了鱼体中的呈味核苷酸、游离氨基酸含量及味精当量值。

类似地，酱卤肉、西瓜汁、生牛乳等食品中均被报道经超高压处理后，显著降低了菌落总数且食品品质如色泽、质构、感官等未受到影响或得到显著改善。

不同微生物对超高压处理的敏感性存在显著差异，一般而言，原核生物往往比真核生物更耐压，与营养细胞相比，内生孢子具有尤为突出的抗性，能够承受超过 1000 MPa 的高压。因此，在进行超高压处理时，必须全面考虑压力、温度、时间、pH 等参数条件及其之间的相互作用关系。同时，需要深入了解目标致病微生物的耐压特性以及在处理后可能引发的反应。

脉冲电场技术杀菌

一、脉冲电场技术杀菌原理

脉冲电场技术以其非热特性、效率高等特点被广泛应用于食品灭菌。脉冲电场处理系统主要由高压脉冲电源、能量储存电容器、高压放电开关、通过脉冲形成网络提供指定脉冲参数的脉冲发生器、用于设定和监控的控制系统以及连接有电极的物料处理室 6 部分组成。该技术通过在处理室两电极间反复施加高电压短脉冲、形成脉冲电场，进而完成对处理室中物料的脉冲电场处理，当微生物细胞膜上的电场强度超过阈值时，表面会出现无法自行修复的微孔，形成不可逆性电穿孔，最终导致细胞死亡。

二、脉冲电场技术杀菌在食品中的应用

相关研究显示，脉冲电场处理对多种食品中常见食源性致病菌有显著致死效果。经高压脉冲电场技术处理的鲜榨蓝莓汁，灭菌率可达 99%以上，4 ℃下贮藏 30 d 后菌落总数仅 1.3 logCFU/mL，同时对色泽、风味和营养成分未产生负面影响。

脉冲电场技术在灭菌的同时可以显著提升食品品质，以果蔬汁为例，脉冲电场会使组织细胞的渗透性增加，这对压榨、扩散、干燥以及渗透等具有积极作用，可显著提高出汁率，改善产品风味并保持营养品质。

表 1 脉冲电场对食品杀菌效果及品质的影响

脉冲处理技术对微生物灭活的影响受多重因素制约，主要包括电场强度、脉冲数、处理时间等工艺参数，目标微生物的类型、结构以及处理食物样品的 pH 和电导率。

通常情况下，电场强度与杀菌效果成正比，在一定时间范围内，电场作用时间越长，杀菌效果越好。

虽然脉冲电场已经广泛应用于食品行业的灭菌，但值得注意的是，高强度的电场可能会对牛奶等高蛋白食品的品质产生负面影响，因此脉冲电场在处理不同的食品时，需充分考虑产品特性。

此外，脉冲电场处理技术仍面临一些挑战，如脉冲电场处理设备体积庞大、造价高昂，且电极在高电压下容易发生电解等，因此需要进一步优化高压脉冲电源和电场预处理装置，以提高其效率和稳定性。

低温等离子体技术杀菌

一、低温等离子体技术杀菌原理

等离子体是存在于固态、液态、气态以外的第 4 种形式，是由气体放电过程中产生的大量自由基、带正负电离子、电子和中性粒子组成的一种中性气体。按照温度可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体气体的温度、离子温度和电子温度基本相同，处于平衡状态。而低温等离子体的电子温度较高，但离子温度接近室温，使得整个体系呈现出低温状态。低温等离子体发生器对温度要求不高，反应发生简单，应用较为广泛。

在低温等离子体中，原子、分子和自由基等粒子具有高度活性。当这些活性物质与微生物细胞表面接触时，它们会对细胞膜、蛋白质等生物大分子造成损伤，导致细胞死亡。

二、低温等离子体技术杀菌在食品中的应用

低温等离子体处理果蔬、肉类等食品时，可以有效杀灭食品中的各种致病菌，如 BAUER 等发现，低温等离子体处理可以有效减少牛肉包装表面金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌和大肠杆菌的数量。

胡袭塬等在探究低温等离子体处理对冷藏南美白对虾中常见荧光假单胞菌的抑菌效果时，发现处理后细菌的细胞活力、生物膜光密度值下降，且循环处理较直接处理表现出更好的灭活效果。在合适的条件下，食品的色泽、感官和营养成分通常不会被破坏，甚至对产品品质产生积极影响。

杜曼婷等利用介质阻挡放电处理宰后羊的双侧背最长肌，观察羊肉色泽和氧化稳定性的变化，结果发现在宰后 6~12 h 处理羊肉，对保持肉色的作用最明显，同时还加速了肌原纤维蛋白氧化，改善羊肉肌肉品质。

表 2 汇总了几种常见食品经低温等离子体处理后的灭菌效果及食品品质变化，低温等离子体在处理水果、肉类等食品时，可以有效杀灭食品中的致病菌，降低菌落总数；同时，低温等离子体处理未对食品品质产生负面影响。

虽然低温等离子体技术具有温度低、营养物质破坏程度及感官品质损失小、没有毒副产物等优点，但同其他杀菌技术相似，也受等离子体发生装置、处理条件、目标微生物的菌株和生长条件等因素影响。当食物的厚度较大时，对深层细菌的杀菌效果不好；若处理时间等因素控制不佳，食品的颜色、pH 等也可能发生改变。因此，针对特定的设备和产品类型，需进行个性化的工艺优化。

表 2 低温等离子体对食品杀菌效果及品质的影响

紫外杀菌技术

一、紫外杀菌技术原理

在电磁波谱中，将波长范围在 100~400 nm 之间的电磁辐射称为紫外线，其中波长为 200~280 nm 的短波紫外线具有较高的单粒子能量，在物体和环境中使用可杀灭细菌、真菌和病毒。紫外线杀菌技术耗时短、成本低、无化学残留且不释放热量，非常适合用于冷链食品的杀菌处理。

紫外线杀菌技术通过诱导遗传物质相邻嘧啶分子之间形成嘧啶二聚体，干扰正常的 RNA 转录和 DNA 复制，从而导致微生物死亡。此外，紫外线也会产生活性氧，与微生物的蛋白质发生反应，引起蛋白质损伤。

二、紫外杀菌技术在食品中的应用

多项研究表明，紫外线处理可成功灭活大肠杆菌、李斯特菌、沙门氏菌等多种食源性致病菌，酿酒酵母、黄曲霉等腐败微生物。

此外，紫外杀菌技术在适宜的处理条件下，可延缓代谢酶活力，减少营养成分流失，维持果蔬品质。如尹国亮等发现，草莓经过适当时长的紫外发光二极管深紫外线处理后，能够杀灭大肠杆菌、铜绿假单胞菌以及金黄色葡萄球菌，并降低常温贮藏下的坏果率、腐烂指数和失重率，且结合密封冷藏可大大延长草莓的保质期。

紫外线杀菌效果受设备、处理条件、微生物及食品特性等多种条件的影响。在设计开发紫外杀菌技术时，应充分考虑影响因素之间的协同关系，科学系统评估微生物杀灭效率，以成功灭活不同食品中的微生物。

辐照杀菌技术

一、辐照杀菌技术原理

辐照主要有 3 种类型，即电子束、X 射线和伽马射线(γ射线)，实际应用时以 60Co、137Cs 源释放的 γ 射线和能量在10 MeV 以下的电子加速器释放的电子束两种类型最为常见。辐照技术通过将食品暴露在可控量的电离辐射中，使得微生物 DNA 损伤，进而抑制 DNA 合成，阻止细胞分裂。此外，辐照还会与水分子相互作用产生羟基自由基等带电物质，间接导致 DNA 生物功能降低或丧失，从而杀灭细菌。

二、辐照杀菌技术在食品中的应用

大量研究已表明辐照在减少食品微生物污染方面的功效，在适宜剂量下可有效降低沙门氏菌、大肠杆菌、单增李斯特菌等病原微生物。

在低温条件下，不但可以发挥出良好的杀菌效果，还能维护食品品质，延缓其贮藏期腐败劣化进程。经辐照处理后，冷藏期间鲈鱼鱼肉的菌落总数、挥发性盐基氮含量、硫代巴比妥酸反应物值的增长速率抑制效果显著，同时延缓了鱼肉的腐败，且维持了鱼肉原本的感官品质。

辐照处理在冷鲜鸡肉防腐保鲜方面同样具有应用潜力，在 6 d 的冷藏期内，低能 X 射线辐照处理可以抑制冷鲜鸡肉的微生物菌落总数、硫代巴比妥酸和挥发性碱性氮的增长，并有效维持了鸡肉的色泽、质地和感官品质，抑制了鸡肉在冷藏期间壬醛、已醛、乙偶姻和 n-已酸乙烯基酯等物质的积累。

BANDYOPADHYAY 等发现类似的结果，应用 2 kGy 剂量的 60Co-γ 射线对即烤蔬菜进行处理后，不但降低了细菌总数、大肠菌群数量、酵母和霉菌数量，还不会影响即烤蔬菜的质地、风味或其他感官参数，同时在 4~6 ℃下可保存 20 d。

通常情况下，革兰氏阴性菌对辐射的敏感性高于革兰氏阳性菌，需氧菌的放射耐受性低于厌氧菌。辐照对微生物灭活的能力除受辐射剂量等条件影响外，还受辐射类型的影响。

PARK 等发现相较于电子束辐照，γ 射线辐照在杀灭牛肉肠馅饼的菌落总数时效果更好。

徐毓谦等研究发现在无菌水液体环境下，γ 射线的杀菌效果更好，经γ 射线处理的英诺克李斯特菌的 D10 值比电子束辐照低0.084 kGy。

为更好地发挥作用，辐照处理要根据食品类型及目标微生物确定合适的处理剂量和时间，以避免辐照对某些食品成分和质地产生负面影响，同时还应充分考虑辐照剂量分布的均匀性、电子束能量与穿透能力等参数之间的关系，实现辐照剂量的精准控制。

臭氧杀菌技术

一、臭氧杀菌技术原理

臭氧具有强氧化力，可以与细菌细胞壁中的蛋白质等有机物发生化学反应，使细胞壁通透性增加，细胞内物质外流，最终导致细菌失活。此外，臭氧还会使细胞内活性氧增加，致使细菌内部的酶被氧化分解，三羧酸循环无法正常进行，细胞生命活动失去三磷酸腺苷供能，最终裂解死亡。

二、臭氧杀菌技术在食品中的应用

姚尧将冷鲜鸡肉在8.56 mg/m3臭氧浓度下处理20 min，结果表明臭氧可显著抑制冷鲜鸡肉贮藏期间 pH、总挥发性盐基氮含量、菌落总数、硫代巴比妥酸反应物值增加及红值、感官评价值的下降。

石英子等也发现类似的结果，将新鲜鸡胸肉经过 5 mg/L 的臭氧处理 45 min 后置于 4 ℃冷藏，发现臭氧抑菌效果显著且可使鸡胸肉保鲜期延长至 7 d。

臭氧不仅可以有效地减少冷链食品中的微生物数量，还可凭借强氧化性能消除冷链食品中的异味和污染物，降解果蔬中农药残留量，提高食品的品质和口感。

值得注意的是，臭氧处理条件不当会对食品品质产生负面影响，如刘菲探究臭氧水处理对牛肉贮藏保鲜效果时发现，随臭氧水浓度增大和喷淋时间的延长，杀菌效果越好、保质期越长，但对肉品质的影响也越大。因此，实际使用时应注意臭氧浓度及处理时间的选择。

非热物理杀菌技术比较

非热杀菌技术具有良好的普适性，适用于果蔬、肉制品、水产品等多种食品类型，但与其他杀菌方式相比，脉冲电场常适用于果蔬汁、乳品等液态食品。此外，每种杀菌技术都有其自身的优点，但也存在一定的局限性。如超高压灭菌相对较快、穿透性强、不会产生有毒残留物，但能耗和设备要求高。紫外线杀菌技术速度快、成本低、无毒残留物，但穿透力相对较弱，影响灭菌效果。表 3 分析了不同非热杀菌技术的优缺点，在实际应用时需根据具体食品种类、加工条件及目标微生物种类等因素进行选择和优化。

表 3 常见非热物理杀菌技术的优缺点

随着消费者对食品安全与品质要求的日益提高，以及冷链食品市场的不断扩大，非热物理杀菌技术作为传统热杀菌方法的有效补充，在保障食品安全性、维持营养与感官品质方面展现出了巨大的潜力和应用前景。