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(fēng)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(xué)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(fēng)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(dāng)超聲能量足夠高時，就會發(fā)生空化作用，當(dāng)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。空化作用對細菌細胞結(jié)構(gòu)的一系列強烈物理和化學(xué)影響(主要包括聲穿孔、聲化學(xué)和聲致發(fā)光)會破壞細胞結(jié)構(gòu)并導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的聲穿孔通常不被認為是導(dǎo)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(xué)是指由聲空化產(chǎn)生的自由基引發(fā)的一系列二次化學(xué)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(dǎo)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(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、酶失活、脂質(zhì)過氧化、DNA斷裂，最終導(dǎo)致細胞死亡。
聲致發(fā)光是指當(dāng)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(dāng)空化氣泡內(nèi)部壓力不斷增強、溫度持續(xù)上升時，會導(dǎo)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(dǎo)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(xué)、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(dǎo)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(dǎo)致細胞內(nèi)有機質(zhì)滲漏；聲化學(xué)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(dǎo)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(xué)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(dǎo)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。基于此開發(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。
