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        脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)在飲料包裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究

        2022-08-06 02:34:50陸健鋒周衛(wèi)林楊亞軍
        酒·飲料技術(shù)裝備 2022年4期
        關(guān)鍵詞:強(qiáng)光空瓶瓶蓋

        陸健鋒 周衛(wèi)林 楊亞軍

        安全是消費(fèi)者選擇食品的第一要素,傳統(tǒng)的熱殺菌給食品帶來(lái)了很高的安全系數(shù),但也破壞了其中的營(yíng)養(yǎng)成分,因此,脈沖強(qiáng)光、超高壓技術(shù)、電子束、脈沖電場(chǎng)等“冷”殺菌技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。早在2014年,江蘇新美星包裝機(jī)械股份有限公司就創(chuàng)新研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一代電子束滅菌(EDS)設(shè)備,并投入商業(yè)化運(yùn)行,成為中國(guó)第一家、全球第二家將EDS 技術(shù)成功應(yīng)用到PET瓶裝飲品的液體包裝解決方案供應(yīng)商。時(shí)至今日,新美星可以為海內(nèi)外客戶提供各種安全、高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的殺菌技術(shù),降低能源消耗,更好地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。本文主要介紹脈沖強(qiáng)光在飲料包裝材料上的殺菌成效,與業(yè)界同仁共享、共勉,共同推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的升級(jí)迭代。

        1 介紹

        脈沖強(qiáng)光是一種能在極短時(shí)間內(nèi)(數(shù)十至數(shù)百微秒),以光輻射形式釋放出高能量,由此產(chǎn)生極高峰值功率的光能[1]。其特點(diǎn)在于:

        (1)在短時(shí)間內(nèi)突變,又迅速返回初始值的脈沖過(guò)程。

        (2)與UV殺菌相比,具有更寬泛的光譜。

        (3)能量高,光強(qiáng)度相當(dāng)于地表太陽(yáng)光強(qiáng)度的數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)倍。

        (4)燈管內(nèi)充填物是無(wú)污染的惰性氣體— 氙氣。

        脈沖強(qiáng)光燈輸出的光譜取決于電流密度,當(dāng)電流密度從幾十A/cm2增加到幾千A/cm2,紫外光譜強(qiáng)度比紅外光譜增加得快,在低電流密度時(shí),色溫為5000K,而在高電流密度下達(dá)10000K。通常脈沖強(qiáng)光燈效率為60%,也就是說(shuō)輸入電能的60%能夠轉(zhuǎn)換成200 ~1000nm 的光能[2]。脈沖強(qiáng)光燈效率與充入氣體的壓強(qiáng)、電流密度和電路設(shè)計(jì)有關(guān),電流密度增加, 其總效率會(huì)增加,充入氣體壓強(qiáng)增加, 總效率也會(huì)增加,直到飽和點(diǎn)。脈沖強(qiáng)光燈將電能轉(zhuǎn)化為光能時(shí)會(huì)有熱能的釋放,因此需要對(duì)釋放的熱能進(jìn)行合理冷卻。脈沖強(qiáng)光燈的冷卻系統(tǒng)分為自然冷卻、強(qiáng)迫空冷以及水冷。

        脈沖強(qiáng)光的殺菌機(jī)理分為三方面。

        首先是光化學(xué)作用。紫外線照射微生物時(shí),核酸物質(zhì)(DNA、RNA)中的胸腺嘧啶、胞嘧啶之間將會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),生成CPD 或PP 二聚物,使微生物核酸物質(zhì)受損,阻礙DNA 復(fù)制與轉(zhuǎn)錄而造成細(xì)胞死亡,并可能引起細(xì)胞變異。除紫外光譜段,其他光譜段起到協(xié)同殺菌作用[3]。

        其次是光熱學(xué)作用。當(dāng)每平方厘米面積上的峰值功率達(dá)到103W 以上時(shí),在物體表面或水中的微生物將被加熱到>100℃,因時(shí)間極短,微生物無(wú)法正常降溫,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分汽化,形成小的蒸汽流,撐破細(xì)胞膜而死亡。

        最后是脈沖作用。脈沖強(qiáng)光的瞬時(shí)沖擊導(dǎo)致微生物的細(xì)胞壁和其他細(xì)胞成分的損壞,抑制或破壞酶的活性,從而對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生致死作用。1996 年美國(guó)食品藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)脈沖光在食品消毒領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。

        G. Pataro 等[5]人使用脈沖強(qiáng)光技術(shù)對(duì)蘋果汁、橙汁進(jìn)行殺菌試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)4J/cm2處理后,蘋果汁和橙汁中的大腸桿菌下降4Log 和2.9Log,李斯特菌分別下降2.98Log 和0.93Log,同時(shí)檢測(cè)到兩種細(xì)菌菌株存在細(xì)胞損傷,從而證實(shí)膜損傷是脈沖強(qiáng)光滅活細(xì)菌的重要原因。脈沖強(qiáng)光技術(shù)應(yīng)用于大棗、枸杞、干果、檳榔、蔬菜水果[6]保鮮等各類固體物料表面的連續(xù)殺菌處理,也應(yīng)用于乳品、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)的包裝材料表面在線殺菌。

        2 材料與方法

        2.1 材料與儀器

        材 料: PET 片(2.5×2.5cm) PET 瓶坯 PET 空瓶(380mL) HDPE 瓶蓋(28 口)

        指示菌:萎縮芽孢桿菌ATCC9372 中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心

        培養(yǎng)基:大豆酪蛋白消化物培養(yǎng)基 青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司

        氯化鈉:分析純 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

        吐溫20:分析純 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

        無(wú)菌取樣袋:EPR-3070 EPR - 4590 EPR -7012 Labplas 公司

        脈沖強(qiáng)光裝置:PE50-C 上海帕乇真空技術(shù)有限公司

        電熱式壓力蒸汽滅菌器:XFH-50CA 浙江新豐醫(yī)療器械有限公司

        超凈工作臺(tái):SW-CJ-1D 蘇州凈化設(shè)備有限公司

        隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱:GNP-9160BS-Ⅲ 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司

        電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:101-A 上海尚儀儀器設(shè)備有限公司

        2.2 試驗(yàn)方法

        2.2.1 樣品準(zhǔn)備與接種

        (1)PET片、瓶坯、空瓶、瓶蓋使用75%的酒精浸泡30min,再使用無(wú)菌水沖洗后放置于50℃烘箱中進(jìn)行干燥。

        (2)配置107CFU/mL菌懸液,將100μL的菌液接種于PET片表面。

        (3)配置105CFU/mL菌懸液,將10μL的菌液接種于瓶坯底部、瓶坯內(nèi)側(cè)壁。

        (4)配置105CFU/mL菌懸液,將10μL的菌液接種于空瓶的瓶口、瓶頸、瓶身、瓶底、瓶底邊緣。

        (5)配置105CFU/mL菌懸液,將100μL的菌液接種于瓶蓋底部、側(cè)壁。

        2.2.2 樣品殺菌與處理

        (1)將PET片置于脈沖強(qiáng)光燈,開(kāi)啟設(shè)備,分別經(jīng)1、 2、 3、 4、 5、 6 、7次脈沖照射。

        (2)將瓶坯置于脈沖強(qiáng)光燈,開(kāi)啟設(shè)備,經(jīng)3次脈沖照射。

        (3)將空瓶置于脈沖強(qiáng)光燈,開(kāi)啟設(shè)備,瓶口經(jīng)3次脈沖照射,其余經(jīng)6次脈沖照射。

        (4)將瓶蓋置于脈沖強(qiáng)光燈,開(kāi)啟設(shè)備,經(jīng)3次脈沖照射。

        (5)上述滅菌后的樣品用100mL洗脫液在無(wú)菌袋中洗脫,分別稀釋不同梯度后,涂布到平板上,經(jīng)培養(yǎng)后形成肉眼可見(jiàn)的菌落,采用平面菌落計(jì)數(shù)法

        進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

        2.2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

        殺菌效率SE=Log(N0殺菌前菌落數(shù))-Log(N 殺菌后菌落數(shù))

        3 結(jié)果與分析

        3.1 脈沖強(qiáng)光在PET 表面的殺菌效率

        脈沖強(qiáng)光的殺菌效率與照射距離、照射次數(shù)、細(xì)菌種類、物體表面粗糙度、照射角度等因素相關(guān),通常情況下,菌種對(duì)脈沖強(qiáng)光敏感性排序如下:革蘭氏陰性菌>革蘭氏陽(yáng)性菌>真菌孢子>細(xì)菌孢子,并且真菌孢子的顏色在抵抗脈沖強(qiáng)光殺菌過(guò)程中可以起到保護(hù)作用,這是因?yàn)榧?xì)胞壁中存在深色顏料(比如黑色)吸收了更多的UV-C 光,從而保護(hù)DNA 免受紫外線照射引起的損傷[7]。本實(shí)驗(yàn)選用萎縮芽孢桿菌作為測(cè)試菌種。脈沖強(qiáng)光的穿透率比較低,指示菌的接種方法會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。McDonald 等人用2μL 萎縮芽孢桿菌懸浮液進(jìn)行點(diǎn)接種,菌懸液每滴濃度為101至106cfu。測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)每滴濃度>105cfu 時(shí),脈沖強(qiáng)光殺菌效率發(fā)生改變[8]。這是因?yàn)楦邼舛鹊木鷳乙涸诟稍镏笮纬删?,上面一層的菌?duì)下層的菌起到了保護(hù)作用,因此本實(shí)驗(yàn)接種后不會(huì)采用自然干燥,這樣有利于提高殺菌效果。在實(shí)際應(yīng)用中,滅菌前可以增加水沖洗步驟,有效去除包裝容器內(nèi)的異物。如果被消毒物體的表面粗糙度過(guò)高,光線不會(huì)發(fā)生反射,并且細(xì)菌有可能隱藏在陰影處,從而導(dǎo)致殺菌效率下降。

        如圖1 所示,在同等距離條件下,增加脈沖次數(shù),當(dāng)劑量增加到4.09 J/cm2,對(duì)PET 表面的殺菌效率可以達(dá)到6.26 Log,因此設(shè)備研發(fā)過(guò)程中,如果受距離限制,可以通過(guò)增加脈沖次數(shù)來(lái)提高殺菌效率。

        3.2 脈沖強(qiáng)光在瓶坯內(nèi)表面的殺菌效率

        如圖2 所示,瓶坯放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處,經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射,TS1(瓶坯內(nèi)側(cè)壁)殺菌效率為0.03±0.01 Log,TS2(瓶坯內(nèi)底部)殺菌效率為0.07±0.02 Log。由于瓶坯形狀狹長(zhǎng),沒(méi)有足夠的光線進(jìn)入瓶坯內(nèi)部,導(dǎo)致TS1 和TS2 殺菌強(qiáng)度很弱。TS2 垂直于光線,雖然比TS1 距離光源更遠(yuǎn),但殺菌強(qiáng)度更大,說(shuō)明殺菌效果與照射角度也有關(guān)系。如果只是把光源放置于瓶坯上方,對(duì)瓶坯內(nèi)部很難起到殺菌作用,因此需要借助一些輔助光學(xué)工具,如反射板、透鏡等來(lái)優(yōu)化光的線路,從而達(dá)到理想的殺菌強(qiáng)度。

        圖2

        3.3 脈沖強(qiáng)光在空瓶?jī)?nèi)表面的殺菌效率

        如圖3 所示,空瓶放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處,TS1(瓶口內(nèi)壁)經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射,TS2(瓶頸內(nèi)壁)、TS3(瓶身內(nèi)壁)、TS4(瓶?jī)?nèi)底部)、TS5(瓶?jī)?nèi)底邊緣)經(jīng)6 次脈沖強(qiáng)光照射。TS1 殺菌效率為2.55±0.05 Log,TS2、TS3、TS4、TS5 殺菌效率為0 Log。結(jié)果表明,光源放置于空瓶上方對(duì)空瓶?jī)?nèi)部(除瓶口外)沒(méi)有殺菌效果,這是因?yàn)閺钠靠谶M(jìn)入瓶?jī)?nèi)的光線很少,不足以提供足夠的能量殺滅細(xì)菌,需要優(yōu)化光源設(shè)計(jì),比如使用棒狀燈管,伸入空瓶?jī)?nèi)部進(jìn)行發(fā)光殺菌。

        圖3

        3.4 脈沖強(qiáng)光在瓶蓋內(nèi)表面的殺菌效率

        如圖4 所示,瓶蓋放置于脈沖強(qiáng)光燈下方5cm 處,經(jīng)3 次脈沖強(qiáng)光照射,TS1(瓶蓋內(nèi)底部)殺菌效率為3.46±0.05 Log,TS2(瓶蓋內(nèi)側(cè)壁)殺菌效率為1.98±0.05 Log。TS1 照射角度優(yōu)于TS2,因此TS1 殺菌效果比TS2好。從光線傳播角度分析,瓶蓋很多地方是無(wú)法照射到的,這些地方被稱為“陰影”[9],比如防盜環(huán)里面、螺紋L 角,這些地方都是殺菌“死角”。某種情況下脈沖強(qiáng)光對(duì)于瓶蓋可以達(dá)到6log 的殺菌強(qiáng)度,但這不代表可以達(dá)到無(wú)菌狀態(tài),需要進(jìn)行更多優(yōu)化才能滿足無(wú)菌要求。

        圖4

        4 結(jié)論

        脈沖強(qiáng)光是一項(xiàng)快速并且對(duì)環(huán)境友好的殺菌技術(shù),目前應(yīng)用到水處理、空氣殺菌、食品加工、制藥、農(nóng)副產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,在飲料包裝材料消毒滅菌領(lǐng)域一定會(huì)取得理想的殺菌效果。

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