摘要：美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和多個(gè)歐洲國(guó)家已批準(zhǔn)臭氧氣體作為食品安全抗菌劑?，F(xiàn)代的臭氧發(fā)生器功耗低，運(yùn)行成本低，金屬粉塵產(chǎn)生少，產(chǎn)生的臭氧氣體濃度高，已經(jīng)作為食品工業(yè)中蔬菜、水果、谷物、肉類(lèi)和肉制品以及魚(yú)類(lèi)的有效消毒劑，并作為儲(chǔ)糧害蟲(chóng)熏蒸劑被研發(fā)。本文概述臭氧處理在糧食真菌毒素消減、儲(chǔ)糧害蟲(chóng)控制及淀粉改性方面的研究結(jié)果。盡管臭氧技術(shù)已被證明可有效消減霉菌毒素含量，從監(jiān)管角度來(lái)看，批準(zhǔn)臭氧化作為一種新的糧食真菌毒素降解和真菌控制方法需要研究及動(dòng)物測(cè)試的大量數(shù)據(jù)。臭氧作為零殘留的儲(chǔ)存谷物害蟲(chóng)的替代熏蒸劑，值得加快研發(fā)工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：臭氧 現(xiàn)代臭氧發(fā)生器 食品安全抗菌劑 儲(chǔ)糧害蟲(chóng) 真菌毒素

臭氧是一種由三個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的氧原子組成的奇數(shù)分子，是地球大氣層中自然存在、含量極少的氣體，也存在于地面。在距地球約25公里的平流層高處，O3由大氣中的氧氣經(jīng)紫外線(xiàn)照射自然形成，形成O3層，能夠吸收有害的紫外線(xiàn)輻射（友好O3）。另外，人類(lèi)每天都會(huì)制造額外的O3，即有害O3，這種地面O3是排放的汽車(chē)尾氣（主要為氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)化合物）與陽(yáng)光相互作用時(shí)形成，尤其是在夏季，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程被稱(chēng)為光化學(xué)煙霧。在歐盟環(huán)境空氣質(zhì)量指令中，規(guī)定的保護(hù)健康的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將O3目標(biāo)值設(shè)定為0.12g/L，作為每日8小時(shí)最大平均值，每年不得超過(guò)25天。當(dāng)O3超過(guò)閾值水平時(shí)，它會(huì)刺激肺部并導(dǎo)致嚴(yán)重的短期和長(zhǎng)期健康問(wèn)題。

臭氧可通過(guò)機(jī)器從干氧開(kāi)始生成，電暈放電或紫外線(xiàn)輻射是商業(yè)上生成O3的最常用方法。電暈放電通常有用且便宜，可獲得高濃度的O3。采用這種方法的臭氧發(fā)生器將O2分子暴露在高壓放電中，引發(fā)氧自由基形成，從而生成O3。氧-氧（O-O）鍵的斷裂也可以通過(guò)光化學(xué)、放射化學(xué)、熱、化學(xué)核和電解方法完成。

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，氧化還原電位為2.07V，是一種有效的氧化消毒劑，對(duì)細(xì)菌、病毒、藻類(lèi)和真菌的殺滅作用比氯和過(guò)氧化氫分別強(qiáng)1.5倍和1.3倍。FDA在1982年批準(zhǔn)將臭氧用于瓶裝水消毒，并將其列為公認(rèn)安全（GRAS）。1999年，臭氧的使用范圍擴(kuò)展到食品處理、儲(chǔ)存和加工領(lǐng)域。2001年O3正式被批準(zhǔn)作為食品消毒的抗菌劑，以解決與使用氯有關(guān)的環(huán)境和職業(yè)污染問(wèn)題。在食品工業(yè)中它有許多好處，例如食品表面衛(wèi)生、食品廠設(shè)備衛(wèi)生、廢水再利用、包裝材料消毒，以及儲(chǔ)存產(chǎn)品中有害生物的控制。由于產(chǎn)品上沒(méi)有殘留物，因?yàn)镺3只會(huì)分解成O2和相關(guān)的自由基，并且不需要通風(fēng)來(lái)去除氣體，O3的殺菌作用非常受關(guān)注。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為O3技術(shù)在食品鏈中的應(yīng)用是安全有效的，現(xiàn)在被認(rèn)為是一種綠色技術(shù)。臭氧化被用作食品和飼料加工中微生物滅活的物理化學(xué)方法，適用于新鮮產(chǎn)品（如水果和蔬菜）、液體食品（果汁）、乳制品（牛奶和奶酪）、食品衍生物（面粉和禽肉）等。

一、臭氧應(yīng)用前景

與其他熱和非熱技術(shù)相比，臭氧被證明是一種有前途的技術(shù)。實(shí)踐表明，大麥的熱滅蟲(chóng)操作需要約1.3美元/噸的運(yùn)行成本，對(duì)谷物進(jìn)行60℃以上熱處理才能實(shí)現(xiàn)昆蟲(chóng)死亡率最大，這會(huì)影響谷物質(zhì)量。熱處理后還需要快速冷卻裝置以降低谷物發(fā)芽受損的風(fēng)險(xiǎn)，這反過(guò)來(lái)又增加了熱處理系統(tǒng)的成本。臭氧處理不需要加熱系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生熱量，適用于熱敏材料并保持產(chǎn)品的質(zhì)量。與高壓處理和改良?xì)庹{(diào)包裝等技術(shù)不同，唯一具有GRAS狀態(tài)的技術(shù)是臭氧。與其他技術(shù)相比，臭氧具有較高的消毒能力，在谷物加工行業(yè)有很高的應(yīng)用潛力。

雖然臭氧安裝系統(tǒng)的成本較高，但可以通過(guò)較低的維護(hù)和運(yùn)行成本以及延長(zhǎng)保質(zhì)期的高質(zhì)量產(chǎn)品來(lái)收回成本（Miller等，2013）。臭氧化系統(tǒng)還可與其他技術(shù)如紫外光C和過(guò)氧化結(jié)合使用，具有高效和最經(jīng)濟(jì)的處理效果。與單獨(dú)使用臭氧化相比，臭氧+紫外光+過(guò)氧化氫工藝的處理成本降低了80%～86%。臭氧比其他技術(shù)具有更重要的應(yīng)用，但它尚未得到廣泛使用，這可能與臭氧生成的成本高有關(guān)。臭氧生成的商業(yè)方法是電暈放電，效率較低，因?yàn)槌^(guò)75%的輸入能量轉(zhuǎn)化為熱和光，隨著工藝設(shè)備不斷改進(jìn)，它是一種經(jīng)濟(jì)可行的高反應(yīng)性技術(shù)。

二、臭氧在糧食儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的應(yīng)用研究

（一）臭氧降解霉菌毒素

微生物滅活機(jī)制很復(fù)雜。多項(xiàng)研究表明，臭氧能夠氧化有害生物（如病原微生物和倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)）的重要細(xì)胞成分，從而使其失效。臭氧作用于微生物細(xì)胞膜中的不飽和脂質(zhì)，導(dǎo)致其內(nèi)容物泄漏，最終導(dǎo)致微生物裂解。除了這種損害之外，臭氧還會(huì)導(dǎo)致有害生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的廣泛氧化，抑制其生長(zhǎng)并導(dǎo)致細(xì)胞快速死亡。

據(jù)報(bào)道，臭氧可有效消減霉菌毒素，如伏馬毒素（FMN）、赭曲霉毒素A（OTA）、黃曲霉毒素（AFs）、玉米赤霉烯酮（ZEN）、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）、桔霉素（CTR）和展青霉素（PAT）[1]。臭氧降解霉菌毒素機(jī)理現(xiàn)假設(shè)為，谷物中的霉菌毒素產(chǎn)物與臭氧發(fā)生反應(yīng)，形成低分子量產(chǎn)物并毒性降低。霉菌毒素的降解率取決于谷物含水率、臭氧濃度和暴露時(shí)間。玉米糝的表面積大于玉米粒，Porto等[2]觀察到，與其他處理相比，在60mg/L臭氧濃度下處理玉米糝480min時(shí)，黃曲霉毒素水平降低最為顯著。谷物堆的含水率在解毒中起著至關(guān)重要的作用。Qi等（2016）指出，當(dāng)調(diào)質(zhì)玉米含水率至19.6%時(shí)，伏馬毒素和赭曲霉毒素A的分解率會(huì)增加。隨著含水率的增加，活性離子的產(chǎn)生更高，提高了臭氧處理的有效性。半衰期越長(zhǎng)，臭氧氣體與谷物的接觸越充分[2]。臭氧的半衰期也取決于溫度，在較高處理溫度下臭氧半衰期較短，使其分解成氧氣的速度更快。

玉米中含水率與AFB1降解成反比關(guān)系（Luo等，2014）。如果玉米含水率從13.47%增加到20.37%，在相同處理?xiàng)l件下，AFB1降解率會(huì)大大降低。這與Qi等（2016）的研究結(jié)果不一致，后者發(fā)現(xiàn)ZEN和OTA降解隨含水率的增加而升高，這可能是由于材料的表面特性不同所致。在黃曲霉毒素中，AFB1和AFG1受臭氧的影響最大，由于末端呋喃環(huán)上C8-C9雙鍵易于攻擊，黃曲霉毒素含量降低最為顯著，霉菌毒素分子被分解成有機(jī)酸、醛及酮。AFB2和AFG2中不存在這種雙鍵，其反應(yīng)性較低，對(duì)臭氧化的抵抗力更強(qiáng)。AFB2受食品中臭氧化的影響最小[2]。不同的毒素對(duì)臭氧的敏感性不同，這取決于霉菌毒素中分子的結(jié)構(gòu)排列。

臭氧脫除霉菌毒素的效力也可能取決于其發(fā)生的材料基質(zhì)，并且更容易通過(guò)糧粒的一致性來(lái)定義。通過(guò)臭氧處理使谷物中的霉菌毒素含量達(dá)到所需的安全水平對(duì)于生產(chǎn)出安全優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品至關(guān)重要。表1總結(jié)了臭氧處理對(duì)谷物各種霉菌毒素的觀察結(jié)果。除了將含水率視為臭氧處理的關(guān)鍵因素外，在低臭氧濃度下較長(zhǎng)的暴露時(shí)間而不是在高臭氧濃度下較短的暴露時(shí)間也很重要。延長(zhǎng)處理時(shí)間可能有助于谷物表面更好地暴露于臭氧中，從而改善解毒效果。

約50%實(shí)驗(yàn)證明，氣態(tài)O3能夠?qū)Χ喾N食品、飼料在多種操作條件下，如較高的O3濃度和較長(zhǎng)的處理時(shí)間、較高的溫度、初始水平和污染類(lèi)型降解黃曲霉毒素。O3可以成功降解AFB1和AFG1，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)中存在一個(gè)C8-C9雙鍵，在末端呋喃環(huán)處形成乙烯基醚，而AFB2和AFG2中不存在該雙鍵。AFB2和黃曲霉毒素G2（AFG2）的降解需要更長(zhǎng)時(shí)間的O3暴露，直到內(nèi)酯環(huán)被O3處理打開(kāi)。AFB1是四種天然存在的黃曲霉毒素中最有害的一種，它具有顯著的肝毒性和致癌性，歸類(lèi)為人類(lèi)致癌物I類(lèi)。

還有30%研究針對(duì)的是A型單端孢霉烯毒素，如HT-2和T-2毒素，以及B型單端孢霉烯毒素，如嘔吐毒素，研究對(duì)象包括多種商品糧和多種操作條件，例如較高的O3濃度或較長(zhǎng)的處理時(shí)間、含水率、初始水平和污染類(lèi)型。10 種單端孢霉烯的降解始于O3與C9-C10雙鍵的連接，凈增加了O2兩個(gè)原子，而分子的其余部分保持不變（臭氧分解或Criegee 機(jī)理）。這些研究中的一小部分（3%）用于研究O3處理對(duì)赭曲霉毒素降解的有效性，其余17%的研究針對(duì)的是ZEN（由鐮刀菌屬真菌產(chǎn)生）和桔霉素（由多種青霉菌產(chǎn)生）。注意的是，很少有研究評(píng)估使用O3同時(shí)凈化不同霉菌毒素與它們的潛在加性或協(xié)同的關(guān)系。

（二）儲(chǔ)糧害蟲(chóng)管理

甲基溴等有害農(nóng)藥被逐步淘汰，人們正在轉(zhuǎn)向使用環(huán)保型農(nóng)藥，臭氧可作為零殘留儲(chǔ)存谷物的替代熏蒸劑。臭氧氣體容易產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的殺蟲(chóng)活性。據(jù)報(bào)道，臭氧可對(duì)抗內(nèi)部和外部進(jìn)食者，例如谷蠹（Rhyzopertha Dominica）、鋸齒谷盜（Oryzaephilus surinamensis）、谷象（Sitophilus granarius）、玉米象（S.zeamais）、米象（S.oryzae）、藥材甲（Stegobium paniceum）和赤擬谷盜（Tribolium castaneum）（Hansen等，2012）。

表2列出了糧食中一些常見(jiàn)昆蟲(chóng)在臭氧處理下的死亡率。昆蟲(chóng)的生命階段會(huì)影響臭氧毒性。在70mg/L 濃度下處理4天時(shí)，印度谷螟（Plodia interpunctella）蛹比卵和幼蟲(chóng)更易受到臭氧的傷害（Bonjour等，2011）。Hansen 等（2013）也記錄了類(lèi)似的結(jié)果，當(dāng)時(shí)除卵（8天，131 mg/L）外，昆蟲(chóng)所有生命階段的總死亡率都很高。這歸因于卵的外層被證明是臭氧的機(jī)械屏障。為了確保完全控制害蟲(chóng)，可以延長(zhǎng)卵階段的臭氧暴露時(shí)間。

臭氧熏蒸儲(chǔ)藏害蟲(chóng)的效果因濃度、熏蒸時(shí)間和谷物含水率而異。測(cè)試了三種不同臭氧濃度和兩種含水率（12.4%和14.2%濕基）的稻谷，在較高含水率，谷蠹成蟲(chóng)100%死亡率所需的時(shí)間較高。在較高含水率下，谷物層內(nèi)的臭氧移動(dòng)會(huì)減慢，這需要更長(zhǎng)的暴露時(shí)間才能導(dǎo)致昆蟲(chóng)死亡[4]。Hansen等（2013）報(bào)告了溫度對(duì)臭氧效率的影響，昆蟲(chóng)以不同劑量暴露在低溫7.3℃和7.9℃及高溫29.6℃和31.6℃中，臭氧與昆蟲(chóng)死亡率的溫度變化無(wú)關(guān)，無(wú)論溫度如何，劑量較高時(shí)死亡率都達(dá)到百分之一。

臭氧在谷物中的應(yīng)用也可能因處理室的大小和形狀、谷物表面特性、昆蟲(chóng)種類(lèi)、生命階段和昆蟲(chóng)暴露（自由暴露或內(nèi)部進(jìn)食者）而異。作用昆蟲(chóng)的目標(biāo)系統(tǒng)可能是呼吸系統(tǒng)，在臭氧暴露后會(huì)導(dǎo)致死亡。在臭氧處理后，昆蟲(chóng)往往會(huì)通過(guò)間歇性呼吸來(lái)減少氧化組織損傷。這會(huì)導(dǎo)致昆蟲(chóng)肺功能的變化、DNA鏈分解和膜氧化[5]。臭氧是化學(xué)熏蒸劑的潛在替代品，可以控制糧粒內(nèi)部和外部進(jìn)食者。需要設(shè)計(jì)擴(kuò)散管道或通道，以有效地將氣態(tài)臭氧分布在筒倉(cāng)儲(chǔ)存的谷物中。

（三）淀粉改性

改性淀粉主要應(yīng)用于食品和烘焙行業(yè)。對(duì)天然淀粉進(jìn)行臭氧化處理，以改變淀粉的流變學(xué)、物理化學(xué)和熱性能。淀粉分子的氧化涉及兩個(gè)主要反應(yīng)，先是通過(guò)氧化將羥基轉(zhuǎn)化為羧基和羰基，然后通過(guò)切割糖苷鍵將淀粉分子解聚[6]。

表3給出了臭氧應(yīng)用于糧食及加工品后淀粉特性的變化結(jié)果。Chan等（2011）研究了玉米淀粉（干粉）在8 mL/s臭氧處理10min后，發(fā)現(xiàn)其分子量與天然淀粉相比有所降低（降低了22.6%）。這可能是由于鏈長(zhǎng)縮短所致。然而，顆粒形狀和玉米淀粉溶液表面暴露于臭氧1小時(shí)后會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹，顆粒尺寸變大。小麥粉懸浮液中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果（Lee等，2017），臭氧處理后，淀粉顆粒會(huì)變?nèi)?，隨后的淀粉損傷可能導(dǎo)致吸水率增加，從而導(dǎo)致淀粉分子膨脹。臭氧化淀粉的羰基和羧基含量隨著暴露時(shí)間的增加而增加，因?yàn)樗饣鶊F(tuán)被氧化為羰基和羧基（Goze等，2016）。

臭氧對(duì)小麥粉的熱特性（如糊化溫度和焓）的影響與對(duì)照樣品相比沒(méi)有顯著差異（Goze等，2016）。相反，觀察到糯米淀粉的熱特性下降。這種差異可能是由于多酚、蛋白質(zhì)和非淀粉多糖阻止淀粉氧化。

Obadi等[9]研究了全麥面粉的糊化特性，RVA峰值、谷值、最終、回生和崩解粘度值均下降，表明淀粉顆粒在臭氧氧化后變?nèi)?。峰值粘度表示持水能力。注意的是，臭氧處理時(shí)間的增加會(huì)降低RVA糊化參數(shù)。崩解粘度是淀粉顆粒粘度喪失和破裂的標(biāo)志?；厣扯缺硎镜矸鄣幕厣?。隨著回生和崩解粘度的降低，可以提高蒸煮穩(wěn)定性，并降低淀粉分子的回生趨勢(shì)。

三、臭氧技術(shù)的局限性

臭氧可廣泛應(yīng)用于各種食品加工行業(yè)，但是在谷物加工中的某些局限性需要解決。臭氧處理系統(tǒng)成本高昂，與其他技術(shù)相比，臭氧的普及率較低。高劑量的臭氧除了具有抗菌特性外，還會(huì)影響谷物的質(zhì)量，將小麥粉暴露在5mg/L臭氧中2小時(shí)，饅頭的所有感官屬性得分最低。還有面包的硬度隨著臭氧化時(shí)間的增加而增加，這是消費(fèi)者難以接受的。因此，在食品上選擇有效的臭氧劑量和時(shí)間存在局限性。許多因素也決定了臭氧的有效性，需要考慮影響臭氧化的各種因素來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)。臭氧也不能有效導(dǎo)致所有發(fā)育階段的害蟲(chóng)死亡。

臭氧是面粉的有效漂白劑，但不建議用于黑麥粉。臭氧有可能產(chǎn)生副產(chǎn)物并改變食品中的生物分子。它與溴化物反應(yīng)形成溴酸鹽，這是一種潛在的致癌物。臭氧與生物分子反應(yīng)，通過(guò)氧化多不飽和脂肪酸產(chǎn)生醛和酮[8]。作為一種強(qiáng)氧化劑，使用臭氧對(duì)儲(chǔ)糧箱中的谷物進(jìn)行熏蒸可能會(huì)腐蝕儲(chǔ)糧箱材料，在使用臭氧時(shí)必須考慮最佳材料或食品級(jí)不銹鋼的要求。此外，臭氧不能儲(chǔ)存且分解迅速，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)臭氧是強(qiáng)制性的。臭氧氣體的暴露量受到限制。在臭氧的商業(yè)化推廣中，必須對(duì)可能接觸工業(yè)臭氧的人員進(jìn)行篩查，因?yàn)槌粞鯐?huì)影響人體的呼吸道。FDA規(guī)定工作人員8小時(shí)允許接觸的臭氧濃度為0.05 mg/L。

四、研發(fā)方向展望

（一）臭氧在糧堆熏蒸作業(yè)和霉菌毒素消減的工藝標(biāo)準(zhǔn)化

臭氧已被證實(shí)具有抗菌、殺蟲(chóng)和降解霉菌毒素的作用。影響臭氧處理的因素有樣品含水率、濕度、臭氧濃度、pH值、處理時(shí)間、應(yīng)用形式（氣態(tài)/水溶液）和流速，臭氧處理中只考慮了少數(shù)因素。需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行臭氧工藝標(biāo)準(zhǔn)化，以更好地了解這些因素的影響。加工成本是影響食品有效技術(shù)使用的重要因素，可采用低成本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)臭氧的商業(yè)應(yīng)用，以處理谷物及產(chǎn)品。使用臭氧氣體的一個(gè)局限性是會(huì)對(duì)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，可通過(guò)屏障技術(shù)（結(jié)合多種方法）將臭氧的劣化降到最低，以獲得延長(zhǎng)保質(zhì)期的所需質(zhì)量產(chǎn)品。工業(yè)規(guī)模的谷物臭氧處理系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)高效的擴(kuò)散系統(tǒng)。消費(fèi)者對(duì)臭氧處理產(chǎn)品的認(rèn)知度低于其他技術(shù)，可以通過(guò)生產(chǎn)安全的產(chǎn)品和合理的加工成本來(lái)解決這一問(wèn)題。

（二）對(duì)照研究鑒定臭氧技術(shù)與冷等離子體技術(shù)中的活性反應(yīng)物質(zhì)

O3能夠抑制真菌的生長(zhǎng)、孢子形成和發(fā)芽，幾乎不會(huì)對(duì)食品、飼料的營(yíng)養(yǎng)成分或感官品質(zhì)造成損失。臭氧抗菌活性在很大程度上取決于植物及真菌種類(lèi)、生長(zhǎng)階段、濃度和暴露時(shí)間。真菌殘留物經(jīng)O3處理后形成的降解產(chǎn)物尚未完全確定，應(yīng)進(jìn)行體內(nèi)和體外毒理學(xué)試驗(yàn)，以篩選降解真菌毒素產(chǎn)物對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物健康的影響。通過(guò)冷等離子體新興技術(shù)（活性氧和活性氮種類(lèi)）以及O3生成和應(yīng)用系統(tǒng)的改進(jìn)和創(chuàng)新，這個(gè)研發(fā)主題將會(huì)得到更有效的評(píng)估，有助于加強(qiáng)對(duì)臭氧化食品和飼料的質(zhì)量和安全參數(shù)的控制。為了在加工過(guò)程中有效和安全地使用，應(yīng)為食品和飼料確定最佳O3濃度、接觸時(shí)間和其他處理?xiàng)l件。由于每個(gè)O3應(yīng)用都是獨(dú)一無(wú)二的，因此在開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用之前必須對(duì)每個(gè)案例進(jìn)行中試測(cè)試。O3技術(shù)的工業(yè)設(shè)施仍有待開(kāi)發(fā)，用于大規(guī)模處理食品和飼料產(chǎn)品，需要不同學(xué)科的投入。

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作者簡(jiǎn)介：李興軍（1971—），研究員，博士，研究方向?yàn)榧Z食生化與食品工程，郵箱lixj3714@126.com。