香辛料非热杀菌技术研究进展——保障微生物安全与品质保持的新兴技术综述

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Nonthermal Decontamination of Spices: A Review of Emerging Technologies for Ensuring Microbial Safety and Quality Preservation

　　

香辛料因其即使在常规储存条件下也能以极小的品质损失延长食品保藏期而受到全球重视。然而，有证据表明，即使在香辛料中，存活的微生物细胞、具有抗性的微生物孢子以及真菌来源的真菌毒素仍是重大的安全隐患。蒸汽处理和环氧乙烷（ethylene oxide，EtO）熏蒸等传统热去污方法虽被广泛应用，但常因高温和化学残留而导致不良的品质损失。臭氧处理（ozone processing，O₃）、脉冲电场（pulsed electric fields，PEF）、冷等离子体（cold plasma，CP）、脉冲光（pulsed light，PL）、高压处理（high pressure processing，HPP）及超声波（ultrasound，US）等新兴非热技术在有效降低微生物载量的同时保持香辛料感官和营养特性方面展现出良好前景。这些先进技术可在不损害生物活性化合物的前提下高效灭活微生物孢子及活细胞，确保食品安全并延长货架期。尽管优势显著，去污方法的选择仍须综合考虑法规标准、安全性要求、成本效益及产品特异性特征。本综述重点阐述了各类非热去污方法的作用机制、效能及感官影响，为其在香辛料工业中的应用提供了见解。通过比较新型热与非热方法，该研究旨在协助制造商选择既能保障微生物安全又能维持产品品质的最优加工技术。

2. 香辛料的污染

香辛料在种植、采收、加工、包装、运输及储存等环节均可能受到微生物污染。细菌污染方面，常见芽孢形成病原菌如蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens），以及非芽孢菌如沙门氏菌（Salmonella spp.）和大肠杆菌（Escherichia coli）等。芽孢杆菌属中，地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）和短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）最为常见。真菌污染方面，青霉属（Penicillium spp.）和曲霉属（Aspergillus spp.）是主要污染菌群，可产生黄曲霉毒素（aflatoxins，AFs）和赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）等致癌性真菌毒素。土耳其的一项调查显示，红辣椒片中AFs检出率高达79.2%，红辣椒粉中AFB1和OTA共存率为40.9%，部分样品超过欧盟最高限量标准。

3. 用于香辛料微生物安全的新型非热技术

该综述系统比较了HPP、臭氧处理（OT）、CP、PL、PEF、辐照及超声波七类非热技术，并汇总了各技术对香辛料的微生物对数削减效果及品质影响。

3.1. HHP加工

HHP依据等静压原理和勒夏特列原理，以水为传压介质在100–1000 MPa下处理食品。其灭活机制以细胞膜为主要靶点，压力导致膜形态改变和通透性增加，胞内成分泄漏，同时破坏蛋白质、核糖体和DNA的完整性。研究显示，大蒜粉在600 MPa处理5 min后，需氧菌总数由3.64 log CFU/g降至1.62 log CFU/g，酵母和霉菌降低1.43 log；红辣椒酱在527 MPa、517 s条件下嗜中温菌数降低4.5 log CFU/g。HHP处理还可提升香辛料的抗氧化活性。但HHP对香辛料等低酸食品中芽孢的灭活效果有限，需结合90–120°C高温或与其他技术联用。

3.2. 臭氧（O₃）处理

O₃经电晕放电等方式现场产生，其强氧化性可破坏微生物细胞壁/膜中的脂质、糖蛋白和酶，进入细胞后进一步氧化蛋白质、DNA和RNA，实现广谱灭活。O₃对香辛料中细菌的灭活效果显著，最高可达7 log CFU/g，但对酵母和霉菌的削减通常低于2 log。红辣椒经80 mg/L O₃处理40 min，AFB1降低74.1%，嗜中温菌数降低22%，但高剂量处理导致颜色、气味和滋味显著劣变，感官评价与对照组差异达100%。

3.3. 冷等离子体（CP）

CP是部分电离气体，富含活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等活性物种及紫外光子，通过脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质二级结构破坏灭活微生物。黑胡椒在30 kV下处理5 min，枯草芽孢杆菌营养细胞降低5.64 log CFU/g；射频-非热等离子体联合处理（RF-NTP）可在13 min内完全灭活黑胡椒中的鼠伤寒沙门氏菌（S. Typhimurium）和大肠杆菌O157:H7。介质阻挡放电（DBD）等离子体处理白胡椒12 min使蜡样芽孢杆菌芽孢降低2.77 log。CP对香辛料颜色、风味及生物活性成分的影响因物料而异，红辣椒粉在短时处理后即出现明显红色损失（ΔE*=46.9），而多数香辛料品质保持良好。

3.4. 脉冲光（PL）

PL利用氙灯产生200–1100 nm的宽谱高强度短脉冲光，其中紫外部分诱导微生物DNA光化学损伤，同时伴生光热和光物理效应。红辣椒粉在9.1 J/cm2通量下，总平板计数降低4.1 log CFU/g，酵母和霉菌分别降低2.7和3.1 log；脱水洋葱丝经2208 J/cm2处理后，两类微生物均降至检测限以下。PL对香辛料颜色和抗坏血酸影响不显著，但可能导致类胡萝卜素和抗氧化活性下降，风味变化亦见报道。

3.5. 脉冲电场（PEF）

PEF通过高压短时电脉冲在细胞膜上形成不可逆电穿孔，导致胞内物质外泄而灭活微生物。红辣椒片经PEF处理后，产毒霉菌寄生曲霉的灭活率仅为64.37%（低于0.5 log），但体系中黄曲霉毒素的降解率超过97%；红甜椒处理后总活菌及酵母/霉菌数仅适度降低，高能量输入时伴随17%–27%的硬度下降和微结构破坏。上述结果表明，PEF对固体低水分香辛料的直接微生物灭活效能有限，但对已存在的真菌毒素降解效果显著，亦可用作提取前处理以增强精油的抗菌活性。

3.6. 辐照

辐照利用γ射线、X射线和电子束等高能电离辐射，通过直接或间接（水辐解产生自由基）作用导致微生物DNA损伤和氧化损伤。黑胡椒经5 kGy γ辐照后需氧嗜中温细菌被完全消除，但胡椒碱含量从0.85%（w/w）降至0.32%（w/w）。红辣椒的真菌污染需6 kGy方可完全控制，而姜黄、孜然、芫荽、大蒜和黑胡椒在4 kGy时即无菌落检出，且辐照样品储存期显著延长。消费者接受度低及法规限制是辐照技术的主要障碍。

3.7. 超声波

超声波利用20–100 kHz高强低频声波产生空化效应，气泡崩塌释放的冲击波和自由基破坏细胞膜结构，或通过海绵效应增强传质。目前关于超声波直接用于香辛料微生物灭活的证据较为有限，多数研究集中于姜黄素、精油等活性成分的辅助提取。经超声波处理的干姜提取物对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径较未处理组增加，总酚含量提升。

4. 非热技术的比较评估

红外、微波和射频等新型热技术虽可实现数log的微生物灭活（如黑胡椒经微波800 W处理2 min使沙门氏菌等完全灭活），但常导致挥发油、胡椒碱、辣椒素等品质成分损失。综合比较显示，CP在微生物安全、品质保持和能量效率方面最具综合竞争力，其次为PL、HHP和PEF；多数技术需根据具体香辛料基质选择，单一技术难以普适。

5. 安全性与法规遵从

辐照的法规框架最为成熟：WHO/FAO/IAEA专家委员会认定10 kGy以下辐射无毒理学危害，美国FDA批准香辛料辐照剂量上限为30.0 kGy。O₃于1982年获FDA的GRAS认定，并在约30 min内分解为O₂，无持久残留。PL于1996年获FDA批准用于食品加工及接触表面消毒，限定波长200–1100 nm、总通量不超过12 J/cm2、单脉冲不超过2 ms。HHP在2016年被FDA声明不再视为新型技术，但低酸食品中肉毒梭菌芽孢灭活尚未被认定为有效方法。PEF因处理室电极材料迁移风险需逐案提交上市前审批。CP的监管路径最不明确，欧盟缺乏清晰的评估标准，成为其商业化的最大非技术障碍。

6. 讨论

辐照和CP对细菌芽孢的灭活能力最强，而PEF和HHP对芽孢效果较弱；PL对微观结构复杂的香辛料存在阴影效应而限制其作用深度。O₃和辐照的品质保持效果呈剂量依赖性，高剂量虽提高灭活效率但会降低风味和色素。储存稳定性方面，辐照和O₃（结合气调包装）可显著延长货架期，而CP、PL、PEF和HHP处理后香辛料的长期储存数据仍然缺乏。成本与规模化方面，HHP运行成本高，CP从批次处理向连续化放大面临均匀性挑战。人工智能（AI）和机器学习（ML）已初步应用于PEF处理红辣椒片的霉菌抑制预测，在线传感技术亦有望实现非热加工过程的实时监控。栅栏技术（hurdle technology）方面，红外与UV-C联合处理可使孜然籽粉满足目标菌数要求。未来研究应优先开展中试及工业规模验证、消费者接受度研究，以及面向香辛料的智能化过程控制开发。

7. 结论

非热技术较传统热处理和环氧乙烷熏蒸能更好地保持香辛料的营养和感官品质，但不同技术的灭活效果高度依赖食品基质，不存在通用解决方案。应根据产品特性、法规标准、消费者预期和成本效益制定定制化的去污策略。