蔬菜清洗水中等离子体活化水灭活沙门氏菌和李斯特菌的荧光光谱监测技术研究

《Postharvest Biology and Technology》：Fluorescence spectroscopy for monitoring inactivation of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes by plasma-activated water in vegetable wash water

为了解决传统化学消毒剂（如氯）在含有机物的蔬菜清洗水中消毒效果下降、可能产生有害副产物，以及缺乏对等离子体活化水消毒效果的实时监测技术等问题，研究人员利用荧光光谱技术，探索了通过监测激发/发射波长280/354 nm处的蛋白质样荧光强度变化，来实时评估等离子体活化水在卷心菜、胡萝卜和洋葱清洗水中对沙门氏菌和李斯特菌灭活效果的可行性。研究发现荧光强度的下降与病原体灭活效果显著相关，为蔬菜清洗过程中的在线、快速监测PAW消毒效果提供了新方法。

　　

新鲜农产品的清洗是加工过程中的关键步骤，旨在去除污垢、碎片、微生物以及农药等化学物质。为了防止微生物通过水体发生交叉污染，氯、臭氧和二氧化氯等化学消毒剂被普遍添加到清洗水中。然而，当水中存在有机物质时，消毒面临挑战。有机物与消毒剂发生反应，不仅降低了消毒剂的效果，增加了病原体存活的风险，还可能形成有害的消毒副产物。因此，寻找更高效、安全且可实时监控的清洗水消毒技术成为当务之急。

等离子体活化水是一种新兴的非热消毒技术，它通过大气冷等离子体与水作用产生，含有丰富的活性氧/氮物种，具有高效的消毒潜力，且被认为能减少有害副产物的生成。尽管PAW在食品消毒方面展现出良好前景，但其在蔬菜清洗水实际应用中的消毒效果监测却是一个难题。目前，评估PAW消毒效果主要依靠测量细菌数量减少、监测溶液的理化参数（如pH、氧化还原电位(ORP)、电导率）以及测定RONS浓度。这些方法存在延迟（细菌计数需要24-48小时培养）或无法实时反映消毒进程的局限，难以实现在线监控。因此，开发一种能够快速、实时评估PAW在蔬菜清洗水中消毒效果的方法，对于保障食品安全、防止交叉污染具有重要意义。

基于此，研究人员在《Postharvest Biology and Technology》上发表了题为“Fluorescence spectroscopy for monitoring inactivation of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes by plasma-activated water in vegetable wash water”的研究论文，旨在探索利用荧光光谱技术，通过监测特定波长（Ex/Em 280/354 nm）处的荧光强度变化，作为间接指标来实时评估PAW对蔬菜清洗水中食源性病原体的灭活效果。

本研究主要运用了等离子体活化水处理系统、荧光光谱分析、微生物学检测（平板计数法）以及模拟动态清洗实验等关键技术方法。研究使用标准化的卷心菜、胡萝卜和洋葱清洗水作为样本，并制备了含不同浓度碳酸氢盐和不同有机负荷的卷心菜清洗水模型。通过对比PAW处理前后荧光光谱的变化，以及荧光强度与病原体（沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌）存活量之间的相关性，评估了荧光监测的可行性。

研究结果

3.1. PAW effect on vegetable wash water fluorescence

PAW处理导致所有类型蔬菜清洗水（CWW, CtWW, OWW）在激发/发射波长280/354 nm处的蛋白质样荧光强度显著下降。随着处理时间延长，荧光强度持续降低，约15分钟后趋于平稳。研究发现，荧光强度的衰减速率与有机负荷浓度有关，有机负荷越低，荧光衰减至平台期的速度越快。此外，向清洗水中添加碳酸氢盐（0.5 mM和5 mM）并未显著影响荧光强度的衰减趋势，但改变了处理过程中的pH变化（如5 mM碳酸氢盐导致pH不降反升）。通过化学清除剂实验初步探究了导致荧光衰减的活性物种，但由于多数清除剂本身对荧光有淬灭效应，未能明确具体的RONS种类，仅确认了D-甘露醇（羟基自由基清除剂）的加入未显著改变荧光衰减，暗示羟基自由基可能不是主要作用物种。

3.2. Correlation between fluorescence intensity and pathogen inactivation during cabbage wash water reconditioning

在卷心菜清洗水再生实验中，荧光强度的下降与沙门氏菌和李斯特菌存活量的减少呈现显著的正相关。斯皮尔曼相关性分析显示，在所有监测的水质参数中，荧光强度与病原体存活的相关性最强。当控制时间变量进行偏相关分析后，仅有荧光强度与病原体存活仍保持显著负相关，而ORP和UV_254(f)则无显著关联。这表明，在PAW再生处理中，荧光强度（Ex/Em 280/354 nm）是比传统理化参数更可靠的病原体灭活效果指示指标。研究还发现，碳酸氢盐浓度会影响PAW的消毒效率（0 mM > 0.5 mM > 5 mM），但并未影响荧光强度的衰减模式；同时，李斯特菌对PAW处理比沙门氏菌更敏感。

3.3. PAW treatment and fluorescence measurement during cabbage dynamic washing

在模拟动态清洗（连续添加卷心菜渗出液和病原体）的场景下，荧光强度能灵敏地反映出每次添加有机物和病原体带来的信号“尖峰”，以及随后PAW处理导致的荧光衰减。荧光强度的增加对应着有机物的累积和PAW消毒效能的下降。尽管随着清洗周期增加，有机物不断累积，病原体灭活效果逐渐减弱，但荧光强度的变化始终能有效反映PAW处理后的即时消毒效能变化。实验表明，即使有机负荷相对较低（最终COD为454 mg/L），一分钟的PAW处理也难以将微生物降至检测限以下，这揭示了在动态条件下，持续引入的有机物会“消耗”RONS，从而削弱PAW的消毒能力。

研究结论与意义

本研究表明，荧光光谱技术通过监测单一激发/发射波长（280/354 nm）处荧光强度的变化，可以作为一种可靠、快速评估等离子体活化水在蔬菜清洗水中消毒效果的工具。无论蔬菜种类或碳酸氢盐浓度如何，PAW处理导致的荧光强度衰减趋势是一致的，这为实际应用中的在线监测提供了便利，无需针对不同蔬菜调整监测波长。荧光强度与病原体灭活效果高度相关，高强度荧光通常指示较高的细菌负载和较低的消毒效能，而低强度荧光则与病原体存活减少相关联。

这项研究的重要意义在于：

1. 1.
   提供实时监测新工具：首次将荧光光谱技术应用于PAW消毒过程的在线监测，克服了传统细菌计数法的时间延迟和理化参数间接性的不足，为实现蔬菜清洗过程的实时、快速质量监控提供了可能。
2. 2.
   明确关联性与适用场景：在清洗水再生（静态）场景下，荧光强度是预测病原体灭活效果的强有力指标。在动态清洗（模拟实际生产）场景下，荧光强度虽不能直接等同于细菌数量，但能有效反映PAW系统因有机物累积而导致的消毒效能下降趋势。
3. 3.
   揭示技术局限性：研究也指出了当前PAW系统在动态、持续引入有机物的清洗场景下，其消毒能力可能不及传统氯消毒，这为未来优化PAW系统设计（如提高RONS产量或结合其他技术）指明了方向。

总之，这项研究为食品安全领域，特别是生鲜农产品加工中的水处理环节，引入了一种创新的、有潜力的过程监控技术，有助于提升清洗水的安全性和再利用效率，降低食源性疾病的风险。