小麦调质过程中非热处理方法的筛选及脉冲光减灭沙门氏菌的有效性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Screening of non-thermal treatments and efficacy of pulsed light for Salmonella reduction during wheat tempering

　　

摘要

本研究评估了脉冲光（PL）照射在小麦回潮过程中减少沙门氏菌污染的抗菌潜力。对三种非热处理（冷等离子体、紫外线和PL）的初步筛选显示，在评估条件下，只有PL实现了≥3 log CFU/g的减灭。硬红春小麦接种肠沙门氏菌鸡尾酒菌液，回潮（水分17%），并暴露于PL（0.164–0.329 J/cm²）下，然后在木糖-赖氨酸-脱氧胆酸盐（XLD）选择性琼脂培养基上单独平板计数，以及在XLD上覆盖胰蛋白酶大豆琼脂（XLD + T）的平板计数，以考虑亚致死损伤细胞。经过18小时回潮后，观察到4.217 ± 0.09 log CFU/g（XLD）和3.915 ± 0.066 log CFU/g（XLD + T）的减灭，表明亚致死损伤相关的通透化率为51.944 ± 10.551%。与非线性模型（Weibull和Geeraerd对数线性肩段）相比，对数线性模型提供了更好的描述性拟合，正如更高的R²和更低的RMSE在不同回潮时间和恢复培养基中所显示的那样。Geeraerd对数线性肩段模型被选为主要动力学模型，因为它最常提供最低的AIC并明确捕捉了肩段行为。同样，Weibull β > 1表明在较低能量下存在初始抗药期，随后随着能量增加，微生物灭活速率更快。该模型预测沙门氏菌减少2-log需要大约0.245–0.300 J/cm²（60–73秒），取决于回潮时间和恢复培养基。在细胞悬浮液中进行的机制分析表明，PL照射后膜通透性增加、细胞渗漏和DNA完整性丧失。0.329 J/cm²（80秒）的PL处理对小麦粉功能特性有显著影响。颗粒大小分布和面团流变学特性几乎相同（p > 0.05）。然而，使用SDmatic方法测量的破损淀粉显著增加（p < 0.05），并伴随面包体积、质感和C-细胞特性的变化。这些发现为使用PL作为小麦回潮过程中减少沙门氏菌的潜在干预措施奠定了基础。

引言

全球谷物消费量预计在2025/26年达到29.43亿吨，小麦粮食主导全球食品供应，2025年总计8.053亿吨，预计2026年将增至8.10亿吨（Balyatanda, Chakraborty, Subramanyam & Siliveru, 2026；FAO, 2026）。小麦基食品产品历史上被认为在微生物学上是安全的，因为其水分活度（a_w；<0.85）低，但近期事件挑战了这一假设。自2005年以来，超过27次食品召回和超过15起有记录的食源性疾病暴发被追溯到小麦粉和面粉基产品，包括面团预混料、曲奇面团、披萨面团和烘焙预混料，与产志贺毒素大肠杆菌（STEC）和沙门氏菌等肠致病原相关（Doddabematti Prakash, Rivera, Sabillón & Siliveru, 2025；Rivera, Shivaprasad, Sabillón & Siliveru, 2025）。这些病原体可以在小麦粉中存活长达12个月，尽管水分活度（a_w）低（Du, Jaya Prasad, G?nzle & Roopesh, 2020）。通常，在小麦研磨过程中没有建立病原体减少处理措施（Rivera et al., 2022）。小麦研磨过程的物理性质导致这些病原体在不同研磨分级（麸皮、短片和由破碎、分级和减薄系统产生的多条面粉流）中重新分布，从而对产品造成食品安全风险（Eglezos, 2010）。这种风险也因未熟面团和面糊的不安全消费以及对小麦基食品相关食品安全危害的低消费者意识而加剧（Feng & Archila-Godinez, 2021）。沙门氏菌与其他病原体一样，在低水分食品（LMFs）中存在时表现出增强的热耐受性（Archer, Jervis, Bird & Gaze, 1998；Bari et al., 2010）。因此，探索创新的非热缓解策略至关重要，这些策略可以提高小麦研磨产品的微生物安全性，同时最小化对面粉质量和功能特性的不利影响。

冷等离子体（CP）、紫外线C（UV-C）和脉冲光（PL）等非热保存方法由于其对微生物的广谱灭活效果且对食品质量影响极小或无影响，是热技术的潜在替代方案（Doddabematti Prakash, Siliveru & Zheng, 2023；Levy, Aubert, Lacour & Carlin, 2012；Magallanes López & Simsek, 2021）。PL处理依赖于利用氙灯产生强烈的短脉冲宽带光，包括UV（200–400 nm）、可见光（400–700 nm）和近红外（700–1100 nm），其能量可扩展至50 J/cm²（Elmnasser et al., 2007；Nicorescu et al., 2013）。PL自1996年以来已获FDA批准用于食品生产、加工和处理，总剂量限制为12 J/cm²（Magallanes López & Simsek, 2021）。目前PL的应用主要集中在食品、包装材料和食品接触表面的快速表面去污，特别是在短时间内（Bhavya & Umesh Hebbar, 2017；Bhujle et al., 2026）。

先前的研究已显示小麦和面粉中微生物去污的几种干预策略的潜力。这些包括使用抗菌剂如焦硫酸钠、乳酸和柠檬酸的酸性回潮（Doddabematti Prakash et al., 2023；Rivera, Deliephan, Dhakal, Aldrich and Siliveru, 2021a；Shivaprasad, Rivera & Siliveru, 2024），小麦籽粒的真空蒸汽处理（Snelling, Malekmohammadi, Bergholz, Ohm & Simsek, 2020），以及非热工艺如小麦粉的大气冷等离子体处理（Lee, Park, Korber & Baik, 2022）；使用UV-C、UV-A和可见波长减少小麦粉中沙门氏菌的脉冲LED处理（Subedi, Du, Prasad, Yadav & Roopesh, 2020）；以及灭活小麦粉中沙门氏菌的UV-C处理（Condon-Abanto, Condon, Raso, Lyng & Alvarez, 2016）。然而，热和酸性回潮干预可能会对产品质量属性产生不利影响，包括研磨性能、破损淀粉含量、面团流变学和烘焙特性，在较高温度和酸浓度下。或者，PL已作为一种有前途的非热去污技术在小麦籽粒和面粉中崭露头角。例如，Aron Maftei, Ramos-Villarroel, Nicolau, Martín-Belloso和Soliva-Fortuny（2014）报告使用PL（51.2 J/g）处理时，小麦中天然存在的霉菌减少了4-log。Li等（2022）也报告PL处理（500 J）小麦籽粒中总平板菌落数（TPC）和酵母霉菌数（Y&M）最多减少1-log。虽然这些研究证明了PL的抗菌功效，但关于其作为小麦研磨过程中（如回潮）病原体减少步骤去除沙门氏菌的适用性，证据仍然有限。

本研究旨在通过以下途径解决PL在小麦研磨中使用的知识缺口：（i）评估和比较CP、UV-C和PL在接种小麦籽粒回潮过程中对沙门氏菌去污的功效；（ii）通过测量细胞渗漏并评估通透性和DNA完整性，表征PL在肠沙门氏菌细胞悬浮液中诱导的细胞损伤；以及（iii）确定PL对小麦粉理化特性引起的变化程度。本研究的成果可以为使用基于PL的工艺解决小麦籽粒研磨过程中沙门氏菌污染提供依据，从而提高小麦基产品的食品安全性。

章节摘要

材料

有机硬红春（HRS）小麦籽粒（水分10.4%，湿基）来自国内商业来源（Great River Organic Milling Company, Arcadia, Wisconsin）。原始小麦籽粒在60°C下预干燥过夜24小时，以抵消接种和回潮步骤中添加的多余水分。预干燥（6.92 ± 0.1%）和原始（10.4 ± 0.1%）小麦籽粒的水分含量均使用标准强制空气烘箱法按照ASAE S352.2标准测量。

籽粒中沙门氏菌灭活的非热处理初步筛选

在非特定操作条件下，对UV-C、CP和PL等非热方法的比较评估显示了沙门氏菌减灭的差异（图2）。在测试条件下，CP处理在30分钟处理后减少沙门氏菌约0.8 log CFU/g；与对照相比，这种减灭在统计上不显著（p > 0.05）。UV处理显示出沙门氏菌水平的显著更大减灭，在90分钟处理后最大减灭量为1.5 log CFU/g，

结论

本研究旨在评估PL回潮在小麦回潮过程中减少沙门氏菌污染的重要性。结果表明，0.329 J/cm²的PL处理，随后进行18小时的后PL回潮，与对照（0小时）相比，沙门氏菌负荷的最大减灭为4.217 ± 0.093 log CFU/g（XLD）和3.915 ± 0.066 log CFU/g（XLD + T）。选择性与覆盖恢复培养基之间的差异证实了PL处理导致亚致死

CRediT作者贡献声明

Shivaprasad Doddabematti Prakash：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Suhan Bheemaiah Balyatanda：撰写 – 审阅与编辑，可视化，正式分析，数据管理。Jared Lou D. Rivera：撰写 – 审阅与编辑。Kaliramesh Siliveru：撰写 – 审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本文是堪萨斯州立大学农业实验站的贡献编号26-172-J。作者感谢堪萨斯州立大学曼哈顿分校谷物科学与工业系对本研究的支持。

Shivaprasad Doddabematti Prakash | Suhan Bheemaiah Balyatanda | Jared Lou D. Rivera | Kaliramesh Siliveru

堪萨斯州立大学谷物科学与工业系，曼哈顿，堪萨斯州 66506，美国