《食品科学》:中国农业大学张洪超副教授等:长波紫外线辐照技术在食品安全控制中的研究与应用进展

紫外线是波长为200～400 nm的电磁波，其波长介于X射线与可见光之间。食品紫外辐照技术是利用紫外线对食品体系进行加工处理，根据波长范围的不同，可以细分为短波紫外线（UVC）（200～280 nm）、中波紫外线（UVB）（280～320 nm）和长波紫外线（UVA）（320～400 nm）辐照技术。UVA因具有较强的穿透能力及对微生物、化学污染物的温和去除效果，在食品加工中逐渐受到关注。

如图1所示，中国农业大学食品科学与营养工程学院的肖杰、高幸幸、张洪超*等主要概述UVA辐照技术在微生物污染物和化学危害物控制等方面的应用研究，讨论其在食品工业应用中所面临的挑战，并展望其发展趋势，以期为UVA辐照技术在食品不同领域的应用提供理论参考。

UVA辐照是使用波长为320～400 nm的紫外线对食品进行处理，可用于食品中微生物的灭活和化学污染物降解。相比于UVC，UVA能量较低，杀菌能力较弱，但穿透力更强，更适合处理具有高吸收率系数的不透明液体和生物材料。此外，UVA在特定条件下能够诱导活性基团（如活性氧或活性氮）的产生，导致微生物死亡或目标分子降解。表1总结了3种紫外线的物理特性、安全风险、作用机制及应用。

UVA的产生光源主要包括低压汞灯、中压汞灯、低压汞齐灯以及发光二极管（LED）。汞灯通过电极与外界电路连接，内部填充汞和惰性气体（如氩气），但由于体积较大、能耗高、热量散发多以及含有有害物质汞等因素，限制了其进一步应用。近年来，具有灵活性和更广处理参数范围的LED光源开始被用于食品去污。LED由半导体二极管制成，能将电能高效转化为光能，体积小、寿命长（超过50 000 h）、无汞危害，但成本较高，且多个LED组合时易产生颗粒状光。其他替代灯源，如准分子灯和脉冲紫外灯也正在逐渐开发中。这些光源装置不受环境温度波动的影响，并在较短的处理时间内能够极好地控制热量的释放，尤其适用于食品处理。

辐照处理的强度通常以辐照剂量表示，是影响UVA处理效果的关键参数。辐照剂量由光照强度（单位为W/cm²）与辐照时间（单位为s）的乘积所决定。通常，增加辐照剂量能增强UVA的杀菌能力及污染物降解效率。例如，当UVA的剂量从0.5 J/cm²增加到30 J/cm²时，大肠杆菌菌落减少量从＜1（lg（CFU/mL））提升至2.82（lg（CFU/mL））。

食品的光学特性如浑浊度、颜色、光密度、黏度和表面粗糙程度等也会影响辐照效果。食物基质中的悬浮固体和可溶性成分会引起光的散射、吸收和反射，降低辐射效果。例如，在UVA和UVB联合照射时，澄清苹果汁中大肠杆菌（Escherichia coli）减少了4.00（lg（CFU/mL）），而在浑浊苹果汁中仅减少了1.63（lg（CFU/mL））。

环境pH值能够影响UVA诱导活性氧的生成效率，进而影响其杀菌能力和污染物降解效果。例如，在酸性环境（pH 3.0）中，UVA的活性氧生成速率较高，可使三价砷的去除率达到95.52%；而在中性（pH 7.0）和碱性（pH 9.0）条件下，去除率分别为76.78%和81.05%。

因此，在开发和优化UVA辐照处理工艺时，应根据食品基质的特性和环境条件（如pH值和表面光学特性）合理设计辐照剂量和操作条件，并全面评估系统性能以确保最佳效果。

细菌、真菌和病毒等微生物对食品安全和品质造成严重影响，既缩短食品货架期，也直接威胁消费者健康，是食源性疾病频发的主要诱因之一。国家食品安全风险评估中心报告指出，2021年中国大陆发生的食源性疾病暴发事件中，微生物性病原体引起的病例占比高达53.05%。研究证实，UVA辐照技术在多种食品体系中具有显著的微生物灭活效果，不仅能有效降低苹果汁、生菜、番茄、奶酪和草莓等食品的微生物污染水平，还能保持食品原有的感官和营养特性。此外，UVA与光敏剂联合使用可能进一步增强微生物消杀效果，有较大的防控潜力。

研究表明，UVA对沙门氏菌（Salmonella）、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）以及金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等多种食源性致病菌具有显著灭活作用。在氧气存在时，UVA可诱导活性氧（如单线态氧）产生，导致DNA的无碱基位点和环丁烷嘧啶二聚体形成，最终引发细菌死亡。例如，Du Lihui等利用395 nm波长LED光源照射小麦面粉60 min后，其沙门氏菌减少了2.91（lg（CFU/mL））。Subedi等发现，在等量能量输入（1 199 J/cm²）条件下，UVA（365 nm和395 nm）灭活面粉中沙门氏菌的效果（2.22、2.48（lg（CFU/mL）））明显优于可见光（455 nm）的效果（1.61（lg（CFU/mL）））。此外，UVA对其他食源性致病菌同样有效。在波长为365 nm的LED照射下，粉末调味品中的单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌分别减少了1.07、0.83（lg（CFU/mL））和1.12（lg（CFU/mL）），但该处理未对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的数量产生显著影响。因此，不同微生物对UVA的敏感性存在差异，加工时应根据微生物种类选择合适的处理强度。

为提高UVA的灭活效率，研究人员将UVA与外源光敏剂或其他物理加工技术联合应用，发现低浓度光敏剂与UVA联合使用即可达到理想灭活效果。例如，de Oliveira等使用超声波将10 mg/mL姜黄素均匀雾化在菠菜、生菜和番茄表面，随后进行10 min UVA照射，总辐照能量为20.4 kJ/m²，结果使大肠杆菌O157:H7和单核细胞增生李斯特菌的数量从初始6（lg（CFU/cm²））减少到约3（lg（CFU/cm²））。此外，该方法对新鲜农产品洗涤废水中的细菌也具有抑制作用，仅需10 min即可将大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的数量减少超过5（lg（CFU/mL）），降低了微生物交叉感染风险。不同微生物对光敏剂与UVA联合处理的反应存在差异。如图2A、B所示，3 mmol/L咖啡酸与5 J/cm²的UVA联合处理导致沙门氏菌的内部结构严重损坏，但细胞外形没有显著变化。而0.5%柠檬酸与0.16 J/cm²的UVA联合处理则使单核细胞增生李斯特菌产生显著的细胞膜皱缩和结构破坏，导致细胞膜完整性严重受损（图2C、D）。这种差异可能归因于两种细菌细胞壁和膜结构的差异性。单核细胞增生李斯特菌的细胞壁可能对光敏剂和UVA的联合作用更敏感，导致细胞膜的快速破坏。

值得注意的是，当1 mmol/L阿魏酸溶液分别与UVA、温热处理及超高压联合处理时，尽管温热处理和超高压在较短时间内即可达到与UVA相似的灭活效果，但3种联合处理均能在10 min内将苹果汁中的大肠杆菌降低至检测限，有效减少因加工时间过长而对苹果汁品质的不利影响。表2总结了多项研究中UVA与不同光敏剂联合使用对细菌的灭活作用。总体而言，这些灭活作用源于光敏剂在UVA下发生的一系列氧化还原反应，从而诱导胞内氧化应激，破坏细菌膜以及其他关键位点，最终导致细菌死亡。

含光敏剂的食品包装材料在UVA激活下可有效去除产品表面致病菌并控制采后污染。Tosati等采用含姜黄残留的明胶水凝胶及添加纯化姜黄素的木薯淀粉-明胶涂层包裹熟食香肠，在4 ℃条件下经UVA照射后，姜黄素被激活产生活性氧，使香肠上的单核细胞增生李斯特菌数量从初始的6（lg（CFU/mL））降至检测限以下（1（lg（CFU/mL）））。Ramesh等在玻璃片上涂覆P25 TiO₂改性的TiO₂-二氧化硅膜，制备了能够在UVA照射下高效灭活白葡萄汁中大肠杆菌的光敏剂。在UVA激发下，TiO₂产生的电子-空穴对导致了大量活性氧的形成，使白葡萄汁中的大肠杆菌数量在20 min内减少3.2（lg（CFU/mL））。类似地，TiO₂薄膜及涂层技术在其他研究中也对大肠杆菌存在1～2 （lg（CFU/mL））的去除效果。

对于致腐菌，UVA结合光敏剂的处理同样展现出显著的灭活效果。例如，在UVA辐照下，TiO₂光催化产生的活性氧（如羟自由基、超氧阴离子自由基和过氧化氢）可以破坏荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）和溶酪大球菌（Macrococcus caseolyticus）的细胞壁和细胞膜，引发脂质氧化和细胞内K⁺大量泄漏，导致荧光假单胞菌减少4（lg（CFU/mL）），溶酪大球菌减少超过7（lg（CFU/mL））。革兰氏阴性菌荧光假单胞菌由于其外膜结构具有一定抵御活性氧攻击的能力，因此在面对TiO₂光催化处理时表现出较高的耐受性。相比之下，革兰氏阳性菌溶酪大球菌因缺乏这种外膜保护机制，在相同的处理条件下显示出更高的敏感性。此外，其他研究也报道了TiO₂和阿魏酸对其他腐败菌（如霉实假单胞菌（Pseudomanas fragi）和蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus））有显著的光催化灭活作用，灭活量均超过3（lg（CFU/mL））。

此外，研究人员也开始探索将UVA和其他物理加工技术相结合以增强UVA的杀菌能力。然而，这一联合作用是否能显著提升灭活效率，目前存在争议。例如，365 nm波长LED和脉冲欧姆加热技术的结合在3 min内即可诱导大量活性氧的产生，引发细菌脂质过氧化及膜结构损伤，使牛奶中的致病菌大肠杆菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌减少2～3（lg（CFU/mL））；而在果汁体系中，该联合处理的杀菌效果更为显著，能达到4～5（lg（CFU/mL））的减少量。但并非在所有条件下，UVA联合其他技术都能实现预期的增效效果。例如，Akgün等发现，经过40 min处理后，UVA（365 nm）与UVB（280 nm）联合照射浑浊苹果汁，可使大肠杆菌K12数量减少超过2（lg（CFU/mL）），与单独的UVB照射相比并无显著差异。其他关于UVA联合不同波长的研究也报道了类似结果，但也有研究表明该联合处理能增强杀菌效应。因此，UVA与其他物理加工技术的联合应用仍处于探索阶段，需要更多研究明确这种联合是否具有显著的增效作用。

总体而言，UVA辐照技术在减轻食品中细菌污染方面展示出巨大的应用潜力。尤其是与其他物理杀菌技术的联合应用，因其无需化学添加剂、环境友好且易于集成的优势，在食品加工行业中展现出独特的应用前景。

食品中真菌的大量生长不仅导致食品腐败，还可能产生毒素，严重威胁人类健康。相比UVC，关于UVA在食品基质中抑制真菌的研究相对较少。已有研究表明，UVA辐照技术能有效减少缓冲溶液中真菌的数量。然而，单独使用UVA的效果有限，通常需要结合光敏剂以增强杀菌效果。利用UVA（350～385 nm）照射1 mg/mL阿魏酸溶液，当辐照能量达到10 J/cm²，面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）和纯黄丝衣霉（Byssochlamys fulva）的存活数量显著减少，面包酵母几乎被完全清除；而枝孢菌（Cladosporium cladosporioides）和石青霉（Eupenicillium lapidosum）的存活数量与单独使用光敏剂或UVA的处理组相比无显著差异。在光敏剂存在时，UVA处理后的真菌未表现出明显的形态破裂。365 nm波长LED与10% TiO₂联合处理24 h后，尽管镰刀菌（Fusarium monoliforme）已彻底失活，但细胞形态保持相对完整，仅细胞壁的电子致密层受到一定损伤。研究者推测是由于光催化过程产生的羟自由基等扩散距离极短，攻击范围有限，仅破坏电子致密层，未穿透到内部电子传输层，但这一推测尚未得到证实。目前，UVA联合光敏剂致真菌死亡的分子机制仍处于初步探索阶段，有待深入研究。此外，TiO₂和阿魏酸等光敏剂与UVA联合使用可有效灭活多种真菌，如面包酵母、烟曲霉（Aspergillus fumigatus）、白色念珠菌（Candida albicans）和黑曲霉（A. niger）。

食源性病毒（如诺如病毒与甲型肝炎病毒）因其在食品加工链中的高度传播能力及其对公共卫生的威胁，成为食品安全管理的重点关注对象。研究表明，UVA结合光敏剂可有效抑制病毒的活性，且灭活效率随辐照时间延长而显著提高。例如，掺杂质量比为1∶7.7的Cu/TiO₂与373 nm-LED联合处理48 min能使诺如病毒数量下降2.89（lg（PFU/mL）），而未经LED辐照的Cu/TiO₂未显示灭活效果。然而，在模拟蓝莓的凝固琼脂基质中，使用带有TiO₂涂层的UVA灯处理10 min后，诺如病毒数量未显著减少。这可能是由于基质保护使病毒对UVA更具耐受性，需要更大的辐照剂量才能有效灭活。此外，碳材料C₆₀/二氧化硅在UVA辐照过程中也能充当光敏剂产生自由基攻击病毒，在照射80 min后，可将MS2噬菌体数量减少约3.5（lg（PFU/mL））。目前，大多数研究表明，UVA的病毒灭活机制是由于光催化产生的自由基（如羟自由基和单线态氧等）直接攻击病毒的核酸和蛋白结构，导致病毒死亡。

如图3所示，以细菌为例，其内源性光敏剂（如黄酮类化合物）可吸收UVA，诱导活性氧产生。这一光诱导过程通常以电子转移开始，同时产生空穴，将水转化为羟自由基，将氧气转化为超氧阴离子自由基。之后，这些自由基进一步引发链式反应，产生更多种类和数量的自由基，导致细胞内氧化应激持续加剧，最终不可逆地破坏细菌的新陈代谢。外源性光敏剂同样可以吸收UVA，产生大量活性氧，增强细菌灭活效果。部分外源性光敏剂能穿透细胞膜，在细胞内部产生活性氧，迅速攻击核酸和蛋白质，加速细菌死亡。对于真菌和病毒，活性氧同样能够加剧氧化应激，但攻击位点因结构不同而有所差异。病毒通常由蛋白质外壳和核酸组成，活性氧主要攻击蛋白质和核酸，影响其结构完整性和复制能力。真菌则具有更为复杂的细胞壁结构，包括由几丁质、葡聚糖和脂蛋白组成的细胞壁，提供额外保护，使其能更好地抵御活性氧的攻击。

黄曲霉毒素（AF）广泛存在于花生油、粮食及其制品中，具有高毒性和高致癌性，已被世界卫生组织划为I类致癌物。其中，AFB₁是毒性最强的一种，对人和动物的肝脏造成极大损伤，严重时会导致肝出血、肝硬化、肝坏死和肝癌等疾病。研究表明，365 nm波长UVA处理含AFB₁的花生油样品25 min，AFB₁降解率可达85%以上。由于花生油中存在大量的蛋白质、氨基酸或者其他小分子，AFB₁的光降解途径非常复杂，涉及一系列复杂化学反应。Mao Jin等通过液相色谱-串联质谱分析光降解产物，提出了可能降解途径。如图4所示，AFB₁在365 nm波长辐照下发生内酯环C＝O键的断裂，生成C₁₆H₁₄O₄。随后，C₁₆H₁₄O₄与花生油中含氮化合物光解后产生的R—NH₂、—NH₂等小分子发生加成或取代反应，形成中间体C₁₉H₃₃N₃O₄。C₁₉H₃₃N₃O₄进一步失去甲氧基（—OCH₃）生成C₁₈H₃₃N₃O₃，最终生成C₁₂H₂₂N₂O₂。此外，UVA辐照技术可持续处理食用植物油，并在15 min内降解植物油中超过95%的AFB₁，且油品质未发生劣变。对于罐头食品、精麦和小麦粉，UVA同样能显著降低其AFB₁水平。这些研究表明，适当的紫外照射时间和强度是决定AFB₁降解效率的关键因素，且该技术在不同食品类型和AFB₁浓度下均展现出良好的适用性和有效性。UVA辐照技术在去除其他毒素上同样具有潜力，石墨烯/氧化锌复合材料在365 nm波长UVA照射下可在30 min内使水中呕吐毒素降解率超过99%。研究发现，尽管羟自由基在降解过程中有一定作用，但超氧阴离子自由基和空穴的直接氧化才是毒素降解的主要机制。

UVA通过触发高级氧化过程，如结合过硫酸盐和Fenton试剂，引发大量自由基的产生，促进难降解有机物的矿化，并灭活加工废水中的有害微生物。在橄榄油废水处理中，光-Fenton过程可去除72%的溶解有机碳，使化学需氧量达到排放标准。UVA与过硫酸盐及过渡金属（如Fe(II)或Co(II)）联合使用可生成硫酸根自由基，有效灭活葡萄酒废水中的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌，并去除高达85%的化学需氧量。在实际葡萄酒废水中，0.5 mmol/L的过硫酸盐和金属激活剂在pH 5.0的条件下，经370 nm波长LED灯照射120 min，尽管化学需氧量去除效果不如模拟废水，但仍能完全灭活废水中的微生物。在对奶酪乳清废水处理中，掺硼金刚石/铂电极结合UVA照射在pH 3.0条件下可去除49.1%的有机碳，将乳白色浑浊的废水转变为清澈的黄色溶液。尽管UVA对食品色素的降解速率略低于UVC，但两者均能在1 h内实现完全降解。值得注意的是，UVA和UVC的LED光源在食品色素降解方面效率显著优于传统汞灯，且能耗更低。因此，相较于汞灯，LED灯在食品加工废水处理中具有更高的能效和环境友好性。表3总结了UVA辐照技术在食品加工废水降解研究的成果。

类似于处理加工废水中的有机物，UVA诱导产生的活性氧可以加速农产品表面残留农药的降解。例如，SnO₂-ZnO/煤矸石复合物在UVA辐照下，产生的价带空穴和导带电子分别作为氧化剂和还原剂，能够有效降解多种有机磷农药，乐果和马拉硫磷在光照3 h后几乎完全降解。掺杂C、N、S元素的SnO₂/ZnO在UVA-LED照射下对敌敌畏的降解率约为53%，显著降低了溶液毒性。有机磷农药的光降解速率在初始阶段较快，随后逐步减慢。催化剂负载量、pH值和光照强度等因素也会影响光催化效率。例如，调整ZnO-TiO₂的催化剂浓度和混合速率有利于提高光催化效率。此外，相比自然光，UVA照射下Fe(III)-乙二胺-N,N’-二琥珀酸对农药的光降解效果更好。优化光敏剂浓度与光照强度后，降解效率进一步提升。在新鲜农产品表面，UVA光源也能降解一定量的农药。例如，喷洒不同浓度溴氰菊酯和氯氟氰菊酯的花椰菜样品，在添加薄荷提取物或核黄素作为光敏剂并暴露于UVA 180 min后，两种农药的降解率均达到40%～50%，且营养价值和抗氧化活性受影响较小。

UVA在食品安全控制方面的效果显著，但其是否会导致食品氧化或品质指标下降仍需进一步探究。通常，UVA处理对食品颜色和质地的影响有限，但对小麦粉和果汁颜色的影响较大，可能与类胡萝卜素或酚类物质的氧化和降解有关。营养品质方面，UVA辐照可能导致维生素、酚类物质及类胡萝卜素等成分降解，例如，果汁经6 d辐照后，VC完全降解，总酚含量最高下降了26.5%。然而，在某些果汁和富含类胡萝卜素的食品中，UVA反而可能促进多酚和抗氧化剂的积累，这可能归因于UVA在不同食品基质中与特定成分的相互作用机制，从而激活了不同的生物合成或降解途径，导致营养成分增加或降低。具体机制仍缺乏实验性证据和理论支持，需进一步探究。

尽管已有研究涉及UVA对食品品质的影响，但指标较单一、分析方法精度较低，大多仅作为辅助验证。因此，需针对不同类别食品的理化品质和营养特性，在不同处理条件和贮藏期的动态变化后进行系统分析，明确UVA在食品安全控制和营养品质保留方面的最优条件。

目前市面上食品包装、流体食品以及食品餐具表面消毒的紫外消毒设备光源以UVC为主，而UVA紫外设备多用于光固化。通过更换光源即可实现UVA辐照，设备结构改造相对便利。国内碧池品牌制备的UVA系列紫外线杀菌消毒器表现出高达99.9%的杀菌率，尤其适用于小流量流体消毒。同时，国外公司研发的50 W 390 nm波长紫外灯可以照射农作物以促进其生长。然而，适用于食品连续化处理或嵌入现有食品加工生产线中的专用装备还较缺乏。为实现大规模且连续化的食品杀菌、消毒和去污，需开发耐用性高、辐照均匀且成本优化的新型UVA设备。

目前，国际上已有针对UVC辐照技术的法规标准，美国食品药品监督管理局、加拿大卫生部和欧盟均批准UVC用于果汁和海鲜病原体控制。我国也在2012年规范了UVC灯的辐照效率及最低辐照照度等参数。相比之下，UVA的辐照剂量和微生物杀灭效果等关键参数尚无明确标准。另一方面，尽管相比于UVC处理，UVA导致的降解副产物通常毒性水平较低，但在某些情况下，UVA生成的光降解中间体可能反而具有更高的毒性。例如，Sudrajat使用Cu(II)/Bi₂O₃降解水中的除草剂阿特拉津时发现，光降解时形成的羟基阿特拉津等中间体可能比阿特拉津的毒性更大。因此，对UVA降解产物的安全性进行全面评估至关重要，应涵盖细胞毒性、遗传毒性和对细胞功能的影响。在此基础上，制定关于UVA杀菌等关键应用的行业标准或法规要求，或拓展已有紫外辐照的标准至UVA波段，以便设备制造商以更快的速度和更低的成本将其产品和技术推向市场。

基于UVA辐照技术在食品加工中的应用挑战，未来研究应聚焦以下重点和发展趋势：1）进一步提高UVA辐照的杀菌和化学物降解效率：探索其与光敏剂或者其他诸如超高压技术、脉冲电场、冷等离子体等非热物理加工技术的协同效应，优化工艺参数，以提高处理效果的同时最大化地保持食品品质，推动工业化进程；2）系统研究UVA辐照对食品品质的影响：系统性分析该技术在不同食品矩阵（如固态、半固态及液态食品）中的作用机制，明确其对感官品质、营养成分和功能特性的影响，制定针对性的加工参数和标准；3）制定和完善UVA辐照技术的法律法规：推动国际和地区层面监管机构制定明确的应用规范和安全标准，确保技术使用时的安全和规范性；4）监测和评估潜在有害副产物：利用高效液相色谱和质谱联用等技术监测UVA辐照食品中的光化学副产物，如脂质过氧化物和糖化终产物，并建立毒理学数据库评估其健康风险，确保食品安全；5）开发连续化处理设备：结合流体力学和自动化控制技术，设计均匀辐照、适用于不同食品形态的大规模UVA辐照设备，促进技术的商业化和工业化应用；6）研发高效、低成本的UVA辐照光源：创新和改进UVA光源（如LED光源），提升辐照效率、能量利用率和设备稳定性，降低运行成本，为大规模应用提供支持。

综上，UVA辐照技术在食品杀菌、农残去除、毒素降解和废水处理等食品安全控制领域均展现了良好的应用前景，但仍需深入研究和完善安全法规。未来应聚焦于提升辐照效率、深化食品品质影响研究、健全法规框架、确保食品安全性、优化设备设计以及降低成本，以推动该技术在食品加工领域的广泛应用，实现更高效、安全、经济的发展。