|
食品安全直接关系到每个人的身体健康和生命安全,不仅关乎个体的福祉，也是社会稳定、经济繁荣和公共卫生的重要基石，对于保障人民的幸福生活和国家的长治久安具有不可替代的重要作用。食品灭菌处理是保障食品安全的重要手段之一。同时，随着食品安全升级也促使着杀菌技术和方法的不断发展和改进，对于杀菌效果的要求也越来越严格。不仅需要消灭微生物时确保不产生新的有害物质，还要尽量减少对食品营养成分、口感、色泽等方面的不良影响。
当前食品杀菌常用的消毒剂主要包括次氯酸钠、过氧化氢、过氧乙酸、季铵盐类等。随着食品企业出口需求愈加强烈，很多化学消毒剂已不适合在食品端使用，而臭氧作为新型、绿色环保消毒剂也已逐渐应用在食品端各个场景，保障食品安全。臭氧在食品杀菌中有多种应用，主要包括以下方面：
（1）水处理：可用于常规饮用水的杀菌，能杀灭水中99.99%以上的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌，还能除去水中异味、降低浊度、减少有毒有害物质并提高水质。在灌装水生产过程中，使用较低浓度的臭氧即可满足杀菌要求，臭氧会分解为氧气，同时提高灌装水中的含氧量。此外，也可应用于食品加工用水和食品加工生产中废水的循环再利用，起到杀菌消毒、脱色、除臭、降低浑浊度等作用。
（2）果蔬保鲜：臭氧能快速分解果蔬自身代谢产生的乙烯气体，降低其代谢速率，减缓生理老化过程，从而实现果蔬的保鲜。它广泛应用于果蔬采摘后的贮藏、运输等环节，包括入库前的库房消毒、果蔬在产地区冷库预冷期间的杀菌及贮运期间的防腐保鲜。另外，臭氧可以降解果蔬农残，其极强的氧化性可破坏含有磷氧双键、碳碳双键或苯环结构的农药化学分子结构，使其分解生成无毒性的小分子结构化合物，这些小分子化合物大都为水溶性，可用水冲洗除去。
（3）肉制品加工：使用臭氧对分割肉、熟食的原料肉和成品进行杀菌，可大大减少原料肉和成品中的病菌含量，分解肉类食品中的激素含量，保证产品质量并延长保鲜期。臭氧对处理分解肉的沙门氏菌污染问题也有极佳的效果。
（4）水产品保鲜：利用臭氧处理鱼类等水产品及其加工品，对其中存在较多的大肠杆菌、霍乱菌等革兰氏阴性菌有很好的杀灭效果，而且能保持鱼贝类的鲜度，并有效分解水产品加工过程中的特殊臭味。
但臭氧技术也有自身的局限性：
（1）臭氧在空气中或水中的溶解度有限，导致其作用时间和范围相对受限；（2）臭氧容易分解，难以长时间维持有效浓度，需现制现用。
微纳米气泡技术（MNBs）是指将气体分散在溶液中，形成的微米级（＜100 μm）和纳米级（＜1 μm）的微小气泡颗粒。
微纳米气泡理化特性[1]：
不同尺寸大小的气泡拥有不同的性质。相较于普通大气泡，MNBs具有比表面积大、在水中留存时间长、气液传质效率高、Zeta电位高以及破裂后产生羟基自由基等特点。
（1）比表面积大
MNBs的比表面积定义为气泡的表面积与体积之比，MNBs的直径越小，比表面积越大。由于比表面积的大小影响MNBs的气液界面面积和稳定性，因此是保持MNBs稳定性和功能性的重要物理参数。
（2）留存时间长
MNBs在水中的浮力Fb可以根据浮力公式计算。在溶液中，气泡直径越小，受到的浮力越小，上升速度越慢。因此，MNBs在溶液中由于其低浮力而停留时间较长。
普通大气泡与微纳米气泡上升过程的比较
（3）传质效率高
根据气液界面表面张力理论，气泡直径越小，表面张力对气泡的影响越明显。溶液体系内，MNBs内部压力与气泡直径或大小的关系如下，MNBs的直径非常小，从而受到较大的表面张力，使其直径不断缩小，并使气泡内部压力增大。当收缩过程达到某个极限值时，气泡内部气压将趋于无限大，最终导致气泡溶于水或破裂。在此过程中，因为MNBs具有较大的比表面积，即使水体中气体溶解率达到过饱和状态，仍可实现气液传质并具有较高的传质效率。
（4）Zeta电位高
Zeta电位是胶体粒子在电场作用下运动时，在滑动或剪切面上的电动势，是关系到胶体体系稳定性的重要粒子表面特性。研究结果表明，水中MNBs表面主要是以OH-为主，因此带负电荷。当MNBs收缩时，气泡表面离子的吸附和内表面反离子的产生共同作用形成高界面Zeta电位。当Zeta绝对值较高时，MNBs表面电荷产生的排斥力抑制气泡的聚集，从而使得液体体系中MNBs具有高度稳定性。
（5）羟基自由基的生成
MNBs破裂瞬间产生羟基自由基，羟基自由基具有非常高的氧化还原电位，因此MNBs具有很强的杀菌能力。由Young-Laplace方程可知，MNBs的内压远高于大气压，在气液界面因气泡破裂而消失的瞬间，积聚在气液界面上的高浓度带电离子瞬间释放出大量能量，进而产生羟基自由基。
臭氧微纳米气泡技术（OMNBs）是应用一种将臭氧与微纳米气泡相结合的创新技术，可提高臭氧在水中的溶解度，并极大减少臭氧的损失，从而提升臭氧的处理效率。该技术具体优势如下：
（1）臭氧溶解度的提高
传统的臭氧化主要通过臭氧在水中的溶解，但是会使臭氧大量逸出导致消耗量非常大。当MNBs用于溶解臭氧时，臭氧的溶解量会有明显的提高，因此臭氧的杀菌能力也会有明显的增强。有研究发现，在气泡产生30min内，MNBs中臭氧的溶解浓度最高值达到（10.09±0.09）mg/L，而毫米级气泡中臭氧的溶解浓度最大值为0.64mg/L。
（2）臭氧化负面效果的抑制
温度的升高会降低臭氧在水中的溶解度，低pH值条件下臭氧化效率也会受到抑制，而MNBs能够抑制pH值和温度对臭氧化效率的负面影响。研究显示，温度从19℃升高到25℃时，与传统臭氧化相比，臭氧在纳米气泡中的溶解度增加；在酸性条件下，随着pH值的升高，OMNBs体系中产生的羟基自由基比传统臭氧化更多。
（3）臭氧传质系数的增强
MNBs曝气相较于大气泡可以增强臭氧的传质系数。有研究结果表明，纳米气泡曝气的臭氧传质系数为0.179min-1，溶解的臭氧浓度为13.4mg/L，分别是大气泡曝气（0.038min-1和7.9mg/L）的4.7，1.7倍。还有研究发现，在0-10min，臭氧在微米气泡体系中的传质系数是0.0234min-1，而在传统的大气泡体系中是0.0055min-1。
（4）臭氧半衰期的延长
MNBs可以有效延长臭氧在水相中的半衰期。最近的一项研究表明，臭氧在纳米气泡体系中的半衰期是大气泡中的23倍。臭氧半衰期延长的原因可能是因为气泡的排斥理论。
所以MNBs的利用可以提高臭氧的溶解度并极大地减少臭氧用量，显著增强臭氧的利用效率。OMNBs技术克服了臭氧残留、杀菌能力弱和臭氧溶解度低导致臭氧使用量大的缺点，有效降低臭氧杀菌工艺的运行和维护成本，并且臭氧用量大幅降低，比传统技术也更加环保。
但目前OMNBs的研究处于起步阶段，还存在较多欠缺：
OMNBs的特性与气泡尺寸密切有关，因此开发数量和尺寸精准的制备方法尤其重要；需要开发MNBs的快速表征方法，以快速检测MNBs的数量和尺寸；虽然臭氧微纳米气泡技术已经广泛应用于污水处理、水产养殖和农业种植等领域，然而在食品杀菌领域的研究和应用还比较少。有必要进一步探索OMNBs在食品杀菌领域的应用，进一步研究其作用机理。OMNBs技术在食品杀菌领域表现出了巨大的潜力，有待进一步研究。
[1] 部分引用于“臭氧微纳米气泡在食品杀菌中的应用”，作者：周辉等人，2023年发表于包装与食品机械杂志。
|
