275纳米发光二极管对新鲜苹果上的大肠杆菌O157:H7、肠沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌的抗菌效果

《Food Control》：Antimicrobial efficacy of 275 nm light-emitting diodes against Escherichia coli O157:H7, Salmonella enterica, and Listeria monocytogenes on fresh-cut apples

新鲜切苹果中275 nm LED紫外线灭活食源性致病菌的效果及机理研究。评估了该波长LED对大肠杆菌O157:H7、沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌在磷酸盐缓冲液及苹果表面的灭活效果，发现灭活效率与DNA环丁烷嘧啶二聚体（CPD）形成相关，沙门氏菌最敏感，大肠杆菌次之，李斯特菌相对耐UV处理。苹果的色泽和营养成分未受显著影响。

　　

Kang Hyemi | Choi Won-Seok | Pang Xinyi | Yuk Hyun-Gyun

韩国庆尚北道安城市中昂大学食品科学与生物技术系，邮编17546

摘要

考虑到新鲜切割水果上的食源性病原体以及关于这些病原体对紫外线发光二极管（LED）照射敏感性的信息有限，我们评估了275纳米LED照射对大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的效果，同时也研究了这种照射对新鲜切割苹果的影响。还评估了照射后苹果的颜色和营养价值。大肠杆菌 O157:H7在20毫焦耳/平方厘米（mJ/cm2）的照射剂量下被减少到检测限以下（1.0对数CFU/mL），而沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌在24毫焦耳/平方厘米的照射剂量下分别减少了6.2和6.6对数CFU/mL。其中沙门氏菌属对LED照射的敏感性最高，其次是大肠杆菌 O157:H7和单核细胞增生李斯特菌。值得注意的是，与单核细胞增生李斯特菌相比，沙门氏菌属和大肠杆菌 O157:H7在照射后产生的环丁烷嘧啶二聚体（CPD）更多，这与它们被更有效地灭活相符。在新鲜切割的苹果上，细菌数量在20毫焦耳/平方厘米的照射剂量下减少了2.5–2.8对数CFU/cm2，在120毫焦耳/平方厘米的照射剂量下减少了3.6–4.2对数CFU/cm2，不同病原体之间的灭活效果没有显著差异。在25°C条件下，无论是否经过照射，这些病原体在72小时内均没有在苹果上生长。照射并未影响苹果的颜色或营养价值。总体而言，细菌对275纳米UV-LED照射的敏感性主要与DNA中的CPD形成有关。这种处理方法可以通过有效灭活主要的食源性病原体来提高新鲜切割苹果的微生物安全性，同时不会影响其颜色、抗坏血酸和总酚含量。

引言

新鲜农产品因其富含维生素、纤维和微量营养素而被认为是维持健康的重要食物来源（Tufail等人，2025年）。苹果的消费量一直很高，2023年全球消费量约为8500万吨，使其成为全球第四大消费水果（Mordor Intelligence，2024年）。随着生活方式的变化和越来越多的人追求健康与便利，新鲜切割水果市场迅速扩张，对新鲜切割苹果的需求也在增加（Ramos等人，2013年）。

新鲜切割水果经过清洗、去皮和切割等工序处理后，以切片或块状的形式直接食用（食品药品安全部，MFDS，2021年）。然而，这些加工步骤会破坏水果的表层细胞，使细胞质暴露出来，从而导致果汁流失。因此，新鲜切割水果的水分活度更高，营养成分也更丰富，从而增加了微生物生长的可能性（Brackett等人，1994年；Yousuf等人，2020年）。此外，由于新鲜切割水果没有经过热处理或化学防腐处理，且通常无需进一步烹饪即可食用，它们极易受到微生物污染和质量下降的影响（Melo & Quintas，2023年）。

新鲜切割的苹果可能成为大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌等病原体的传播媒介（Yousuf等人，2020年），这些病原体是引起食源性疾病爆发的主要原因（Berger等人，2010年）。例如，2014-2015年美国发生的一次多州李斯特菌病爆发与焦糖苹果有关，导致35人住院和7人死亡（Angelo等人，2017年；CDC，2015年）。自2012年以来，单核细胞增生李斯特菌污染导致美国多个州的新鲜切割苹果被召回，某些年份甚至发生了全国范围内的召回（Fan等人，2023年）。大肠杆菌 O157:H7与美国和加拿大的新鲜苹果产品相关的疾病爆发也有记录，导致86人患病和1人死亡（Cody等人，1999年；Mamadou等人，2011年）。2015年，一起由未巴氏杀菌的苹果酒引起的沙门氏菌 Typhimurium食源性疾病爆发也影响了人类健康（CDC，1975年）。

大肠杆菌 O157:H7能够在室温和冷藏温度下存活于苹果组织中（Janisiewicz等人，1999年）；沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌也能在新鲜水果中存活并繁殖（Alegre等人，2010年）。根据美国疾病控制与预防中心（CDC）的食源性疾病分析，2021年导致食源性疾病爆发的主要病原体是产志贺毒素的大肠杆菌（STEC）、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌，涉及的食品包括新鲜切割的甜瓜、包装沙拉和其他新鲜农产品（CDC，2024年）。这些案例凸显了与新鲜切割苹果相关的食源性病原体带来的潜在健康风险，强调了需要适当的干预技术。对于新鲜切割苹果来说，干预技术应能有效消除病原体，同时保持产品的物理化学和营养价值，以满足消费者的需求。已经探索了多种消毒技术，包括次氯酸钠（NaOCl）、高压水（HHP）、臭氧处理、辐照（伽马射线或X射线）和可食用涂层，以确保新鲜切割农产品的微生物安全性。然而，这些方法存在固有的局限性，如化学残留物的产生、可能对产品品质的损害、高昂的处理成本以及消费者接受度有限（Gil等人，2009年；Mendoza等人，2022年）。因此，需要一种新的方法来确保新鲜切割苹果的微生物安全性。

紫外线（UV）照射被广泛认为是一种适用于控制食品表面病原体的非热处理技术（Manzocco等人，2011年）。紫外线根据波长分为UVA（315–400纳米）、UVB（280–315纳米）、UVC（280–200纳米）和真空UV（VUV（200–100纳米），其中UVC具有强大的杀菌效果（Kebbi等人，2020年；Zhang等人，2024年）。美国食品药品监督管理局（FDA）已批准UVC用于食品灭菌（FDA，2000年）。然而，传统UV灯存在汞泄漏风险、耐用性低、过热问题和寿命短等缺点（Bowker等人，2011年）。为了解决这些问题，开发了UV-LED技术。UV-LED不含汞，可以针对特定波长（215–365纳米）进行定制生产，并具有寿命长和能耗低等优点（Mori等人，2007年）。UVC照射的杀菌效果主要归因于DNA损伤，这会导致细胞死亡。当UVC光子被DNA中的嘧啶碱基吸收时，激发的嘧啶碱基会形成自由基或稳定的光产物，如环丁烷–嘧啶二聚体（CPD）（Mitchell & Karentz，1993年）。这些CPD会破坏DNA复制，导致突变和细胞毒性（Lindahl & Wood，1999年；Cooper & Adams，2022年）。尽管CPD形成被认为是UV-LED照射的主要杀菌机制，但不同细菌种类之间CPD生成的定量比较分析仍然有限。

大多数关于UV-LED消毒的先前研究主要报告了总体微生物数量的减少，而没有明确不同病原体之间的机制差异，也没有在真实食品表面上验证这些发现。特别是，275纳米UV-LED照射的杀菌效果及其对新鲜切割苹果上主要食源性病原体DNA损伤的影响尚未得到充分研究。此外，关于这种处理方式如何影响水果的物理化学性质（包括颜色、抗坏血酸和总酚含量）的信息也很有限。

因此，我们的目标是阐明275纳米UV-LED照射下细菌敏感性与DNA损伤（通过CPD形成来表示）之间的机制关系，并评估处理后新鲜切割苹果的微生物灭活效果和质量特性。

部分内容片段

细菌菌株

本研究使用了三种大肠杆菌 O157:H7菌株（ATCC F12、ATCC C7927和ATCC 35150）、四种沙门氏菌 enterica亚种血清型（Gaminara ATCC BAA-711、Newport ATCC 6962、Poona ATCC BAA-1673和Typhimurium ATCC 14028）以及三种单核细胞增生李斯特菌血清型（SSA81 1/2a、ATCC BAA-839 1/2b和ATCC 13932 4b）。所有ATCC菌株均购自美国马纳萨斯的中昂大学类型培养物收藏中心（Manassas, VA）；其中两种大肠杆菌 O157:H7菌株（F12、C7927）也是从该中心获得的

275纳米UV-LED照射在PBS中的抗菌效果

在室温下，监测了275纳米UV-LED照射对PBS中大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌的灭活效果（图2A，表1）；275纳米UV-LED照射总剂量为24毫焦耳/平方厘米时，大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌的数量分别减少了6.9、6.2和6.6对数CFU/mL（图2A）。在20毫焦耳/平方厘米的照射剂量下，大肠杆菌 O157:H7的数量降至检测限以下，而

讨论

首先在PBS中评估了275纳米UV-LED照射对这三种病原体的杀菌效果。在24毫焦耳/平方厘米的照射剂量下，所有三种病原体均被有效灭活，其灭活程度与剂量呈依赖关系。Kim等人（2017b）报告称，在初始菌量为5–6对数CFU/mL的蛋白胨水中进行275纳米UV-LED照射时，大肠杆菌 O157:H7的数量减少了

结论

总体而言，我们证明了275纳米UV-LED照射能够在PBS中有效灭活三种主要的食源性病原体：大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌》，且这种灭活效果与剂量有关。大肠杆菌 O157:H7、沙门氏菌 enterica和单核细胞增生李斯特菌的灭活行为表明，它们的UV敏感性取决于菌株，主要与DNA的光损伤程度相关，尤其是CPD的形成。尽管在苹果表面的效果不如在PBS中显著，

CRediT作者贡献声明

Yuk Hyun-Gyun：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。Choi Won-Seok：方法学、实验研究、数据分析。Pang Xinyi：撰写 – 审稿与编辑、方法学、概念构思。Kang Hyemi：初稿撰写、方法学、实验研究、数据分析

未引用参考文献

Brackett, 1994; Burnett and Beuchat, 2000; Kim and Kang, 2020; Ministry of Food and Drug Safety, 2021; Piagentini and Pirovani, 2017.

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中昂大学在2024年的研究资助。