臭氧微納米氣泡在食品殺菌中的應用展望
日期：2025-07-31 來源： 鴨高創(chuàng)咨詢公眾號
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食品安全直接關(guān)系到每個人的身體健康和生命安全,不僅關(guān)乎個體的福祉，也是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟繁榮和公共衛(wèi)生的重要基石，對于保障人民的幸福生活和國家的長治久安具有不可替代的重要作用。食品滅菌處理是保障食品安全的重要手段之一。同時，隨著食品安全升級也促使著殺菌技術(shù)和方法的不斷發(fā)展和改進，對于殺菌效果的要求也越來越嚴格。不僅需要消滅微生物時確保不產(chǎn)生新的有害物質(zhì)，還要盡量減少對食品營養(yǎng)成分、口感、色澤等方面的不良影響。
當前食品殺菌常用的消毒劑主要包括次氯酸鈉、過氧化氫、過氧乙酸、季銨鹽類等。隨著食品企業(yè)出口需求愈加強烈，很多化學消毒劑已不適合在食品端使用，而臭氧作為新型、綠色環(huán)保消毒劑也已逐漸應用在食品端各個場景，保障食品安全。臭氧在食品殺菌中有多種應用，主要包括以下方面：
（1）水處理：可用于常規(guī)飲用水的殺菌，能殺滅水中99.99%以上的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌，還能除去水中異味、降低濁度、減少有毒有害物質(zhì)并提高水質(zhì)。在灌裝水生產(chǎn)過程中，使用較低濃度的臭氧即可滿足殺菌要求，臭氧會分解為氧氣，同時提高灌裝水中的含氧量。此外，也可應用于食品加工用水和食品加工生產(chǎn)中廢水的循環(huán)再利用，起到殺菌消毒、脫色、除臭、降低渾濁度等作用。
（2）果蔬保鮮：臭氧能快速分解果蔬自身代謝產(chǎn)生的乙烯氣體，降低其代謝速率，減緩生理老化過程，從而實現(xiàn)果蔬的保鮮。它廣泛應用于果蔬采摘后的貯藏、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，包括入庫前的庫房消毒、果蔬在產(chǎn)地區(qū)冷庫預冷期間的殺菌及貯運期間的防腐保鮮。另外，臭氧可以降解果蔬農(nóng)殘，其極強的氧化性可破壞含有磷氧雙鍵、碳碳雙鍵或苯環(huán)結(jié)構(gòu)的農(nóng)藥化學分子結(jié)構(gòu)，使其分解生成無毒性的小分子結(jié)構(gòu)化合物，這些小分子化合物大都為水溶性，可用水沖洗除去。
（3）肉制品加工：使用臭氧對分割肉、熟食的原料肉和成品進行殺菌，可大大減少原料肉和成品中的病菌含量，分解肉類食品中的激素含量，保證產(chǎn)品質(zhì)量并延長保鮮期。臭氧對處理分解肉的沙門氏菌污染問題也有極佳的效果。
（4）水產(chǎn)品保鮮：利用臭氧處理魚類等水產(chǎn)品及其加工品，對其中存在較多的大腸桿菌、霍亂菌等革蘭氏陰性菌有很好的殺滅效果，而且能保持魚貝類的鮮度，并有效分解水產(chǎn)品加工過程中的特殊臭味。
但臭氧技術(shù)也有自身的局限性：
（1）臭氧在空氣中或水中的溶解度有限，導致其作用時間和范圍相對受限；
（2）臭氧容易分解，難以長時間維持有效濃度，需現(xiàn)制現(xiàn)用。
微納米氣泡技術(shù)（MNBs）是指將氣體分散在溶液中，形成的微米級（＜100μm）和納米級（＜1μm）的微小氣泡顆粒。
微納米氣泡理化特性[1]：
不同尺寸大小的氣泡擁有不同的性質(zhì)。相較于普通大氣泡，MNBs具有比表面積大、在水中留存時間長、氣液傳質(zhì)效率高、Zeta電位高以及破裂后產(chǎn)生羥基自由基等特點。
（1）比表面積大
MNBs的比表面積定義為氣泡的表面積與體積之比，MNBs的直徑越小，比表面積越大。由于比表面積的大小影響MNBs的氣液界面面積和穩(wěn)定性，因此是保持MNBs穩(wěn)定性和功能性的重要物理參數(shù)。
（2）留存時間長
MNBs在水中的浮力Fb可以根據(jù)浮力公式計算。在溶液中，氣泡直徑越小，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時間較長。
普通大氣泡與微納米氣泡上升過程的比較
（3）傳質(zhì)效率高
根據(jù)氣液界面表面張力理論，氣泡直徑越小，表面張力對氣泡的影響越明顯。溶液體系內(nèi)，MNBs內(nèi)部壓力與氣泡直徑或大小的關(guān)系如下，MNBs的直徑非常小，從而受到較大的表面張力，使其直徑不斷縮小，并使氣泡內(nèi)部壓力增大。當收縮過程達到某個極限值時，氣泡內(nèi)部氣壓將趨于無限大，最終導致氣泡溶于水或破裂。在此過程中，因為MNBs具有較大的比表面積，即使水體中氣體溶解率達到過飽和狀態(tài)，仍可實現(xiàn)氣液傳質(zhì)并具有較高的傳質(zhì)效率。
（4）Zeta電位高
Zeta電位是膠體粒子在電場作用下運動時，在滑動或剪切面上的電動勢，是關(guān)系到膠體體系穩(wěn)定性的重要粒子表面特性。研究結(jié)果表明，水中MNBs表面主要是以O(shè)H-為主，因此帶負電荷。當MNBs收縮時，氣泡表面離子的吸附和內(nèi)表面反離子的產(chǎn)生共同作用形成高界面Zeta電位。當Zeta絕對值較高時，MNBs表面電荷產(chǎn)生的排斥力抑制氣泡的聚集，從而使得液體體系中MNBs具有高度穩(wěn)定性。
（5）羥基自由基的生成
MNBs破裂瞬間產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基具有非常高的氧化還原電位，因此MNBs具有很強的殺菌能力。由Young-Laplace方程可知，MNBs的內(nèi)壓遠高于大氣壓，在氣液界面因氣泡破裂而消失的瞬間，積聚在氣液界面上的高濃度帶電離子瞬間釋放出大量能量，進而產(chǎn)生羥基自由基。
臭氧微納米氣泡技術(shù)（OMNBs）是應用一種將臭氧與微納米氣泡相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，可提高臭氧在水中的溶解度，并極大減少臭氧的損失，從而提升臭氧的處理效率。該技術(shù)具體優(yōu)勢如下：
（1）臭氧溶解度的提高
傳統(tǒng)的臭氧化主要通過臭氧在水中的溶解，但是會使臭氧大量逸出導致消耗量非常大。當MNBs用于溶解臭氧時，臭氧的溶解量會有明顯的提高，因此臭氧的殺菌能力也會有明顯的增強。有研究發(fā)現(xiàn)，在氣泡產(chǎn)生30min內(nèi)，MNBs中臭氧的溶解濃度最高值達到（10.09±0.09）mg/L，而毫米級氣泡中臭氧的溶解濃度最大值為0.64mg/L。
（2）臭氧化負面效果的抑制
溫度的升高會降低臭氧在水中的溶解度，低pH值條件下臭氧化效率也會受到抑制，而MNBs能夠抑制pH值和溫度對臭氧化效率的負面影響。研究顯示，溫度從19℃升高到25℃時，與傳統(tǒng)臭氧化相比，臭氧在納米氣泡中的溶解度增加；在酸性條件下，隨著pH值的升高，OMNBs體系中產(chǎn)生的羥基自由基比傳統(tǒng)臭氧化更多。
（3）臭氧傳質(zhì)系數(shù)的增強
MNBs曝氣相較于大氣泡可以增強臭氧的傳質(zhì)系數(shù)。有研究結(jié)果表明，納米氣泡曝氣的臭氧傳質(zhì)系數(shù)為0.179min-1，溶解的臭氧濃度為13.4mg/L，分別是大氣泡曝氣（0.038min-1和7.9mg/L）的4.7，1.7倍。還有研究發(fā)現(xiàn)，在0-10min，臭氧在微米氣泡體系中的傳質(zhì)系數(shù)是0.0234min-1，而在傳統(tǒng)的大氣泡體系中是0.0055min-1。
（4）臭氧半衰期的延長
MNBs可以有效延長臭氧在水相中的半衰期。最近的一項研究表明，臭氧在納米氣泡體系中的半衰期是大氣泡中的23倍。臭氧半衰期延長的原因可能是因為氣泡的排斥理論。
所以MNBs的利用可以提高臭氧的溶解度并極大地減少臭氧用量，顯著增強臭氧的利用效率。OMNBs技術(shù)克服了臭氧殘留、殺菌能力弱和臭氧溶解度低導致臭氧使用量大的缺點，有效降低臭氧殺菌工藝的運行和維護成本，并且臭氧用量大幅降低，比傳統(tǒng)技術(shù)也更加環(huán)保。
但目前OMNBs的研究處于起步階段，還存在較多欠缺：
1.OMNBs的特性與氣泡尺寸密切有關(guān)，因此開發(fā)數(shù)量和尺寸精準的制備方法尤其重要；
2.需要開發(fā)MNBs的快速表征方法，以快速檢測MNBs的數(shù)量和尺寸；
3.雖然臭氧微納米氣泡技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于污水處理、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域，然而在食品殺菌領(lǐng)域的研究和應用還比較少。有必要進一步探索OMNBs在食品殺菌領(lǐng)域的應用，進一步研究其作用機理。OMNBs技術(shù)在食品殺菌領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的潛力，有待進一步研究。
[1]部分引用于“臭氧微納米氣泡在食品殺菌中的應用”，作者：周輝等人，2023年發(fā)表于包裝與食品機械雜質(zhì)。