臭氧在糧食與食品儲藏中的應用
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摘要
用O3對食物進行儲藏的工藝和應用是在日本、澳大利亞與法國率先采用的。在美國，任何與食品有關的化學品和物質均定義為食品添加劑，而食品添加劑的管理權轄屬為美國食品與藥物管理局（FDA）。直至1997年，FDA僅批準臭氧應用于瓶裝水及其生產線消毒。為成功打開FDA在食品加工工業廣泛應用臭氧的封鎖線，電力研究院（FPRI）組織了食品界的科學和技術專家委員會，搜集并評估O3應用于食品儲藏可靠性的背景，現狀與前景。該委員會發布明確公告：臭氧儲藏食品屬于“GRAS”狀況，即“一般認為安全”（注：美國食品上的官方標簽），該委員會的報告已發表在科學雜志上（Graham等，1997），并在FDA備案。這些以及FDA放棄了GRAS申請（美國FDA，1997），成為在美國食品加工業廣泛使用O3的基礎，本文敘述了EPRI專家委員會調研考察的重要成果和討論新章程的情況，以及美國O3與食品加工業的現狀。
簡介
1996年，電力研究院成立了食品和臭氧技術專家委員會，總結、論述和評估臭氧應用于食品工業的文章，旨在推薦根據良好制造法對不同食品進行保存的臭氧安全性，該委員會的意見發表于1997年（EPRI，1997）。Rice等（1997年）摘要該委員會的發現和推薦意見如下。
1997EPRI專家委員會報告（EPRI，1997）
臭氧應用于食品業的早期研究
雖然1840年Schonbein發現并命名了臭氧，但很晚才應用于食品加工業，據1953年Kuprianoff報告，1909年在德國科隆臭氧用于肉類冷藏，這是已知臭氧作為食品保鮮劑的早期實例。1924年氣態臭氧開始用于食品業。1924年Hautman“冷藏時臭氧成功阻止了細菌滋生”（P.724），“相對濕度88%～90%時存蛋，臭氧阻止生成霉菌”（P.725）。Hartman總結說，臭氧“在冷藏方面有很多用途，日新月異，成效明顯”（P.725）。
Gane（1933，1934，1935，1936）發現，將成熟的香蕉暴露于1.5ppm和7ppm臭氧中，香蕉呼吸并不產生變化，并有效減緩了香蕉成熟速度，但香蕉必須不處于快速成熟期。1936年Kaess報告，肉類置于10mg/m3臭氧中三小時，（3℃，90%相對濕度=RH）延滯了細菌生長，但處理三天后，新切下的肉產生褪色。1936年Klotz發現，臭氧能阻止產生導致桔類水果腐爛的細菌。同年，Salmon和LeGall發現，新鮮魚類置于臭氧處理的冰中，其儲藏時間幾乎能延長兩倍。
1939年Kaess和Kimei研究了CO2空氣中和臭氧空氣中的蛋類冷藏。0℃80%～90%RH，蛋類持續置于2.5mg/m3臭氧6個月以上，不產生細菌或霉菌。但RH增高時，冷藏的雞蛋上發現了青霉菌。
1950年Ewell總結了食品保鮮方面的臭氧應用，“臭氧重要的用途是在蛋庫中”，減少因儲藏冷氣而產生的萎縮和污染?！俺粞踉谫愡_乳酪成熟時在抑制霉菌生長方面無與倫比”，“臭氧，至少在戰前，在歐洲的儲肉間里廣泛應用”。如1985年Imroth所述，瑞士Wohlen一個大型BraunwalderAg廠至今仍延用該方法。
1951年Wiberg說，“臭氧技術得以應用，如清潔空氣和消毒，包括劇院、學校、醫院、冷房、肉類包裝廠和釀酒房等地點”。1985年Horvash、Bilitzky和Huttner說，據文獻載，1909年在科?。ㄒ患胰忸惣庸S）臭氧開始應用于食品儲藏方面，特別是在低溫儲藏中，“在歐洲幾家主要肉類加工廠，臭氧應用日益廣泛”。1985年，Horvath等引用早期實例，說明臭氧的有益用途，如儲藏梨、花椰菜、土豆（臭氧完全阻止了疫霉屬感染原生長）和肉類，在后例中，臭氧的殺菌效果局限于肉食表面，"如果儲存在10～20mg(O3)/m3臭氧氣中，牛肉保存期能延長30%～40%。
EPRI報告的主要發現：
1、臭氧化水在食品業的應用
魚類和貝類儲存
1929年，Violle在有不同細菌（傷寒沙門氏菌、大腸桿菌等）的臭氧化海水中進行實驗，發現消毒效果與在新鮮水中相同。進一步實驗顯示，將貝類置于臭氧化水中并不影響其味道、“源生質”和外表。因此Violle總結，水的預臭氧化是貝類潔化的合適方式。1936年Salmon和Le Gall繼續研究，發現儲存在臭氧冰中的新鮮魚類12～16天后仍可食用，而儲存在（次氯酸）消毒了的冰中的魚類很可能在8天后，即不宜食用，用臭氧化的水洗滌魚類增加其儲藏時間5天。他們又研究了牡蠣、貽貝和其它多種貝類，先在海水中洗滌，再在臭氧化的海水中凈化若干時間。據作者說，實驗條件“（比violle）更接近工業應用”。實驗結果表明，臭氧化水消毒被污染貝類的速度比一般對照樣品快。Salmon和LeGall（1937）提到公眾強烈要求地方和聯邦政府批準臭氧消毒法；并指出Le Havre每日消毒清洗2,000公斤貝類，而在Boulogne-sur-Mer，該數量達6,000公斤。
在1963年至1979年的一系列文章中，Fauvel再次研究了該項實驗（Fauvel1963，1972，1977，Fauvel等，1977）。在1963年論文中，他分別研究了氯氣和臭氧對沾有大腸桿菌的貽貝和蛤子的降解污染效果，發現冷藏多次后，肌肉和瓣狀間液體大腸桿菌下降的程度臭氧都高于氯氣。1972年論文中，Fauve注意到臭氧化過程已“投入生產，在地中海邊的一個清洗站已使用，在Dauphin at Sete”；他還研究了17組蛤子和16組貽貝，評估了Sete操作。貝類動物肌肉和瓣狀間液體在加入臭氧化海水之前和24小時實驗后均檢測了大腸桿菌，污染程度高的蛤子（50,000～75,000E.coli/升），至少需4天才能達到同樣效果，這是Fauvel1977年研究結論，所需臭氧用臭氧發生器的產率來估算；水含2,000～5,000 E.coli/升，投加量為1.50～2.10g/m3（注：“投加量”比“濃度”更貼切，因臭氧分解快，而濃度僅定義于穩定狀態下）。Fauvel等（1979）描述了Cote Bleue貝類凈化實驗，實驗研究表明，臭氧加入水中后，迅速與溴化物離子及其它物質反應，形成活性溴化復合物。Fauvel使用極譜法，未發現溴酸鹽離子。
后期魚類和貝類處理研究包括墨西哥La Paz水產養殖場比較用臭氧和氯氣進行扇貝凈化，兩者均有效，總菌數減少90%～94%（Blogoslawski和Monasterio，1982）。在兩次實驗中，臭氧比氯氣稍有效（范圍都在0.5～3.0mg/L）。Chen等（1987）研究了臭氧作用于含有9個菌種（包括大腸桿菌,假單胞菌屬綠膿桿菌和傷寒沙門氏菌）的小蝦。在初期實驗中，沖洗1小時小蝦肉加入2%含5.2mg/L臭氧的鹽液后，大腸菌減少98.5%。進一步研究表明，鹽溶液臭氧化比含有機復合物的水更有效，肌肉臭氧化后，未發現變質（chen等1992）。Dewitt等（1984）研究了儲藏于臭氧化冰并用臭氧化水（濃度未指明）洗滌后的未去皮的小蝦。樣品儲藏18天后，儲藏于現場制作的冰“約延長1～2天儲存期“，但總體上的臭氧化冰中儲存優勢并不明顯（蝦皮阻止臭氧接觸蝦肉，導致臭氧不發生作用）。但Haraguchi等（1969）把去除內臟的魚類在0.6mg/L臭氧3%NaCl溶液處理30～60分鐘，計算表面的存活細菌數，研究了23種微生物（包括葡萄球菌、桿菌、大腸菌、假單胞菌屬、弧菌屬、曲霉菌屬等），總數減少至對照魚的1/100-1/1,000。
概括說，貝類經臭氧化海水處理后，純凈速度加快，法國已實驗多年。Blogoslawski等對此進行了研究，新實驗表明，海水經臭氧處理后，小蝦幼蟲中孤菌屬細菌量降低。比如，0.17mg/L總氧化殘存物加入臭氧后，原細菌總數由TCBS中的10-1減至不可測出。很明顯，在濃縮液中，臭氧加入海水，與海水溴離子迅速反應，溴化物氧化程度更高，包括hypobromous酸。
在各種情況下，結果證明貝類的危險比人類消毒要求更低，用新鮮的臭氧水清洗鮮魚，能減少微生物數量，延長該產品儲藏時間；臭氧化水至少與氯化水同樣有效。但臭氧化（或氯化）冰并不能大量增加新鮮魚類的儲藏時間，原因大約是制造和/或儲藏冰的過程中丟失了活性臭氧。
水果和蔬菜
若干試驗研究了用臭氧化水處理水果和蔬菜的效果，食品科學文獻對此作了報道。Kondo等（1989）觀察到，白菜在6℃下用臭氧化水（2.3mg/L）處理60分鐘后，細菌數減少達90%。Spott和Cervantes（1992）在食品加工廠實驗中，比較了經臭氧化和氯化水處理的梨子的孢子抑制，發現在抑制鏈狀孢子菌、分枝孢子菌和青霉菌類方面，臭氧可與氯化作用相媲美。
家禽
處理和循環利用水清洗家禽肉也進行了大量的研究，美國農業部（USDA）已批準該法投入商業使用，前提是臭氧不直接接觸家禽肉（USDA1997）。Chang和Sheldon（1989a）報告，過篩、硅藻土過濾和臭氧化相結合，產生了高質量的水，總微生物數量（大腸菌數、埃希桿菌和沙門氏菌）減少99.9%（該實驗未測量水中臭氧量）。
2、氣相臭氧在食品業的應用
氣相臭氧為強氧化劑/消毒劑，并在除臭和表面消毒方面，比其它方法更優越。在消除有機微生物方面，它比其它替代品更有效；可現場生成，并且不必運送或儲存氯氣等有害物質；不產生重要的氯化衍生物；過量的臭氧可分解為氧氣。但這是有毒性氣體，必須保護工作人員不受侵害。顯然，輪船上儲存食品已使用臭氧。針對不同水果，目的也不同；防止過早成熟，防止變味或臭味，防止霉菌和腐爛（丹麥Ordup Maskin-Import公司文獻，約1988年）。
1953年，Kuprianoff總結了用氣態臭氧冷藏處理水果（漿果，蘋果，梨，香蕉和柑橘）的優越性，概要如下：
※ 用臭氧進行水果保鮮的有效性取決于臭氧濃度、處理時間、相對濕度和溫度；
※ 用臭氧殺真菌比殺細菌性能強；
※ 似乎存在臭氧有效性的適合范圍。在臨界值（ca.0.2mg/m3空氣）下，細菌加速生長，而濃度過高，水果發生變色，表皮損壞；
※ 臭氧作用于水果表面，因此必須裝箱時，應使含有臭氧的空氣可以自由循環；
※ 冷藏處理水果，臭氧成本較低。
關于臭氧延長食物儲藏期的近期研究
若干近期研究證實，食品儲藏和運輸過程中進行臭氧/空氣處理具有優越性。Barth等（1995）對無刺黑莓進行臭氧處理，防止真菌腐壞。收獲水果后，在2℃下0.0、0.1、0.2、0.3ppm臭氧中儲存12天，然后研究真菌腐壞（Botrytis cinerea anthocyanines）顏色和過氧化反應，12天中臭氧儲存抑制了真菌生長，而20%對照水果有腐壞跡象。處理后水果受損或疵點并不明顯。Saring等（1996）顯示，經低劑量臭氧（0.1mg/g水果）處理20分鐘，葡萄上的真菌酵母和細菌減少，但臭氧劑量高時，水果有少許損傷。
Naito和日本同事進行了類似試驗，在一次試驗時，該組證實臭氧接觸谷物，在低溫，足夠濃度（5ppm）條件下，臭氧作用大。在類似試驗中，Naito和Nanba（1987）顯示，谷物、豆類和調味品經臭氧處理，硫胺發生了小的無足輕重的減少。Naito等（1988）還顯示，臭氧處理降低了這些產品的桿狀菌和球狀菌量。儲藏過程中進一步降低，儲存時間更長。面粉和日本面條經處理后產生同樣功效（Naito，1989），在這些產品中，核黃素沒有顯著變化。0.05～5ppm臭氧在10℃和30℃儲存60天后，燕麥類、谷物粉、小豆類和大豆類的類脂物含量沒有變化，但大劑量處理后，大豆粉和燕麥粉的類脂物含量有一定變化。
Gabriel yants等（1980）顯示，5～7mg/m3間歇性處理乳酪，每2～3天處理4小時，4個月中沒有霉菌生成，對照僅1個月后就發現霉菌。
Dondo等報告（1992），冷凍儲藏進行臭氧處理，穩定了牛肉表面細菌數，降低了魚類表面細菌數，Kaess和Weidemann在澳大利亞（1968）對牛肉肌肉切片進行了類似研究，在空氣中進行0.15～5.0mg/m3臭氧處理，顯示枝霉屬菌和青霉屬菌遲滯期更長，對假單胞菌屬和斯柯尼念珠菌抑制效果很明顯。
總之，若干細致對照實驗證實了早期的實際應用，表明應用臭氧氣體延緩水果、蔬菜和肉類表面的有機微生物生長，從而延長儲存期。有效濃度下，多數食品質量未受臭氧處理影響，但通常高于50ppm(mg/m3)時，發生表面損傷和變色，尤其水果和肉類比較明顯。必須注意保護工作人員不受過量臭氧侵害。
室內肉類加工設備消毒
在控制室內肉類加工設備消毒方面，臭氧是甲醛及其它熏劑的替代物。1995年Hoalh等評估了空氣消毒的不同方法，包括化學霧化法（化學品不定）、紫外線和臭氧，在玻璃錐形試瓶中，使用了不同方法檢測殘存微生物，包括沉淀于金屬條上，瓊脂作用和沖擊作用。作用于空氣中有機微生物時，臭氧即有效又可再生。Naitoh（1989）顯示，在一個糖果廠中，臭氧作用“大大抑制”了蛋糕制造設備中大腸菌群細菌、小球菌和酵母生長；在糕餅廠中，大腸菌群也受到抑制。同樣，Naito和Yamezawachikuwa（1989）顯示，chikuwa廠中，臭氧作用降低了空中有機微生物含量。
Greene等(1993)顯示，不銹鋼盤置于培養RHT-馬氏消毒箱，盤內接種螢光假單胞菌或Akaligenes faecealis的牛奶奶膜細菌數減少99%，臭氧化和氯化水有相同作用。細菌密度為104～106cfu/cm2。
臭氧加工食品的營養性
關于此題，專家委員會認為“臭氧氧化性很強，有潛力根據濃度和時間不同，減少不穩定營養物的含量。因臭氧僅影響食物表面，用于食品保護的臭氧濃度小。面粉和多葉蔬菜等表面積大的食品，受臭氧作用較大。對其它食品氧化保鮮法反應很不穩定的營養物，如維生素C和B1，受臭氧影響也很大”。
臭氧處理食品的安全性和毒性
臭氧毒性在試管中和人體均有廣泛研究。在動物和人體上，主要暴露途徑為吸入法。臭氧即無誘變性也不致癌（雖然某些資料顯示它可導致少許腫塊），但它刺激呼吸，可能影響呼吸功能。臭氧在水中半衰期短，因此不易吸收，臭氧產品的安全性也為歐洲和美國長期使用臭氧生產飲用水所證實，也同樣為日本，法國和澳大利亞食品和加工方法所證實。資料顯示，臭氧處理食品時形成的臭氧副產品與水經臭氧處理以適宜適用的形成物相同。一般來說，這些副產品對人體健康不構成威脅，但還需要更多有關臭氧處理食品副產品的資料。
研究表明，18種氨基酸和10種冷凍干化的糖化物經臭氧（臭氧含量110～120ppm，1～5小時的周期）處理測試，不產生誘變物（1992，Naitoh）。
該文提示，食品經臭氧處理形成的臭氧產品與臭氧處理水形成的產品類似。雖然資料有限，但已有的材料并不顯示大的健康問題。有下列論點：
1、動物持續、長期的吸入試驗顯示臭氧不致癌（NTP，1995）；
2、18種氨基酸和10種冷凍干化的糖化物經臭氧處理1～5小時，未測出誘變物（Naitoh,1992）；
3、臭氧與不飽和脂肪酸反應的主副產品是乙醛、酮和過氧化氫（Kozumbo等，1996）；
4、臭氧化酪蛋白的生物價值可與未處理酪蛋白相比，雖然臭氧化飲食的消化性低于天然酪蛋白飲食。缺少某些氨基酸導致了喂食臭氧化酪蛋白老鼠的反新陳代謝作用，而并非由于有毒復合物積累所致；
5、日本和澳大利亞對臭氧作為加工食品媒介使用沒有數量限制。發表于1995年的法國標準核準使用臭氧漂白魚類肉髓質部分（法國，1995）。
日本、澳大利亞和法國的臭氧政府規則和法案：
在日本，臭氧歸類于“已存在添加劑名單”，該名單產生于1995年，等同于美國GRAS名單，但沒有限制使用特定成分（日本，1995a，1996b，1996）。同樣，1996年澳大利亞食品標準法案包括使用臭氧為“食品加工適當輔助”，加工食品可用的上限量未指定，意味著加輔助物發揮有效技術效能的下限實際用量（澳大利亞食品標準法案，1996）。1995年法國公開的臭氧規則特別核準，臭氧在水溶液中可漂白魚類肉髓質部分（法國，1995），代表了統一歐共體其它國家消費和凈化方面規則的努力方向。
EPRI聲明：在美國利用臭氧處理食品"一般認為安全"規定（GRAS）
EPRI專家委員會評估了有關資料，結論如下：
目前資料證明，臭氧用于清潔和消毒食品安全；按照《良好制造標準》數量和作用方法清潔和消毒食品，臭氧符合一般認為安全標準（GRAS）。
1997年中期美國的臭氧在加工食品GRAS方面公開聲明，以及FDA對該聲明的新立場，預計將大大開發臭氧在病因及其它許多國家（這些國家參考FDA標準）食品業的應用潛力，這已為許多國家的實例所證實。該聲明為臭氧技術的里程碑。僅去年，EPRI在全美國多次舉辦講座，解釋GRAS聲明的意義和在農業和食品科技方面的作用，評估臭氧技術的價值，正在進行各種研究，探索臭氧用途，提高食品質量，并改進食品加工技術。
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