LED は、空気殺菌、水処理、表面汚染除去、硬化に応用されています。 200-280 nm (UV-C), 280-320 nm (UV-B), 320-400 nm (UV-A and near UV-visible, NUV-Vis), および 400-470 nm (Blue light) の範囲の波長の光が、それらの抗菌効果を理解するために研究されてきました。 長波長である赤外線や赤色光（630-1000nm）は、光線療法、染色、コーティングの硬化、インクの硬化などの用途に使用されている。 ランプから放射される光エネルギー、特にUV-C領域の抗菌効果については、よく知られている . ほとんどのLED研究は、水の殺菌のためのUV-C LEDのアプリケーションに焦点を当てています。 しかし、365nm、395nm、455nmなどの波長で発光するLEDのアプリケーションは、食品加工や水処理に出現しています。

LED Treatment of Solid Foods

LED treatment of solid foodsの効果は、食品と成分の種類と性質、水分活性（Aw）、食品表面の形態によって決まります。 また、光の波長、処理時間、線量、照明温度、相対湿度、微生物学的パラメータなどのパラメータも重要である。 すぐに食べられる新鮮なカットフルーツは、市場での需要が高い。 これらの製品は冷蔵庫で保管されるが、低温では耐性菌の増殖が制限されるものの、耐性菌の影響を受けやすい。 LEDはこのような製品において有望な抗菌効果を示すが、その抗菌効果は製品の種類、成分、処理温度、環境条件など多くの製品やプロセスパラメーターに影響される。 405nmの光を発するLEDは、サルモネラ菌を接種した生鮮パパイヤにおいて、1～1.2 log CFU/cm2 (colony forming units per cm2) の減少を引き起こした。 パパイヤは、設定温度4℃で48時間、合計1.7 kJ/cm2照射された。 大腸菌O157:H7、L. monocytogenesの3つの血清型、Salmonella spp.の5つの血清型の3株カクテルにおける細胞数は、1以下まで減少しました。2.6-3.5 kJ/cm2の総量で36-48時間処理したところ，カクテル培養中の大腸菌O157:H7とサルモネラは4℃と10℃の36時間処理で検出限界以下まで減少し，LEDの抗菌効果が細菌の種類に依存することが分かった。 可視光LED処理によるフレッシュカット果実の殺菌効果も研究されている。 Ghateらは、S. Entericaのカクテルに感染したフレッシュカットのパイナップルに対して、異なる照射温度と照射量で460nmのLEDの抗菌効果を試験した。 照明温度16℃、照度92mW/cm2で最大1.72 log CFU/gの減少が達成された。 照射量を変化させても、不活性化に対する影響は軽微であった。 4293>

軟体動物やカニなどの海産物は、タンパク質やその他の栄養成分を豊富に含んでおり、汚染や加工前・加工後の多くの原因により微生物汚染を受けやすい。 非加熱抗菌技術として注目されているLEDは、汚染された魚介類に対してテストが行われています。 Josewinらによる研究では、リボフラビン光増感剤と青色LED（460 nm）の有効性が、L. monocytogenesの4株カクテルを接種したスモークサーモンで研究されました。 LED（15 mW/cm2）とリボフラビン（100 μM）の相乗効果により、周囲温度4℃と12℃でそれぞれ1.2および1.1 log CFU/cm2の減少が見られた。 魚介類のLED処理は、その後の酸性条件に対して影響を受けやすくする可能性がある。 これは、L. monocytogenes と Salmonella spp.のカクテルを接種した調理済みサーモンの研究において報告されました。 405 nmのLEDを8時間、総量460.8 J/cm2で処理すると、4℃および12℃でL. monocytogenesの細胞数が0.4および0.3 log CFU/cm2減少し、サルモネラ菌は0.5 log減少しました。 不活性化率は低かったが，両菌とも無処理試料と比較してD値（模擬胃液中で90%減少させるのに必要な時間）が減少し，処理試料は模擬胃液に対してより感受性が高いことが確認された． しかし、この効果は両菌株で異なり、サルモネラ菌（グラム陰性）はL. monocytogenes（グラム陽性）よりも感受性が高かったことから、処理はグラム陽性とグラム陰性の細菌を差別的に不活性化したことが示された。

水分を多く含む調理済み肉製品は、食用病原菌による汚染を非常に受けやすくなっています。 食肉を調理すると病原菌は死滅するが、食肉の栄養価も低下するため、最適な調理時間と最適な調理温度を選択することが課題となっている。 Kimらは、405nmの光を発するパルスLEDを用いて、調理済み肉に接種したS. Enteritidisへの影響を測定しました。 4℃で3.8 kJ/cm2の総照射量により、0.8～0.9 log CFU/cm2の減少が見られた。 室温での同様の実験では、S. Enteritidisはより少なく減少した。 LEDシステムは、目的の要件に応じて、連続的またはパルス的な処理を行うように設計することができますが、処理効率は設計に基づいて異なる場合があります。 この点は、ホワイトマッシュルームと市販の調理済みソーセージについて行われた最近の研究で報告されています。 大腸菌O157:H7、S. Typhimurium、L. monocytogenesを含む3株カクテルに対して、周波数20Hz、デューティ比50%のパルスUV-C LED処理は連続処理よりも優れた抗菌効果を示しました。 連続処理では2、1.5、2ログ減少したが、5J/cm2のパルスLEDでは、調理済みソーセージにおいて、大腸菌、サルモネラ菌、リステリア菌がそれぞれ3、4、4ログ減少した。 ホワイトマッシュルームでは、連続照射で2、1、1ログ減少、パルスLEDで2、1.5、1.8ログ減少の結果が得られた。 4293>

北米では、チーズの細菌汚染に起因する疾病が多数報告されています。 チーズ製品に高い水分が含まれていると、食中毒の病原菌の増殖や生存が助長されます。 パルスLED処理は、これらの製品を汚染除去する可能性を持っています。 スライスしたカマンベールチーズについて行われた最近の研究では、波長266 nmの光を発するUVC LEDにより、大腸菌O157:H7、S. Typhimurium、L. monocytogenesのカクテルを含むカマンベールチーズのログ減少がそれぞれ 4.88, 4.72, 3.52 と確認されました。 また、より波長の高いUVC LED処理（266～279 nm）では、大腸菌O157:H7とサルモネラ属菌で4～5 logの減少を示した。 4293>

ドライナッツ、シリアル、ペットフード (aw < 0.85) などの低水分活性 (aw) 食品への汚染は、繁殖した微生物が除染努力に対していずれ耐性を獲得するため、世界的な懸念事項となっています。 食中毒菌は休眠状態で長期間生存し、好環境にさらされると活動を開始する。 低 aw 食品における LED 処理の抗菌効果に関する研究は限られているが、実施された研究は有望な結果を示している。 Lacombeらは、殻付きアーモンドを405 nmのLEDで処理し、大腸菌O157:H7、S. Typhimurium、大腸菌K12、S. Enteritidisにおいてそれぞれ2.44、0.96、1.86、0.7 log CFU/gという最大の減少を達成しました。 異なる波長（275、365、395、455 nm）の光エネルギーを用いた水分活性の低い食品のLED処理による抗菌効果を向上させるために、さらなる研究が必要である。 固形食品のLED処理の結果を表2に示す。

食品の表面特性はLED処理の不活性化効果に影響を与える。 ホワイトマッシュルームとソーセージに対するUV-C LEDの効果は様々で、食品マトリックスへの光の透過が限られていることが原因であると思われた。 しかし、グラム陽性菌の除去に、グラム陰性菌の除去よりも高いLED照射量が必要であった理由は不明である。 細菌の不活性化は、デューティ比を上げることで改善された。 可視光領域では、461 nmのLEDが521 nmや642 nmのLEDよりも優れた細菌不活性化効果を示した。

LED Treatment of Liquid Foods

Liquid Foods such as beverages are vulnerable targets for pathogenic contamination because its high aw and carbohydrate composition.The treatment of lighting temperature based and the wavelength of the LED used in the treatment.飲料などの液状食品は、その高い泡と炭水化物組成から、病原菌による汚染に対して脆弱です。 一般に、液体食品には、保存期間を延長し、微生物の増殖を抑えるために化学的防腐剤が添加される。 しかし、無添加食品に対する需要の高まりと、安全な食品成分に対する消費者の関心の高まりから、病原体を減少させる物理的手段としての紫外線などの処理が、液体食品において広く研究されています。 水銀灯、エキシマランプ、マイクロ波ランプなど、さまざまな光源から発生する幅広い波長の紫外線による、リンゴ酒、ジュース、ビール、牛乳などの液体食品の殺菌効果について研究されてきた。 大腸菌、C. parvum oocyst、S. cerevisiae、L. innocua、酵母、カビなどの一般的な食中毒病原体が研究対象とされています。 LEDは可視光、UVA、UVB、UVCなど幅広い波長域で光を発することができるため、その抗菌活性はいくつかの液体食品に適用されています。

LED処理による液体食品の抗菌効果に関する研究は、主にアップルジュース、オレンジジュース、ミルクに焦点が当てられています。 水と比較して、液体食品は顔料、繊維、不溶性粒子を含む複雑なシステムであり、液体食品の濁りや色はLED処理の抗菌効果に影響を与える可能性があります。 Lianらは、UVA-LEDを使用して、大腸菌DH5αを植え付けた着色溶液とオレンジジュースの両方で殺菌活性を評価した。 カロテノイド、フラボノイドのカルタムイエロー、メロンカラーLとグレープカラーRCGの混合着色料を、大腸菌DH5αと0.001～0.1%の濃度で調合し、126J/cm2のUVA-LED光で処理した。 このエネルギー量は、特に365nm、395nm、455nmのLEDでは、技術的に可能な膨大なものでした。 著者らは、70mW/cm2の強度のUVA-LEDを30分間使用した。 LEDから放出されるUV-Aおよび青色光パルスの膨大なエネルギー量を示す多くの研究が報告されており、様々な固体/液体食品マトリックス中の微生物の不活性化に使用されている。 しかし、UV-C LEDのエネルギー量は、他の波長と比較して、本章および前章で述べたように著しく低いことが報告されています。 LED処理後の低い抗菌活性は、着色溶液の濃度が高いほど得られ、異なる着色溶液における細胞数の対数減少は多様であった。 0.001%β-カロテン着色溶液では最大1.75 log CFU/mlの対数減少が得られたが、対照のリン酸緩衝生理食塩水（PBS）溶液の2.5 log減少よりはるかに低い。 同様の結果はオレンジジュースでも得られ、処理後の対数減少は透明な対照溶液のそれよりもはるかに低いものであった。 液体食品に含まれる色素やその他の浮遊粒子は、光を反射・散乱させ、LEDによる除菌効率を低下させる可能性がある。 紫外線A（UVA、320～400nm）光によって誘導される活性酸素種（ROS）は殺菌効果の中心であるため、液体食品中のカロテノイドなどの食品着色料の抗酸化活性が低下し、酸化や品質変化を引き起こす可能性があります。

青色光（400nm～480nm）を放射するLEDについて、オレンジジュースと牛乳の病原菌破壊能力をテストしました 。 サルモネラ菌のカクテルを接種し、異なる放射照度と温度の組み合わせで 460 nm LED で処理した低温殺菌オレンジジュースで、サルモネラ菌の 2 ～ 5 log の減少が観察されました。 最も高いサルモネラ菌の不活性化を達成した条件は、92mW/cm2、処理時間13.6時間、温度12℃で4500J/cm2という膨大なエネルギー量であった。 著者らは、460 nm LEDからの試料の距離を調整することにより、92、147.7および254.7 mW/cm2の放射照度を維持し、合計4500 J/cm2の照射量で、それぞれ13.6、8.46および4.91 hに相当する処理時間を調節して処理を行いました。 UV-Aと青色光パルスを使用するこの技術を食品の商業的な殺菌のために開発する場合、長い処理時間とLED処理中に製品に使用される膨大なエネルギーを正当化する必要があります。 4293>

Srimagal らは、405、433、および 460 nm の青色 LED を使用して、5、10、および 15 ℃、0 ～ 90 分の処理時間で、牛乳中の大腸菌の不活性化を比較しました。 微生物の不活性化は、温度が高く、波長が低いほど高くなり、405 nmで60分間照射した後、大腸菌O157:H7を最大5.27 log CFU/ml減少させることができました。 460 nmのLEDでは、2～5 logの減少が見られ、Ghateらで報告された結果と同様に、高温でより強い細菌不活性化効果が得られました。 これらの研究では、青色LEDを照射した後に食品の色（オレンジジュースと牛乳）が著しく変化することに気付き、青色LEDが液体食品の品質を変化させたことが示唆されました。 青色領域のLEDライトは、主に微生物の光力学的不活性化（PDI）により細菌の活性を低下させます。 LED光で生成された光子は、「LEDの基礎知識」の項で述べたように、照射後に感作されたバクテリアの内因性光増感剤（ポルフィリン、シトクロム、フラビンなど）やNADHに吸収される可能性があります。 Srimagalらは、最適条件（405nm、13.8℃、37.83分間）で処理した牛乳は、未処理の牛乳と比較して物理化学的性質に変化がなく低温殺菌されたことを報告しています。 また、冷蔵保存した場合、処理乳の賞味期限は未処理乳の約2倍と大幅に延びました。

AkgünとÜnlütürkが発表した最近の研究では、254nm（0.3mW/cm2）と280nm（0.3mW/cm2）のUVC-LED、365（0.8mW/cm2）と405nm（0.4mW/cm2）のUVA-LED結合による大腸菌K12不活性化を曇天と清水の両方のリンゴジュースで調べました。 発光波長の組み合わせは、280nm/365nm、280nm/405nm、254nm/365nm、254nm/405nm、254nm/280nm/365nm/405nmの5種類であった。 濁ったリンゴジュースを280 nm単独および280 nm/365 nmの組み合わせで処理した場合に最も高い抗菌活性が得られ、40分のLED処理でそれぞれ2.0 ± 0.1 および 2.0 ± 0.4 log CFU/mL の減少が見られた。 透明なリンゴジュースでは、濁ったリンゴジュースに比べて有意に大きな不活性化が観察された。 最も高い対数減少は、280 nm（771.6mJ/cm2、40分）のみで処理した透明なリンゴジュースの4.4 log CFU/mLで得られた。 280nmと365nmのUV-LEDで処理したハイブリッドシステムでは、3.9 ± 0.2 log CFU/mLの対数減少が得られ、同じ処理時間（40分）の280nm処理による濁ったアップルジュースと同様の結果が得られました。 また、このハイブリッドLED処理は、ポリフェノールオキシダーゼに対してより優れた不活性化効果を示すことが実証された。 UVAとUVCのLEDを組み合わせた処理では、リンゴジュースの完全な低温殺菌状態（～5 log減少）は達成できなかったものの、この研究は、UVAとUVC LEDが殺菌の相乗効果を持ち、食品の色を保持する可能性があることを示唆しています。 UVAとUVC LEDの照射量を増やすことで、さらなる殺菌効果が得られるかもしれません。 UV LEDの組み合わせは効率が高く、消費電力も少ないため、ポリフェノールオキシダーゼの不活性化には従来の水銀灯よりも有利である。 液体系におけるLEDの不活性化効果に関する研究を表3に示す。

ブルーライトとUVCとUVA-LEDを組み合わせたものは、細菌の不活性化と食品の品質保持に関して相乗効果を示している。 液体食品のLED除染を行う際には、液体食品の性質（粒径、濁度、色）、投与量、照射時間、温度を最適化する必要があります。 4293>

LED Treatment of Water

安全な飲料水は、特に資源が限られている国々において、世界的に重要な役割を担っています。 約12億人の人々が汚染されていない飲料水を手に入れることができません。 毎年、何百万人もの人々が水系疾患で亡くなっています。 水系微生物は、下痢、腸チフス、コレラ、赤痢、アメーバ症、サルモネラ症、赤痢、A型肝炎などの腸の感染症を引き起こす。 従来の排水処理方法は、化学薬品と多大なエネルギーを必要とするため、多くの社会にとって高価で利用しにくいものでした。 先進国における高度な水処理も、熱処理、化学的消毒（塩素処理、オゾン、二酸化塩素、クロラミン）、金属イオン（銀、銅）などを用いて微生物の含有量を減らすなど、コストがかかるものである。 また、従来の水質消毒方法は、コストが高いだけでなく、効果がなく、持続不可能であることが多い。 そのため、環境への悪影響が少なく、効率的で経済的で堅牢な技術が、水の消毒や汚染除去に応用できるよう研究され続けている。

世界中で7000以上の自治体の紫外線消毒システムが設置されており、家庭用の小型消毒システムも販売されている。 紫外線を用いた水の消毒は、従来の消毒方法と比較していくつかの利点がある。 紫外線は抗菌効果があり、残留物や副産物が少なく、環境負荷が低い、現在の工業プロセスとの互換性がある、などです。 化学的な水処理とは異なり、紫外線による水処理では薬剤耐性菌が発生しない。

Songらは、実験室水中の大腸菌やコリファージMS2などの微生物、廃水中の大腸菌や大腸菌群の不活性化を265nmのLED連続処理とパルス処理で行ったことを報告した。 すべての微生物の不活性化レベルは、同等の紫外線エネルギー投与量の下で、異なるパルスパターンで連続およびパルスLED処理の両方で同程度であった。 パルスLED処理は、従来のキセノンランプで生成されたパルスと同様に効果的に微生物を不活性化し、水殺菌のための高出力の熱管理を提供した。 異なる波長（265、280、300nm）の光を発するUV-LEDによる病原性細菌（レジオネラ・ニューモフィラ、緑膿菌）および代理種（枯草菌芽胞、バクテリオファージQβ、大腸菌）の不活性化を報告し、254nmの光を発する従来の低圧紫外線（LPUV）ランプによる細菌不活性化と比較しました。 微生物の不活性化のキネティクスは、マルチターゲットモデルを用いて、異なる波長でのLEDエネルギー応答曲線を用いて数学的に決定された。 各生物種の不活性化プロファイルは、線形またはシグモイド生存曲線のいずれかを示した。 水中の緑膿菌，L. pneumophila，および代替微生物の不活性化には，LPUV処理よりもLED処理の方が効率的であった． 265 nmのLEDは，大腸菌を除くすべての試験対象微生物の不活性化速度定数に基づき，最も効果的なエネルギー効力を示した． 280 nmのLED処理は、265と300 nmのLED（0.24～17.4 kWh/m3）と比較して、試験した微生物の3 log減少を得るために最も少ない電気エネルギーを消費しました（0.15～1.11 kWh/m3）.

Li たちは265と280 nm LED処理、個別および265、280（50）nmと265、280（75）nmを組み合わせた大腸菌の失活を評価しています。 また、LEDとLPUVを用いた大腸菌の光活性化および暗所修復の比較研究も定量的に行われた。 その結果、265, 280 nmのLEDの組み合わせでは、大腸菌の不活性化に対する相乗効果が得られないことがわかった。 265nm LED処理菌の再活性化は、LPUV処理菌と同等であった。 6.9 mJ/cm2の280 nm LEDで処理した大腸菌は、光再活性化および暗所修復の割合が最も少なかった。 この結果から、水中では、265nmのLEDよりも280nmのLEDの方が出力が高く、細菌の再活性化を抑制できるため、より効率的に大腸菌を不活性化できると結論づけられた。 大腸菌，B. pumilus芽胞，MS2コリファージ，ヒトアデノウイルス2型（HAdV2）に対して，260nmと280nmのLEDの相乗的抗菌効果を評価し，低圧および中圧水銀ランプと比較した。 MS2コリファージの不活性化には260 nmのLEDが最も適していたが、HAdV2とB. pumilusは中圧の紫外線ランプが他の紫外線源よりも効率よく不活性化された . Sholtesらによる研究でも同様の結果が得られた。ここでは、E. coli B、B. atrophaeus、MS2を260 nmのLEDと低圧UVランプで不活性化した。 大腸菌BとMS-2の不活性化動態は、LEDとLPUV処理で同様であった。 すべての紫外線照射源において、微生物の4 log減少に必要な線量は、B. atrophaeusとMS2の方が大腸菌Bよりも高かった。ChatterleyとLindenは水中の大腸菌を265 nmのLEDと従来のLPUVで処理した。 LED は LPUV ランプよりも高い抗菌効果を示したが、消毒コストは高くなった。 Grossらは、2種類のガラス（ソーダライムおよび石英）ガイドライトを使用して消毒効率を高め、280nmのLEDで大腸菌と枯草菌を不活性化する水消毒を報告した。 放射された光は全反射によりほぼ全てが試料に導かれました。

大腸菌の不活性化は、265、280、310 nmのピーク発光で、バッチ反応器とフロースルー反応器の間で照射時間とLEDフルエンスに関してテストされた。 波長の組み合わせ（265/310, 265/280/310, 280/310, 265/280nm）は、その不活性化効果についてテストされた。 時間依存の不活性化効果は280 nmのLEDで最大となり、265 nmのLEDはフルエンス依存の効率が最も高いことがわかった。 バッチ式では、265nmと280nmのLEDは、大腸菌の4 log減少を達成するために10.8と13.8 mJ/cm2の照射量が必要であった。 310 nmのLEDでは、0.6 logの不活性化に56.9 mJ/cm2の照射が必要であった。 265/280, 265/310, 280/310, 265/280/310 nmの発光をフロースルー型リアクターに組み込んだ場合、不活性化効果の低下と出力の低下が観察された。 水殺菌における265nmのLED処理効率は、時間依存性もあった。 その結果、試料の濁度が細菌の不活性化に影響し、濁度の低い水試料でより良い効率が得られることが示された。 4293>

Hamamoto らは、UV-A LED (365 nm) と低圧 UV-C ランプ (254 nm) を用いて水の殺菌を行った。 黄色ブドウ球菌、腸炎ビブリオ、腸管病原性大腸菌、大腸菌DH5αの不活性化は、80分の高エネルギーUV-A LED処理後に3 log CFU/ml以上となりました。 この観察は、365nm（UV-A）LEDが大腸菌DH5α、腸内病原性大腸菌、腸炎ビブリオ、黄色ブドウ球菌、サルモネラ菌に対して抗菌効果を示したMoriらの研究でも裏付けられている。 Vilhunen らは、超純水、栄養剤と水、栄養剤と腐植酸を含む水など、異なる試験培地を用いて、放射する波長が異なる 2 つの光分解バッチリアクタで、大腸菌の不活性化に 269 と 276 nm の効果を観察しています。 LEDは、低い光出力でも大腸菌の破壊に有効であった。 LEDの波長は大腸菌の不活性化に有効であったが、試験媒体は不活性化にあまり影響を及ぼさなかった。

いくつかの研究により、UV LEDが従来の水殺菌の処理方法の代わりになること、従来の処理にはない利点があることが示されている。 水消毒のための紫外線スペクトル領域は200～300nmで、265nmの波長が最もよく使われ、大腸菌が最もよく研究されている微生物である。 単一波長による水殺菌と2波長の組み合わせによる水殺菌を比較した。 しかし、データに一貫性がなく、結論は出なかった。 同じ波長の光エネルギーでも微生物によって反応が異なるのは、紫外線光源、フルエンス率、紫外線量、照射時間に起因していると考えられる。 水中の微生物の不活性化に必要な量を決定するための標準的な操作方法を開発し、LEDによる微生物の不活性化のメカニズムを明らかにする必要がある

。