輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品接觸材料的殺菌研究

李兆杰徐麗劉威楊麗君王靜王吉騰房保海

（1.威海出入境檢驗檢疫局　山東威?！?64205；2.青島出入境檢驗檢疫局；3.榮成出入境檢驗檢疫局；4.山東出入境檢驗檢疫局）

輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品接觸材料的殺菌研究

李兆杰1徐麗2劉威1楊麗君1王靜1王吉騰3房保海4

（1.威海出入境檢驗檢疫局山東威海264205；2.青島出入境檢驗檢疫局；3.榮成出入境檢驗檢疫局；4.山東出入境檢驗檢疫局）

探討了輝光放電低溫等離子體技術(shù)對不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒等3種不同類型食品接觸材料的殺菌效果。應(yīng)用輝光放電低溫等離子體技術(shù)對3種不同食品接觸材料在密封和開蓋狀態(tài)下分別進行殺菌試驗和比較分析。結(jié)果表明，輝光放電低溫等離子體技術(shù)可以在5 min內(nèi)對開蓋狀態(tài)下3種不同類型食品接觸材料表面細菌實現(xiàn)徹底殺滅，但對密封狀態(tài)下的食品接觸材料殺菌效果欠佳。因此，輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品接觸材料具有明顯的殺菌效果，其優(yōu)勢是綠色、安全、環(huán)保。

低溫等離子體；輝光放電；食品接觸材料；殺菌

1　前言

近年來，低溫等離子體技術(shù)成為殺菌領(lǐng)域新的研究熱點。低溫等離子體整個體系在宏觀上表現(xiàn)為常溫，但體系中電子的溫度很高，達上千乃至上萬攝氏度［1，2］，體系中的高能電子及各種活性離子具有很高的活性，可以對微生物進行快速殺滅［3-6］。目前國內(nèi)外正嘗試將這一技術(shù)應(yīng)用于包括食品加工在內(nèi)的諸多領(lǐng)域［7］，Marsili等人［8］采用高壓脈沖放電，可以快速有效地殺滅食品中的大腸桿菌和沙門氏菌；劉傳林等［9］利用分裝式低溫等離子體減壓保鮮技術(shù)貯藏果蔬，可以有效延長貨架期。本研究團隊在低溫等離子體殺菌方面已嘗試進行了大量工作，包括利用輝光放電低溫等離子體技術(shù)得到沙門氏菌、志賀氏菌等致病菌的殺菌動力學(xué)曲線，初步探討了其殺菌機制［10］，以及對魚肉、奶粉、橙汁等食品進行殺菌試驗，并對殺菌前后的酸價、過氧化值、維生素C含量等指標進行了初步評價［11］。

食品殺菌包括對食品的殺菌和對食品接觸材料的殺菌兩個方面，但目前大部分研究都集中在前者，對后者也應(yīng)當引起足夠重視。目前對食品接觸材料的殺菌方法主要包括熱力學(xué)滅菌、化學(xué)滅菌和輻照滅菌等，一些熱敏感材料致使熱力學(xué)滅菌的使用受到限制，化學(xué)殘留、輻照殘留等也不同程度地限制了化學(xué)滅菌和輻照滅菌的使用，而低溫等離子體技術(shù)在上述方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，嘗試應(yīng)用輝光放電低溫等離子體技術(shù)對不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒等3種不同類型的食品接觸材料進行殺菌研究，這將為輝光放電低溫等離子體殺菌技術(shù)用于食品接觸材料殺菌提供重要的方法依據(jù)。

2　材料與方法

2.1材料

2.1.1菌種

大腸桿菌（Escherichia coli，E.coli）ATCC 10536、金黃色葡萄球菌 （Staphylococcus aureus，S.aureus）ATCC 12600、單核細胞增生李斯特氏菌（Listeriamonocytogenes，L.monocytogenes）ATCC 19114、宋內(nèi)氏志賀氏菌 （Shigella sonnei，S.sonnei）ATCC 25931：購自美國模式培養(yǎng)物集存庫 （ATCC）；腸炎沙門氏菌（Salmonella enteritidis，S.enteritidis）CICC 21482：購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心（CICC）。細菌從-70℃接種到營養(yǎng)肉湯中，36.5℃培養(yǎng)18-24 h，備用。

2.1.2試劑

計數(shù)瓊脂、營養(yǎng)肉湯：購自北京陸橋生物科技有限公司，按說明書配置。

2.1.3儀器與設(shè)備

輝光放電低溫等離子體殺菌設(shè)備：自制，交流輸出0-10 KV，峰值功率120 W，工作頻率30-40 KHz，通過在電路中加入限流電阻維持輝光放電；核酸蛋白分析儀：美國Bio-rad公司；CR22G III離心機：日本日立公司；恒溫恒濕培養(yǎng)箱、干燥箱：美國3M公司。

2.2方法

2.2.1混合菌懸液的制備

分別吸取E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S. sonnei、S.enteritidis肉湯培養(yǎng)液1 mL于1.5 mL離心管中，5000 g離心5 min，吸棄上清，加入1 mL無菌生理鹽水懸浮洗滌混勻，用核酸蛋白分析儀測定菌液濃度，用生理鹽水將菌液濃度稀釋至×108CFU/mL。向2 L生理鹽水中分別添加×108CFU/mL的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis各2 mL，得到×105CFU/mL濃度的細菌混合液。

2.2.2陽性樣品制備

將不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒各39個放入上述混合菌懸液中，浸泡10 min后用取出，待多余水滴干后置于無菌室中自然晾干。3個為1組，共分為13組，其中1組用作對照，6組分別用保鮮膜或蓋將內(nèi)側(cè)封閉用于殺菌試驗，另6組開蓋狀態(tài)下用于殺菌試驗。

2.2.3殺菌

打開氣瓶閥門，調(diào)整氣體流量，使放電氣體氬氣充滿整個氣體管路并將滅菌腔室中的空氣排凈。接通高壓電源開始放電產(chǎn)生低溫等離子體刷狀射流。調(diào)整放電參數(shù)為：峰值電壓10 KV，工作頻率30-40 KHz，峰值功率120 W，氣體流量2 L/min，氣壓為常壓，溫度為室溫。待低溫等離子體充滿整個滅菌腔室后，將樣品置于滅菌腔載物臺上，載物臺高度距離放電端口6cm。滅菌處理時間分為3min、5min、8min、10 min、12 min、15 min 6個時間段，每個時間段取密封或開蓋狀態(tài)下各3個滅菌樣品通過表面擦拭法進行活菌計數(shù)試驗。同時記錄滅菌腔室的溫度。

2.2.4滅菌效果檢測

將擦拭棉拭子放入裝有10 mL生理鹽水的無菌試管中，充分振蕩混勻，制成1∶10樣品勻液。然后吸取1∶10樣品勻液1 mL，注入盛有9 mL生理鹽水的無菌試管中，充分混勻，制成1∶100的樣品勻液。分別吸取兩個稀釋度的樣品勻液1 mL于無菌平皿中，每個稀釋度做3個平皿。同時，分別吸取1 mL空白稀釋液加入兩個無菌平皿內(nèi)作空白對照。及時將15 mL-20 mL冷卻至46℃的平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基傾注平皿，并轉(zhuǎn)動平皿使其混合均勻。待平板凝固后，將平板翻轉(zhuǎn)，36℃±1℃培養(yǎng)48 h±2 h后，計數(shù)平板上的菌落數(shù)。結(jié)果根據(jù)公式 “物體表面細菌菌落總數(shù)（CFU/cm2）=（平皿上的菌落總數(shù)×稀釋倍數(shù)）/采樣面積（cm2）。

3　結(jié)果

輝光放電低溫等離子體對不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒的殺菌結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，未封閉組3 min時，細菌數(shù)量顯著減少；5 min時，細菌全部被殺死。而封閉組的細菌數(shù)量和對照組相比自始至終沒有明顯變化。說明輝光放電低溫等離子體能將不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒表面的細菌進行徹底、快速殺滅，而對保鮮膜密封或加蓋密封的食品接觸材料沒有明顯殺菌作用。另外，殺菌裝置工作時滅菌腔室的溫度為42℃，沒有對塑料飯盒造成破壞，也不會對細菌造成殺滅作用。

圖1　輝光放電低溫等離子體對不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒的殺菌結(jié)果

4　討論

本研究前期曾應(yīng)用研制的輝光放電低溫等離子體殺菌裝置對魚片、奶粉、牛奶、橙汁飲料和淀粉5種食品進行殺菌試驗，盡管具有一定的作用，但效果并不理想，不能將細菌全部殺滅，分析原因可能主要與食品基質(zhì)的復(fù)雜性及低溫等離子體的特點有關(guān)［11］。基于此，本研究將研究對象轉(zhuǎn)移到食品接觸材料上，選擇不銹鋼匙、瓷碗、塑料飯盒3種不同材質(zhì)的食品接觸材料，選用3種革蘭氏陰性細菌和2種革蘭氏陽性細菌制備細菌混懸液侵染食品接觸材料制備陽性樣品，進行殺菌研究。結(jié)果表明，輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品接觸材料具有非常好的殺菌效果，5 min即可將食品接觸材料上的細菌全部殺滅，對密封或是加蓋的食品接觸材料卻基本沒有殺菌效果，殺菌前后細菌數(shù)量沒有明顯變化。分析原因，可能與低溫等離子體特點有關(guān)。等離子體的穿透性較差，僅能直接作用于食品接觸材料表面的細菌，一旦密封，等離子體很難穿透密封材料對細菌進行殺滅。

輝光放電低溫等離子體對3種材質(zhì)的食品接觸材料均能實現(xiàn)徹底殺菌，說明不銹鋼、陶瓷以及塑料材質(zhì)均不會影響輝光放電低溫等離子體的殺菌效果。本研究考慮實際樣品攜帶細菌的多樣性，分別用5種不同細菌的混懸液制備陽性樣品，探討輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品接觸材料的總體殺菌效果。下一步可以制備單一菌的陽性污染樣品，探討輝光放電低溫等離子體技術(shù)對每種菌的殺菌效果，這對于殺菌實際中歸納統(tǒng)一的殺菌時間和殺菌參數(shù)具有重要意義。

與對食品的殺菌效果相比，輝光放電低溫等離子體對食品接觸材料的殺菌效果更好。這可能主要與食品基質(zhì)的復(fù)雜性及低溫等離子體的特點有關(guān)。食品中水分及食品基質(zhì)的存在大大降低了低溫等離子體的能量，因此衰減了低溫等離子體的殺菌能力，而本研究試驗的食品接觸材料不存在這個問題，因此殺菌效果較好。另外，等離子體僅能對食品或食品接觸材料表面的細菌具有殺滅作用，對于食品內(nèi)部的細菌，等離子體很難穿透并對其殺滅，但這恰恰適應(yīng)于細菌僅存在于食品接觸材料的表面這一特征。

5　結(jié)論

盡管低溫等離子體技術(shù)用于食品殺菌上還面臨諸多問題，但是其作為一種新的非熱力滅菌技術(shù)用于食品接觸材料（特別是一些熱敏材料的殺菌）具有重要的研究價值和廣闊的市場前景。開發(fā)大型等離子體殺菌設(shè)備、提高等離子體的內(nèi)部能量和殺菌能力將是該領(lǐng)域的研究重點。

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［11］李兆杰，劉小菁，楊麗君，等.輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品的殺菌及其品質(zhì)影響研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（8）：310-312.

Sterilization of Several Food Contact Materials by Low Temperature Plasma by Glow Discharge

LI Zhaojie1，XU Li2，LIU Wei1，YANG Lijun1，WANG Jing1，Wang Jiteng3，F(xiàn)ANG Baohai4
（1.Weihai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Weihai，Shandong，264205；2.Qingdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau；3.Rongcheng Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau；4.Shandong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau）

To discuss the sterilization effects of low temperature plasma by glow discharge on three kinds of food contact materials of stainless steel spoon，china bowl and plastics lunch box，three kinds of food contact materials sealed or unsealed were sterilized respectively by low temperature plasma by glow discharge，and the sterilization results were compared statistically.The results showed that after sterilization，bacteria in three different types of food contact materials unsealed were killed in five minutes completely，but there was no obvious sterilization function to the food contact materials sealed，which may be resulted from the weak penetration of plasma.Low temperature plasma by glow discharge is an effective tool of food contact materials sterilization，with the advantages of greenness，safety and environmental protection.

Low Temperature Plasma；Glow Discharge；Food Contact Materials；Sterilization

Q31

E-mail：hunterlee_81@163.com

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2010IK151、2011IK221、2012IK179）

2015-11-05