等離子體活化水在食品工業(yè)中應用研究進展

康超娣,相啟森,劉 驍,栗俊廣,張 華,白艷紅

(1.鄭州輕工業(yè)學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450001;2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450001)

近年來,大氣壓低溫等離子體技術日臻成熟,在食品非熱殺菌[1]、食品內(nèi)源酶失活[2]、農(nóng)藥殘留降解[3]等領域的研究與應用引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注[4-6]。然而由于食品原料形狀的不規(guī)則性,現(xiàn)有的大氣壓低溫等離子體技術在處理均勻性等方面還未達到理想的效果。目前,國內(nèi)外最新研究已將水作為大氣壓低溫等離子體的中間媒質(zhì)來對食品進行處理。等離子體活化水(Plasma-activated water,PAW)也稱為等離子體處理水(Plasma-treated water,PTW),是指通過在水中或水表面進行等離子體放電而得到的液體。研究證實,PAW具有良好的殺菌作用[7-8]。由于溶液具有良好的均勻性和流動性,PAW克服了大氣壓低溫等離子體技術作用不均勻等技術缺陷,其在食品生產(chǎn)和安全控制領域中的潛在應用受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[7-8]。

本文綜合分析了PAW的制備方法及其在食品殺菌保鮮、生物被膜控制、肉制品保鮮護色、芽苗菜生產(chǎn)等領域的應用研究進展,初步探討了PAW的作用機制,并討論了PAW研究中有待解決的問題和發(fā)展方向,對今后PAW技術在食品工業(yè)中的應用研究有一定指導作用。

1 PAW的制備方法和理化特性

1.1 PAW的制備方法

目前,PAW主要通過在水表面或水下進行大氣壓氣體放電來制備。理論上講,能夠產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的方法均可用于PAW的制備?？紤]到制備量和安全性,在實際研究中使用較多的主要包括介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge,DBD)、表面介質(zhì)阻擋放電(Surface dielectric barrier discharge,SDBD)、大氣壓等離子體射流(Atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等[7-8](圖1)。如圖1a所示,DBD裝置包括兩個平行金屬電極,其中至少一個覆蓋絕緣介質(zhì)(作用是阻擋貫穿兩個電極的放電通道)。當兩個電極上施加了足夠高的交流電壓時,電極間的氣體被激發(fā)而產(chǎn)生等離子體,形成的等離子體擴散進入蒸餾水中而得到PAW。SDBD 裝置與DBD裝置類似,主要特點是由多組電極組成(圖1b)。APPJ裝置是由一個圓柱體的金屬射頻(RF)電極和圓筒狀的金屬接地電極構成。在高電壓作用下,氣體通過上述兩個共軸電極之間的縫隙時被電離而產(chǎn)生等離子體;在氣體壓力的推動作用下,產(chǎn)生的等離子體由噴口向外噴出并與蒸餾水接觸而得到PAW(圖1c)。

圖1 等離子體活化水產(chǎn)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the producing systems of plasma-activated water

1.2 PAW理化特性

在等離子體放電過程中,PAW中產(chǎn)生了大量的活性化學物質(zhì),并顯著影響其pH、氧化還原電位、電導率等理化指標。

圖2 氣體等離子體與水溶液相互作用中產(chǎn)生的活性物質(zhì)和機制示意圖Fig.2 Schematic diagram of some of the reactive species and mechanisms in the plasma-liquid interaction

1.2.3 氧化還原電位 氧化還原電位(Oxidation reduction potential,ORP)是表征水溶液氧化還原能力的重要指標,與其中含有的活性氧、活性氮等物質(zhì)有關。研究表明,等離子體處理能夠顯著升高水溶液的ORP,例如經(jīng)放電5 min和10 min所得PAW的ORP分別為350 mV和550 mV,均顯著高于對照組(約270 mV)[14-15]。

1.2.4 電導率 由于產(chǎn)生了大量的水溶性化學物質(zhì),PAW的電導率一般隨放電時間的延長而顯著升高[14-15]。

2 PAW在果蔬殺菌保鮮中的應用

2.1 PAW對果蔬的殺菌保鮮作用

最新研究表明,PAW具有廣譜殺菌特性,能夠有效殺滅存在于環(huán)境和食品中的釀酒酵母、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等食品腐敗菌和食源性致病菌[15,17-21]。目前,對PAW在食品殺菌保鮮領域的研究多集中于果蔬產(chǎn)品,尚無應用于肉制品、禽蛋制品等的研究報道。Guo等研究表明,PAW浸泡處理能夠有效殺滅葡萄、草莓、雙孢蘑菇等表面的微生物并顯著延長產(chǎn)品的儲藏期,而對果蔬產(chǎn)品的色澤、硬度、pH和抗氧化能力等理化指標無顯著影響[15,20-21](見表1)。上述文獻中的研究結(jié)果表明,PAW處理既能有效殺滅消除生鮮食品上的微生物,又能抑制并延緩生鮮食品腐敗變質(zhì),在食品殺菌保鮮領域具有廣闊的應用前景。

表1 PAW在食品殺菌保鮮的應用Table 1 Applications of PAW in the sterilization and preservation of foods

2.2 PAW殺菌機制

國內(nèi)外學者對PAW殺菌機理進行了大量實驗研究,并提出了若干不同的觀點。研究證實,PAW含有的H2O2等活性物質(zhì)能夠穿過細胞膜進入細胞,通過損傷DNA、蛋白質(zhì)等引發(fā)氧化應激等途徑而殺死微生物[3]。此外,等離子體處理引發(fā)的溶液酸化(pH降低)和ORP升高也可能是PAW發(fā)揮殺菌作用的重要機制之一[1]。例如,pH是影響氫過氧自由基(HOO·)解離平衡的重要因素。當pH低于HOO·的酸解離常數(shù)(4.88)時,將促進HOO·的形成;HOO·具有很強的氧化性并能繼續(xù)反應生成H2O2,能夠引發(fā)細胞發(fā)生氧化損傷[14,22-23]。

式(1)

式(2)

目前國內(nèi)外學者對PAW殺菌機理尚未得到統(tǒng)一的觀點,甚至存在較大的爭論。例如Chen等發(fā)現(xiàn)在以空氣為載氣進行放電所制備的PAW中銅離子和鋅離子濃度隨放電時間的延長而顯著升高;考慮到銅離子和鋅離子均具有一定的殺菌作用,因此作者推測電極腐蝕釋放到PAW中的金屬離子可能在其殺菌過程中發(fā)揮了一定的作用[24]。

3 PAW對細菌生物被膜的失活作用

細菌生物被膜(Bacterial biofilm)是自然條件下細菌細胞包裹在自身產(chǎn)生的多聚物基質(zhì)內(nèi)并粘附于惰性的或者生物物體表面,形成的具有一定結(jié)構性的細菌群體[25-26]。在食品工業(yè)中,食源性病原菌和腐敗菌能夠在食品、食品加工設備、輸送管道、不銹鋼等表面形成生物被膜,成為食品生物性危害的潛在污染源[27]。研究結(jié)果表明,除顯著殺滅浮游生長的微生物以外,PAW也能夠有效清除多種細菌的生物被膜[24,28-31]。Chen等報道,PAW能夠通過裂解細胞膜等途徑有效殺滅大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物被膜,但對其生物量無顯著影響[28]。與Chen等[28]研究結(jié)果類似,Pan等發(fā)現(xiàn)經(jīng)PAW處理5 min后,第5 d形成的糞腸球菌(E.faecalis)成熟生物被膜被完全失活,其作用機制可能與其含有的活性氧/活性氮有關[31]。與漂白粉、過氧乙酸、二氧化氯等傳統(tǒng)化學消毒劑和殺菌劑相比,PAW具有無化學殘留、安全高效等優(yōu)點,有望應用于食品設備、輸送管道等食品接觸面中細菌生物被膜的清除和控制。

4 PAW對肉制品的保鮮和護色作用

N2+e→N+N+e

式(3)

N+O2→NO+H

式(4)

NO+O3→NO2+O2

式(5)

式(6)

式(7)

研究證實,在乳化型香腸、肉糜等中添加PAW能夠發(fā)揮良好的保鮮和護色作用[8,32-33]。在真空包裝和80 ℃水浴加熱30 min后,PAW處理組豬肉糜(PAW添加量約為20%,W/W)的亮度(L*)和黃度(b*值)與亞硝酸鈉處理組(添加量約為1.2%,W/W)和空白組無顯著性差異,但其紅度(a*)顯著低于亞硝酸鈉處理組并顯著高于空白組(p<0.05)[32]。Jung等報道,在乳化型香腸制備過程中添加9%(W/W)的PAW并于4 ℃儲藏28 d后,PAW處理組總需氧菌數(shù)與亞硝酸鈉處理組類似,均顯著低于空白組(p<0.05);4 ℃儲藏28 d后,與亞硝酸鈉處理組相比,PAW處理組香腸的亮度(L*)顯著升高,而紅度(a*)、黃度(b*值)和亞硝酸鈉殘留量均顯著降低(p<0.05),而色澤、風味、彈性、總接受性等感官得分均高于亞硝酸鈉處理組(p>0.05)[8]。綜上所述,作為一種亞硝酸鹽的替代品,PAW在肉制品加工和安全控制方面具有較為廣闊的應用前景,但其安全性、穩(wěn)定性等問題仍需深入研究[34]。

5 PAW在芽苗菜生產(chǎn)中的應用

芽苗菜以豆類或谷類種子所儲存的營養(yǎng)物質(zhì)為基礎,浸泡一定時間然后定期淋澆,使種子萌發(fā)然后生長到一定長度所獲得的幼苗,具有風味獨特、口感脆嫩、生育周期短、經(jīng)濟價值較高等優(yōu)點。研究證實,適當?shù)牡蜏氐入x子處理或PAW均能夠促進大豆、綠豆、蘿卜、黑麥等種子的萌發(fā)和生長[35-39]。Zhang等發(fā)發(fā)現(xiàn),在處理時間為2 min時,電壓為17.3 kV的DBD等離子體處理能夠顯著促進黃豆芽的生長,但繼續(xù)升高電壓至22.1 kV,黃豆芽的生長反而受到抑制;在電壓為22.1 kV 時,DBD等離子體處理12～60 s能夠顯著促進黃豆芽的生長,但當處理時間超過2 min時黃豆芽的生長則受到顯著抑制,表明等離子體處理對種子的生長具有雙重作用[35]。Naumova等研究表明,PAW能夠促進黑麥的萌發(fā)和生長,放電5 min所制備的PAW處理組黑麥發(fā)芽率、根和胚芽鞘長度約分別是自來水處理組黑麥種子的1.5倍、2倍和1.5倍[38]。與Naumova等研究結(jié)果類似,Kim等采用DBD放電5 min制備的PAW來生產(chǎn)黃豆芽,發(fā)現(xiàn)與自來水相比,PAW處理能夠顯著促進黃豆芽的生長并抑制其表面微生物數(shù)量;與自來水處理組相比,PAW處理組豆芽子葉、下胚軸和根中維生素C含量分別提高了5.5%(p<0.05)、11.0%(p<0.05)和9.2%(p>0.05),同時其子葉、下胚軸和根部中γ-氨基丁酸、天冬酰胺、絲氨酸等氨基酸含量也均顯著高于自來水處理組(p<0.05)[39]。類似于電解水,PAW促進植物種子萌發(fā)和生長,可能與其含有的活性氧和活性氮等物質(zhì)有關[35,40]。

綜上所述,適當?shù)腜AW能夠促進種子的發(fā)芽和生長,有效降低芽苗菜表面微生物數(shù)量并顯著升高維生素C、γ-氨基丁酸等營養(yǎng)成分含量,在芽苗菜生產(chǎn)和安全控制方面具有較大的應用前景。

6 前景與展望

目前,作為一種新型的環(huán)境友好型處理技術,PAW具有處理范圍廣、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,在果蔬殺菌保鮮、肉制品保鮮護色、芽苗菜生產(chǎn)等食品生產(chǎn)與安全控制領域展示了廣闊的應用前景。目前,PAW相關研究存在作用機制不明確、多集中于實驗室研究等問題。在今后的工作中,一方面應該加強PAW活性組分生成機制及影響因素、作用機理等方面的基礎研究,同時還應系統(tǒng)地評價PAW的安全性;另一方面應該加強PAW在食品原料殺菌保鮮、食品接觸面消毒等領域的應用研究并評價其對食品感官品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的影響,從而推動PAW在食品工業(yè)中的廣泛應用。

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