冷等離子體食品殺菌應(yīng)用研究進(jìn)展

張 曄，劉志偉*，譚興和，郭紅英，王欄樹，成才良

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南佳宴食品有限公司，湖南 長沙 410123）

為了給消費者提供營養(yǎng)、安全和貨架期穩(wěn)定的食品，在生產(chǎn)加工過程中通常會對食品進(jìn)行殺菌處理。傳統(tǒng)的熱殺菌法雖然可以有效地殺死各種微生物，但是高溫處理會改變食品的結(jié)構(gòu)對其營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)造成較大的影響，不適用于熱敏性和易揮發(fā)性食品的殺菌[1]?；瘜W(xué)防腐劑能在一定程度上抑制微生物的活動，一旦劑量超標(biāo)，不僅對食品的品質(zhì)造成較大的影響，同時嚴(yán)重危害了人體的健康[2]。因此，人們尋求新型非熱殺菌技術(shù)。近幾年來，冷等離子體（cold plasma，CP）作為一種新型冷殺菌技術(shù)，正逐步受到全球食品研究者的關(guān)注，其具備一種理想殺菌法所應(yīng)具備的全部優(yōu)點，如殺菌全面，真菌類型病原菌、抗性細(xì)菌細(xì)胞、抗輻射細(xì)菌、酵母菌、芽孢和病毒等在冷等離子體的處理下都能有效殺滅[3]；能夠?qū)⑹称窢I養(yǎng)成分的損失和感官特性的變化降低到最??；無有毒副物的生成；不會對操作者造成傷害。該文綜述了冷等離子體的殺菌機(jī)理、食品表面及包裝材料的殺菌、凈化廢水、表面去污等領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀，為冷等離子體技術(shù)在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 等離子體的概念

等離子體是由各種帶電粒子（如電子、離子、中性粒子、活性自由基、射線）組成的電離氣體，這些帶電粒子擁有足夠高的能量能夠激發(fā)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)[4-7]。由于正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)在數(shù)值上相等，故稱其為等離子體，是繼“固相、液相、氣相”以外的第四態(tài)物質(zhì)。等離子體主要存在于自然界中，也可以通過人工方式獲得。目前實驗室主要用介質(zhì)阻擋放電、滑動電弧放電、電暈放電、火花放電、輝光放電等發(fā)生裝置產(chǎn)生等離子體。等離子體通常是氣體在強(qiáng)電磁場或加熱條件下電離產(chǎn)生，當(dāng)溫度達(dá)到幾千攝氏度或更高時，荷電粒子會發(fā)生加速運動，由于電子相對較輕，被加速的通常是電子，高能電子與重粒子（原子、分子、離子）相互間的激烈碰撞使氣體分子發(fā)生電離，最終形成等離子體。

根據(jù)帶電粒子中電子、離子和中性粒子溫度的相對高低，等離子體可以分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體中帶電粒子溫度一般可達(dá)108～109℃。低溫等離子體又可根據(jù)帶電粒子中的電子、離子、中性粒子是否達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，分為熱等離子體（熱平衡等離子體）和冷等離子體（非熱平衡等離子體）。在熱等離子體中，電子的溫度與離子和中性粒子的溫度幾乎相同。而在冷等離子體中，當(dāng)對氣體施加脈沖電場時，電子、離子和中性粒子會發(fā)生彈性碰撞，導(dǎo)致一部分動能轉(zhuǎn)移重新分配到其他粒子上，儲存在自由電子的溫度達(dá)到104℃遠(yuǎn)高于離子和中性粒子的溫度，中性粒子和離子的溫度僅接近室溫，從而使得冷等離子體能夠保持較低的溫度條件[7-10]。另一方面，當(dāng)非彈性碰撞的能量超過15 eV時，能夠發(fā)生各種離子體化學(xué)反應(yīng)，如激發(fā)、電離等[9]。這些反應(yīng)所產(chǎn)生的活性種（reactive species，RS）如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、活性氮（reactive nitrogen species，RNS）、帶電粒子、電子和紫外線/真空紫外線等都對微生物的失活起著至關(guān)重要的作用[9-10]。

2 冷等離子體殺菌機(jī)理

冷等離子體作為一種新型的非熱殺菌技術(shù)，在食品殺菌方面的應(yīng)用研究還處于起步階段，關(guān)于其殺菌機(jī)理還不甚明了。一般認(rèn)為冷等離子體起殺菌作用主要為超氧化物、羥基自由基、過氧化氫、一氧化氮和臭氧等活性物質(zhì)和帶電粒子，其作用位點為細(xì)胞膜和胞內(nèi)遺傳物質(zhì)[11-14]?；钚匝鹾突钚缘惢衔锬軌蚺c細(xì)胞大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、脂類、酶以及脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）發(fā)生潛在的反應(yīng)以改變生物膜的功能特性，擾亂細(xì)胞正常的生理功能從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[15]。DOLEZALOVA E等[16]認(rèn)為一些活性氧化物能夠穿過細(xì)胞外膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，并且對DNA和蛋白質(zhì)造成氧化損傷，間接殺死微生物從而達(dá)到殺菌效果。MAI-PROCHNOWA等[17]用大氣冷等離子體對銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）進(jìn)行殺菌處理，發(fā)現(xiàn)臭氧是引起生物細(xì)胞膜破裂的關(guān)鍵因素。臭氧通過物理腐蝕細(xì)胞膜增加了細(xì)胞膜的通透性，從而誘導(dǎo)DNA發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，引起內(nèi)容物質(zhì)流出導(dǎo)致細(xì)菌溶解死亡。FERNANDEZ A等[18]以大腸桿菌為研究對象發(fā)現(xiàn)，帶電粒子可以在細(xì)胞膜表面聚積，電荷的聚積使得細(xì)胞膜表面的張力遠(yuǎn)小于產(chǎn)生的靜電力從而使細(xì)胞發(fā)生裂解導(dǎo)致微生物的死亡。除活性物質(zhì)和帶電粒子外，紫外線也可以損傷微生物DNA內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，波長在250～500 nm的紫外線不但可以抑制細(xì)胞DNA中胸腺嘧啶的合成，同時還可以阻礙細(xì)胞增殖和自我復(fù)制功能，對細(xì)胞的生物大分子結(jié)構(gòu)造成破壞，使蛋白質(zhì)失去原有的生物學(xué)活性[19]。

3 冷等離子體殺菌效果的影響因素

冷等離子體的殺菌效果受到多種因素的影響，如冷等離子體發(fā)生設(shè)備的相關(guān)參數(shù)（冷等離子體產(chǎn)生設(shè)備的類型、激發(fā)電壓、電離氣體等）、微生物的固有特性（種類、生長環(huán)境）和食品的基本性質(zhì)（食品成分、狀態(tài)）。

3.1 冷等離子體設(shè)備的相關(guān)參數(shù)

激發(fā)介質(zhì)中所使用的氣體決定了放電過程中產(chǎn)生的活性帶電粒子的類型和數(shù)量。HURY S等[20]分別以氬氣和氧氣為激發(fā)介質(zhì)對芽孢桿菌（Bacillus）進(jìn)行殺菌處理，發(fā)現(xiàn)氧基冷等離子體具有更高的殺菌效果。通常使用混合氣體激發(fā)冷等離子體比單一氣體殺菌效果更好，XU L等[21]在橙汁中接種腸道沙門氏菌（Salmonella），分別在空氣袋中和氣調(diào)包裝（modified atmosphere packaging，MAP）（65%O2+30%N2+5%CO2））袋中用高壓大氣冷等離子體（high voltage atmospheric cold plasma，HVACP）直接對橙汁進(jìn)行殺菌處理，經(jīng)過2 min處理后發(fā)現(xiàn)空氣袋和MAP袋中橙汁的腸道沙門氏菌（Salmonella）分別減少了0.65 lg（CFU/g）和1.75 lg（CFU/g）。處理完儲存24 h，發(fā)現(xiàn)腸道沙門氏菌群體持續(xù)減少，空氣袋中和MAP袋中分別減少了2.81 lg（CFU/g）和5 lg（CFU/g），這表明HVACP產(chǎn)生的活性帶電粒子在斷電后依舊能夠保留在包裝袋內(nèi)，與傳統(tǒng)殺菌技術(shù)相比能夠節(jié)約大量的能源，MAP氣體相對空氣來說對橙汁中腸道沙門氏菌的滅菌效果更好，這是由于不同氣體與HVACP相互作用產(chǎn)生不同的活性帶電粒子有關(guān)。同時，產(chǎn)生的活性物質(zhì)數(shù)量與輸入電壓的功率和頻率也密切相關(guān)，殺菌的效果與電壓功率的增加成正相關(guān)[22]。張梅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）在50 W功率條件下若需全部滅活需要60 min，而在200 W功率條件下僅僅只需要5 min即可全部滅活。

3.2 微生物的固有特性

微生物的種類、生長環(huán)境也是影響殺菌效果的重要因素。穩(wěn)定期的細(xì)菌比對數(shù)期的細(xì)菌對殺菌處理更敏感[24]。孢子狀細(xì)菌比營養(yǎng)細(xì)胞更耐等離子體處理，濃度越高的細(xì)菌殺菌效果越弱，這主要是因為高濃度的細(xì)菌能夠聚集更多細(xì)胞，降低了活性物質(zhì)的穿透力，阻礙了活性物質(zhì)與微生物的相互作用[25]。細(xì)胞壁的厚度也是影響冷等離子體殺菌效果的一個重要因素，冷等離子體對革蘭氏陰性的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）和革蘭氏陽性的單核細(xì)胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）的殺菌效果存在顯著的差異，結(jié)果表明單核細(xì)胞增生李斯特氏菌的抗性較強(qiáng)，這是因為革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁的厚度約為15～18 nm，而革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞壁厚度僅為2 nm，細(xì)胞壁越厚使得活性氧物質(zhì)及帶電粒子穿透或擊破細(xì)胞壁所需要的時間就越長[26]。

3.3 食品的基本性質(zhì)

食品組成成分、pH值、相對濕度等都能夠影響冷等離子體的殺菌效果。相比于液態(tài)食品，冷等離子體對固態(tài)食品的殺菌效果更好，這可能是因為液態(tài)食品中的水分和食品基質(zhì)減弱了活性帶電粒子的穿透能力。此外，相對較低的pH值也能夠增強(qiáng)冷等離子體的殺菌效果，如MURANYI P等[27]發(fā)現(xiàn)，蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）經(jīng)冷等離子體殺菌處理后，菌落總數(shù)在pH 7時減少了2.1 lg（CFU/g），而在pH 5時減少了4.7 lg（CFU/g）。同樣，相對濕度的增加能夠增加羥基自由基的數(shù)量導(dǎo)致更過微生物失活，提高了冷等離子體的殺菌效果。

4 冷等離子體在食品殺菌中的應(yīng)用

4.1 冷等離子體在食品表面的應(yīng)用

隨著消費者對食品安全的高度重視，一時之間食品工業(yè)面臨著既要為消費者提供營養(yǎng)、安全和貨架期穩(wěn)定的食品，又要防止微生物污染的艱巨挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)加工和采收過程中，微生物的入侵可以發(fā)生在任意環(huán)節(jié)，包括運輸、人工處理、設(shè)備操作、車間衛(wèi)生等。而對于一些特殊產(chǎn)品如：乳制品的質(zhì)量安全問題一直以來都受到大家的高度重視，由于其營養(yǎng)價值高，一直以來都深受大家的喜歡。采用傳統(tǒng)的熱殺菌方法不僅會使其口感大打折扣，同時造成大量營養(yǎng)物質(zhì)流失。因此涌現(xiàn)出了許多非熱殺菌技術(shù)，如脈沖電場（pulsed electric fields，PEF），高壓處理（high pressure processing，HPP）、輻射和冷等離子體等。冷等離子體作為一種非熱殺菌技術(shù)具有高效、低溫、無殘留、破壞性小等優(yōu)點，在滿足人們對食品品質(zhì)需求的同時也可以保證食品的安全。從一些初步研究可以看出冷等離子體能夠有效地殺滅果蔬類食品表面、液體食品、肉制品等生產(chǎn)加工和儲存過程中所產(chǎn)生的有害微生物。ZIUZINA D等[28]用冷等離子體分別對圣女果處理10 s、60 s、120 s后發(fā)現(xiàn)其表面的沙門氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、單細(xì)胞增生性李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）分別從初始菌落的3.1 lg（CFU/g）、6.3 lg（CFU/g）和6.7 lg（CFU/g）減少至檢測限。

液體食品由于其特殊的產(chǎn)品屬性，能夠為微生物提供良好的生存環(huán)境，在儲藏過程中極易被微生物入侵，對食品的品質(zhì)和風(fēng)味造成較大的影響。因此，殺菌處理是液態(tài)食品必不可少的一個環(huán)節(jié)。將冷等離子體殺菌技術(shù)應(yīng)用于液體食品，是一項巨大的突破。因為冷等離子體是氣體受到外界高能量（強(qiáng)電磁場、高溫等）放電而產(chǎn)生的，如果液體中沒有足夠多的氣體，很難激發(fā)冷等離子體，因此如何將大量的氣體成功地引入到液體中是實現(xiàn)殺菌的關(guān)鍵因素。MA H等[29]將空氣和純氧以氣泡的形式引入液體中，并將電場施加于液體與氣體氣泡的混合態(tài)上成功的滅活了牛奶和橘汁中的沙門氏菌和大腸桿菌O157：H7。

研究證實經(jīng)冷等離子體處理后不會對其品質(zhì)造成太大的影響。喬維維等[30]研究了低溫等離子體對牛肉的最佳殺菌效果以及殺菌處理后對其色澤的影響，研究表明牛肉的α*值（紅度）與電壓的大小和處理時間有很大的關(guān)系；在72 kV的電壓下使用30%N2、35%O2和35%NO2混合氣體為激發(fā)介質(zhì)的低溫等離子體對生鮮牛肉表面的細(xì)菌進(jìn)行殺菌處理86 s后，其表面細(xì)菌殘留量大幅度減少，殺菌率可達(dá)到93.75%，并且能夠使牛肉保持較好的色澤和風(fēng)味。此外，經(jīng)冷等離子體處理后不僅能夠殺滅微生物，而且能夠改變食品中內(nèi)源酶的活性。在一定程度上能夠有效地抑制鮮切果蔬、糙米等食品中的α-淀粉酶、多酚氧化酶、果膠甲酯酶、過氧化物酶等內(nèi)源酶的活性，起到延緩果蔬酶促褐變、谷物陳化的作用[31]。LEE K H等[32]研究發(fā)現(xiàn)，糙米經(jīng)冷等離子體處理后其表面的蠟狀芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌從初始濃度的4.29 lg（CFU/g）和4.23 lg（CFU/g）分別降低到1.30 lg（CFU/g）和1.29 lg（CFU/g），同時糙米的水分吸收率和α-淀粉酶的活性得到有效地提高。這可能是因為冷等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)導(dǎo)致米糠層出現(xiàn)裂痕改變了其內(nèi)部的構(gòu)型，使得糙米的吸水性，酶活性發(fā)生了變化[33]。

4.2 食品包裝材料的滅菌

對食品原材料進(jìn)行包裝處理能夠適當(dāng)延長保質(zhì)期，防止其在運輸和儲存的過程中發(fā)生腐爛變質(zhì)。如果處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致包裝材料被微生物入侵間接污染食品原材料引起腐敗變質(zhì)[34]。研究證實包裝材料經(jīng)冷等離子體處理后能夠有效地滅活其表面的微生物，并且對某些包裝材料還有增強(qiáng)效果。OHYA等[35]用脫脂豆粕（defatted soybean meal，DSM）制成的可食性薄膜覆蓋于煙熏鮭魚上，在400 W經(jīng)冷等離子體處理15 min后發(fā)現(xiàn)DSM膜的水分阻隔性、伸長率分別增加了24.4%、13.4%。冷等離子體還能夠有效地延長包裝材料的密封性功能[36]。并且在聚合物表面沉積阻擋層如抗菌劑、抗氧化物等物質(zhì)，減少氣體（氧氣和二氧化碳）滲透到包裝材料中有效地避免微生物入侵。

4.3 凈化廢水

在絕大多數(shù)食品企業(yè)需要消耗大量的水以滿足日常需求，大部分水主要用于設(shè)備以及原材料的清洗。水被高負(fù)荷的腐生病原微生物和有機(jī)化合物污染后如果處理不當(dāng)容易對土壤造成污染最終引起食品原材料的變異。由于食品加工廠排放的廢水含有很高的有機(jī)負(fù)荷，采用傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法很難完全凈化廢水。有研究表明當(dāng)活性氧化物質(zhì)擴(kuò)散到廢水中時能夠有效地分解或降解污染物。MOHAMED A A H等[37]已證實，水果和蔬菜加工廠排放的廢水經(jīng)冷等離子體處理后能夠?qū)崿F(xiàn)有效凈化，在此次研究中采用一臺25 kV的等離子體射流對西紅柿、黑莓和甜菜根加工廠排放的廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明西紅柿加工廠排放的廢水經(jīng)等離子體處理150 s后已完全凈化，黑莓和甜菜根排放的廢水經(jīng)處理180 s后廢水細(xì)菌數(shù)量分別減少了0.411g（CFU/g）和2.24 lg（CFU/g），并且處理后的廢水化學(xué)需氧量減少了57.5%～93.3%，廢水中的內(nèi)毒素減少了90.22%。冷等離子體凈化廢水的原理主要是因為羥基自由基以及其他活性物質(zhì)擴(kuò)散到廢水表面引起有機(jī)化合物的降解，在降解的過程中伴隨著紫外線光波的作用由于沖擊波的感應(yīng)間接引起熱解和化學(xué)反應(yīng)從而起到凈化廢水的作用[38]。

4.4 設(shè)備表面去污

通常除食品自身攜帶的病原微生物外，在加工運輸操作的過程中處理設(shè)備的表面也會被微生物污染，并且微生物容易在自然條件下產(chǎn)生多聚物基質(zhì)薄膜黏附于設(shè)備表面，由沙門氏菌形成的生物膜化學(xué)耐受性較好難以從設(shè)備表面去除。這些病原微生物能夠在食品加工設(shè)備、輸送帶和不銹鋼設(shè)備表面形成生物薄膜這對于釀造業(yè)、乳制品加工和家禽加工行業(yè)一直以來都是一個很嚴(yán)重的安全隱患問題。研究表明，不銹鋼設(shè)備經(jīng)過冷等離子體處理后能夠引起表面的蛋白質(zhì)發(fā)生變性[39]。LEIPOLD F等[40]采用介質(zhì)阻擋放電等離子體對一個旋轉(zhuǎn)的切肉刀片進(jìn)行去污處理，當(dāng)將李斯特菌接種到刀片上后經(jīng)冷等離子體處理340 s后，發(fā)現(xiàn)李斯特氏菌減少了5 lg（CFU/g），并且該方法允許刀片在工作的同時進(jìn)行去污處理，能夠有效地降低肉與刀片之間二次污染的風(fēng)險。最近，JACOFSKY M C等[41]發(fā)明了一項專利描述了多頻諧波富集的冷等離子體對食品接觸表面和食品輸送帶的滅菌，該專利的原理主要是對食品的有效區(qū)域以及特定時間段的食品進(jìn)行冷等離子體處理從而達(dá)到滅菌的效果。

5 展望

冷等離子體作為一種快速有效的非熱殺菌技術(shù)，對果蔬表面殺菌、延長液態(tài)食品貨架期、防止肉制品腐敗變質(zhì)等食品安全與營養(yǎng)控制領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，并且該技術(shù)還具有凈化設(shè)備表面污漬，降解廢水中有機(jī)污染物等作用。目前看起來是一種安全、環(huán)保可靠并且能夠替代傳統(tǒng)熱處理的有效方法。因此，為了進(jìn)一步加快冷等離子體在食品工業(yè)中的應(yīng)用今后的研究和發(fā)展重點主要放在以下幾個方面：①能夠引起冷等離子體起殺菌作用的反應(yīng)物很多，是否存在除超氧化物、臭氧等活性物質(zhì)以外的反應(yīng)物也具有殺菌能力需要我們進(jìn)一步探究；②經(jīng)冷等離子體處理后引起食品性質(zhì)改變的研究還不是很徹底，有關(guān)安全方面的問題，需要進(jìn)一步做毒理性試驗以確保其安全無害；③將多種冷殺菌技術(shù)聯(lián)合使用，增強(qiáng)殺菌效果，更好地解決食品易腐敗變質(zhì)的問題；④將冷等離子體拓展到更多交叉領(lǐng)域中，充分發(fā)揮其優(yōu)點，實現(xiàn)應(yīng)用的最大化。