低溫等離子技術(shù)及其對食品品質(zhì)與微生物的影響

楊新文 - 牛文俊 - 成軍虎 - 王滿生 -

(1. 安徽中儲糧糧油質(zhì)監(jiān)中心，安徽 合肥 230041；2. 華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205)

1 低溫等離子體技術(shù)

1.1 等離子體放電

目前，低溫等離子體的產(chǎn)生主要是通過氣體放電，在食品領(lǐng)域，較為常見的氣體放電方式為介質(zhì)阻擋放電和電暈放電。在放電過程中，高密度的電子通過氣態(tài)介質(zhì)在電場中被加速，使電子和氣體中的原子及分子發(fā)生初次大量碰撞，這些碰撞會改變電子的方向和能量，但是由于質(zhì)量差異，一些質(zhì)量較大的粒子在碰撞過程中幾乎無動量傳遞，能保持接近外界環(huán)境的溫度[3]。對于在大氣壓下空氣等離子，氧氣和氮氣經(jīng)過電離、離解等反應(yīng)生成基態(tài)或激發(fā)態(tài)的粒子等，它們具有比單分子之間碰撞更低的活化能，與電子發(fā)生二次碰撞，進一步生成大量的活性氧、活性氮物質(zhì)。同時，伴隨著電子躍遷，會產(chǎn)生大量的紫外線，在紫外線和這些活性成分的作用下，對微生物進行滅活。

1.2 等離子體診斷

在等離子體的產(chǎn)生過程中，有電子、離子、自由基和光子等多種物質(zhì)參與，為了更好地理解和控制這一過程，人們使用不同的方法來檢測和診斷等離子體。目前，診斷技術(shù)主要分為電學(xué)和光學(xué)兩種方式，一般實時進行。電學(xué)診斷技術(shù)常用的有朗繆爾探針、等效電路模型以及干涉測量法。朗繆爾探針法是將電極探針放入產(chǎn)生的等離子體中，通過描繪電流電壓特性曲線間接診斷等離子體的濃度[4]。一般來說，這種方法要求探頭的直徑短于電子的平均自由路徑，德拜長度滿足拉普拉斯極限定理。否則，外層護套結(jié)構(gòu)和內(nèi)部碰撞的干擾會影響電子密度、空間電位等參數(shù)的檢測。等效電路模型適用于產(chǎn)生大氣壓等離子體的高壓電源，電壓的時間特性由高壓探頭測量，并用數(shù)字示波器記錄電壓的時間變化。對于高于500 V 的電壓，通常會使用具有某些特性的分壓器。干涉測量方法表主要表征和測量等離子體的折射率，通過計算沿等離子體源的激光路徑長度與折射率的關(guān)系從而診斷出等離子體的密度[5]。等離子體能激發(fā)不同波長的電磁波、電場以及磁場。通過光學(xué)測量能夠有效地診斷等離子體的溫度、密度和化學(xué)組成。測量儀器主要由4部分組成：等離子體產(chǎn)生裝置作為光源，透鏡作為光導(dǎo)向器，衍射光柵作為光譜儀，感光片作為檢測器。在紅外區(qū)域，通過傅立葉變換光譜法能觀察到分子旋轉(zhuǎn)與振動之間的轉(zhuǎn)變，具有高光譜分辨率和高信噪比。干涉儀通過移動光學(xué)路徑創(chuàng)建時域干涉圖，再將干涉圖轉(zhuǎn)換為頻域頻譜。圖1展示了以Ar惰性氣體為工作氣體的射頻型低溫等離子體的原子發(fā)射光譜圖。

1.3 等離子體活性成分

圖1 Ar惰性氣體的射頻型低溫等離子體的原子發(fā)射光譜圖

2 低溫等離子體處理對食品品質(zhì)的影響

2.1 對淀粉結(jié)構(gòu)的影響

食品中淀粉結(jié)構(gòu)的修改和改性與淀粉的有效利用至關(guān)重要。Bunara等[9]通過低溫等離子體處理玉米淀粉，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低溫等離子處理的玉米淀粉的水結(jié)合能力有所增加。形成的主要原因是等離子體處理過后的淀粉樣品，其部分直鏈淀粉與支鏈淀粉被降解為麥芽糖和葡萄糖等小分子糖，而這些糖含量的增加，會提高淀粉整體的親水性能。Pal等[10]研究認(rèn)為，稻米經(jīng)過等離子體處理后，米粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉中鏈的支化程度增加，處理后淀粉的脫水收縮性也發(fā)生了改變。在被處理前的冷藏期間，谷物淀粉分子主要由淀粉鏈之間的分子締合引起重組，導(dǎo)致脫水收縮，而經(jīng)過低溫等離子體技術(shù)處理后，谷物中淀粉分子間的糖苷鍵在等離子體的作用下裂解而解聚，進而發(fā)生脫水收縮，如圖2所示。

2.2 對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

等離子體中產(chǎn)生的活性成分可以較為顯著地影響肉的色澤。其中，NO和CO都有可能與肌紅蛋白血紅素發(fā)生配位結(jié)合，使肌紅蛋白顯示出鮮艷的粉紅色。同時，由于等離子體產(chǎn)生的氮氧化物會溶于肉表面的水分中，生成亞硝酸鹽和硝酸鹽，導(dǎo)致pH下降的同時也有可能與肌紅蛋白發(fā)生相互作用，這也是研究者認(rèn)為等離子體能夠作為護色手段的原因。除了與肌紅蛋白的血紅素配位結(jié)合，肌紅蛋白還可能與NO的非血紅素結(jié)合，即與卟啉環(huán)外的氨基酸結(jié)合，生成N-亞硝化肌紅蛋白，從而存在一定的健康風(fēng)險。Yong等[11]發(fā)現(xiàn)，將溶于磷酸鹽緩沖液中的肌紅蛋白暴露于常壓等離子體(APP)20 min后，a*值下降，b*值上升(P<0.05)。APP處理后，肌紅蛋白溶液中產(chǎn)生亞硝酸鹽，為高鐵肌紅蛋白的亞硝化(綠色)提供了一個積極的環(huán)境。然而，在肌紅蛋白溶液中添加0.5%二硫代鈉(一種強還原劑)導(dǎo)致了脫氧肌紅蛋白的形成，經(jīng)APP處理后，脫氧肌紅蛋白被轉(zhuǎn)化為亞硝基肌紅蛋白，呈現(xiàn)出理想的紅色。因此，APP誘導(dǎo)的肌紅蛋白溶液中的綠色與亞硝化的高鐵肌紅蛋白的形成有關(guān)。Wang等[12]發(fā)現(xiàn)，將安樂死的羅非魚暴露于NO氣體中，暴露時間越長，肌紅蛋白的血紅素與NO結(jié)合越多。Wang等[13]還嘗試將NO溶于水中處理羅非魚肉，發(fā)現(xiàn)羅非魚的色澤穩(wěn)定性顯著提高，貨架期延長。同理，Mantilla等[14]采用CO處理羅非魚肉，魚肉的a*值上升且穩(wěn)定性增加。也有研究[15]認(rèn)為，氣調(diào)包裝中加入CO能保持牛肉的鮮紅色澤。這些研究均表明，等離子體與肌紅蛋白的配位結(jié)合是很可能發(fā)生的。Surowsky等[16]通過采用低溫等離子體技術(shù)處理新鮮食品中的酶，發(fā)現(xiàn)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起重要作用的二級結(jié)構(gòu)受到了明顯的破壞損失。放電產(chǎn)生的等離子體如OH-等可以參與到對蛋白質(zhì)肽鏈的切割以及可以氧化氨基酸側(cè)鏈并形成蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)交聯(lián)，使蛋白質(zhì)原有的活性受到顯著影響。而Deng等[17]也通過介質(zhì)阻擋放電等離子體對蛋白質(zhì)進行處理，證實被處理的蛋白質(zhì)被降解為了小分子物質(zhì)，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)受損較為顯著。Ekezie等[18]探討了以干燥空氣為載氣的RF等離子體活性物質(zhì)產(chǎn)生的氧化效應(yīng)對肌原纖維蛋白(MP)結(jié)構(gòu)的修飾以及對其理化特性的影響。采用分光光度法、ANS熒光探針法探究了CP處理對MP的理化特性的影響，結(jié)果表明，與對照組相比，MP的溶解性下降，且在10 min處理后，達到最低值(54.8±6.76)%；同時濁度增加，起泡能力基本不發(fā)生變化。初步揭示了CP處理可以誘導(dǎo)MP分子構(gòu)像的改變，為蛋白質(zhì)等生物大分子的修飾提供了一定的參考；圓二色譜分析結(jié)果表明，隨著處理時間的增加，α-螺旋不斷下降，經(jīng)過10 min處理后，α-螺旋結(jié)構(gòu)基本消失，揭示了等離子體中的活性成分對蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞作用；ANS熒光探針和熒光發(fā)射光譜法分析結(jié)果表明，隨著處理時間的延長，MP分子表面的疏水性逐漸增加，經(jīng)過10 min處理后，表面疏水值從(465.7±9.33)增加到(846.6±10.2)。同時，MP蛋白的最大熒光吸收波長發(fā)生了輕微的紅移。紫外吸收光譜顯示MP分子在280 nm處的吸收呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，初步揭示了等離子體中的活性氧成分如OH-、H2O+等對氨基酸殘基以及巰基的氧化作用，以及誘導(dǎo)MP蛋白分子展開，導(dǎo)致疏水氨基酸暴露，從而引起MP蛋白分子構(gòu)像的改變。圖3揭示了低溫等離子體處理對蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的影響過程。

表1 等離子體—液體各相活性物質(zhì)

圖2 等離子體處理對淀粉結(jié)構(gòu)的影響

ROS. 活性氧化物 RNS. 活性氮化物

2.3 低溫等離子體處理對食品中微生物的影響

近年來，冷等離子體在食品工業(yè)中的應(yīng)用顯示出獨特的優(yōu)勢，可用于滅活食品表面的沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、巴西曲霉、大腸桿菌、單核增生李斯特菌等微生物[19]，酵母[20]，枯草芽孢桿菌內(nèi)生孢子[21]和枯草芽孢桿菌[22]，黃曲霉[23]和曲霉寄生黃曲霉孢子[24-27]。包裝后的肉經(jīng)等離子體處理也能保證肉的微生物下降超過2個對數(shù)級，同時包裝未被損壞。并且，等離子體處理在有效滅菌的同時，不會降低肉的質(zhì)量，包括質(zhì)地等感官質(zhì)量和脂肪氧化、蛋白氧化等理化特性[28]。Kuzminova等[29]的試驗結(jié)果表明，隨著低溫等離子體處理的進行，被處理過的枯草芽孢桿菌孢子的外層組織遭到明顯破壞，孢子的尺寸也明顯減小，與孢子的原始尺寸相比，孢子幾乎被完全侵蝕。低溫等離子體處理后微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到破壞，膜功能如控制物質(zhì)進出受到顯著影響，進而表現(xiàn)為微生物及孢子被滅活效果明顯。芽孢內(nèi)DNA攜帶著與芽孢內(nèi)新陳代謝相關(guān)的信息，一旦相關(guān)的DNA受損，芽孢就很有可能死亡。目前研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體能造成芽孢內(nèi)的DNA損傷，且主要與激發(fā)氣體產(chǎn)生的紫外線有關(guān)。Hertwig等[21]使用3組氣體(Ar，Ar+0.135% O2，Ar+0.135% O2+0.2% N2)對枯草芽孢桿菌進行滅活，并對滅活過程中芽孢滅活率和DNA損傷進行動力學(xué)分析，不同氣體條件下DNA損傷的動力學(xué)模型不同。對突變體芽孢(缺乏α/β型DNA酸可溶蛋白，缺乏核酸切除修復(fù)路徑)進行低溫等離子體處理的試驗中發(fā)現(xiàn)，突變體對于在低溫等離子體處理下的環(huán)境敏感性增加。Ma等[30-31]用大氣壓等離子體射流活化的等離子體活化水(PAW)處理接種過金黃色葡萄球菌的草莓，貯藏4 d后使草莓表面的金黃色葡萄球菌減少了2 lg CFU/g，并且對真菌生長也有一定的抑制作用。

圖4 低溫等離子體處理對微生物滅活機制

3 結(jié)束語

低溫等離子體激發(fā)過程中會產(chǎn)生大量的ROS和RNS等活性物質(zhì)，可以與食品體系中的有機大分子如淀粉和蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，可以進行化學(xué)修飾、改性與功能性優(yōu)化。同時，這些活性成分可以與食品微生物的細(xì)胞膜成分及遺傳物質(zhì)DNA相互作用，最終達到滅活的效果。文章主要探討了部分國內(nèi)外學(xué)者使用低溫等離子體處理食品分子結(jié)構(gòu)變化的研究成果，為低溫等離子技術(shù)調(diào)控食品品質(zhì)提供重要理論參考和新的技術(shù)手段。同時，在關(guān)于低溫等離子體滅活芽孢類微生物的研究上，滅活效果明顯，處理時間短，效率高，在未來應(yīng)用上低溫等離子體技術(shù)將會有更廣闊的發(fā)展空間，為該技術(shù)的工程化應(yīng)用提供理論支撐。