基于低溫等離子體技術(shù)的果蔬生鮮殺菌保鮮研究進(jìn)展

徐文慧，周錦云，蔡靜，張俊

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品采后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310021)

果蔬生鮮由于營(yíng)養(yǎng)豐富、口感良好、風(fēng)味獨(dú)特而受到消費(fèi)者的喜愛。傳統(tǒng)的生鮮保鮮技術(shù)主要以裸露或覆蓋保鮮膜置于冷柜中冷藏的方法來延緩發(fā)生腐敗的時(shí)間。常用的果蔬保鮮技術(shù)以氣調(diào)保鮮為主[1]，根據(jù)果蔬貯藏要求，通過調(diào)節(jié)環(huán)境氣體成分比例，抑制果蔬呼吸，延緩代謝，從而保持果蔬品質(zhì)。雖然這些保鮮技術(shù)可以有效地延長(zhǎng)果蔬生鮮的貯藏期，但無法達(dá)到有效殺菌和解毒的目的，而其他保鮮技術(shù)也存在著諸如設(shè)備成本過高、營(yíng)養(yǎng)破壞、殺菌效率低等缺陷[2]。

低溫等離子體技術(shù)是新一代的高科技滅菌技術(shù)，它能克服現(xiàn)有滅菌方法的一些局限和不足之處，提高消毒滅菌效果。其體系主要以帶電粒子為主，受外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的影響[3]，不但可以對(duì)果蔬生鮮產(chǎn)生有效的殺菌效果，而且不會(huì)影響果蔬生鮮的過氧化值和酸價(jià)，不會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。

介紹低溫等離子體技術(shù)殺菌保鮮的機(jī)理，對(duì)比常用果蔬生鮮保鮮技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述低溫等離子體技術(shù)在果蔬生鮮殺菌保鮮領(lǐng)域的研究進(jìn)展，探討低溫等離子體技術(shù)對(duì)果蔬生鮮的實(shí)用價(jià)值。

1 低溫等離子體技術(shù)的特點(diǎn)

低溫等離子體技術(shù)是近20年發(fā)展起來的新型高級(jí)氧化技術(shù)[5]。它不同于一般的中性氣體，主要以帶電粒子為主，受外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的影響，具有獨(dú)特的光、熱、電等物理性質(zhì)[6]，可以產(chǎn)生多種物理過程和化學(xué)反應(yīng)，主要產(chǎn)生高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光解3方面的協(xié)同作用。

高能電子輻射作用[7-8]。低溫等離子體內(nèi)的高能電子轟擊水溶液，使水分子發(fā)生電離，激發(fā)生成反應(yīng)能力極強(qiáng)的物質(zhì)，并通過反應(yīng)生成游離氧、臭氧和自由基。這些活性基團(tuán)易攻擊有機(jī)分子，通過一系列的反應(yīng)使其分解為小分子。

臭氧氧化作用[9]。低溫等離子體產(chǎn)生的臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，溶于水后直接或由其分解產(chǎn)生的·OH氧化有機(jī)物，會(huì)使其徹底氧化為CO2、H2O和無機(jī)物。

紫外光解作用[10]。低溫等離子體產(chǎn)生的紫外光不僅能單獨(dú)分解物質(zhì)，還可與臭氧聯(lián)用。例如：分子+光子→激發(fā)態(tài)+能量→離子(游離基)+H2O+O2→新物質(zhì)。

低溫等離子體的產(chǎn)生方法主要有高壓脈沖放電法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法和滑動(dòng)弧放電法[11-14]。高壓脈沖放電法：超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→與水分子碰撞→·OH+水生電子+重復(fù)沖擊波，超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→O2→O3+紫外光，類型有針-板式、點(diǎn)-板式、線-板式、環(huán)-筒式。介質(zhì)阻擋放電法：電極放電→富集粒子+電子+自由基+激發(fā)態(tài)原子(分子)→離解+電離反應(yīng)，類型有體(介質(zhì)阻擋放電)、面(介質(zhì)阻擋放電)、共板(介質(zhì)阻擋放電)。輝光放電法：直流放電→蒸汽鞘→高活性粒子(H·、·OH、O3、H2O2)?；瑒?dòng)弧放電法：大氣流→等離子體流→活性粒子+紫外光+高壓激波，類型有液相、氣相。

2 常見果蔬生鮮殺菌保鮮方式對(duì)比

殺菌保鮮是食品行業(yè)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。常見的果蔬生鮮殺菌保鮮方式主要分為熱力殺菌法與非熱力殺菌法2大類。

2.1 熱力殺菌法

2.1.1 巴氏殺菌法

巴氏殺菌法也稱為低溫殺菌法、冷殺菌法[15]，是一種在較低的溫度既可殺死病菌又能保持物品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)風(fēng)味不變的滅菌法，主要應(yīng)用于營(yíng)養(yǎng)成分在低熱環(huán)境下不容易發(fā)生分解的食物，如牛奶等，能夠較好地保持食物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是滅菌溫度較低，時(shí)間較短；缺點(diǎn)是滅菌不徹底，對(duì)于耐熱性較好的微生物無法徹底殺滅[16]。

2.1.2 壓力蒸汽滅菌法

壓力蒸汽滅菌法是在密封空間中產(chǎn)生至少100 MPa的壓力，通過高溫蒸汽殺滅微生物的方法。通過使微生物細(xì)胞中的細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，讓微生物原有的生理活動(dòng)能力遭到破壞，促使微生物死亡[17]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、滅菌效果好、無殘留；缺點(diǎn)是食品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被破壞，成本高，安全性較低。

2.2 非熱力殺菌法

2.2.1 臭氧殺菌法

臭氧殺菌法是一種以空氣與水體為媒質(zhì)的溶菌級(jí)滅菌法[18]。通過臭氧的強(qiáng)氧化作用破壞微生物的細(xì)胞膜，阻礙其新陳代謝，改變膜的通透性，使得蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞溶解死亡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是殺菌迅速?gòu)氐?，無二次殘留，且可快速自然分解為氧氣；缺點(diǎn)是臭氧有強(qiáng)烈的腥味，對(duì)鼻黏膜有刺激性，且自身性質(zhì)特殊，使用受限。

2.2.2 紫外殺菌法

紫外殺菌法是一種通過光的直線輻射傳播殺菌的滅菌法[19]。紫外線可對(duì)微生物進(jìn)行輻射，損傷、破壞其核酸的生理功能，使得微生物死亡[20]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是殺菌效果較好；缺點(diǎn)是紫外線輻射對(duì)人體有傷害，限制因素多，且對(duì)一些食品的風(fēng)味會(huì)有影響，不適用于不耐熱的食品。

2.2.3 微波殺菌法

微波殺菌法是指采用微波(頻率范圍300～300 000 MHz)照射殺滅微生物，是熱殺菌的一種[21]。通過對(duì)膜電位、極性分子結(jié)構(gòu)的改變，使得微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和生理活性物質(zhì)發(fā)生變異，喪失活力或死亡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，速度快，溫度低，安全可靠；缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴，對(duì)一些肉類食品的保鮮效果不明顯，對(duì)一些食品的營(yíng)養(yǎng)成分有影響[22]，且自身存在限制性因素。

2.2.4 高壓脈沖殺菌法

高壓脈沖殺菌法是一種利用脈沖波瞬間使細(xì)胞破壁，造成膜電位紊亂[23]，對(duì)微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜造成破壞，使微生物失活的殺菌法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，效果好；缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，限制因素多。

3 低溫等離子體技術(shù)在果蔬生鮮殺菌保鮮中的應(yīng)用

低溫等離子體技術(shù)因其兼具高能電子輻射、臭氧氧化和光化學(xué)催化氧化3種作用而成為新一代的殺菌保鮮技術(shù)。該技術(shù)具有滅菌環(huán)境溫度要求低，省時(shí)、效率高、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在果蔬生鮮的殺菌保鮮中[24]。

3.1 果蔬

果蔬保鮮的主要環(huán)節(jié)是抑制果蔬呼吸，降低呼吸強(qiáng)度，延緩生理代謝，降低營(yíng)養(yǎng)成分消耗，抑制微生物生長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)貯藏期，保持果蔬品質(zhì)。

任翠榮等[25]利用低溫等離子體處理草莓，發(fā)現(xiàn)常壓低溫等離子體保鮮草莓的最優(yōu)條件為放電時(shí)間60 s、放電距離10 mm、處理電壓140 V、氣體流速1 L·h-1，感官評(píng)定發(fā)現(xiàn)，草莓的常溫保鮮期延長(zhǎng)了2 d，為傳統(tǒng)常溫保鮮期的2倍。孫艷等[26]以鮮切果蔬的代表——黃瓜為原料，研究低溫等離子體在不同電壓、極距、時(shí)間條件下對(duì)大腸埃希菌的影響，結(jié)果表明：低溫等離子體對(duì)鮮切黃瓜表面的大腸埃希菌具有顯著的殺菌效果，且能夠較好地保持黃瓜的水分、糖度、酸度和顏色，不會(huì)對(duì)細(xì)胞膜造成損害，維持了細(xì)胞膜的通透性和脂質(zhì)氧化程度，保持了VC含量。王卓等[27]探究低溫等離子體對(duì)藍(lán)莓表面的殺菌作用發(fā)現(xiàn)，利用介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體在45 kV工作電壓下處理藍(lán)莓50 s，可使藍(lán)莓表面細(xì)菌和真菌數(shù)量下降，且可顯著抑制藍(lán)莓貯藏期間腐爛的發(fā)生。Critzer等[28]研究低溫等離子體對(duì)蘋果、哈密瓜和生菜表面的大腸埃希菌、傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞李斯特菌滅活的影響，結(jié)果表明，3種菌落在處理不同時(shí)間后種群減少。Matan等[29]利用低溫等離子體處理鮮切火龍果表面的病原菌發(fā)現(xiàn)，40 W時(shí)的大氣射頻等離子體能使其抑制鮮切火龍果表面所有病菌生長(zhǎng)的效果提高5.0%，可以有效地抑制鮮切火龍果的病原菌生長(zhǎng)，延長(zhǎng)火龍果的貨架期。

低溫等離子體處理果蔬既保持了原來的感官品質(zhì)，又對(duì)其表面的微生物具有很好的抑制作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的殺菌保鮮技術(shù)，低溫等離子體是一種新興的綠色滅菌技術(shù)，利用產(chǎn)生的自由基和活性成分可高效地殺滅細(xì)菌，維持果蔬品質(zhì)。

3.2 生鮮

生鮮由于含水量高且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，適于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，極易發(fā)生腐敗。生鮮殺菌保鮮的關(guān)鍵是抑制微生物的生長(zhǎng)，減緩蛋白質(zhì)的分解速度，減少氨和胺類物質(zhì)等堿性腐敗物質(zhì)的產(chǎn)生[30]，延緩生鮮的腐敗，延長(zhǎng)保鮮時(shí)間。

斯興開等[31]利用低溫等離子體處理草魚魚肉，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可有效殺菌，并對(duì)草魚魚肉的新鮮程度無明顯負(fù)面影響，既可以保留栲膠獨(dú)有的生鮮風(fēng)味，又可有效降低生食水產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，顯著提高生食水產(chǎn)品的食用安全性。劉品[32]以南美白對(duì)蝦為研究對(duì)象，通過低溫等離子體技術(shù)處理后，對(duì)蝦體內(nèi)的多酚氧化酶活力降低，黑變速度下降。同時(shí)，低溫等離子體能有效抑制南美白對(duì)蝦細(xì)菌增長(zhǎng)，使其貨架期在4 ℃冷藏條件下由4 d延長(zhǎng)至6 d。喬維維等[33]研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體能有效降低牛肉細(xì)菌殘留量，且最佳殺菌工藝為電壓72 kV，處理時(shí)間86 s，O2、CO2和N2比例分別為35%、35%和30%。在此條件下，牛肉仍能保持較好的顏色，殺菌率為93.75%。黃明明等[34]利用低溫等離子體在72 kV條件下處理牛肉85 s，4 ℃條件下貯藏 10 d，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理后會(huì)顯著降低貯藏過程中牛肉的菌落含量，貯藏10 d的菌落總數(shù)顯著低于對(duì)照，假單胞菌、熱死索絲菌、乳酸菌微球菌和大腸埃希菌的數(shù)量也均低于對(duì)照組。R?d等[35]利用低溫等離子體處理牛肉干表面的單核增生性李斯特菌，隨著等離子體激發(fā)功率和時(shí)間延長(zhǎng)，菌落總數(shù)能夠明顯降低。Patil等[36]利用低溫等離子體處理禽肉表皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌，也取得了積極效果。

低溫等離子體利用其自身機(jī)制優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)生鮮表面殺菌、降解代謝產(chǎn)物和農(nóng)殘，達(dá)到了保鮮的效果[37]。其對(duì)生鮮的殺菌作用強(qiáng)，能有效地殺死或鈍化細(xì)菌、霉菌、酵母，及其他有害的微生物，甚至使孢子和生物菌膜失活[38]，能夠減緩腐敗菌在生鮮中的生長(zhǎng)速度，保證運(yùn)輸和貯藏過程中生鮮的新鮮程度，在一定程度上延長(zhǎng)生鮮的貨架期，同時(shí)對(duì)生鮮感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的改變較小。

4 小結(jié)

在當(dāng)今食品加工領(lǐng)域，果蔬生鮮的保鮮、貯藏一直以來都是難以解決的問題，國(guó)內(nèi)外一直將該領(lǐng)域列為研究的重點(diǎn)[39]。低溫等離子體殺菌技術(shù)可以應(yīng)對(duì)多種類型的細(xì)菌、真菌、病毒，以及各種芽孢。不僅具有對(duì)滅菌環(huán)境溫度要求低、省時(shí)、效率高、不產(chǎn)生殘留物、殺菌全面等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了常見果蔬生鮮殺菌保鮮方法在安全性、經(jīng)濟(jì)性和效率等方面的缺點(diǎn)，是一種值得深入研究推廣的新型殺菌保鮮技術(shù)。