低溫等離子體殺菌技術(shù)研究現(xiàn)狀

◎ 許童桐，黨慶秋

（1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830；2.四川輕化工大學(xué)，四川 宜賓 644000）

過(guò)去食品的滅菌方法常用高熱滅菌，此法會(huì)造成一些不利于食品品質(zhì)的反應(yīng)發(fā)生，如蛋白質(zhì)凝固和核酸變性。甚至有些食品經(jīng)進(jìn)一步加溫后會(huì)在高溫作用下分解，發(fā)生顏色的改變，以及水分和維生素的流失。近代出現(xiàn)了巴斯德消毒法，但此法嚴(yán)格的保存方式和短暫的保存時(shí)間使其不能在食品中得到廣泛運(yùn)用。隨著工業(yè)的發(fā)展，食品污染途徑也在迅速增加，故而保持食品風(fēng)味的同時(shí)做到高效率滅菌是現(xiàn)代食品企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展突破的機(jī)遇。近年來(lái)倡導(dǎo)的低溫等離子體滅菌可能將成為下一個(gè)值得研究推廣的滅菌方式。

1 等離子體概述

1.1 等離子體的概念

在人們的常識(shí)中物質(zhì)有3 態(tài)，分別為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。此外還有第四類不常為人熟知的物質(zhì)狀態(tài)，這一類物質(zhì)狀態(tài)被稱為“等離子體”。它由正離子和游離電子構(gòu)成，通常不帶電但具有非常強(qiáng)的導(dǎo)電性，是一種新興的殺菌介質(zhì)。目前熟知的等離子體有太陽(yáng)或者其他恒星表面的氣層。因當(dāng)強(qiáng)電流通過(guò)時(shí)，電磁作用會(huì)引發(fā)產(chǎn)生劇烈的收縮，所以，現(xiàn)如今人們通常通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生利用等離子體。

1.2 等離子體的分類

等離子體按照是否達(dá)到熱平衡，可分為兩類，一類是熱平衡等離子體，另一類是非熱平衡等離子體。利用其電子、離子和中性粒子相對(duì)溫度的區(qū)別與不同點(diǎn)，當(dāng)?shù)入x子體的電子、離子和中性粒子處于相等的溫度，即上述的熱平衡狀態(tài)時(shí)，稱它為高溫等離子體。相反，當(dāng)其電子有幾千攝氏度的超高溫，而粒子和中性粒子的溫度遠(yuǎn)低于電子，有時(shí)候可以接近于日常室溫，即上述非熱平衡的等離子體，又稱它為冷等離子體。因?yàn)樵诔叵驴梢岳茫实蜏氐入x子體滅菌在食品滅菌領(lǐng)域有極高的研究?jī)r(jià)值和未來(lái)前景。

1.3 低溫等離子體殺菌

對(duì)低溫等離子體建立起可以作為滅菌技術(shù)手段的認(rèn)知，最初來(lái)源于1968 年Menashi 的報(bào)告。在這一次報(bào)告中使用到了等離子滅菌技術(shù)來(lái)消滅玻璃瓶上的細(xì)菌，而等離子體是用氬等離子體。在這以后，人們對(duì)等離子滅菌逐步了解，并逐步運(yùn)用于現(xiàn)代輕工業(yè)、醫(yī)療業(yè)和食品工業(yè)中。

1.4 關(guān)于低溫等離子體殺菌機(jī)理的幾種假說(shuō)

目前，學(xué)界還未能準(zhǔn)確了解低溫等離子體完整的殺菌機(jī)制。主要流行的3 種關(guān)于反應(yīng)機(jī)制的假說(shuō)[1-3]：①制造強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生等離子體時(shí)產(chǎn)生的一些紫外線，會(huì)引起微生物細(xì)胞核中的基因組發(fā)生改變，而改變來(lái)源于DNA 的堿基。紫外線下堿基形成嘧啶二聚體，最后導(dǎo)致微生物死亡，達(dá)成滅菌。②自由基導(dǎo)致了微生物組分發(fā)生改變，并最后使得微生物死亡，而等離子體殺菌過(guò)程可以生成各類化學(xué)活性物質(zhì)，即自由基。③產(chǎn)生等離子體時(shí)，產(chǎn)生的紫外光中有著相當(dāng)含量的紫外光子，這些紫外光子可以使微生物中一些細(xì)胞分子的化學(xué)鍵斷鍵，最終生成一些揮發(fā)性物質(zhì)，例如一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮–Hx）等。

2 低溫等離子殺菌成分與輻照殺菌技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系

由上述可以知道低溫等離子殺菌的一些殺菌成分分別為紫外線、紫外光子、自由基和等離子產(chǎn)生帶電粒子。有研究比較了電鏡下低溫等離子殺菌后的細(xì)菌與病毒，發(fā)現(xiàn)二者的電鏡圖像均呈現(xiàn)有許多擊穿孔，研究者推論低溫等離子滅菌離不開(kāi)高動(dòng)能的離子以及電子運(yùn)動(dòng)[4]。

青莉芳等指出輻照滅菌主要是利用電磁波，且主要有3 種不同輻照可以針對(duì)不同種類的食品進(jìn)行滅菌[5]。它與低溫等離子滅菌相比，相同之處是利用破壞化學(xué)鍵的方法使微生物失活，并且高效、無(wú)殘留、無(wú)毒性。差別在于，輻照滅菌的方式單一，多利用射線產(chǎn)生的低于10 MeV 的電子束來(lái)進(jìn)行輻照滅菌。

3 低溫等離子體在食品殺菌中的應(yīng)用

近年來(lái)，Dobrynin 等人研究可控制一氧化氮注入生物介質(zhì)和活細(xì)胞，證明等離子體有助于食品保鮮[6]。馬虹兵等也利用電場(chǎng)滅殺液體中的沙門氏菌以及大腸埃希氏菌，以此證明等離子體滅菌在液體食品滅菌中同樣具有可行性[7]。以下研究者也從各個(gè)方面研究了低溫等離子滅菌技術(shù)在食品中的應(yīng)用。

（1）林向陽(yáng)等人研究低溫等離子滅菌技術(shù)在液體食品中的運(yùn)用[8]。實(shí)驗(yàn)表明液體食品中含有的細(xì)菌可在常溫情況下短時(shí)間內(nèi)被低溫等離子體滅殺，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與作為對(duì)照組的低溫殺菌以及高溫殺菌等技術(shù)相比，低溫等離子殺菌技術(shù)最優(yōu)。與空白對(duì)照相比，實(shí)驗(yàn)組橙汁和牛奶含有細(xì)菌總數(shù)下降，產(chǎn)品的維生素C 氧化值極低，并且這項(xiàng)技術(shù)低能耗，相同分量下每毫升橙汁或者牛奶只消耗1 ～2 J 的能量。

（2）劉傳林等人對(duì)分裝式低溫等離子體減壓保鮮技術(shù)進(jìn)行了研究[9]。實(shí)驗(yàn)表明，這項(xiàng)技術(shù)在常溫下可以運(yùn)用并且可以有效調(diào)節(jié)濕度有利于保藏，而等離子體的成分作用于食品內(nèi)部和表面，梳理了不利于保藏的乙烯氣體，也使得病原菌死亡，對(duì)農(nóng)藥殘留也有調(diào)節(jié)降低作用。其作用后的果蔬類農(nóng)產(chǎn)品保鮮期因?yàn)楫a(chǎn)品品種差異，可以達(dá)到90 ～150 d，而其檢驗(yàn)運(yùn)輸后貨架銷售期為7 ～10 d。

（3）張志偉等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較不同的電壓、時(shí)間、極距對(duì)大氣壓下低溫等離子體對(duì)鮮切胡蘿卜表面的金黃色葡萄球菌滅菌效果的影響[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫等離子體殺菌的殺菌率與處理電壓和處理時(shí)間成正比，但是與處理極距成反比，實(shí)驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)面法證明其所建立模型可以運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)殺菌。

（4）張建浩等人研究低溫等離子體技術(shù)處理牛肉[11]。處理10 d 的牛肉重新檢測(cè)表明，低溫等離子殺菌技術(shù)能夠明顯延長(zhǎng)鮮牛肉的貨架銷售期，低溫等離子體技術(shù)有效抑制了有害微生物的繁殖。與氣調(diào)包裝組對(duì)比也說(shuō)明處理后的牛肉不僅健康安全而且對(duì)色澤等感官影響微弱，說(shuō)明在肉制品的食品滅菌領(lǐng)域低溫等離子體滅菌也是一項(xiàng)值得探索研究的新技術(shù)。

4 低溫等離子體殺菌的優(yōu)點(diǎn)與問(wèn)題

4.1 低溫等離子體殺菌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

低溫等離子體技術(shù)作為一項(xiàng)殺菌技術(shù)，在食品工業(yè)生產(chǎn)中有著巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力，并且在國(guó)外相關(guān)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中也得到了很好的運(yùn)用。技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①可以在常溫下運(yùn)用，對(duì)于不便高溫滅菌的食品提供了優(yōu)良的滅菌技術(shù)。②利用等離子體滅菌，其氣體循環(huán)也有利于帶走滅菌廢物和滅菌造成的生物殘留。③由于等離子體被嚴(yán)格約束在密閉空間中，故而相較于高溫滅菌，低溫等離子體滅菌技術(shù)也較為安全。④滅菌速度快、滅菌效率高。⑤綠色無(wú)污染，高效環(huán)保。低溫等離子體技術(shù)與諸多舊技術(shù)相比，彌補(bǔ)了很多的缺點(diǎn)與不足，非常值得研究推廣。

4.2 低溫等離子體殺菌技術(shù)目前存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)階段，低溫等離子體技術(shù)不能在我國(guó)食品滅菌領(lǐng)域普及推廣的原因，一方面是新技術(shù)，企業(yè)需要更多研究依據(jù)從而研究論證其對(duì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的安全性，另一方面是這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)機(jī)械化研究需要大量的資金和設(shè)備支持。最后另外，該技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但是其本身也有一定的局限性，張建浩等指出低溫等離子滅菌中等離子體穿透性較低，加工中其他設(shè)備和加工環(huán)節(jié)也可能影響殺菌效果，如果采用低溫等離子滅菌，諸多關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)也需要改進(jìn)、重新設(shè)計(jì)，這對(duì)其滅菌普及造成了相當(dāng)大程度的影響[12]。而楊新文等人研究等離子技術(shù)滅菌后食品品質(zhì)的變化，也表明了雖然等離子滅菌后的食品色澤穩(wěn)定性較好，但蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)受損明顯[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷推陳出新，低溫等離子體滅菌技術(shù)一定可以因?yàn)槠鋵?duì)食品感官風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分的優(yōu)良保留特點(diǎn)凸顯更大的實(shí)踐價(jià)值。在此對(duì)這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的研究提出一些期待：①加大對(duì)其滅菌機(jī)制的研究，得到令大部分人信服的觀點(diǎn)結(jié)論。②研究這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用食品后對(duì)食用者健康的影響，為這項(xiàng)技術(shù)提供相關(guān)的安全性支持。③研究這項(xiàng)技術(shù)在食品工業(yè)中的設(shè)備改良和相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)。④研究這項(xiàng)滅菌技術(shù)中食品的厚薄通透性對(duì)滅菌效果的影響，為企業(yè)的利用效率和為實(shí)踐指導(dǎo)方向。