低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品加工保藏中應(yīng)用的研究進(jìn)展

鄭 哲，李 昌

（南昌大學(xué), 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西南昌 330047）

低溫等離子體是一項新興的農(nóng)產(chǎn)品非熱加工方式，對食品行業(yè)發(fā)展具有推動作用，因此受到了全球研究者的廣泛關(guān)注。低溫等離子技術(shù)可以用于包裝材料的加工處理，提高包裝材料的阻隔性能或者賦予包裝材料抗菌活性，從而延長食品的貨架期[1]。同時，低溫等離子體可以影響酶的活性，修飾食品基質(zhì)功能特性，降解毒素和農(nóng)藥，對農(nóng)產(chǎn)品原材料進(jìn)行滅菌等[2?3]。然而，該項技術(shù)目前還處在實驗室研究階段，在食品工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)中尚未得到充分的開發(fā)利用。本文介紹了等離子體的概況及其產(chǎn)生方式，分析了滅菌的影響因素和作用機(jī)理，分析了低溫等離子體用于真菌毒素降解以及食品包裝材料滅菌的現(xiàn)狀，闡述了等離子體技術(shù)的優(yōu)點、存在的問題及未來展望。

1 等離子體的概念與分類

1.1 等離子體的概念

等離子體是一種導(dǎo)電流體，可以由任何中性氣體在高壓下電離為激發(fā)或未激發(fā)的分子、原子、自由電子、具有正負(fù)電荷的離子以及自由基等，整體呈電中性的狀態(tài)[4?5]。一般來說，供能將氣體分解成多種活性物質(zhì)，然后進(jìn)行激發(fā)、去激發(fā)和電離等反應(yīng)[6]。在物理學(xué)上，等離子體又被稱為除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以外的物質(zhì)的“第四種形態(tài)”。因為正負(fù)電荷數(shù)在數(shù)值上始終保持相等，故被稱為等離子體[7?8]。

1.2 等離子體的分類

1.2.1 按帶電粒子溫度高低分類 等離子體的發(fā)生過程伴隨能量傳遞，按照離子溫度與電子溫度是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)以及等離子體的電離水平，等離子體可以分為高溫等離子體和低溫等離子體[9?10]。當(dāng)電子溫度與離子溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，稱為高溫等離子體，也稱為熱力學(xué)平衡等離子體，此時體系中的氣體幾乎處于被完全電離的狀態(tài)；當(dāng)電子溫度遠(yuǎn)高于離子溫度，體系處于非熱平衡狀態(tài)時，體系中的氣體為輕度電離，故被稱為低溫等離子體，也稱為非熱力學(xué)平衡等離子體。在食品工業(yè)的應(yīng)用中，低溫等離子體因為其在低溫食品加工中的潛在應(yīng)用和特殊優(yōu)勢而受到人們的廣泛關(guān)注。

1.2.2 按等離子體發(fā)生方式分類 目前，等離子體主要可以通過電場、加熱、高能射線等方式激發(fā)產(chǎn)生[11]。在實驗室研究，一般采用加速電子、離子或高能中性粒子的碰撞作用而產(chǎn)生電離氣體。低溫等離子體經(jīng)常使用的發(fā)生系統(tǒng)包括介質(zhì)阻擋放電、電暈放電、常壓輝光放電和滑動弧電弧放電[12?13]。

1.2.2.1 介質(zhì)阻擋放電 介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）等離子體發(fā)生裝置是由混合主室、等離子體室和氣體循環(huán)模塊共同組成的放電系統(tǒng)。在放電間隙之間用塑料、石英或陶瓷等介質(zhì)材料將兩個金屬電極分開，由于電荷的移動，電介質(zhì)阻擋了火花的形成[14]，在放電間隙形成了等離子體。介質(zhì)阻擋放電一般有三種形式：雙側(cè)介質(zhì)阻擋放電、單側(cè)介質(zhì)阻擋放電和中間介質(zhì)阻擋放電。其組成結(jié)構(gòu)如圖1(a～c)所示。DBD是目前食品研究中應(yīng)用最廣泛的等離子體產(chǎn)生方式[15]。

圖1 介質(zhì)阻擋放電等離子體裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of DBD plasma

1.2.2.2 電暈放電 電暈放電等離子體（Corona Discharge Plasma，CDP）通過不對稱的電極對產(chǎn)生，其中相對較高的電壓占據(jù)了一個電極區(qū)域，該區(qū)域的擊穿強(qiáng)度超過氣體的擊穿強(qiáng)度，因此在電極周圍形成了弱電離等離子體[16]。光輻射、離子流、中性分子流是電暈放電的能量進(jìn)行材料表面作用的主要方式，工作頻率從Hz到MHz不等[17]。該技術(shù)成本低且操作簡便。電暈放電已被用于微生物凈化、表面處理、電沉淀法等多個方面（圖2）。

1.2.2.3 滑動電弧放電 滑動電弧放電（Glide Arc Discharge，GAD）是在一個反應(yīng)器中產(chǎn)生的，該反應(yīng)器含有兩個或兩個以上的發(fā)散金屬電極[18]。一般情況下，高壓電源在兩電極之間的最短間隙處進(jìn)行擊穿，在氣體的推動下，滑動弧沿電極進(jìn)行運動。當(dāng)滑動弧的長度達(dá)到臨界長度時，電源無法提供足夠的能量來平衡等離子體柱的熱損失，因此滑動弧在這個階段迅速冷卻并熄滅，在最窄的電極間區(qū)域重新形成電弧，體系不斷循環(huán)并形成等離子體區(qū)域[19]。該技術(shù)對表面處理和液體處理均具有良好的適應(yīng)性，并且已經(jīng)被用于無機(jī)污染物分解、材料表面改性、廢水處理等多個領(lǐng)域（圖3）。

1.2.2.4 常壓輝光放電 常壓輝光放電（Atmospheric Glow Discharge, AGD）是在一個大氣壓下即可產(chǎn)生大量冷源等離子體的激發(fā)系統(tǒng)，它使用一個很大的間隔作為阻擋介質(zhì)，用氦氣作為激發(fā)氣體。此系統(tǒng)中至少需要有一個電極被絕緣介質(zhì)蓋住。啟動電源后，產(chǎn)生的帶電粒子會聚集在絕緣體表面，在絕緣介質(zhì)間形成電勢差（圖4）。

2 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品殺菌保藏中的應(yīng)用及其機(jī)理

2.1 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品殺菌保藏的應(yīng)用

近年來農(nóng)產(chǎn)品保藏越來越多的運用到了低溫等離子體技術(shù)。農(nóng)產(chǎn)品保藏的目的是在不顯著改變產(chǎn)品的營養(yǎng)、感官特性的基礎(chǔ)上使微生物和酶失活，從而延長保藏期。研究表明，采用不同的激發(fā)設(shè)備和操作條件，產(chǎn)生的等離子體特性和滅菌效果也存在一定差異，一些果蔬及其加工產(chǎn)品經(jīng)等離子體處理后，微生物均不同程度地減少（見表1）。

圖2 電暈放電等離子體裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of CD plasma

圖3 滑動電弧放電等離子體裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of GAD plasma

圖4 常壓輝光介質(zhì)系統(tǒng)等離子體裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of glow discharge plasma

低溫等離子體技術(shù)作為一種非熱加工技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品的殺菌處理，具有許多獨特的優(yōu)勢。相對于熱加工，低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中對食品營養(yǎng)價值和感官性能的破壞較小[28]。等離子體殺菌作為一種新興的廣譜滅菌技術(shù)，可以殺滅多種食品有害微生物，從而達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品保鮮保藏的目的[29?30]。

2.2 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品殺菌保藏中的作用機(jī)制

低溫等離子體在作用于農(nóng)產(chǎn)品保藏時可以產(chǎn)生多種活性物質(zhì)，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、自由基、紫外光子等。這些活性物質(zhì)都可以作用于微生物細(xì)胞從而抑制微生物生長或造成細(xì)胞死亡，其作用機(jī)理見圖5[31]。本文分別從臭氧、自由基和紫外線三個方面進(jìn)行探討。

2.2.1 臭氧 低溫等離子體體系中，氣體放電時會產(chǎn)生大量的活性氧化物（ROS）、活性氮化物（RNS）等活性物質(zhì)[32]。其中以臭氧為例，它可以穿透細(xì)胞壁與微生物體內(nèi)的不飽和鍵發(fā)生作用，從而使細(xì)胞膜受損導(dǎo)致新陳代謝受到影響[33]。Yusupov等[34]發(fā)現(xiàn)低溫常壓等離子體產(chǎn)生的ROS可作用于革蘭氏陽性細(xì)菌金黃色葡萄球菌肽聚糖，等離子體系中產(chǎn)生的O3和H2O2等使細(xì)菌肽聚糖的C-O、C-N和C-C化學(xué)鍵斷裂，最終造成細(xì)胞壁破損導(dǎo)致了細(xì)菌死亡。這一發(fā)現(xiàn)證明了活性氧化物可以直接氧化肽聚糖和磷脂雙分子層，破壞其中的關(guān)鍵化學(xué)鍵，最終導(dǎo)致細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破裂[35]。沒有細(xì)胞膜的保護(hù)，O3就可以深入破壞膜內(nèi)的蛋白質(zhì)和多糖，從而影響細(xì)胞的代謝活動，使細(xì)胞死亡[36]。而Oshima等[37]研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的染色體、核糖體和質(zhì)粒DNA會因放電而分裂成小片段。在滑動電弧等離子體下的Erwinia菌株中也觀察到DNA的部分水解，這一結(jié)果證明了O3可以進(jìn)一步與DNA作用并導(dǎo)致部分DNA的片段化。這些研究表明了O3用于微生物凈化的效果十分顯著，但是關(guān)于O3殺菌是否還受其他因素影響仍然需要進(jìn)一步的深入探究。

圖5 低溫等離子殺菌示意圖[31]Fig.5 Schematic diagram of cold plasma sterilization[31]

2.2.2 自由基 除了臭氧等含氧活性物質(zhì)，在低溫等離子體激發(fā)過程中，還產(chǎn)生了大量的自由基等其他活性組分。Trompeter等[38]認(rèn)為在放電氣體中加入水蒸汽時的滅菌效果更好，可能是由于滅菌過程中形成了羥自由基和過氧化氫等自由基。低溫等離子體產(chǎn)生的羥基自由基的作用下，膜蛋白的化學(xué)修飾和降解也被認(rèn)為是低溫等離子殺菌的一種途徑[32]。此外，Babaeva等[39]證實等離子體活性水中的亞硝酸根會在酸性條件下生成NO自由基，生成的自由基能滲透進(jìn)入菌體內(nèi)，從而起到殺菌作用。Kim等[40]研究證明了豬肉分別暴露于使用He和He + O2激發(fā)的等離子體裝置時，單核細(xì)胞增生李斯特氏菌的菌落總數(shù)均有不同程度的下降，經(jīng)等離子體處理后其脂質(zhì)氧化情況也顯著增強(qiáng)[41]。有研究證明了自由基可以與食品中的核酸、蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，對食品組分進(jìn)行改性、修飾[42]，等離子體產(chǎn)生的自由基還可以擾亂微生物的正常功能[43?44]。處于等離子體中的微生物與自由基發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，且微生物細(xì)胞的表面損傷不能及時快速修復(fù)，最終導(dǎo)致了微生物的滅活。這種現(xiàn)象很好的解釋了微生物被等離子體迅速滅活的原因，這個過程被稱為“蝕刻”[45]。盡管不同自由基在穩(wěn)定性、生物活性以及反應(yīng)特性等方面有所不同，但它們都具有廣泛的抗菌活性[46]。

2.2.3 紫外輻射 在等離子體產(chǎn)生的過程中，有研究表明，不同波長的紫外光子使DNA鏈形成胸腺嘧啶堿基二聚物導(dǎo)致細(xì)胞死亡，此外紫外光還可以破壞蛋白質(zhì)氨基酸的結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)失活[47]。Roth等[48]使用在253.7 nm處發(fā)射，功率密度為0.6 mW/cm2的低壓汞燈，發(fā)現(xiàn)等離子體中可以產(chǎn)生一定數(shù)量的短波滅菌紫外線（UV-C），這種光照是等離子體中殺菌的活性成分之一。Trompeter等[38]通過實驗發(fā)現(xiàn)紫外輻射能夠殺死枯草芽孢桿菌。通過對應(yīng)用于食品的等離子體源的發(fā)射光譜的研究，Schneide[49?50]和Boudam等[51]的研究認(rèn)為關(guān)于等離子體源的紫外線的具體殺菌效果取決于等離子體源的發(fā)生裝置、工作壓力和等離子體放電的規(guī)模等多種因素。Laroussi[52]認(rèn)為等離子殺菌過程中有紫外輻射、電磁輻射和粒子輻射3種輻射，其中紫外線在波長230～240 nm的殺菌效果最好。關(guān)于紫外輻射在等離子體系中殺菌的機(jī)理，尤其是紫外光在等離子體滅菌過程中的具體效果以及最佳波長，目前仍沒有特別確切的結(jié)論，這也是未來工作中所需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問題。

2.3 影響等離子體殺菌保藏的因素

等離子體殺菌是一個復(fù)雜的過程，殺菌結(jié)果可能受到多種因素的影響。由于等離子體的激發(fā)條件不同，導(dǎo)致等離子體滅活微生物的程度也不同。本文主要分為內(nèi)部因素和外部因素兩大方面進(jìn)行分析。

2.3.1 內(nèi)部因素 影響低溫等離子體處理效果的內(nèi)部因素有等離子體誘導(dǎo)技術(shù)、處理電壓、極間距離等。例如，以不同等離子體誘導(dǎo)技術(shù)為例，所使用的激發(fā)氣體類型決定了殺菌過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)的數(shù)量以及最終滅菌的效果，產(chǎn)生活性物質(zhì)的種類還會受頻率和輸入電壓的影響[53]。此外，影響低溫等離子體工作效率的因素還有曝光方式。由于帶電粒子的特性以及它們與樣品的結(jié)合能力，直接接觸可以減少向基體傳遞熱量，進(jìn)而提高等離子體殺菌的效率[54?55]。

2.3.2 外部因素 影響等離子體殺菌的外部因素主要與環(huán)境因素、物質(zhì)形態(tài)等有關(guān)。例如，pH不同的食物對熱量、壓力和其他條件的反應(yīng)不同。Muranyi等[56]的研究表明，在等離子體處理完成后，pH為5的蠟樣芽孢桿菌減少了4.7 log CFU/g，而pH為7的蠟樣芽孢桿菌減少了2.1 log CFU/g。此外，固體和液體食物基質(zhì)與反應(yīng)性物質(zhì)的相互作用不同，大多數(shù)液體在處理過程中能夠蒸發(fā)并參與隨后的反應(yīng)，固態(tài)物質(zhì)則有不一樣的反應(yīng)結(jié)果。

3 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品脫除農(nóng)殘和真菌毒素降解的應(yīng)用

真菌毒素是產(chǎn)毒真菌在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下產(chǎn)生的有毒次生代謝產(chǎn)物。在食品衛(wèi)生和飼料衛(wèi)生領(lǐng)域，它們被稱為霉菌毒素[57]。霉菌毒素廣泛存在于花生、豆類、玉米、小麥等農(nóng)產(chǎn)品中[58]。這些化合物在高溫下具有化學(xué)穩(wěn)定性，在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中不會降解或很難降解。常規(guī)的農(nóng)藥使用可以預(yù)防農(nóng)作物的損失并且增加產(chǎn)量，但是農(nóng)藥對多種生物甚至包括人類在內(nèi)有潛在毒性。因此，在施用農(nóng)藥期間需要采取最大程度的預(yù)防措施。近年來，大量研究表明低溫等離子體可以有效降解存在于農(nóng)產(chǎn)品尤其是谷物中的真菌毒素以及農(nóng)藥殘留等有害物質(zhì)（見表2）。

表中的數(shù)據(jù)表明了低溫等離子體技術(shù)可以去除果蔬中的有毒化學(xué)物質(zhì)，有效降解農(nóng)藥，為高價值農(nóng)產(chǎn)品的非熱加工及保藏提供了新方法。同樣，Ghorashi等在對開心果的研究中達(dá)67%的真菌降解率也說明低溫等離子體技術(shù)不僅可以作用于果蔬產(chǎn)品的加工保藏，在堅果保藏中對真菌毒素的降解同樣取得了較好的結(jié)果[61]。

基于這些研究的基礎(chǔ)上，低溫等離子體技術(shù)可以有效降解真菌毒素和農(nóng)藥殘留。但是，目前對于降解產(chǎn)物的研究尚不完善，具體的產(chǎn)物類型以及降解產(chǎn)物是否具有毒性仍有待深入研究，等離子體用于降解真菌毒素和農(nóng)藥殘留的作用機(jī)制及其影響因素也沒有準(zhǔn)確定論。在將來，研究的重點是闡明降解的具體途徑和最終降解效果，探究降解產(chǎn)物是否具有毒性，以確保等離子作用過程不會損害食品質(zhì)量。尤其是可以從等離子氣體的組成和目標(biāo)農(nóng)藥的性質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入研究，以將低溫等離子體技術(shù)更多的應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘脫除和真菌毒素降解。

表2 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品脫除農(nóng)殘和真菌毒素降解中的應(yīng)用Table 2 Application of cold plasma in degradation of pesticide residues and mycotoxins

4 低溫等離子體在農(nóng)產(chǎn)品包裝的應(yīng)用

農(nóng)產(chǎn)品包裝材料在產(chǎn)品保藏、運輸過程中保護(hù)產(chǎn)品不受外界環(huán)境的污染。低溫等離子體技術(shù)可以用于包裝材料的表面處理或進(jìn)行表面改性，如清潔、涂層、印刷、涂裝和粘接等[63]。低溫等離子體可以快速和安全地對包裝材料進(jìn)行滅菌，不會對材料的性能產(chǎn)生不利影響或留下殘留物。

低溫等離子體技術(shù)可以保持聚合物箔或?qū)雍习宓拿芊庑阅?，減少氣體（氧氣和二氧化碳）進(jìn)入包裝材料，并在不留下殘留物的情況下去除污染物，實現(xiàn)對包裝內(nèi)食品介質(zhì)的冷殺菌。Pankaj等[64]對PLA薄膜包裝內(nèi)的食品進(jìn)行了殺菌處理，該研究表明等離子體處理對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和氧、水蒸氣滲透性等并沒有不利影響，從而避免了對食品的二次污染。低溫等離子體技術(shù)在食品包裝中的應(yīng)用可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低效包裝材料的滅菌方法，為可降解食品包裝材料和食品凈化提供了一個新的節(jié)能方法，提供了未來的研究方向。宋穎等[65]在大氣條件下利用共面電極交替排列的方式在塑料袋的內(nèi)表面產(chǎn)生低溫等離子體，在99%氦氣和1%氧氣條件下處理5 min，可以殺滅99.99% 的頑固真菌。低溫等離子體在包裝材料加工方面的技術(shù)突破尤其是阻隔性能的提高是不容忽視的，同時等離子體種類的滲透能力也需要更多深入的研究。Ehsan Moradi等[66]研究發(fā)現(xiàn)含有殼聚糖/聚乙烯的雙層薄膜與3%的精油混合并經(jīng)等離子體處理后，殼聚糖膜的透氣性和透氧性均有所降低；與傳統(tǒng)雙層膜相比，大大延長了雞胸肉的貨架期，為低溫等離子體用于制備雙層抗菌膜，應(yīng)用于家禽及其肉制品的貯藏提供了一種新型包裝思路，證明低溫等離子體在食品包裝和保鮮方面具有很大的潛力。等離子體技術(shù)可以沉積熱敏材料，是抗菌活性包裝新興領(lǐng)域的一個潛在選擇。通過對各種包裝材料的表面改性，對不同化合物的表面接枝和沉積，提高用于食品包裝的傳統(tǒng)聚合物的力學(xué)性能和阻隔性能[67]，有利于進(jìn)一步優(yōu)化薄膜的功能化包裝[68]。在不影響聚合物本體性能的情況下低溫等離子體可用于改變聚合物的表面粗糙度和組成。低溫等離子體技術(shù)在食品包裝材料處理方面具有很好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與展望

低溫等離子體技術(shù)作為一種新型非熱加工技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品加工保藏技術(shù)，具有溫和，高效，無破壞性，操作簡單等獨特優(yōu)勢。在延長農(nóng)產(chǎn)品貨架期，保障產(chǎn)品安全，研發(fā)新型包裝材料等領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。但是相較于傳統(tǒng)的熱加工，等離子技術(shù)對于技術(shù)要求嚴(yán)格，成本也更高，所以該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的普及度仍然不高。目前有關(guān)等離子體技術(shù)作用的機(jī)制還沒有十分完善的理論，對于農(nóng)產(chǎn)品組分及其包裝材料改性的具體活性成分也尚且沒有定論，這導(dǎo)致其在工業(yè)化大生產(chǎn)中的推廣受到了限制。此外，由于等離子體的穿透力較弱，對于食品加工過程中的滅菌效果還有待于進(jìn)行更深入的優(yōu)化研究。

低溫等離子體是一個有多種成分所組成的復(fù)雜體系，在今后的研究中，可以著重于以下幾個方面進(jìn)行探索與發(fā)展：a. 深入探究低溫等離子體的滅菌機(jī)制，采用多種方法對細(xì)菌化學(xué)成分的變化進(jìn)行檢測，例如蛋白質(zhì)的變性，DNA雙鍵的斷裂，細(xì)胞膜的成分變化等，為食品工業(yè)中的應(yīng)用提供更加有力的理論依據(jù)。b. 分離出等離子體激發(fā)后的各種活性成分，分析對農(nóng)產(chǎn)品組分的影響及其作用機(jī)制。以自由基為例，可以根據(jù)不同變量處理時產(chǎn)生主要自由基類型等進(jìn)行分析，以便于為等離子體技術(shù)后期的研究提供參考。c. 針對食品工業(yè)研發(fā)適用于農(nóng)產(chǎn)品保藏的低溫等離子體發(fā)生裝置和設(shè)備，探究最適宜的等離子滅菌的工藝參數(shù)，分析不同種類食品或不同環(huán)境下，不同暴露條件和處理時間、電壓等對保藏保鮮效果的影響，提高等離子體用于保藏機(jī)制的工作效率，降低成本。d. 低溫等離子體技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的包裝材料的研究，在今后的工作中可以將低溫等離子體技術(shù)作為一種輔助手段，深入研究對包裝材料的表面改性，使用新型包裝從而最大程度上延長產(chǎn)品的貨架期。e. 加強(qiáng)低溫等離子體應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品安全性的研究?？梢圆扇∫恍┖线m的方法避免低溫等離子體處理對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，以更有效的保障食品安全。