低溫等離子體技術在水產品保鮮中的應用研究進展

藍蔚青，陳雪寧，謝 晶,*

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海 201306）

我國是世界漁業(yè)大國，水產品產量連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。2020年全國水產品產量達6 545.21 萬t，比上年增長1.0%。水產品味道鮮美，富含膳食蛋白、不飽和脂肪酸和人體所需的礦物質，在人類的膳食營養(yǎng)中起重要作用，成為我國居民膳食中的重要支柱。然而，由于水產品的成分特性，使其在流通期間易受微生物和內源酶的影響，產生不良風味和有毒物質，降低商品價值，帶來食品安全問題。此外，因地理位置、季節(jié)氣候、流通運輸等因素，會使水產品的品質、風味和營養(yǎng)價值等方面受到影響。

當前研究發(fā)現，嗜冷菌的代謝活動是導致水產品腐敗變質的主因，其主要包括腐敗希瓦氏菌（）、熒光假單胞菌（）與金黃色葡萄球菌（）等。微生物通過分解水產品中的營養(yǎng)成分、形成生物被膜或群體感應，產生有毒有害物質，使其質構改變，風味流失，最終導致腐敗。俞瀅潔等模擬三文魚的冷鏈物流過程，鑒定出假單胞菌和產HS菌為三文魚貯藏末期的主要腐敗菌。大黃魚中希瓦氏菌屬細菌的生物膜形成能力更強，其易使魚體發(fā)黏變質。于淑池等研究發(fā)現，卵形鯧鲹在0 ℃貯藏條件下，熒光假單胞菌、草莓假單胞菌與蠟樣芽孢桿菌的致腐能力較強。因此，如何降低水產品流通或貯藏期間微生物帶來的負面影響，保持其新鮮度，成為當前水產品保鮮領域的前沿問題。

傳統的熱處理技術雖能滅酶殺菌，但會破壞水產品中的營養(yǎng)物質和感官風味。非熱滅菌技術包括低溫等離子體、酸性電解水、臭氧、高壓、超聲和輻照等。其中，低溫等離子體技術應用最廣泛，其與其他非熱殺菌技術相比，作用原理與主要優(yōu)缺點如表1所示。

故與其他非熱殺菌技術相比，低溫等離子體的主要優(yōu)勢在于能保持產品的整體質量、感官屬性和營養(yǎng)價值。由于具有以上優(yōu)點，低溫等離子體技術現已廣泛應用在果蔬、肉制品、乳制品與水產品的滅菌保鮮上。

基于此，本文在比較常用非熱殺菌技術的作用原理與主要優(yōu)缺點基礎上，通過對低溫等離子體在水產品品質改善、減菌處理、黑變抑制與安全控制等方面中的應用研究進展予以闡述，提出其存在問題與解決辦法，展望低溫等離子體的發(fā)展前景，以期為該技術在水產品保鮮中的應用提供理論參考。

表 1 常用非熱殺菌技術作用原理及主要優(yōu)缺點Table 1 Principles, advantages and disadvantages of common non-thermal sterilization technologies

1 低溫等離子體技術的特點及作用原理

1.1 等離子體的概念及特點

等離子體以第4種狀態(tài)（除固、液、氣狀態(tài)外）存在，但因其組成中含有大量未結合的正負離子、中性物質和電子等，故導電性強。等離子體是一種完全或部分電離的呈中性狀態(tài)的氣體，根據其熱力學狀態(tài)可分為高溫等離子體和低溫等離子體。而低溫等離子體是一種通過對中性氣體施加能量（如熱、電場和微波等）而產生的部分電離氣體，且因等離子體中的溫度差異（電子與重粒子間），故低溫等離子體最大特點是處于非局部熱力學平衡狀態(tài)。

1.2 等離子體的產生方式

近年來，研究學者對于等離子體技術的研究愈益深入。當前，因介質阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）法和大氣壓等離子體射流（atmospheric pressure plasma jet，APJ）法適用范圍較廣、易于操作，可大量制備，故在食品加工保鮮領域中應用廣泛。特別是在水產品這種易腐且需低溫貯藏的食品中，可在對水產品外觀形態(tài)影響較小的情況下，利用等離子體產生的活性物質進行滅菌，以確保其保留更多營養(yǎng)成分。依據放電形式的不同，低溫等離子體的產生方式分為DBD法、APJ法、微波放電法和電暈放電法，詳見表2。

表 2 低溫等離子體的主要產生方式Table 2 Main types of cold plasma generators and their characteristics and applications

1.3 低溫等離子體的殺菌機制

由于水產品保鮮體系通常在低于4 ℃的低溫條件下進行，而低溫等離子體的宏觀溫度較低，能保持其低溫狀態(tài)。因此，可通過低溫等離子體產生的活性物質破壞菌體細胞，影響微生物細胞膜的流動性與完整性，使菌體死亡。同時，其還能通過抑制酶活性等方式來實現保鮮目的。低溫等離子體技術的作用機理與微生物的結構密切相關，革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對低溫等離子體的敏感性要弱。其原因在于革蘭氏陰性菌的細胞外膜是低溫等離子體誘導的活性氧攻擊的主要作用靶點，因其相互反應會破壞細胞膜結構的完整性，使核酸等生物大分子泄露，導致菌體死亡；而對細胞壁較厚的革蘭氏陽性菌則通過氧化細胞內膜，使內部的生物大分子氧化損傷，造成蛋白質變性、氨基酸氧化修飾、DNA與蛋白質交聯和DNA雙鏈斷裂等（圖1）。但當前因低溫等離子體技術的部分局限性，還不能更深層次了解其滅菌機制，故應在改良其工藝的基礎上，與蛋白質組學、基因組學和代謝組學等組學技術相結合，為水產品的保鮮機制提供理論參考。

圖 1 低溫等離子體滅菌的作用原理Fig. 1 Sterilization mechanism of cold plasma

2 低溫等離子體技術在水產品保鮮中的應用

2.1 品質改善

因水產品在捕撈、運輸、貯藏、銷售等操作單元易發(fā)生腐敗變質，而降低其營養(yǎng)價值和商品價值，故探索綠色、高效的保鮮方式至關重要。相關研究顯示，低溫等離子體預處理魚蝦類可延緩其品質劣變和感官質量下降。如斯興開等研究發(fā)現，草魚經40 kV電壓處理2 min后，與對照組相比，其硬度、彈性與咀嚼性分別增加0.32、0.29、0.64 倍，原有生鮮風味得以維持；同時，低溫等離子體處理還可延緩水產品褐變，增加其亮度值（*），王佳媚等研究得出，卵形鯧鲹經低溫等離子體激發(fā)處理后，樣品的*升高，黃度值（*）降低，使魚肉褐變進程變緩，維持其品質；Nyaisaba等以魷魚凝膠為研究對象，經60 kV、5 min低溫等離子體處理后發(fā)現，其可有效抑制酶活性，主要由于蛋白質聚合物與低溫等離子體產生的活性物質間的化學反應能延緩肌球蛋白降解，提高凝膠持水性；Chen Jing等實驗發(fā)現，鯖魚貯藏14 d時，未處理組的總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量是處理組的2.73 倍，且在貯藏6 d就已超過閾值，而處理組的TVB-N含量明顯較低，經低溫等離子體處理后貨架期可延長8 d；Koddy等研究發(fā)現，帶魚經50 kV、180 s低溫等離子體處理后，肌肉硬度達到最大值，可能是由于低溫等離子體處理使帶魚的肌肉蛋白氧化，形成更致密的蛋白質網絡；金圖南發(fā)現，魷魚經60 kV處理15 s后冷藏8 d，其總色差值變化較小，感官評分降幅明顯延緩，在延長貨架期2～3 d的同時還能維持其營養(yǎng)價值。因此，雖然水產品的品質特性會受到低溫等離子體處理強度影響，但在可控范圍內，可改善其質構特性，延長貨架期。

2.2 減菌處理

微生物活動是導致水產品腐敗的主因，水產品新鮮度與微生物種類及數量密切相關。低溫等離子體具有殺菌效率高、操作簡便、無殘留、無污染等優(yōu)點，因而在水產品減菌化處理中得到應用，尤其對假單胞菌屬、腸桿菌屬與弧菌屬等產組胺等產毒細菌有良好效果。Choi等研究發(fā)現，隨著DBD處理時間的延長，黑嘴魚干表面的金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌數量明顯減少，其中處理組在處理30 min后，2 種菌分別減少1.03、1.06（lg（CFU/g）），且未對其色澤帶來不良影響；Albertos等通過DBD產生低溫等離子體，發(fā)現低溫等離子體減菌效果與微生物的種類、處理時間和電壓強度有關，且達到最大施加能量時（80 kV、5 min），處理組的過氧化值（peroxide value，PV）比對照組高5.42 倍，說明脂質氧化程度與施加能量成正比。此外，施姿鶴等經優(yōu)化后的實驗得出，新鮮鮐魚經59.9 kV低溫等離子體處理71.5 s后，能顯著抑制弧菌生長，貯藏14 d時其弧菌數才達到4.68（lg（CFU/g）），且對產組胺腸桿菌屬的作用效果最佳；Odunayo等研究低溫等離子體處理時間與亞洲海鱸魚品質的關系，發(fā)現與對照組樣品相比，經低溫等離子體處理5 min以上的樣品，其微生物（菌落總數、腸菌數、產亞硫酸氫菌與假單胞菌等）的生長受到抑制，保質期比未處理組延長6 d，但脂質氧化程度也會隨著時間延長更為明顯。因此，低溫等離子體的施加強度越大，抑菌效果越好，但也會促進脂質或蛋白質氧化，要合理控制工藝參數。

2.3 黑變抑制

蝦類貯藏期間易發(fā)生黑變，其通常出現在頭、胸，隨后擴展至尾部。這主要是由于體內的多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）催化酪氨酸氧化為醌，最終聚合沉積形成黑色素。由于水產品中的酶多為由氨基酸形成的三維結構聚合物，低溫等離子體產生的活性物質可通過影響其分子結構，改變其功能特性。研究表明，低溫等離子體技術可抑制蝦體黑變，降低其感官和質構帶來的負面影響。胡曉夢等研究得出，中華管鞭蝦（）經40 kV電壓處理90 s后于4 ℃條件下冷藏10 d時，處理組的感官評分剛達到感官拒絕點，而未處理樣品在4 d時已不被接受，貨架期延長6 d；劉品等研究表明，南美白對蝦經50 kV低溫等離子體處理60 s后，其體內的PPO二級結構改變，酶活力下降，黑變受到抑制，7 d才完全黑變，相較對照組延長2 d。Bjoern等研究表明，食品模型系統中PPO經180 s低溫等離子體射流處理后，其酶活性降低約90%，聯合圓二色性和色氨酸熒光分析，表明其酶活性的降低與低溫等離子體使二級結構氧化修飾有關。可見，該技術通過抑制內源酶的活性能降低水產品中肌原纖維蛋白的氧化速率，維持蛋白質內部組織結構，保證其感官品質。

2.4 安全控制

在水產品貯藏期間，某些致病菌或腐敗菌的代謝活動會產生有毒的生物胺及致病物質，而這些物質的產生會伴隨著品質變化，故探究低溫等離子體技術對水產品安全控制、鮮度評價與人類健康的影響至關重要。Choi等研究發(fā)現，新鮮牡蠣經1.1 kV電壓處理60 min后，諾如病毒含量減少1.68（lg（CFU/μL）），而處理30 min后病毒含量只降低1.05（lg（CFU/μL）），且不影響其品質。DBD通過對混合氣體放電產生的低溫等離子體，可破壞微生物細胞內的生物大分子，繼而消除有毒有害物質。如施姿鶴等研究DBD產生的低溫等離子體對鮐魚食用安全的影響，發(fā)現經59.9 kV處理71.5 s后，至貯藏14 d，其組胺含量為72.34 mg/100 g，未超過閾值100 mg/100 g，說明該處理使產組胺的微生物被大量滅活，使貨架期延長6 d；此外，Choi等研究發(fā)現，新鮮牡蠣與DBD間接處理（1.1 kV、13 mm、N流速1.5 L/min）1 h后，處理組樣品的糖原含量和整體質構與對照組無顯著差異，表明該處理方式在滅活非致病性大腸桿菌和血清性大腸桿菌O157:H7的同時，還能保持其良好品質。因此，低溫等離子體技術既能高效殺菌，又可保障水產品的食用安全，是一種新型兼具品質控制和滅菌保鮮的技術。

低溫等離子體技術在水產品保鮮中應用的部分研究如表3所示。

3 現存問題與解決方法

等離子體技術雖滅菌效率高，但因水產品高脂、高蛋白的特性和等離子體釋放的活性物質會誘導生物大分子交聯氧化，使水產品風味與營養(yǎng)價值相應降低。同時，其殺菌效果或氧化速率與電壓強度、作用頻率和作用時間等參數直接相關。另外，低溫等離子體只作用于水產品表面，穿透性較差，無法徹底殺菌。陳俊羽等研究凡納濱對蝦的營養(yǎng)品質時發(fā)現，若等離子體長時間處理水產品，會破壞其蛋白質結構，降低其保水性與營養(yǎng)；Sonawane等研究80 kV低溫等離子體預處理5 min，結果表明，鯖魚在-20、4、8 ℃條件下，其羰基含量顯著升高，蛋白質氧化速率與貯藏溫度呈正相關。另外，可通過使用DBD、射頻或電暈放電來產生等離子體。各種氣體操作設備會產生多種不同特性的等離子體，使其在食品基質中進行靈活應用。因此，將等離子體與其他保鮮技術聯用或改良發(fā)射裝置，合理控制工藝參數，就能發(fā)揮其各自優(yōu)勢，延緩水產品的蛋白質與脂肪氧化，保持其色澤與感官特性，發(fā)揮綜合作用效果。

3.1 等離子體活化水（冰）

表 3 低溫等離子體技術在水產品保鮮中的應用Table 3 Application of cold plasma technology in aquatic product preservation

將處理用水通過等離子體技術制成離子體活化水（plasma activated water，PAW）是等離子體應用的新趨勢，也能增強其滲透性，改善間接滅菌的不足。PAW具有制取簡單、無殘留和含有高濃度活性氧（或活性氮）等特點。Herianto等通過PAW進行南美白對蝦包冰衣處理，結果發(fā)現，該處理可使南美白對蝦在整個貯藏期間的菌落總數始終低于6（lg（CFU/g）），使處理組樣品的pH值在貯藏8 d時仍低于腐敗閾值，貨架期延長3 d。同時上述研究也發(fā)現，處理組樣品的*在貯藏前8 d都保持穩(wěn)定，僅在貯藏9 d增至47.5，故PAW能導致PPO的構象發(fā)生變化，有效延緩蝦的黑變。Zhao Yiming等將鯖魚塊在PAW中浸漬15 min，發(fā)現其能立即滅活熒光假單胞菌，但作用效果會受到液體狀態(tài)和處理時間影響。為更好將其應用在水產品低溫保鮮上，研究人員將PAW凍結后制成等離子體活化水冰（plasma activated water ice，PAWI），其既有冰的特點，還兼?zhèn)渌膬?yōu)勢，可發(fā)揮低溫保鮮與抑菌的雙重作用。Liao Xinyu等使用PAWI，應用于基圍蝦貯藏10 d期間，從貯藏7 d開始，自來水冰樣品的黑變程度大于處理組，且在貯藏8 d后，其菌落總數始終低于腐敗限值，同時，因PAWI處理后微生物生長受到抑制，故而使基圍蝦的TVB-N含量在9 d的貯藏期內保持低于20 mg/100 g，延緩因微生物代謝活動導致的蛋白質和脂肪氧化，最終延長基圍蝦貨架期4～8 d；焦湞等也發(fā)現，PAWI可有效抑制單增李斯特菌的生長，特別是在貯藏第5天，處理組（經等離子體活化15 min后制備的冰）菌落總數比用無菌水冰處理組降低1.5（lg（CFU/mL）），減緩三文魚片貯藏期間TVB-N含量的升高，保持其新鮮度。

3.2 等離子體與生物保鮮劑聯合處理

由于等離子體處理產生的活性物質會加速水產品中的蛋白質和脂質氧化，導致其保水性下降與質地劣變，故其推廣還未得到充分應用。為改進其作用效果，可將等離子體技術與生物保鮮劑相結合。Olatunde等用200 mg/L乙醇椰子殼提取物預處理亞洲鱸魚后，再用氬氧混合物（體積比90:10）作用5 min產生的高壓冷大氣等離子體（high voltage cold atmospheric plasma，HVCAP）處理，發(fā)現不僅處理組魚片的菌落總數降低0.7（lg（CFU/g）），且能有效延緩HVCAP誘導的脂質氧化，可使亞洲鱸魚的冷藏貨架期延長至15 d；Shiekh等研究茶芒葉提取物對太平洋白對蝦貯藏過程中脂肪和蛋白質氧化的影響，結果顯示，在整個貯藏過程中，添加茶芒葉提取物樣品的PV和硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARs）值低于其他組，表明茶芒葉提取物與等離子體（16 kV、電極距離2 cm）結合能延緩太平洋白對蝦的腐敗進程；Singh等研究發(fā)現，亞洲鱸魚片經0.2 g/100 mL殼寡糖處理后，再用氬氧混合物（體積比90:10）作用5 min產生的HVCAP處理后，其TBARs值和PV分別比其他處理組降低28%～64%與40%～46%，能明顯延緩其蛋白質和脂質氧化速率，貨架期至少延長12 d。當前，食品行業(yè)的流行趨勢是采用天然保鮮劑聯合其他保鮮技術處理，這種聯合處理帶來的雙重功效既可解決脂質或蛋白質氧化的問題，又可保持消費者“綠色安全”的消費觀念。

3.3 其他方法

為強化等離子體技術對水產品的保鮮效果，可將等離子體與氣調包裝、超聲和其他技術等相結合，發(fā)揮其最大協同效應。Ahmad等發(fā)現，太平洋對蝦經等離子體聯合柵欄技術處理后，其感官品質得到保持，特別是黑變程度降低，使其貨架期達到18 d；汪春玲等研究表明，羅非魚片經70 kV的低溫等離子體處理60 s后結合氣調（CO、O、N體積比6:1:3）包裝處理，發(fā)現等離子體處理后包裝內的氣體比例有所改變，表明等離子體產生的活性物質與CO結合，使羅非魚片表面產生酸化作用，可達到雙重滅菌的作用，使魚片的冷藏貨架期延長至18 d；Shiekh等用脈沖電場預處理太平洋白對蝦后，用不同濃度的茶芒葉提取物浸泡，然后通過DBD產生的高壓低溫等離子體處理太平洋白對蝦，發(fā)現其脂質和蛋白質氧化程度相應延緩，貨架期延長至18 d。目前，生產等離子體功能化液體對水產品進行消毒滅菌也是一種新趨勢。等離子體功能化水（plasma functionalized water，PFW）的產生是通過使用2 種不同模式對水或某種溶液進行等離子體放電處理。Esua等將PFW與等離子體功能緩沖液分別同超聲處理相結合，利用超聲輔助滲透來抑制致病菌的生長，發(fā)現聯合處理組的大腸桿菌最大減少量分別為1.39、1.31（lg（CFU/g）），且其效果優(yōu)于單一處理，可能是由于等離子體-液體相互作用過程中引起的強酸化效應，能減弱細菌的抵抗能力。另外，Zhao Yiming等通過超聲聯合等離子體活化水分析得出，鯖魚片中的嗜中溫菌數和嗜冷菌數降幅最明顯，且聯合處理后的嗜冷菌數比單一用過氧乙酸處理降低0.11（lg（CFU/g））。因此，采用適宜的工藝參數，并與其他技術相結合，就有可能增強等離子體活化水在工業(yè)應用的靈活性，提高成本效益。

4 結 語

隨著當前人們對新鮮食品需求的提升和對食品質量安全的重視，許多食品工業(yè)都在研究低溫等離子體產生技術。低溫等離子體技術具有作用溫度低、操作簡單、安全無殘留和高效環(huán)保等特點，被廣泛應用于品質改善、減菌處理、黑變抑制（甲殼類）和安全控制等水產品保鮮中。在水產品貯藏保鮮方面，當前我國在努力朝著非熱加工的方向轉變，而等離子體技術作為非熱加工技術之一，也在為轉變提供新的思路和理論指導。

然而，因等離子體的本質是活躍的電離氣體，對水產品的保鮮效果還有局限性，主要涉及電壓強度、工作氣體、處理時間和活性物質的控制等，均難以用統一標準予以控制，故其統一性和安全性都是未來的重大挑戰(zhàn)。其次，雖然PAW處理過程會更加溫和，操作更加靈活、方便，但其殺菌物質作用時間較短和促進脂質氧化，降低水產品的整體接受度，故應考慮與恰當的抗氧化劑耦合、完善工藝參數等來提升其作用效果。最后，等離子體技術作為一種新型的滅菌（或抗生物被膜）技術，其滅菌機制的研究尚未明確，可與新興的組學技術聯用，來彌補當前技術的不足，從而使其在未來的水產品保鮮領域得到更廣泛應用。