食品低溫等離子體殺菌技術(shù)研究進(jìn)展

等離子體（Plasma）由帶電粒子和中性粒子構(gòu)成，被稱為除“固、液、氣”三態(tài)之外的第四態(tài)，它是一種導(dǎo)電體系，但總體上呈現(xiàn)電中性。自然界也存在等離子體，如太陽熱核聚變、發(fā)生閃電時(shí)等。人工制備等離子體通常由中性氣體在高電壓作用下激發(fā)誘導(dǎo)產(chǎn)生，按照粒子（電子、離子、中性粒子）溫度差異可以分為熱等離子體和低溫等離子體；根據(jù)制備壓力的不同一般分為真空等離子體和常壓等離子體兩類。其中，真空等離子體均勻且無方向性，但需要在真空條件下進(jìn)行，設(shè)備昂貴；常壓等離子較為常見，即在大氣壓條件下產(chǎn)生等離子體，在材料、食品方面研究與應(yīng)用的等離子體一般為低溫等離子體。

低溫等離子體產(chǎn)生的活性氧自由基、帶電粒子等能使微生物細(xì)胞膜破損、胞內(nèi)大分子泄漏，所以常用于食品殺菌處理。本文從低溫等離子體發(fā)生方式、等離子體構(gòu)成、殺菌機(jī)制、殺菌工作模式、對食品組分和品質(zhì)影響等方面進(jìn)行闡述，為低溫等離子體在生鮮類及熱敏性食品殺菌研究及規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考，并對低溫等離子體在菌種誘變、有機(jī)物去除等方面的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

一、低溫等離子體制備與成分分析

1.低溫等離子體發(fā)生裝置。早期制備低溫等離子體的工藝設(shè)備較為復(fù)雜，需要在低于大氣壓的條件下進(jìn)行，后來可以在大氣壓條件下制備低溫等離子體，使其具備了較高的研究與商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

真空低溫等離子體的發(fā)生裝置主要由外加電場、載氣、真空室、真空泵等主要部件組成，產(chǎn)生的等離子體在真空室內(nèi)均勻分布，設(shè)備對真空度的要求比較高，所以真空系統(tǒng)造價(jià)較高，且設(shè)備體積大多較小。

高常壓低溫等離子體（Atmospheric pressure cold plasma，APCP）發(fā)生裝置較為簡單，主要分為介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）和氣流噴射兩種類型。介質(zhì)阻擋放電主要由交流高壓電源、高壓電極、接地電極、絕緣介質(zhì)（至少一塊）構(gòu)成，平板式介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體在極板之間產(chǎn)生，等離子體作用面積較大。氣流噴射等離子體發(fā)生裝置主要由高壓電極、接地電極、載氣等主要部分構(gòu)成，產(chǎn)生的等離子體射流較為集中，因此等離子體處理強(qiáng)度較大，但作用面積較小。應(yīng)針對處理物料的表面積、所需的處理強(qiáng)度等的不同，選擇相應(yīng)的發(fā)生裝置。

2.低溫等離子體的成分。在強(qiáng)電場的作用下，氣體發(fā)生電離、碰撞從而形成等離子體。等離子體的構(gòu)成與載氣有關(guān)，常用的載氣有空氣、氬氣、氦氣、氮?dú)獾龋部梢允撬鼈兊幕旌衔?。通常將產(chǎn)生的等離子體分為活性氧（Reactive oxygen species，ROS）和活性氮（Reactive nitrogen species，RNS），這些活性成分包括臭氧、羥基自由基、一氧化氮、二氧化氮等。載氣的不同使得產(chǎn)生的等離子體主要成分不同，研究表明有氧氣參與的情況下，產(chǎn)生的氧自由基對殺滅微生物效果更好。

二、等離子體殺菌機(jī)制探究

低溫等離子體中的活性氧、活性氮、紫外光、帶電粒子等組分具有殺菌作用，主要通過誘導(dǎo)微生物細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)氧化，從而造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷。不同的殺菌物質(zhì)作用于細(xì)胞的不同部位，造成細(xì)胞破壞或者生物體死亡。細(xì)胞膜完整性遭到破壞以后，這些活性物質(zhì)通過孔隙進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，與蛋白質(zhì)、核酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而殺滅微生物。低溫等離子體的殺菌機(jī)制可從對細(xì)胞的蝕刻與靜電干擾穿孔、大分子氧化兩個方面加以解釋。

1.蝕刻與靜電干擾穿孔。低溫等離子體產(chǎn)生的高能粒子轟擊微生物表面，造成細(xì)胞膜局部損傷。同時(shí)，高能粒子還可以與活性氧等協(xié)同作用，氧化細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，使某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂，細(xì)胞膜局部的變形甚至形成微孔。此外，低溫等離子體產(chǎn)生的電子和離子在細(xì)胞膜表面富集產(chǎn)生靜電干擾，當(dāng)靜電張力超過了膜的總抗拉強(qiáng)度，則會破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性。

蝕刻穿孔作用是等離子體殺菌的重要機(jī)制。細(xì)胞膜穿孔使細(xì)胞的完整性受到破壞，影響細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換。細(xì)胞膜破損后，等離子體化學(xué)作用產(chǎn)生的自由基更容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而增強(qiáng)殺菌效果。等離子體與其他技術(shù)聯(lián)用也能起到良好的協(xié)同作用，如等離子處理先在細(xì)胞膜打孔，更有利于植物精油進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而殺滅微生物，達(dá)到協(xié)同增效的作用。

2.細(xì)胞內(nèi)大分子氧化。低溫等離子體產(chǎn)生的ROS、RNS可以與細(xì)胞內(nèi)脂類和蛋白質(zhì)發(fā)生一系列氧化反應(yīng)。低溫等離子體產(chǎn)生的羥基自由基、超氧陰離子自由基、單線態(tài)氧和臭氧都可以與不飽和脂肪酸發(fā)生脫氫反應(yīng)導(dǎo)致脂質(zhì)的氧化，形成脂質(zhì)自由基后進(jìn)一步與氧分子反應(yīng)生成脂質(zhì)過氧化氫自由基，繼續(xù)與周圍不飽和脂肪酸反應(yīng)形成脂肪酸過氧化物，從而引發(fā)脂質(zhì)氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得細(xì)胞膜的選擇透過性被破壞，細(xì)胞膜完整性被破壞引起細(xì)胞內(nèi)外滲透壓失衡，并最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡。

ROS和RNS的攻擊造成蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈的修飾和三級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引發(fā)蛋白質(zhì)功能變化，影響了細(xì)胞新陳代謝及正常生理生化反應(yīng)。在細(xì)胞內(nèi)起重要生理生化作用的酶，它們的活性金屬結(jié)合部位對ROS和RNS的攻擊敏感。一方面，氧化蛋白在細(xì)胞內(nèi)不斷積累，另一方面，酶的活性受到抑制或者破壞，從而影響了細(xì)胞內(nèi)部生理生化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

ROS和RNS可以與脫氧核糖核酸（Deoxyribo nucleic acid，DNA）的堿基和糖基反應(yīng)，造成DNA多種類型的氧化損傷。羥基自由基可以與DNA中的糖基反應(yīng)，造成DNA鏈的斷裂。ROS的反應(yīng)產(chǎn)物可以與DNA進(jìn)一步反應(yīng)，如脂質(zhì)過氧化氫自由基可與DNA中的嘌呤反應(yīng)生成嘌呤聚合物，脂質(zhì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的某些醛類也可以與DNA反應(yīng)造成堿基的烷基化和DNA鏈內(nèi)或鏈間的交聯(lián)。

三、低溫等離子殺菌技術(shù)研究

1.殺菌影響因素及對品質(zhì)的影響。（1）低溫等離子體殺菌的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體殺菌效果受到設(shè)備的影響比較大，如功率、場強(qiáng)、極板間距、載氣選擇等，功率越大、場強(qiáng)越強(qiáng)、等離子體強(qiáng)度越大，其殺菌效果一般越好。

（2）低溫等離子體殺菌對食品品質(zhì)的影響。低溫等離子體殺菌也會對食品的質(zhì)構(gòu)、色澤、風(fēng)味造成不利影響，但總體上較為柔和。近年來，低溫等離子體對殺菌物料中營養(yǎng)成分的影響也受到關(guān)注。比如，低溫等離子體處理后的生鮮魚肉，在儲藏期間組胺含量增加速度較慢，對改善產(chǎn)品風(fēng)味起到了積極的作用。等離子體雖然可以起到良好的殺菌效果，但容易造成脂質(zhì)氧化。錢婧等研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體對生鮮豬肉的殺菌率可達(dá)94.50%，未對豬肉的脂質(zhì)氧化造成顯著影響，但促使血紅蛋白中血紅素的鐵離子被氧化，同時(shí)降低體系pH，進(jìn)而顯著加快體系脂質(zhì)氧化速率，因此胴體的血液殘留較少時(shí)適合進(jìn)行等離子體處理。

2.殺菌形式。目前低溫等離子殺菌方式主要有兩種：一是直接殺菌，將等離子體直接作用于處理物料；二是間接殺菌，將等離子體作用于純水、緩沖溶液或者有機(jī)酸溶液等，制備等離子體活化水用于鮮切蔬菜、肉制品的殺菌。為了提高殺菌效率，人們也研究了冷等離子體與其他殺菌方式的協(xié)同作用。

（1）冷等離子體直接殺菌。在真空狀態(tài)下，等離子體無方向性，活性氮氧物質(zhì)分散均勻且和物料表面接觸充分，因此殺菌率高。常壓等離子體操作簡便、設(shè)備簡單，有著更為廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景，但活性物質(zhì)分布均勻性受到影響，使得殺菌效率達(dá)不到預(yù)期。俞志遠(yuǎn)研究了常壓氮?dú)獾入x子體射流處理金黃色葡萄球菌生物膜，處理30min后生物膜中超過80%的細(xì)菌失去新陳代謝能力，大約30%細(xì)菌細(xì)胞膜完整；隨著劑量的增加，細(xì)胞內(nèi)活性氧總量顯著增加?；钚匝?、氮等物質(zhì)是殺菌的主要原因，不論真空還是常壓等離子體，只要等離子體劑量足夠，都能有效殺菌。

（2）冷等離子體間接殺菌。等離子體活化水是將等離子體活性物質(zhì)由氣態(tài)通入水或者溶液中，或者直接在溶液中放電產(chǎn)生活化水溶液。將活化水或者水溶液用于果蔬清洗殺菌，不僅使得活性物質(zhì)存在的時(shí)間變長，還解決了常壓等離子體殺菌的均勻性問題。相啟森等研究了等離子體活化水處理沙門氏菌的殺菌作用和機(jī)制，殺菌效果隨放電時(shí)間的延長而增加，初始濃度為7.91log CFU/mL，經(jīng)過放電60s的活化水處理10min，活菌數(shù)降至4.22log CFU/mL。同時(shí)，電鏡觀察到細(xì)菌形態(tài)發(fā)生明顯變化，胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等大分子泄漏，胞內(nèi)活性氧水平顯著提高。所以，等離子體活化水殺菌機(jī)制與直接等離子體處理相同，均是活性物質(zhì)破壞了細(xì)胞膜，胞內(nèi)大分子泄漏或者變性、酶失活最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

（3）冷等離子體聯(lián)合殺菌。直接或間接冷等離子體處理如果和其他殺菌技術(shù)聯(lián)用，可以克服自身弱點(diǎn)從而強(qiáng)化殺菌效果。比如，等離子體活化水與超聲波結(jié)合可以提高除菌效率，當(dāng)超聲用于凍肉解凍時(shí)，等離子體活化水用作介質(zhì)可以抑制肉品解凍期間微生物滋生，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)。等離子體結(jié)合光催化殺菌也有不錯的殺菌效果，由于等離子體中的紫外線對于滅菌的貢獻(xiàn)較小，導(dǎo)致等離子體中的一部分能量以光的形式散失，降低了等離子體殺菌的能量利用率，但用于光催化產(chǎn)生活性氧化學(xué)能則有助于殺菌。在等離子體和精油的協(xié)同殺菌中，等離子體破壞了細(xì)胞膜，方便精油進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，協(xié)同殺菌的可靠性和殺菌效率進(jìn)一步提高，也是一種很好的研究思路。

四、低溫等離子體核心技術(shù)裝備研發(fā)進(jìn)展

低溫等離子體發(fā)生裝置多樣，結(jié)構(gòu)和材料的不同對于所形成的低溫等離子體有著顯著影響。介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)被認(rèn)為是最有效的低溫等離子體激發(fā)系統(tǒng)，也是科學(xué)研究和應(yīng)用主要采用的裝置。常壓介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)不需要真空系統(tǒng)，構(gòu)造簡單，與真空等離子處理設(shè)備小容量的處理腔相比有著較大的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外研究使用的常壓介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生系統(tǒng)大多以簡單組裝為主，工廠化殺菌的低溫等離子體設(shè)備較為少見。歐盟于2016年開啟了SAFE-BAG項(xiàng)目，希望將多種介質(zhì)阻擋放電類型的等離子體系統(tǒng)連接為食品加工流水線，這種組合式的流水線采用隧道式。南京財(cái)經(jīng)大學(xué)章建浩團(tuán)隊(duì)在肉制品低溫等離子體保鮮殺菌方面進(jìn)行了全面深入的研究，目前也在積極籌建產(chǎn)業(yè)化流水線并開展相關(guān)放大試驗(yàn)。浙江大學(xué)吳迪團(tuán)隊(duì)在食品等離子體殺菌方面進(jìn)行了較為全面的研究，也在開展等離子體殺菌相關(guān)產(chǎn)業(yè)化研究。

作者簡介：楊旭（1988-），女，漢族，重慶人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸ぜ肮に嚒?/p>