大氣壓冷等離子體在即食肉制品中的應用研究進展

程騰，薛 冬，馮 坤，呂 靜，相啟森,

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南鄭州 450001）

即食肉制品是指經(jīng)部分或完全熟制，不需烹調或只需簡單加熱就能食用的肉制品[1]。因具有營養(yǎng)豐富、食用方便等優(yōu)點，即食肉制品受到消費者的廣泛青睞。然而，即食肉制品在加工、貯藏和銷售等環(huán)節(jié)極易污染細菌、酵母菌和霉菌，造成食品腐敗變質，甚至引發(fā)食源性疾病，嚴重危害消費者的身體健康。2017～2018 年全國食物中毒事件流行特征分析表明，肉及肉制品引起的食物中毒事件數(shù)分別占11.78%和10.65%[2?3]。因此，在即食肉制品加工貯藏過程中，有效殺滅微生物以保障其安全至關重要。熱殺菌技術在食品加工領域應用廣泛，但易對食品的營養(yǎng)和感官造成不良影響。近年來，超高壓、脈沖電場等非熱加工技術在食品工業(yè)中的應用受到了廣泛關注。大氣壓冷等離子體（Atmospheric cold plasma，ACP）是一種新型非熱加工技術，能夠有效殺滅微生物并較好地保持食品的營養(yǎng)和感官品質，有效延長產(chǎn)品貨架期，在食品加工領域具有良好的應用前景。本文主要介紹了ACP 的產(chǎn)生方式和影響其工作效率的因素，并綜述了該技術在肉品加工和保鮮中的應用，旨在為ACP 在即食肉制品加工和保鮮領域的實際應用提供參考。

1 大氣壓冷等離子體

等離子體通常是指一種“準中性”電離氣體，它可以由任何中性氣體在高電壓下電離，產(chǎn)生電子、離子、自由基、原子及紫外光子等物質。ACP 指在大氣壓（常壓）條件下產(chǎn)生的整體溫度較低的等離子體，具有活性成分豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點，廣泛應用于食品加工和食品安全控制等領域。

1.1 ACP 產(chǎn)生方法

目前主要采用介質阻擋放電（Dielectric barrier discharge，DBD）、輝光放電、微波放電、電暈放電、滑動弧放電等產(chǎn)生ACP[4?5]。在食品工業(yè)加工過程中較為廣泛的是DBD 等離子體和大氣壓冷等離子體射流（Atmospheric pressure plasma jet，APPJ）（見圖1）。DBD 裝置一般由兩個金屬電極組成，其中至少一個電極覆蓋介質材料（如玻璃、石英和陶瓷）。APPJ 裝置將高壓電極置于絕緣管內部，通過流動的載氣氣流吹動形成放電活性區(qū)域并由噴嘴噴出等離子體[6]。

圖1 介質阻擋放電等離子體（A）和大氣壓冷等離子體射流（B）Fig.1 Dielectric barrier discharge plasma (A) and atmospheric pressure plasma jet (B)

1.2 影響ACP 殺菌效果的因素

ACP 對微生物的殺滅效果受放電參數(shù)（電壓、功率、頻率等）、處理條件（處理時間、氣體流速、處理間距等）、微生物種類等多種因素的影響。

1.2.1 放電參數(shù) 研究發(fā)現(xiàn)，ACP 對微生物的殺滅效果與電壓、頻率、放電功率等因素有關。例如，馬良軍等使用DBD 等離子體處理單增李斯特菌懸液（8 lg CFU/mL），結果發(fā)現(xiàn)，于40 kV 下處理120 s 后，單增李斯特菌僅降低了約0.50 lg CFU/mL；當電壓升高至80 kV，單增李斯特菌完全失活。這可能是因為，隨著電壓的升高，ACP 在放電過程中會產(chǎn)生更多的活性物質，從而增強了對微生物的殺滅效果[7]。此外，隨著電源頻率的升高，ACP 對微生物的殺滅效果也隨之增強。經(jīng)放電電壓為6 kV、頻率為20 kHz和40 kHz 的APPJ 處理4 min，銅綠假單胞菌生物膜分別降低了4.00 和6.40 lg CFU/mL。這可能是因為，電源頻率決定了ACP 放電之間的持續(xù)時間；增加頻率會減少滯后時間，增加了單位時間內的放電周期數(shù)，最終增強了ACP 對微生物的殺滅效果。而等離子體放電功率主要由交流電源的電壓和頻率決定，并隨著頻率和電壓的升高而增加[8]。因此，ACP 對微生物的殺滅效果隨放電功率的升高而增強。

1.2.2 處理條件 此外，ACP 對微生物的殺滅效果與處理時間、處理間距、放電氣體（組成、流速和相對濕度）等有關。研究發(fā)現(xiàn)，隨處理時間的延長，放電過程會產(chǎn)生更高濃度的活性物質，進而增強了對微生物的殺滅效果[9]。隨著處理間距的增加，一方面，短壽命的活性物質可能無法到達樣品；另一方面周圍氣體阻擋了等離子體到達樣品，從而降低了ACP 對微生物的殺滅效果。此外，ACP 對微生物的殺滅效果也受放電氣體組成的影響。Xu 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在放電氣體（氦氣）中添加濃度為0.5%的氧氣時，ACP 對微生物的殺滅效果最佳，然而進一步添加氧氣會降低ACP 對微生物的殺滅效果，這可能是因為氧氣是電負性氣體，氧氣的電子附著損失超過電子碰撞離解，從而導致氧自由基減少。因此，在實際應用中，首先要確定最佳的氣體混合比例，以獲得ACP 對微生物的最佳殺滅效果。而且，放電氣體流速較小時，短壽命的活性物質可能無法到達樣品，流速較大時，活性物質分布不均勻，從而降低了ACP 對微生物的殺滅效果[11]。而放電氣體相對濕度的增加會產(chǎn)生更多的羥基自由基，從而增強ACP 的殺菌效果[12]。

1.2.3 微生物種類 ACP 對不同種類微生物的殺滅效果存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，ACP 對細菌、真菌和細菌芽孢的殺滅效果逐漸降低。例如，Lee 等[13]使發(fā)現(xiàn)的DBD 等離子體（放電電壓為6 kV）殺滅大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌芽孢的D 值（殺滅90%微生物所需時間）分別為18、19、115 s 和14 min。與細菌相比，細菌芽孢具有多層外殼而不容易被ACP 滅活。真菌的細胞壁主要由幾丁質和β-D 葡聚糖組成，機械強度更高，使其不易被ACP 殺滅。此外，革蘭氏陰性菌外膜由脂多糖和相對較薄的肽聚糖層（約2 nm）組成，而革蘭氏陽性菌具有穩(wěn)定且較厚的肽聚糖層（約40 nm）[14]。因此，與革蘭氏陽性菌相比，革蘭氏陰性菌對ACP 處理更敏感。

1.2.4 環(huán)境因素 ACP 對微生物的殺滅效果還取決于樣品的表面結構、基質材料、pH 等。經(jīng)射頻大氣壓冷等離子體處理2 min，接種于聚苯乙烯、瓊脂平板表面的金黃色葡萄球菌降低了3～4 log N/N0（N 為初始菌落數(shù)，N0處理后菌落數(shù)），而牛肉干處理10 min表面的金黃色葡萄球菌降低了3～4 log N/N0。這可能是因為牛肉干的表面粗糙，為微生物提供了保護作用[15]。此外，相對于液體基質，ACP 對固體基質表面的微生物具有更好的殺滅效果，這是因為活性物質能夠與固體表面的微生物直接接觸，而對于液體基質中的微生物，活性物質首先作用于等離子體-液體界面，然后通過液體擴散作用于微生物[16]。Kayes 等[17]將大腸桿菌接種于pH5 和7 的瓊脂培養(yǎng)基上，經(jīng)輝光放電等離子體處理90 s 后，大腸桿菌分別降低了1.3 和4.4 lg CFU/cm2。與pH 為7 的環(huán)境相比，酸性環(huán)境不適宜微生物的生長，這使得大多數(shù)微生物對ACP 的處理更加敏感。

2 ACP 在即食肉制品殺菌保鮮中的應用

2.1 ACP 對即食肉制品中微生物的殺滅效果

研究表明，ACP 處理能夠有效滅活醬鹵牛肉、燒雞、雞肉香腸、火腿等即食肉制品表面的微生物，延長其貨架期（見表1）。然而，ACP 的殺菌效果受放電電壓、處理時間等因素的影響。因此，在實際應用中需根據(jù)產(chǎn)品特性優(yōu)化ACP 處理工藝參數(shù)。

表1 ACP 在即食肉制品殺菌中的應用Table 1 Application of ACP in the sterilization of ready-to-eat meat products

此外，等離子體活化水[31]（Plasma-activated water，PAW）、等離子體活化溶液（Plasma-activated solution，PAS）[32]、等離子體活化鹽水[33]、等離子體活化植物蛋白溶液[34]等也被廣泛應用于即食肉制品的生產(chǎn)和安全控制。例如，Inguglia 等[33]將生牛肉片浸泡在200 mL 經(jīng)APPJ 處理的活化鹽水中并于4 ℃下腌制20 h，工作氣體為空氣，結果發(fā)現(xiàn)，采用等離子體活化鹽水腌制的牛肉干表面單增李斯特菌降低了0.85 lg CFU/g。

2.2 ACP 殺滅微生物的作用機制

ACP 主要通過等離子體產(chǎn)生過程中生成的活性物質、帶電粒子、紫外線等殺滅微生物。ACP 放電過程中產(chǎn)生大量的活性氧和活性氮物質（如臭氧、羥基自由基和一氧化氮等），這些物質誘導微生物細胞膜脂質發(fā)生氧化反應，改變細胞膜結構，同時活性物質還可擴散到細胞內，進一步損傷蛋白質和核酸等大分子物質，從而導致微生物死亡[35]。此外，等離子體產(chǎn)生的帶電粒子聚集細胞表面，所產(chǎn)生的靜電排斥力超過細胞膜的抗張強度，使得細胞膜受損，造成微生物失活[36]。Sato 等[37]發(fā)現(xiàn)當氣體流速和處理間距較小時，紫外線在APPJ 殺滅大腸桿菌失活過程中起主要作用。在今后的研究中，應綜合運用代謝組學、蛋白質組學、轉錄組學等方法系統(tǒng)闡明ACP 殺滅微生物的作用機制。

2.3 ACP 在即食肉制品中替代亞硝酸鹽的應用

亞硝酸鹽廣泛用于肉制品的腌制加工，能夠改善產(chǎn)品的色澤和風味。研究發(fā)現(xiàn)，ACP 處理可產(chǎn)生亞硝酸鹽，廣泛應用于肉類的腌制加工。Jung 等[38]使用DBD 等離子體處理由生鮮豬肉、水和氯化鈉組成的肉糜，并真空包裝后水浴20 min。結果發(fā)現(xiàn)，隨著DBD 等離子體處理時間的延長，熟肉糜中亞硝酸鹽含量逐漸升高，30 min 時達到65.96 ppm。此外，Yong 等[39]使用電源頻率為15 kHz 的DBD 等離子體制備PAW，并將其用于腌制豬里脊肉制得火腿，結果發(fā)現(xiàn)，與亞硝酸鈉處理的火腿相比，PAW 處理組樣品發(fā)色效果更好（a*值增加），亞硝酸鹽殘留量降低，好氧微生物降低了0.33 lg CFU/g。類似地，Monika等[34]使用APPJ 活化植物蛋白濃縮物的水溶液作為豬肉香腸中的替代亞硝酸鹽，結果顯示，在儲存8 d后處理組香腸的亞硝酸鹽含量與對照組相近（亞硝酸鹽含量20.69～21.89 mg/kg）。以上結果表明，ACP 處理可替代肉類腌制加工中的亞硝酸鹽添加，而且不影響香腸本身的風味[40?41]。

此外，一些研究評價了ACP 對即食肉制品安全性的影響。Kim 等[42]采用DBD 等離子體處理含有1%焦磷酸鈉（w/v）的蒸餾水（500 mL）4 h 制備PAS，并將其用于制備豬肉乳化香腸。鼠傷寒沙門氏菌回復突變試驗表明豬肉乳化香腸提取液沒有致突變性。8 周齡雌性Balb/c 小鼠喂食豬肉乳化香腸32 d后，其血清TNF-α值低于10 pg/mL，表明未發(fā)生炎癥反應。綜上所述，作為傳統(tǒng)亞硝酸鹽的替代品，ACP 在即食肉制品加工領域應用前景廣闊。

3 ACP 對即食肉制品品質的影響

ACP 在有效殺滅即食肉制品表面的微生物的同時，也會對其品質造成影響。

3.1 ACP 對即食肉制品脂質的影響

研究發(fā)現(xiàn)，ACP 處理對即食肉制品脂質氧化的影響與處理條件、樣品的脂肪含量、氣體成分等有關。Rod 等[43]使用DBD 等離子體處理牛肉干，結果發(fā)現(xiàn)，隨DBD 等離子體放電功率的升高和處理時間的延長，樣品中硫巴比妥酸反應物（Thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）含量逐漸升高。在功率為15.5 W，處理時間為5 s 時，牛肉干的TBARS 值為0.27 mg MDA/kg，處理時間增加至20 s 時，TBARS值為0.33 mg MDA/kg；在62 W 條件下處理5 s，牛肉干的 TBARS 值為0.30 mg MDA/kg。然而，Yong等[44]使用DBD等離子體處理生鮮豬肉切片并制備豬肉干，結果發(fā)現(xiàn)，經(jīng) DBD 等離子體處理 60 min后，樣品的 TBARS含量為2.27 mg MDA/kg，低于對照組樣品（3.84 mg MDA/kg）。這可能是與亞硝酸鹽的抗氧化作用有關，由亞硝酸鹽衍生的亞硝酸依次形成亞硝酸酐和一氧化氮；一氧化氮可通過與氧氣反應生成二氧化氮，還可以與肌紅蛋白的鐵離子結合來抑制脂質氧化；此外，一氧化氮可通過清除脂質過氧化自由基來抑制脂質過氧化反應[45]。

此外，G?k 等[19]發(fā)現(xiàn)經(jīng)放電氣體為氧氣的DBD等離子體處理后，牛肉干的TBARS 值為0.91 mg MDA/kg；而使用25%氧氣+75%氬氣為放電氣體時，牛肉干的TBARS 值降低至0.78 mg MDA/kg，這可能是因為惰性氣體比例的增加，減少活性氧等物質的形成，從而導致TBARS 值降低[46]。在今后的研究中，可綜合運用氣相色譜－質譜聯(lián)用等方法研究ACP 處理對即食肉制品揮發(fā)性風味成分的影響規(guī)律。此外，也可通過添加精油、迷迭香提取物等來抑制ACP 造成的肉制品脂質氧化。

3.2 ACP 對即食肉制品蛋白質的影響

研究發(fā)現(xiàn)，ACP 處理可造成即食肉制品中的蛋白質發(fā)生分解和氧化，進而影響產(chǎn)品品質。李欣欣等[18]使用DBD 等離子體處理醬鹵牛肉3 min 并于4 ℃貯藏，與對照組相比，不同處理功率（300～500 W）的醬鹵牛肉總揮發(fā)性鹽基氮（Total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量變化不同。其中，在貯藏第20 d，400 W 處理組醬鹵牛肉TVB-N 值最低，低于對照組和其他處理組。Lee 等[47]使用DBD 等離子體（600 W）處理肉糜60 min 并制備罐裝火腿；結果發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鈉和芹菜粉所制備樣品的羰基含量分別為0.97 和1.10 nmol/mg，而DBD 等離子體處理的火腿羰基含量為1.18 nmol/mg，表明DBD 等離子體處理促進了罐裝火腿中蛋白質的氧化。因此，在實際應用中，應嚴格控制處理條件，將即食肉制品中蛋白質的分解和氧化程度控制在可接受范圍內。

3.3 ACP 對即食肉制品色澤的影響

色澤直接影響著消費者對食品的接受程度。研究發(fā)現(xiàn)，與白肉相比，ACP 對牛肉、豬肉等紅肉的色澤影響較大。Yong 等[44]使用DBD 等離子體處理生鮮豬肉切片60 min，與對照組相比，所制得豬肉干的L*值和a*值分別增加了1.74 和6.29，b*值減少了2.18，豬肉干呈現(xiàn)更亮的紅色。李欣欣等[18]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)DBD 等離子體處理3 min，醬鹵牛肉的L*值略有增大，a*和b*值沒有顯著變化；隨著貯藏時間的延長，處理組和對照組的L*、b*值呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，而a*值在貯藏第20 d 降至最低值。ACP 中的一氧化氮可與肌紅蛋白或高鐵肌紅蛋白反應并生成亞硝化肌紅蛋白（NO-Mb，亮紅色）或亞硝化高鐵肌紅蛋白（NO-MMb，暗紅色），進而造成a*值升高。白肉的肌紅蛋白含量較低，因此ACP 處理對其色澤的影響可以忽略不計。例如，Lee 等[26]使用24 kV 的DBD 等離子體處理水煮雞胸肉3 min，在4 和24 ℃儲存期間，與對照組相比，處理組樣品的色澤未發(fā)生顯著變化。此外，李季林等[48]使用射頻放電冷等離子體在600 W 功率下處理6 min 制備PAW，應用于火腿發(fā)色，發(fā)現(xiàn)與亞硝酸鹽腌制的火腿相比，PAW 組樣品的a*值升高而b*值降低，L*值無顯著差異，這可能是由于PAW 腌制比亞硝酸鹽腌制形成更多的NO-Mb。Yadav 等[29]也發(fā)現(xiàn)了類似的研究結果。綜上所述，ACP 處理顯著影響肉品的色澤參數(shù)，這可能與其造成脂肪氧化、肌紅蛋白氧化和持水性變化等有關，相關機制仍有待深入研究。

3.4 ACP 對即食肉制品感官品質的影響

研究發(fā)現(xiàn)，ACP 處理影響即食肉制品的感官品質。李欣欣等[18]發(fā)現(xiàn)經(jīng)DBD 等離子體處理后，醬鹵牛肉的感官評分總體上均略低于對照組樣品，這可能是因為冷等離子體處理導致醬鹵牛肉的水分減少，進而影響口感。另外，經(jīng)DBD 等離子體處理180 s 后，醬鹵鴨腿的感官評分高于處理時間為300 和480 s處理組樣品的感官評分，表明DBD 等離子體處理時間過長會對醬鹵鴨腿的感官品質造成不良影響[21]。Yong 等[20]發(fā)現(xiàn)經(jīng)DBD 等離子體處理時間超過10 min 后，牛肉干產(chǎn)生異味，這可能是因為含硫化合物被自由基分解產(chǎn)生二甲基二硫、甲硫醇和硫化氫等含硫揮發(fā)物，也可能與脂質氧化產(chǎn)生的腐臭氣味有關。然而，Hui 等[49]使用DBD 等離子體處理腌制鮮牛肉塊30 min，靜置4 h 后進行木炭或蒸汽烘烤，結果發(fā)現(xiàn)，相較于木炭烤肉，ACP 處理改善了蒸汽烤肉的風味品質。與木炭加熱相比，蒸汽加熱能夠抑制大部分羰基化合物的產(chǎn)生，而這些脂質氧化衍生的羰基化合物會導致樣品出現(xiàn)異味。在今后的研究中，可綜合利用電子鼻、電子舌等設備系統(tǒng)分析ACP 對即食肉制品感官品質的影響。

4 結論與展望

作為一種非熱加工技術，ACP 可以有效殺滅即食肉制品表面的微生物并廣泛應用于肉類的腌制加工中。研究發(fā)現(xiàn)，ACP 處理對肉品品質的影響因種類、處理工藝參數(shù)等的不同而存在差異。在今后的研究中，應系統(tǒng)分析ACP 處理對蛋白質和脂質的氧化程度、感官特性、亞硝酸鹽殘留量、營養(yǎng)特性（必需氨基酸、維生素等）及生物利用率等指標的影響，同時評估ACP 處理對肉品造成的潛在安全風險，確保其安全可用至關重要。此外，還應系統(tǒng)優(yōu)化ACP處理工藝參數(shù)，建立統(tǒng)一規(guī)范的技術標準，為其工業(yè)化應用提供理論依據(jù)。最后，可將ACP 技術與其他技術（溫熱、冷藏、抗菌劑等）協(xié)同使用，從而最大限度地減少ACP 處理對肉品品質的不良影響，推動該技術在即食肉制品加工中的應用。