等离子体活化水在食品工业中应用研究进展

康超娣,相启森,刘 骁,栗俊广,张 华,白艳红

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450001;2.食品生产与安全河南省协同创新中心,河南郑州 450001)

近年来,大气压低温等离子体技术日臻成熟,在食品非热杀菌[1]、食品内源酶失活[2]、农药残留降解[3]等领域的研究与应用引起了国内外学者的广泛关注[4-6]。然而由于食品原料形状的不规则性,现有的大气压低温等离子体技术在处理均匀性等方面还未达到理想的效果。目前,国内外最新研究已将水作为大气压低温等离子体的中间媒质来对食品进行处理。等离子体活化水(Plasma-activated water,PAW)也称为等离子体处理水(Plasma-treated water,PTW),是指通过在水中或水表面进行等离子体放电而得到的液体。研究证实,PAW具有良好的杀菌作用[7-8]。由于溶液具有良好的均匀性和流动性,PAW克服了大气压低温等离子体技术作用不均匀等技术缺陷,其在食品生产和安全控制领域中的潜在应用受到国内外学者的广泛关注[7-8]。

本文综合分析了PAW的制备方法及其在食品杀菌保鲜、生物被膜控制、肉制品保鲜护色、芽苗菜生产等领域的应用研究进展,初步探讨了PAW的作用机制,并讨论了PAW研究中有待解决的问题和发展方向,对今后PAW技术在食品工业中的应用研究有一定指导作用。

1 PAW的制备方法和理化特性

1.1 PAW的制备方法

目前,PAW主要通过在水表面或水下进行大气压气体放电来制备。理论上讲,能够产生大气压低温等离子体的方法均可用于PAW的制备。考虑到制备量和安全性,在实际研究中使用较多的主要包括介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)、表面介质阻挡放电(Surface dielectric barrier discharge,SDBD)、大气压等离子体射流(Atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等[7-8](图1)。如图1a所示,DBD装置包括两个平行金属电极,其中至少一个覆盖绝缘介质(作用是阻挡贯穿两个电极的放电通道)。当两个电极上施加了足够高的交流电压时,电极间的气体被激发而产生等离子体,形成的等离子体扩散进入蒸馏水中而得到PAW。SDBD 装置与DBD装置类似,主要特点是由多组电极组成(图1b)。APPJ装置是由一个圆柱体的金属射频(RF)电极和圆筒状的金属接地电极构成。在高电压作用下,气体通过上述两个共轴电极之间的缝隙时被电离而产生等离子体;在气体压力的推动作用下,产生的等离子体由喷口向外喷出并与蒸馏水接触而得到PAW(图1c)。

图1 等离子体活化水产生装置示意图Fig.1 Schematic diagrams of the producing systems of plasma-activated water

1.2 PAW理化特性

在等离子体放电过程中,PAW中产生了大量的活性化学物质,并显著影响其pH、氧化还原电位、电导率等理化指标。

图2 气体等离子体与水溶液相互作用中产生的活性物质和机制示意图Fig.2 Schematic diagram of some of the reactive species and mechanisms in the plasma-liquid interaction

1.2.3 氧化还原电位 氧化还原电位(Oxidation reduction potential,ORP)是表征水溶液氧化还原能力的重要指标,与其中含有的活性氧、活性氮等物质有关。研究表明,等离子体处理能够显著升高水溶液的ORP,例如经放电5 min和10 min所得PAW的ORP分别为350 mV和550 mV,均显著高于对照组(约270 mV)[14-15]。

1.2.4 电导率 由于产生了大量的水溶性化学物质,PAW的电导率一般随放电时间的延长而显著升高[14-15]。

2 PAW在果蔬杀菌保鲜中的应用

2.1 PAW对果蔬的杀菌保鲜作用

最新研究表明,PAW具有广谱杀菌特性,能够有效杀灭存在于环境和食品中的酿酒酵母、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等食品腐败菌和食源性致病菌[15,17-21]。目前,对PAW在食品杀菌保鲜领域的研究多集中于果蔬产品,尚无应用于肉制品、禽蛋制品等的研究报道。Guo等研究表明,PAW浸泡处理能够有效杀灭葡萄、草莓、双孢蘑菇等表面的微生物并显著延长产品的储藏期,而对果蔬产品的色泽、硬度、pH和抗氧化能力等理化指标无显著影响[15,20-21](见表1)。上述文献中的研究结果表明,PAW处理既能有效杀灭消除生鲜食品上的微生物,又能抑制并延缓生鲜食品腐败变质,在食品杀菌保鲜领域具有广阔的应用前景。

表1 PAW在食品杀菌保鲜的应用Table 1 Applications of PAW in the sterilization and preservation of foods

2.2 PAW杀菌机制

国内外学者对PAW杀菌机理进行了大量实验研究,并提出了若干不同的观点。研究证实,PAW含有的H2O2等活性物质能够穿过细胞膜进入细胞,通过损伤DNA、蛋白质等引发氧化应激等途径而杀死微生物[3]。此外,等离子体处理引发的溶液酸化(pH降低)和ORP升高也可能是PAW发挥杀菌作用的重要机制之一[1]。例如,pH是影响氢过氧自由基(HOO·)解离平衡的重要因素。当pH低于HOO·的酸解离常数(4.88)时,将促进HOO·的形成;HOO·具有很强的氧化性并能继续反应生成H2O2,能够引发细胞发生氧化损伤[14,22-23]。

式(1)

式(2)

目前国内外学者对PAW杀菌机理尚未得到统一的观点,甚至存在较大的争论。例如Chen等发现在以空气为载气进行放电所制备的PAW中铜离子和锌离子浓度随放电时间的延长而显著升高;考虑到铜离子和锌离子均具有一定的杀菌作用,因此作者推测电极腐蚀释放到PAW中的金属离子可能在其杀菌过程中发挥了一定的作用[24]。

3 PAW对细菌生物被膜的失活作用

细菌生物被膜(Bacterial biofilm)是自然条件下细菌细胞包裹在自身产生的多聚物基质内并粘附于惰性的或者生物物体表面,形成的具有一定结构性的细菌群体[25-26]。在食品工业中,食源性病原菌和腐败菌能够在食品、食品加工设备、输送管道、不锈钢等表面形成生物被膜,成为食品生物性危害的潜在污染源[27]。研究结果表明,除显著杀灭浮游生长的微生物以外,PAW也能够有效清除多种细菌的生物被膜[24,28-31]。Chen等报道,PAW能够通过裂解细胞膜等途径有效杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物被膜,但对其生物量无显著影响[28]。与Chen等[28]研究结果类似,Pan等发现经PAW处理5 min后,第5 d形成的粪肠球菌(E.faecalis)成熟生物被膜被完全失活,其作用机制可能与其含有的活性氧/活性氮有关[31]。与漂白粉、过氧乙酸、二氧化氯等传统化学消毒剂和杀菌剂相比,PAW具有无化学残留、安全高效等优点,有望应用于食品设备、输送管道等食品接触面中细菌生物被膜的清除和控制。

4 PAW对肉制品的保鲜和护色作用

N2+e→N+N+e

式(3)

N+O2→NO+H

式(4)

NO+O3→NO2+O2

式(5)

式(6)

式(7)

研究证实,在乳化型香肠、肉糜等中添加PAW能够发挥良好的保鲜和护色作用[8,32-33]。在真空包装和80 ℃水浴加热30 min后,PAW处理组猪肉糜(PAW添加量约为20%,W/W)的亮度(L*)和黄度(b*值)与亚硝酸钠处理组(添加量约为1.2%,W/W)和空白组无显著性差异,但其红度(a*)显著低于亚硝酸钠处理组并显著高于空白组(p<0.05)[32]。Jung等报道,在乳化型香肠制备过程中添加9%(W/W)的PAW并于4 ℃储藏28 d后,PAW处理组总需氧菌数与亚硝酸钠处理组类似,均显著低于空白组(p<0.05);4 ℃储藏28 d后,与亚硝酸钠处理组相比,PAW处理组香肠的亮度(L*)显著升高,而红度(a*)、黄度(b*值)和亚硝酸钠残留量均显著降低(p<0.05),而色泽、风味、弹性、总接受性等感官得分均高于亚硝酸钠处理组(p>0.05)[8]。综上所述,作为一种亚硝酸盐的替代品,PAW在肉制品加工和安全控制方面具有较为广阔的应用前景,但其安全性、稳定性等问题仍需深入研究[34]。

5 PAW在芽苗菜生产中的应用

芽苗菜以豆类或谷类种子所储存的营养物质为基础,浸泡一定时间然后定期淋浇,使种子萌发然后生长到一定长度所获得的幼苗,具有风味独特、口感脆嫩、生育周期短、经济价值较高等优点。研究证实,适当的低温等离子处理或PAW均能够促进大豆、绿豆、萝卜、黑麦等种子的萌发和生长[35-39]。Zhang等发发现,在处理时间为2 min时,电压为17.3 kV的DBD等离子体处理能够显著促进黄豆芽的生长,但继续升高电压至22.1 kV,黄豆芽的生长反而受到抑制;在电压为22.1 kV 时,DBD等离子体处理12～60 s能够显著促进黄豆芽的生长,但当处理时间超过2 min时黄豆芽的生长则受到显著抑制,表明等离子体处理对种子的生长具有双重作用[35]。Naumova等研究表明,PAW能够促进黑麦的萌发和生长,放电5 min所制备的PAW处理组黑麦发芽率、根和胚芽鞘长度约分别是自来水处理组黑麦种子的1.5倍、2倍和1.5倍[38]。与Naumova等研究结果类似,Kim等采用DBD放电5 min制备的PAW来生产黄豆芽,发现与自来水相比,PAW处理能够显著促进黄豆芽的生长并抑制其表面微生物数量;与自来水处理组相比,PAW处理组豆芽子叶、下胚轴和根中维生素C含量分别提高了5.5%(p<0.05)、11.0%(p<0.05)和9.2%(p>0.05),同时其子叶、下胚轴和根部中γ-氨基丁酸、天冬酰胺、丝氨酸等氨基酸含量也均显著高于自来水处理组(p<0.05)[39]。类似于电解水,PAW促进植物种子萌发和生长,可能与其含有的活性氧和活性氮等物质有关[35,40]。

综上所述,适当的PAW能够促进种子的发芽和生长,有效降低芽苗菜表面微生物数量并显著升高维生素C、γ-氨基丁酸等营养成分含量,在芽苗菜生产和安全控制方面具有较大的应用前景。

6 前景与展望

目前,作为一种新型的环境友好型处理技术,PAW具有处理范围广、不产生二次污染等优点,在果蔬杀菌保鲜、肉制品保鲜护色、芽苗菜生产等食品生产与安全控制领域展示了广阔的应用前景。目前,PAW相关研究存在作用机制不明确、多集中于实验室研究等问题。在今后的工作中,一方面应该加强PAW活性组分生成机制及影响因素、作用机理等方面的基础研究,同时还应系统地评价PAW的安全性;另一方面应该加强PAW在食品原料杀菌保鲜、食品接触面消毒等领域的应用研究并评价其对食品感官品质和营养品质的影响,从而推动PAW在食品工业中的广泛应用。

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