冷等离子体在肉品安全控制领域应用研究进展

康超娣，相启森，赵电波，李可，牛力源，白艳红*

1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450001）；2. 河南省冷链食品质量安全控制重点实验室（郑州 450001）3. 食品生产与安全河南省协同创新中心（郑州 450001）

肉品因自身营养丰富，在生产、加工和储藏等环节中极易被微生物污染，导致腐败变质甚至引发食物中毒事件[1]。传统热杀菌技术在有效杀灭食品中腐败微生物和病原菌的同时，也对食品热敏性营养成分和感官品质造成不良影响。因此，研发非热杀菌技术是当前食品工程领域的研究热点。冷等离子体（Cold plasma）是一种新型非热加工技术，具有快速、高效、处理温度低、无污染等优点。研究表明：冷等离子体能够有效杀灭食品在加工和储存过程中所污染的有害微生物，从而达到食品长期储存和保鲜的目的，在食品加工和食品安全控制等领域具有广泛的应用前景[2-4]。该文综述了冷等离子体对肉品表面微生物的灭菌效果及其对理化性质和感官品质等的影响，同时探讨了冷等离子体技术的杀菌机制，并对今后的研究方向进行了展望，以期为冷等离子体技术在肉品安全控制领域相关研究提供理论参考。

1 冷等离子体概述

1.1 等离子体的分类

等离子体（Plasma）由William Crookes于1879年首先发现[5]，是一种由离子、电子、紫外光、未电离中性粒子等组成、整体呈电中性的物质状态。等离子体广泛存在于宇宙中，被认为是除固态、液态、气态之外的物质第四态，也被称为“等离子态”[6]。

依据带电粒子、电子等温度的不同，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温等离子体依据热力学平衡状态的不同又可分为热等离子体和冷等离子体（图1）。热等离子体中的电子与粒子（离子、中性分子和原子）处于局部平衡状态且电子温度和离子温度几乎相同（约为2×104K）；而冷等离子体中的中性粒子和离子的温度仅保持低温（300～500 K）[7-8]。

图1 等离子体的分类

1.2 冷等离子体的产生方式

大气压气体放电是产生冷等离子体的常用方法，其气体放电类型主要包括电晕放电、介质阻挡放电（Dielectric barrier discharge，DBD）、辉光放电、微波放电（Microwave discharge，MD）、大气压等离子体射流（Atmospheric-pressure plasma jet，APPJ）、电晕放电等离子体射流（Corona discharge plasma jet，CDPJ）、薄层介质阻挡放电（Flexible thin-layer dielectric barrier discharge，FTDBD）和射频大气压放电（Radiofrequency atmospheric pressure plasma discharge，RFAPP）等[6,9]。

2 冷等离子体对肉品的杀菌作用

研究证实：冷等离子体能够有效杀灭冷鲜猪肉、鸡胸肉、牛肉、羊肉等原料肉及牛肉干、培根肉等肉制品表面的微生物（表1）[10]。Ulbin-Figlewicz等[11]研究表明，He/Ar冷等离子体源处理10 min后，猪肉表面的嗜冷菌活菌数和总菌落数分别降低了3 log10CFU/cm2和2 log10CFU/cm2，酵母和霉菌数分别降低了3 log10CFU/cm2（He）和2.6 log10CFU/cm2（Ar）；牛肉表面总菌落数分别降低了2 log10CFU/cm2（He）和0.5 log10CFU/cm2（Ar）。Fröhling等[12]研究表明，猪肉背长肌经微波等离子体处理5 min并于5 ℃贮藏20 d后，菌落总数降低至2～3 log10CFU/g，显著低于空白组（9 log10CFU/g，p＜0.05）。除有效杀灭肉品表面细菌、酵母及霉菌以外，冷等离子体也能有效杀灭存在于生鲜肉表面的病毒。Bae等[13]研究证实，经APPJ处理5 min后，接种到牛肉、猪肉和鸡胸肉表面的鼠诺如病毒（MNV-1）和甲型肝炎病毒（HM-175）完全失活。以上研究结果表明，冷等离子体在肉类食品杀菌保鲜领域具有广泛的应用前景。

表1 冷等离子体在肉品杀菌中的应用

接表1

3 冷等离子体处理对肉品品质的影响

国内外学者在研究冷等离子体对肉品杀菌作用的同时，也评价了冷等离子体处理对肉品色泽、质构、pH等品质指标的影响（表2）。

Yong等[16,19-21]研究表明，等离子体处理能够有效杀灭肉品表面的微生物并显著延长食品的贮藏期，而对肉品的色泽、硫代巴比妥酸反应产物（Thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）含量、pH、质构、挥发性盐基氮（TVB-N）等指标无显著影响（p＞0.05）。Jayasena等[22]研究表明，经FTDBD处理5 min和10 min后，牛肉和猪肉样品的L*值均未发生显著变化（p＞0.05），但a*值显著降低（p＜0.05）；在处理10 min后，脂肪氧化水平显著升高，经熟制后，对味道造成不良影响（p＜0.05）。

冷等离子体处理对肉品的味道、颜色、气味、风味及可接受性等感官参数仍存在不良影响[16,20]。因此，在今后的研究中需进一步优化放电功率、载气、处理时间等冷等离子体处理参数，以有效控制冷等离子体处理对肉品品质所造成的不良影响[24]。

表2 冷等离子体对肉品品质的影响

4 冷等离子体在肉品包装中的应用

冷等离子体也被用于肉品包装。常用的方法是将食品置于密封的包装袋内，采用DBD等离子体对内含食品的包装袋进行放电处理，从而有效防止包装后造成的二次污染[25]。上述技术已成功应用于鸡肉、猪肉和牛肉等加工包装领域[22,26]。Wang等[26]在DBD系统的两个电极之间放入托盘包装的新鲜鸡肉，托盘包装内通入空气或改性气体（65% O2+30% CO2+5% N2）。结果表明：经放电处理180 s并于4 ℃储藏10 d后，通入改性气体产生的等离子体比空气产生的等离子体能更有效地抑制微生物的生长繁殖，且微生物减少量超过4 log10CFU/g，鸡肉的货架期延长至14 d，同时鸡肉的L*值无显著影响（p＞0.05）。综上所述，冷等离子体处理包装肉类食品能最大限度地保持肉品色泽，同时又能有效降低微生物数量，从而延长其货架期。

5 冷等离子体的杀菌机制研究

由于冷等离子体产生方式、载气等存在很大差异，目前国内外对冷等离子体杀菌机制还没有形成统一的认识。相关研究普遍认为，冷等离子体杀菌机制可能主要包括以下几个方面。

5.1 活性化学组分

在气体放电过程中，产生的活性化学组分被认为是冷等离子体主要的杀菌因子。活性化学组分主要物质包括过氧化氢（H2O2）、臭氧（O3）、超氧阴离子自由基（O2-·）、单线态氧（1O2）、羟基自由基（·OH）等活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及一氧化氮自由基（NO·）、氧化氮自由基（·NO2）、过氧亚硝基阴离子（ONOO-·）、过氧亚硝酸（OONOH）和烷基过氧亚硝酸盐（ROONO）等活性氮（Reactive nitrogen species，RNS）[27]。

研究证实，冷等离子体中ROS、RNS能损伤细胞内DNA、蛋白质和酶等重要的细胞生物大分子。ROS可能通过与脂质的相互作用改变生物膜功能，导致蛋白质氨基酸的氧化和不饱和脂肪酸过氧化物的形成[28-29]；Yusupov等[30]研究低温大气压等离子体产生的ROS与革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌肽聚糖的相互作用，结果表明，产生的·OH、O3和H2O2等活性氧使细菌肽聚糖的C—O、C—N和C—C等重要化学键断裂，造成细胞壁破损并导致微生物死亡。

5.2 静电作用

静电作用被认为是冷等离子体发挥杀菌作用的一种重要物理机制。冷等离子体中带电粒子的运动能引起正电荷或负电荷局部聚集，从而产生电场，在强电场的情况下，冷等离子体内部产生的带电粒子形成的静电力作用可能导致细菌细胞膜破裂[31]。冷等离子体对细菌的静电作用与微生物种类有关。据报道，冷等离子体辐照处理（前40 s内）使革兰氏阴性菌细胞膜几乎完全破损，而革兰氏阳性菌则未出现损伤[32]。此外，Mendis等[33]认为带电粒子对细胞表面轰击产生的静电排斥超过细胞膜的拉伸强度而导致细胞外膜损伤。

5.3 紫外线作用

目前，冷等离子体产生的紫外光作用在冷等离子体研究领域仍存在争议。一方面，冷等离子体在放电过程中可产生大量紫外线，紫外线对微生物的杀菌作用不仅可以通过干扰DNA中胸腺嘧啶的形成来抑制细菌，而且也可通过破坏蛋白质的结构使其失去生物学活性[24]；另一方面，冷等离子体激发产生的紫外线多集中在近紫外区（300～400 nm，UV-A）。研究证实：紫外光谱区域杀菌活性相对于其他杀菌活性物质较弱，在220～280 nm波长范围内（UV-C）且剂量足够大时才能抑制细菌生长。而Laroussi等[34]以空气为载气，利用DBD放电产生的等离子体处理细菌，发现没有大量产生低于285 nm的紫外光，因此认为紫外线并未在杀菌过程中起到直接明显的作用。

5.4 其他作用

冷等离子体的产生需要施加电场，带电粒子和电子在电场的作用下产生离子，电荷定向运动引起电流产生磁场，电场和磁场会引起其它带电粒子的运动，从而伴随极强的热辐射和热传导。相关研究表明：细胞内带电粒子（电子和离子）的积累可能诱导细胞程序性死亡和电穿孔[32,35]，并通过引发细胞组分的释放而导致微生物失活。此外，冷等离子体化学物质间的复合效应也导致了细菌细胞内物质泄漏和细胞功能的丧失，且微生物失活效应也与等离子体源、操作条件、工作气体以及微生物本身等因素相关[24]。

6 结语

作为一种新型非热加工技术，冷等离子体能有效杀灭肉品表面的微生物，并同时较好地保持色泽、pH等理化及感官指标，在肉品杀菌保鲜领域具有广阔的应用前景。在今后的研究工作中，首先应研发适用于食品加工的冷等离子体设备，并通过优化工艺参数等提高杀菌效果并降低对产品品质造成的不良影响；同时还应重点研究冷等离子体对肉品中蛋白质、脂肪等组分及加工性能、安全性等的影响，从而不断推动冷等离子体在肉品工业中的广泛应用。