基于低温等离子体技术的果蔬生鲜杀菌保鲜研究进展

徐文慧，周锦云，蔡静，张俊

(浙江省农业科学院食品科学研究所 农业农村部果品采后处理重点实验室 浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室，浙江 杭州 310021)

果蔬生鲜由于营养丰富、口感良好、风味独特而受到消费者的喜爱。传统的生鲜保鲜技术主要以裸露或覆盖保鲜膜置于冷柜中冷藏的方法来延缓发生腐败的时间。常用的果蔬保鲜技术以气调保鲜为主[1]，根据果蔬贮藏要求，通过调节环境气体成分比例，抑制果蔬呼吸，延缓代谢，从而保持果蔬品质。虽然这些保鲜技术可以有效地延长果蔬生鲜的贮藏期，但无法达到有效杀菌和解毒的目的，而其他保鲜技术也存在着诸如设备成本过高、营养破坏、杀菌效率低等缺陷[2]。

低温等离子体技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限和不足之处，提高消毒灭菌效果。其体系主要以带电粒子为主，受外加电场、磁场和电磁场的影响[3]，不但可以对果蔬生鲜产生有效的杀菌效果，而且不会影响果蔬生鲜的过氧化值和酸价，不会对营养物质产生负面影响[4]。

介绍低温等离子体技术杀菌保鲜的机理，对比常用果蔬生鲜保鲜技术的优缺点，综述低温等离子体技术在果蔬生鲜杀菌保鲜领域的研究进展，探讨低温等离子体技术对果蔬生鲜的实用价值。

1 低温等离子体技术的特点

低温等离子体技术是近20年发展起来的新型高级氧化技术[5]。它不同于一般的中性气体，主要以带电粒子为主，受外加电场、磁场和电磁场的影响，具有独特的光、热、电等物理性质[6]，可以产生多种物理过程和化学反应，主要产生高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光解3方面的协同作用。

高能电子辐射作用[7-8]。低温等离子体内的高能电子轰击水溶液，使水分子发生电离，激发生成反应能力极强的物质，并通过反应生成游离氧、臭氧和自由基。这些活性基团易攻击有机分子，通过一系列的反应使其分解为小分子。

臭氧氧化作用[9]。低温等离子体产生的臭氧是一种强氧化剂，溶于水后直接或由其分解产生的·OH氧化有机物，会使其彻底氧化为CO2、H2O和无机物。

紫外光解作用[10]。低温等离子体产生的紫外光不仅能单独分解物质，还可与臭氧联用。例如：分子+光子→激发态+能量→离子(游离基)+H2O+O2→新物质。

低温等离子体的产生方法主要有高压脉冲放电法、介质阻挡放电法、辉光放电法和滑动弧放电法[11-14]。高压脉冲放电法：超窄高压脉冲→脉冲电晕放电→高能量电子→与水分子碰撞→·OH+水生电子+重复冲击波，超窄高压脉冲→脉冲电晕放电→高能量电子→O2→O3+紫外光，类型有针-板式、点-板式、线-板式、环-筒式。介质阻挡放电法：电极放电→富集粒子+电子+自由基+激发态原子(分子)→离解+电离反应，类型有体(介质阻挡放电)、面(介质阻挡放电)、共板(介质阻挡放电)。辉光放电法：直流放电→蒸汽鞘→高活性粒子(H·、·OH、O3、H2O2)。滑动弧放电法：大气流→等离子体流→活性粒子+紫外光+高压激波，类型有液相、气相。

2 常见果蔬生鲜杀菌保鲜方式对比

杀菌保鲜是食品行业中一个非常重要的环节。常见的果蔬生鲜杀菌保鲜方式主要分为热力杀菌法与非热力杀菌法2大类。

2.1 热力杀菌法

2.1.1 巴氏杀菌法

巴氏杀菌法也称为低温杀菌法、冷杀菌法[15]，是一种在较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的灭菌法，主要应用于营养成分在低热环境下不容易发生分解的食物，如牛奶等，能够较好地保持食物的营养物质。该方法的优点是灭菌温度较低，时间较短；缺点是灭菌不彻底，对于耐热性较好的微生物无法彻底杀灭[16]。

2.1.2 压力蒸汽灭菌法

压力蒸汽灭菌法是在密封空间中产生至少100 MPa的压力，通过高温蒸汽杀灭微生物的方法。通过使微生物细胞中的细胞膜、细胞壁等细胞结构产生变化，让微生物原有的生理活动能力遭到破坏，促使微生物死亡[17]。该方法的优点是操作方便、灭菌效果好、无残留；缺点是食品的营养物质被破坏，成本高，安全性较低。

2.2 非热力杀菌法

2.2.1 臭氧杀菌法

臭氧杀菌法是一种以空气与水体为媒质的溶菌级灭菌法[18]。通过臭氧的强氧化作用破坏微生物的细胞膜，阻碍其新陈代谢，改变膜的通透性，使得蛋白质变性，细胞溶解死亡。该方法的优点是杀菌迅速彻底，无二次残留，且可快速自然分解为氧气；缺点是臭氧有强烈的腥味，对鼻黏膜有刺激性，且自身性质特殊，使用受限。

2.2.2 紫外杀菌法

紫外杀菌法是一种通过光的直线辐射传播杀菌的灭菌法[19]。紫外线可对微生物进行辐射，损伤、破坏其核酸的生理功能，使得微生物死亡[20]。该方法的优点是杀菌效果较好；缺点是紫外线辐射对人体有伤害，限制因素多，且对一些食品的风味会有影响，不适用于不耐热的食品。

2.2.3 微波杀菌法

微波杀菌法是指采用微波(频率范围300～300 000 MHz)照射杀灭微生物，是热杀菌的一种[21]。通过对膜电位、极性分子结构的改变，使得微生物体内蛋白质和生理活性物质发生变异，丧失活力或死亡。该方法的优点是时间短，速度快，温度低，安全可靠；缺点是费用昂贵，对一些肉类食品的保鲜效果不明显，对一些食品的营养成分有影响[22]，且自身存在限制性因素。

2.2.4 高压脉冲杀菌法

高压脉冲杀菌法是一种利用脉冲波瞬间使细胞破壁，造成膜电位紊乱[23]，对微生物的细胞壁和细胞膜造成破坏，使微生物失活的杀菌法。该方法的优点是速度快，效果好；缺点是设备昂贵，限制因素多。

3 低温等离子体技术在果蔬生鲜杀菌保鲜中的应用

低温等离子体技术因其兼具高能电子辐射、臭氧氧化和光化学催化氧化3种作用而成为新一代的杀菌保鲜技术。该技术具有灭菌环境温度要求低，省时、效率高、安全无污染等优点，被广泛应用在果蔬生鲜的杀菌保鲜中[24]。

3.1 果蔬

果蔬保鲜的主要环节是抑制果蔬呼吸，降低呼吸强度，延缓生理代谢，降低营养成分消耗，抑制微生物生长，从而延长贮藏期，保持果蔬品质。

任翠荣等[25]利用低温等离子体处理草莓，发现常压低温等离子体保鲜草莓的最优条件为放电时间60 s、放电距离10 mm、处理电压140 V、气体流速1 L·h-1，感官评定发现，草莓的常温保鲜期延长了2 d，为传统常温保鲜期的2倍。孙艳等[26]以鲜切果蔬的代表——黄瓜为原料，研究低温等离子体在不同电压、极距、时间条件下对大肠埃希菌的影响，结果表明：低温等离子体对鲜切黄瓜表面的大肠埃希菌具有显著的杀菌效果，且能够较好地保持黄瓜的水分、糖度、酸度和颜色，不会对细胞膜造成损害，维持了细胞膜的通透性和脂质氧化程度，保持了VC含量。王卓等[27]探究低温等离子体对蓝莓表面的杀菌作用发现，利用介质阻挡放电低温等离子体在45 kV工作电压下处理蓝莓50 s，可使蓝莓表面细菌和真菌数量下降，且可显著抑制蓝莓贮藏期间腐烂的发生。Critzer等[28]研究低温等离子体对苹果、哈密瓜和生菜表面的大肠埃希菌、伤寒沙门氏菌和单核细胞李斯特菌灭活的影响，结果表明，3种菌落在处理不同时间后种群减少。Matan等[29]利用低温等离子体处理鲜切火龙果表面的病原菌发现，40 W时的大气射频等离子体能使其抑制鲜切火龙果表面所有病菌生长的效果提高5.0%，可以有效地抑制鲜切火龙果的病原菌生长，延长火龙果的货架期。

低温等离子体处理果蔬既保持了原来的感官品质，又对其表面的微生物具有很好的抑制作用。相对于传统的杀菌保鲜技术，低温等离子体是一种新兴的绿色灭菌技术，利用产生的自由基和活性成分可高效地杀灭细菌，维持果蔬品质。

3.2 生鲜

生鲜由于含水量高且营养物质丰富，适于微生物的生长和繁殖，极易发生腐败。生鲜杀菌保鲜的关键是抑制微生物的生长，减缓蛋白质的分解速度，减少氨和胺类物质等碱性腐败物质的产生[30]，延缓生鲜的腐败，延长保鲜时间。

斯兴开等[31]利用低温等离子体处理草鱼鱼肉，发现低温等离子体可有效杀菌，并对草鱼鱼肉的新鲜程度无明显负面影响，既可以保留栲胶独有的生鲜风味，又可有效降低生食水产品的风险，显著提高生食水产品的食用安全性。刘品[32]以南美白对虾为研究对象，通过低温等离子体技术处理后，对虾体内的多酚氧化酶活力降低，黑变速度下降。同时，低温等离子体能有效抑制南美白对虾细菌增长，使其货架期在4 ℃冷藏条件下由4 d延长至6 d。乔维维等[33]研究发现，低温等离子体能有效降低牛肉细菌残留量，且最佳杀菌工艺为电压72 kV，处理时间86 s，O2、CO2和N2比例分别为35%、35%和30%。在此条件下，牛肉仍能保持较好的颜色，杀菌率为93.75%。黄明明等[34]利用低温等离子体在72 kV条件下处理牛肉85 s，4 ℃条件下贮藏 10 d，发现低温等离子体处理后会显著降低贮藏过程中牛肉的菌落含量，贮藏10 d的菌落总数显著低于对照，假单胞菌、热死索丝菌、乳酸菌微球菌和大肠埃希菌的数量也均低于对照组。Rød等[35]利用低温等离子体处理牛肉干表面的单核增生性李斯特菌，随着等离子体激发功率和时间延长，菌落总数能够明显降低。Patil等[36]利用低温等离子体处理禽肉表皮上的空肠弯曲杆菌和沙门氏菌，也取得了积极效果。

低温等离子体利用其自身机制优势，通过对生鲜表面杀菌、降解代谢产物和农残，达到了保鲜的效果[37]。其对生鲜的杀菌作用强，能有效地杀死或钝化细菌、霉菌、酵母，及其他有害的微生物，甚至使孢子和生物菌膜失活[38]，能够减缓腐败菌在生鲜中的生长速度，保证运输和贮藏过程中生鲜的新鲜程度，在一定程度上延长生鲜的货架期，同时对生鲜感官品质和营养价值的改变较小。

4 小结

在当今食品加工领域，果蔬生鲜的保鲜、贮藏一直以来都是难以解决的问题，国内外一直将该领域列为研究的重点[39]。低温等离子体杀菌技术可以应对多种类型的细菌、真菌、病毒，以及各种芽孢。不仅具有对灭菌环境温度要求低、省时、效率高、不产生残留物、杀菌全面等优点，而且克服了常见果蔬生鲜杀菌保鲜方法在安全性、经济性和效率等方面的缺点，是一种值得深入研究推广的新型杀菌保鲜技术。