应用低温等离子体技术更好地对食品表面进行杀菌

杨柳 刘明 刘艳香 孟宁 昝学梅 谭斌 郝建雄

随着生活水平的提高，消费者对食品安全日益重视，对食品加工和保存过程中微生物的控制方法也提出了更高的要求。为了提高食品的安全性，通常采用热杀菌，但热杀菌会影响食品的营养及感官品质，甚至可能产生丙烯酰胺、呋喃等有毒有害物质。超高压、辐照、超声波、紫外线、臭氧、低温等离子体（low？ temperature？plasma，LTP）等非热杀菌技术避免了热杀菌的局限，逐渐受到人们的重视。不过，紫外线、超声波、臭氧等非热杀菌技术通常需要处理20-60min才能有效降低微生物的数量，耗时耗力，而超高压杀菌只能采用软包装材料，限制了包装形式。作为一种新型的非热杀菌技术，LTP具有省时高效、适用范围广、环境友好等优点，能更好地保持食品的品质，有效地解决了热敏性食品的杀菌难题。

一、LTP的概述

1.等离子体的概念及分类。等离子体是物质的第四状态，通常是气体在强电磁场或加热条件下电离产生，包括电子、离子、自由基、游离态和激发态的原子以及大量非离子化的中性分子，由于其所带的正负电荷总数相等，故称为等离子体。等离子体主要是根据带电粒子温度的相对高低、热力学状态及使用时工作电压的不同进行分类，如图1所示。

2.LTP的杀菌机理。由于LTP中包含电子、离子、自由基、激发态的原子和分子、射线等多种成分，因此，LTP对微生物的灭活应该是几种作用综合的结果。（1）活性化学成分。LTP杀菌作用的实现在很大程度上取决于生成的活性氧和活性氮能够破坏细胞壁和细胞膜的結构，损伤细胞内的生物大分子。活性成分可将细胞壁、细胞膜及细胞内所含的不饱和脂肪酸氧化成氢过氧化物，生成的丙二醛能够攻击蛋白分子的氨基，使蛋白质因发生分子内或分子间交联而被修饰和降解。丙二醛还可以与DNA交联或反应形成核苷酸加合物，阻碍细胞复制，使微生物的生物学功能降低甚至丧失。臭氧能够氧化分解细菌的线粒体琥珀酸脱氢酶系，减缓或中止ATP的合成和释放，导致细胞活力降低直至死亡。此外，活性成分之间反应会增加细胞培养基的酸性，于红发现LTP处理酵母菌时，酸性增强的菌液可引发酵母菌细胞壁酸水解，使酵母菌被灭活。（2）紫外线。紫外线可使同一条DNA链上形成嘧啶二聚体，阻止细菌增殖，广泛应用于食品杀菌。虽然人们对紫外线的杀菌机理已经有了深入的了解，但对紫外线在LTP杀菌中是否发挥作用还没有定论。目前的研究表明，紫外线在LTP杀菌中发挥作用需要满足一定的条件：①适宜的波长：紫外线波长只有在280nm以下且剂量足够大时，才能杀死微生物。②光照强度：光照强度不足时，细胞SOS修复系统或修复酶可使受损的DNA复原，削弱紫外线的作用。③放电气体及放电形式：紫外线在杀菌过程中发挥主要作用的条件是放电气体为氩气、氮氧混合气体，或放电形式为2.45GHz微波放电。（3）带电粒子。LTP中含有大量带正负电的粒子，Mendis等对带电粒子的杀菌机理进行了阐释，认为带电粒子能够不断累积、撞击细胞，当静电斥力超过细胞的拉伸程度时，能够诱导细胞破裂死亡。然而郭俭的研究表明该观点并不适用于低温等离子体射流技术的杀菌系统，他认为带电粒子流过细胞膜时产生了跨膜电势，使细胞膜损伤、细胞质流失，导致细胞死亡。迄今为止，由于LTP成分及生物响应的复杂性，相关研究对LTP的杀菌机制只是在理论上提出了初步解释，对微生物的杀灭机制还未完全阐释清楚。

二、影响LTP杀菌效果的因素

1.处理参数。LTP杀菌效果的差异取决于多种处理参数的变化。研究表明，长时间、高电压处理能够增加LTP中高能粒子的密度，提高杀菌率，但当时间、电压增加到一定程度时，各类粒子进一步聚合或反应消耗，有效杀菌成分不再增加。LTP的处理方式包括直接处理和采用接地金属网屏蔽带电粒子的间接处理，Fridman等发现与间接处理相比，直接处理可使大肠杆菌的失活率提高约两个数量级。处理极距也是影响LTP杀菌效果的重要因素，任翠荣等发现放电距离较远时，样品接触LTP的几率低，较近时会加剧样品中水分挥发及组织损伤。气体类型反映了LTP中活性成分的种类和数量，Laroussi等对比了纯氦气和氦氧混合气体的LTP杀菌效果，结果显示，氦氧混合气体的杀菌效果优于纯氦气。另外，气体流速影响着活性成分的生成速率，流速增加，活性成分向样品表面附着的速度加快，杀菌率提高。

2.微生物附着介质的性质。微生物附着介质的性质，如相对湿度、pH、表面形态等对LTP杀菌的效果有显著影响。Ragni等观察发现，相对湿度的增加增强了LTP对沙门氏菌的灭活，可能是由于水分解产生了更多的羟基自由基。pH值较低的样品对外界环境的变化更为敏感，Kayes等研究发现，与pH？7相比，pH？5琼脂上的大肠杆菌更容易被LTP灭活。介质的表面形态也影响着LTP中活性物质的穿透能力，Fernandez等采用LTP对莴苣杀菌时，发现其表面错综复杂的结构为菌体的附着提供了场所，降低了莴苣的杀菌率，这表明LTP技术能够应用于具有凹凸不平或破裂表面的食品中，但杀菌率有待提高。

3.微生物因素。微生物特性如细胞壁的厚度、组成成分，微生物负荷等因素也决定着LTP对微生物的抑制率。Shi等发现，要使橙汁中大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的杀菌率均达到100%，LTP的灭活时间分别为10s、12s、25s，其中，革兰氏阴性细菌更容易被灭活，原因主要是：（1）细胞壁相对较薄（<10nm），容易被撞击产生损伤。（2）细胞壁外膜由磷脂和脂多糖组成，极易发生脂质过氧化而破裂，外膜上还存在孔形成蛋白，使外膜更容易渗漏。与细菌营养体相比，芽孢具有极厚的多层结构，增强了对LTP的抗性。与细菌相比，真菌细胞壁由几丁质组成，在结构上更加紧凑坚硬，对LTP的抵抗力更强。此外，微生物负荷高会削弱LTP的杀菌效果，Fernandez等认为在细胞密度较高的情况下，多层细胞结构的上层对下层有保护作用。

三、LTP技术在食品杀菌中的应用

食品在加工和贮藏过程中易受金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌、大肠杆菌和沙门氏菌等微生物的污染。LTP被证明对上述微生物有杀灭作用，可用于热敏性食品杀菌，能够最大限度的维持食品的品质特性，且省时效率高，不产生残留物，具有广泛的应用前景。

1.在果蔬制品杀菌中的应用。微生物和各类酶的存在降低了果蔬制品的食用安全性，而目前的杀菌保鲜技术还不够完善，使果蔬制品存在货架期短、不易贮藏等缺点，制约了果蔬的工业化发展。近年来，LTP技术在果蔬制品杀菌中的应用逐渐成熟，国内外关于该技术灭活果蔬制品中微生物的研究报道逐渐增多（表1），为货架期稳定的果蔬制品开发提供了有效的途径。

鲜切果蔬由于营养物质丰富、接触面积增大、汁液渗出，极易腐败变质，通过以上实例可以看出，LTP处理抑制了鲜切果蔬中微生物的增长。经LTP处理后，不同种类鲜切果蔬的杀菌率存在差异，可能是由于表面液态水或内部组织流出的汁液影响了LTP的作用，切片上残留的水分越多，微生物细胞越容易移动并渗入切片，微生物存活几率越高。鲜切甜瓜的微生物失活率较低，可能是由于其复杂的网状果皮为细菌附着提供了环境，影响了杀菌率。另外，鲜切果蔬的质地和硬度能够增强或阻碍微生物渗透果蔬切片，从而影响杀菌率。

从表1可以看出，LTP杀菌应用于不同品种的果蔬汁时，杀菌效果存在差异。研究表明，果蔬汁的pH和澄清度影响着杀菌率，Ikawa发现pH值低于4.7时，细菌灭活非常有效，果蔬汁的pH均满足该条件，即LTP应用于果蔬汁杀菌时效果显著。此外，由于浑浊果蔬汁中含有不均匀的颗粒或均匀但粘稠的结构，能够抵挡LTP的侵袭，而透明果蔬汁不具备这种结构，因此LTP被认为对透明果蔬汁杀菌更有效。

2.在肉制品及水产品杀菌中的应用。肉制品及水产品的营养物质丰富，含有多种酶，极易腐败变质。近年来，LTP成为肉制品及水产品杀菌的热门技术之一，最近的一些研究探究了LTP对不同肉制品及水产品中微生物的灭活作用（表2）。

以上研究表明，LTP技术应用于食品杀菌处理时，对肉制品及水产品的微生物控制具有较大的意义。从表2可以看出，火腿的杀菌率较低，Song等认为火腿的粗糙多孔结构为单增李斯特菌的附着和迁移提供了场所，使得菌体不被暴露在LTP中。Choi利用LTP处理鱿鱼丝时，发现LTP处理可以降低鱿鱼丝的水分含量，从而防止鱿鱼丝变质。

3.在乳及乳制品杀菌中的应用。乳及乳制品是微生物生长的理想培养基，被微生物污染的乳及乳制品会导致人类感染布氏菌病、李斯特菌病等疾病。Kim等利用LTP技术，有效地减少了牛乳中总需氧菌、大肠杆菌、单增李斯特菌和鼠傷寒沙门氏菌的数量，提高了牛乳的安全性；Yong等对奶酪进行15kHz、10min的LTP处理，大肠杆菌、单增李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌分别减少了3.2、2.1、5.8log（CFU/g）。这些实例表明，LTP可以通过灭活腐败和致病菌来提高乳及乳制品的安全性。

4.在坚果制品杀菌中的应用。坚果极易被毒性极强的真菌毒素所污染，威胁人类的健康。研究证明，LTP技术可用于抑制坚果表面微生物，Basaran等发现，300W？LTP处理榛子5min后，寄生曲霉减少了6log（CFU/g）；处理花生、开心果20min后，寄生曲霉分别减少了4、5.5log（CFU/g）。可能是由于外壳存在差异，内部真菌污染程度不同，致使寄生曲霉减少量不同。Niemira报道了LTP杀菌在杏仁中的应用，在549W、47kHz条件下产生LTP，处理20s后，大肠杆菌在间隔6cm处减少1.34log（CFU/mL），沙门氏菌在间隔4cm处减少1.16log（CFU/mL）。

5.与其它处理方法结合在食品杀菌中的应用。LTP技术应用于食品杀菌时存在着一定的不足，为了达到更好的杀菌效果，最大程度地保证食品的品质，研究者们致力于将LTP技术与其它处理方法结合以满足消费者的需求。Umair等将70kV、4min高电压LTP与15℃、20kHz、3min超声结合处理胡萝卜汁，显著降低了胡萝卜汁中酵母菌和霉菌数，提高了胡萝卜汁的质量。Anna等将LTP处理后的火腿进行14d的冷藏，结果发现，单增李斯特菌和鼠伤寒沙门氏菌的数量显著降低，Ziuzina等认为储存时间的延长增加了活性物质在火腿中的扩散，提高了杀菌率。

四、LTP技术对食品品质的影响

在杀灭食品表面微生物的同时，LTP处理对食品品质的影响也不容忽视。LTP杀菌作用的实现在很大程度上取决于生成的活性物质，活性物质能够分解植物原料中的细胞壁多糖，使酚类物质积累，也可以与肌红蛋白、高铁肌红蛋白、脂肪等发生反应，影响食品的色泽和风味。LTP应用于果蔬制品时，较好地保持了鲜切果蔬的水分、颜色、糖度和酸度，增加了鲜切火龙果的抗氧化性，减轻了泡菜的褐变与软化，积累了橙汁、苹果汁、番茄汁的酚类物质，但也造成了白葡萄汁、椰汁的非酶褐变，破坏了樱桃番茄干的番茄红素。当采用LTP处理乳制品、肉制品及水产品时，使火腿和牛肉干的颜色劣变，引发了奶酪、火腿、干鱼片等脂肪含量偏高的食品发生氧化。

五、在食品杀菌中存在的问题及展望

LTP作为一种省时高效的非热杀菌技术，已被应用于食品的杀菌研究中，在果蔬制品及坚果制品杀菌、延长乳及乳制品的货架期、防止肉制品及水产品腐败变质等食品安全领域展现出了良好的应用前景，并且该技术在很大程度上对食品品质的影响不显著。

不过，LTP技术应用于食品杀菌时也存在一定的问题。第一，由于LTP、微生物和食品种类的复杂性，导致具体的杀菌机制还需进一步明确。第二，LTP的穿透力不足，主要用于表面杀菌，无法深入杀灭食品内部的细菌，杀菌效果有待提高，因此，可将LTP与其它处理方法联合使用，增强杀菌效果，联用时的协同杀菌原理则需要进一步明确。第三，LTP处理后引起食品性质改变的研究还不深入，目前的研究主要报道了活性成分可使脂肪含量高的食品发生氧化，对其色泽和风味产生不良影响，但LTP技术对食品品质的影响、品质劣变的机理及解决措施还需要进一步探究。（基金项目：“十三五”国家重点研发计划，项目编号：2018YFD0400802。）

第一作者：杨柳，女，1997年出生，硕士生。

通信作者：谭斌。