低温等离子体在食品中应用的研究

史莹莹，杨晴丽，柳雅丽，马梦召，夏秋霞

（宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州 234000）

1 低温等离子体

1.1 低温等离子体的概念

等离子体是由大量相互作用的带电粒子组成的宏观体系，宇宙中的物质主要以这种状态存在，按照表观温度，等离子体分为高温等离子体和低温等离子体2种[1]。自然界中，等离子体存在于太阳、雷电等，人工制造的等离子体存在于霓虹灯、荧光灯等。低温等离子体是继三态之后的第四态，是气体在放电过程中产生大量的正负带电粒子、电子和中性粒子，以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。

1.2 低温等离子体的分类

目前，低温等离子体是通过气体放电产生的，根据其放电方式分为以下4类：电晕放电（Corona Discharge）、辉光放电（Glow Discharge）、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge） 和滑动弧光放电（Gliding Arc Discharge）[2]。

1.2.1 介质阻挡放电等离子体（DBD）

介质阻挡放电，又称为介质阻挡电晕放电或无声放电，是将绝缘介质插入放电空间，随后产生的一种气体放电方式，能够在气压很高和频率很宽范围内工作，工作气压为10～10 000 Pa，电源频率为50 Hz～1 MHz。如今人们对于介质阻挡放电等离子体研究越来越多。

1.2.2 辉光放电

一般低压气体着火都能产生辉光放电，它是稀薄气体中的自持放电现象，其中包括亚正常辉光和反辉光2个过渡阶段。现在其主要应用是利用其发光效应制作霓虹灯、日光灯等，利用正常辉光放电的稳压效应制作氖稳压管等。

1.2.3 电晕放电

电晕放电是最常见的一种气体放电形式，指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，发生时能够听见嘶嘶声，有时伴有微弱的辉光。光辐射、离子流、中性分子流是电晕放电的能量进行材料表面作用的主要方式。

1.2.4 滑动弧光放电

滑动弧光放电气体的自持放电现象，这种气体所存在的环境条件需要较大功率的电源提供足够大的电流，能够使气体击穿并发出强烈的光。因此，弧光放电可用作强光光源，在光谱分析中可作激发元素光谱的光源，在工业上可焊接冶炼、切割金属，在医学上可作紫外线源等。

2 低温等离子体在食品中的应用

随着社会科学的快速发展，低温等离子体技术的发展也越来越迅速，已被广泛应用于材料加工[3]、电子学[4]、生物材料[5]、聚合物加工和生物医疗器械等领域。因为低温等离子体技术有着诸多特点，所以在食品领域也得到了极大的应用[6]。传统方法包括高温杀菌、冷冻保鲜和化学改性等，然而这些处理通常导致一些不良的结构性质和感官特性的变化，或形成对最终产品的营养价值、风味、颜色和质地有负面影响的副产品。而目前低温等离子体应用在杀菌、保鲜、改性三大方面有诸多优点：如处理温度低、对营养破坏少、能最大限度地保持原有的感官特性、无毒副产品、成本低等，因而低温等离子体技术将会在食品上的应用越来越广泛，成为常规杀菌、保鲜、改性技术的替代品。

2.1 肉及肉制品

因肉和肉制品的价值高、味道鲜美而颇受人们喜爱，但微生物在其加工贮藏中易造成污染而导致其腐败变质、保质期缩短。低温等离子在其杀菌、保鲜、改性方面突显了很大的帮助[7]。

2.1.1 水产品

水产品包括鱼、虾、螃蟹等，对其进行保鲜、杀菌、改性大多是利用低温、辐照、保鲜剂、真空包装、腌制、风干等技术。焦浈等人[8]利用低温等离子体对三文鱼进行杀菌和保鲜，采用研究等离子体活化水冰（PAW-ice）对纯培养及人工接种于三文鱼片表面单增李斯特菌的杀菌效果的这些方法得到了PAW-ice对单增李斯特菌纯培养杀菌比无菌水冰效果更佳。采用PAW-ice可以显著减少三文鱼片中TVB-N的形成、降低pH值增长趋势等方法，加大了三文鱼杀菌程度，从而提高其新鲜程度。鱼类中三文鱼除外还有很多种类，如海域里的鲐鱼、鱿鱼和淡水湖泊里的草鱼[9]等。鲐鱼又名青花鱼，由于其他鱼类的锐减，鲐鱼已经成为餐桌上主要的鱼产品，但处理不当容易腐败，产生有害的物质。施姿鹤等人[10]用ACP进行直接和间接处理，通过鲐鱼贮藏过程中组胺含量和有关的假单胞菌、肠杆菌、弧菌探究介质阻挡放电低温等离子体处理鲐鱼的杀菌效果，证明直接处理对鲐鱼的杀菌效果更优，菌落总数降低率比间接处理高，并组胺含量在贮藏期内增长较慢。鱿鱼丝[11]是经新鲜鱿鱼加工制成，其保存时间较长，而对于低温等离子体应用在鱿鱼冰鲜保存中。金图南[12]研究了低温等离子灭菌效果的影响因素与较佳条件和低温等离子体对鱿鱼感官品质及营养价值等是否产生影响。结果表明，等离子体电压强度对灭菌效果具有显著影响，当电压为60 kV时，处理15 s即可产生近乎全部灭杀的灭菌效果。而低温等离子体在延长鱿鱼保鲜期的同时对其感官评定、鲜度、营养物质、气味和口感无较大影响。

虾的营养丰富、味道鲜美，是餐桌的美味佳肴。刘品等人[13]利用低温等离子体对南美白对虾防黑变及品质做出的研究表明：①该技术在变黑程度方面对南美白对虾有防黑变作用，从而提升其商品价值，延长货架期，增加经济效益和促进水产品发展；②技术处理过的对虾在感官方面，外观、色泽、气味都优于未处理的对虾。新鲜南美白对虾在4℃冷藏条件下的货架期为4 d，经低温等离子体处理的对虾货架期为6 d，且经过低温等离子体处理能有效抑制南美白对虾细菌增长。

螃蟹作为生活在水体中的动物，体内易残留大量细菌等微生物。石芸洁等人[14]利用低温等离子体技术，得出低温等离子体在60 kV处理90 s时灭菌效果最好，杀菌率达97.3%；处理后蟹糊菌落浓度增长速度明显小于对照组，所以低温等离子体能够使生食蟹糊延长保藏时间，对照组TVB-N值在180 d时比对照组低，而且低温等离子体对生食蟹糊的营养影响不明显，故低温等离子体可以在保持原有的营养及理化性质的同时，有效杀灭菌、延长生食蟹糊贮藏时间。

2.1.2 牛肉

牛肉富含蛋白质，其组成较其他肉类更接近人体需求。目前，我国各大中超市生鲜牛肉仍以裸露或覆盖保鲜膜置于冷柜销售为主。黄明明等人[15]的试验结论说明了低温等离子体能有效对生鲜牛肉进行杀菌，并不显著影响牛肉色泽。其研究表明，在电压72 kV，处理时间86 s，O2、CO2和N2占比分别为35%，35%和30%的情况下，杀菌率高达93.75%，而且牛肉颜色并未受到影响。

2.1.3 鸡肉

鸡肉营养价值较高，口感较好，脂肪比猪肉少。对于其保鲜方法有冷藏、腌制、真空包装、调料调制等，而利用低温等离子体其扩展方法进行新鲜保存，则能保存其色泽、风味、质构、营养等不发生损失，减少产生呋喃、丙烯酰胺和杂环胺化合物等有害物质。康超娣[16]研究得出，PAW对鸡胸肉表面杀菌及品质有影响，PAW不仅能够有效杀灭鸡胸肉表面P.deceptionensis CM2，而且对鸡胸肉品质影响较小，但添加有机物降低PAW的杀菌效果。李娜[17]研究低温等离子体对预制鸡丁的保鲜，在单因素基础上通过响应面优化参数，达到最优的杀菌参数，从而加强低温等离子体对鸡肉应用研究。

2.2 果蔬

水果、蔬菜[18]是补充人体维生素、葡萄糖及能量的主要来源，因果蔬菜不易贮藏，而利用低温等离子体技术延长其保存时间和新鲜程度。

2.2.1 新鲜果蔬

蔬菜水果在种植、加工、运输过程中，因与外界接触表面经常附着具有传染性的病原微生物，故对其进行杀菌、保鲜尤为重要。

香蕉[19]、柑橘[20]、草莓、蓝莓等水果因其质软而难以长时间贮藏。任翠荣等人[21]对草莓保鲜进行研究，表明常压低温等离子体在放电时间60 s，处理距离10 mm，处理电压140 V，气体流速1 L/h时，草莓的保鲜效果最好，常温保鲜期是传统的2倍，此时的维C含量显著升高。王卓等人[22]通过低温等离子体降低蓝莓表面的微生物数量表明，低温等离子体处理可显著降低贮藏期间腐烂的程度，并且诱导蓝莓抗氧化酶活力，从而提高了蓝莓的品质。除水果以外，低温等离子体在蔬菜中的研究也颇为显著。孙艳等人[23]研究指出APLTP能有效杀死鲜切黄瓜表面的大肠杆菌，在处理电压170 V，处理时间5 min，处理极距2.5 cm时，杀菌率高达99.65%，由此提高黄瓜的食用安全系数。且APLTP处理前后黄瓜的理化性质变化均不显著，很好地保护了黄瓜的水分、糖度、酸度和颜色，也维护了细胞膜的通透性及抗氧化能力。

2.2.2 果蔬汁

果蔬汁经新鲜果蔬压榨制成，更便于人体吸收，在各方面都具有较大的功效，正因需要对新鲜果蔬进行加工处理，更需注重灭菌、保鲜的过程。于弘慧等人[24]利用低温等离子体对梨汁品质和抗氧化活性的影响进行研究，结果表明，杀菌时间5 min，电源电压为5 kV，空气流速为70 L/min时，其杀菌率可达3.81 logNO/N。且与巴氏杀菌作比较，经低温等离子体杀菌处理的维C和梨汁多酚的含量分别比前者高20.6%和26.5%；对DPPH自由基和羟自由基的清除能力分别比前者高17.99%和18.37%。王英[25]在低温等离子体灭活苹果汁中耐高渗酵母的研究结果表明，等离子体产生的化合物O3和H2O2，以及液相中的活性物质，可以灭活微生物。等离子体处理后苹果汁的pH值仅略微增加，而还原糖浓度和可滴定酸浓度保持稳定，从而达到保鲜和杀菌的作用。

2.3 在谷物中的应用

谷类是人类几千年来的传统主食，可以说是中国人必不可少的一类食物，在我国膳食中的地位极高。五谷主要有稻米、小麦、玉米等及其他杂粮，杂粮中有燕麦、小米、高粱等。全谷物在加工的过程中能够保留大部分营养成分，比其他谷物具有更高的营养价值。尽管如此，全谷物存在的风味较差、口感粗糙、蒸煮时间长、食用不方便、不易消化、货架期短、不易保藏等缺点，这一直制约着其成为主流的餐桌食品[26]，而对于全谷物所具有的这些缺点，低温等离子体则能对其进行有效改善，使得谷物有更好的食用感。

2.3.1 糙米

糙米是由稻米简单加工而成，在去除其外壳后，还保留部分外层组织，所以在口感方面较差，也不像精米容易被人体消化。就糙米所存在的食用缺陷，Chen H H等人[27]通过对糙米进行不同电压的等离子体处理试验，结果表明糙米的蒸煮时间有明显下降，在处理电压为1 kV时，糙米的蒸煮时间最少，仅为17.2 min；而对照组糙米的蒸煮时间为24.8 min，这表明低温等离子体对于糙米蒸煮时间的减少效果显著（p<0.05）。孟宁等人[28]的研究结果表明，相比较于对照组糙米，低温等离子体处理后糙米的加热吸水率、体积膨胀率和固形物损失率显著增加到236.10%，268.25%和19.18 mg/g（p<0.05）；直链淀粉、蛋白质、膳食纤维和非必需氨基酸的含量也有一定程度的增加。低温等离子体处理改善了糙米饭的糊化特性、质构特性和感官品质，有利于糙米饭品质的提升。Lee K H等人[29]针对低温等离子体对全谷物糙米表面细菌的影响进行一系列试验，研究发现经低温等离子体处理20 min后糙米表面接触的蜡样芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌减少大约2.30 log CFU/g，这表明低温等离子体技术对糙米表面的细菌具有有效的控制效果。

2.3.2 小麦

小麦是我国北方的主要作物，其比稻米更加耐旱，几乎全作食用，只有极小部分用于饲料喂养。在人类生存的世界里，存在着很多肉眼不可见的微生物，如真菌、细菌，微生物的存在有时能够引起食品的变质和腐败。Brasoveanu M等人[30]采用吸湿法对大麦和玉米种子的对照组和低温等离子体处理组进行研究，以确定种子的真菌负荷，研究发现种子的真菌负荷随着低温等离子体处理时间的增加不断降低，处理时间在10 min后真菌负荷显著降低25%以上。同时，研究发现大麦植株的生长不受低温等离子体的影响，但有助于大麦种子的生芽。宋景新[31]以浓缩乳清蛋白（WPC） 和小麦交联淀粉（WCS）为基材，优化WPC/WCS可食膜的制备工艺条件，结果表明DBD等离子体改性技术提高了膜的机械性能（TS）、阻隔性能和热稳定性，当改性参数为400 W-60 s时，WPC/WCS膜综合性能最优；等离子体改性技术显著增加了膜表面的粗糙度、亲水性、膜表面O/C原子比和-OH含量，但是等离子体改性技术对晶体结构并无明显作用。

2.3.3 豆腐及蛋白

豆制品是深受广大消费者喜爱的一种植物蛋白食品，其蛋白质含量和营养价值高，口感和风味良好，然而其压榨过程中产生的黄浆水中含有较多的有机物，极易腐败变质，不经处理直接排放易对环境造成极大污染。因此，刘静茹等人[32]开展了低温等离子体协同絮凝剂净化豆腐黄浆水的研究，试验在放电电压13.5 kV，放电极间距8 mm，通入空气流量0.6 L/min，放电8 h条件下，PAM+PAC协同低温等离子体处理豆腐黄浆水，COD最大去除率为79.74%。研究可为豆腐黄浆水的净化处理提供一种方法和理论依据。植物蛋白是一种直接从植物中提取的蛋白质，营养与动物蛋白相仿，在大豆中的含量最高。李帅等人[33]通过对可食膜表面进行观察发现，经低温等离子体处理的可食膜表面物理结构发生改变，粗糙度增加，水接触角变小，有效提高大豆分离蛋白膜的机械性能和表面润湿性。花生蛋白是以花生为原料的植物蛋白，其没有蛋白质的热变性、营养价值较高。季慧等人[34]分析结果表明，经低温等离子处理后，β-折叠和无规则卷曲的含量增加，α-螺旋和β-转角的含量降低，蛋白的有序结构被破坏，结构由紧密变松散；花生蛋白表面疏水性显著提高。由此可见，低温等离子处理是一种改善蛋白功能性质的有效方法。

3 结语

低温等离子体在食品灭菌、保鲜和改性方面的作用较为显著，能较好地对肉和肉制品、水果类进行杀菌保存，并且能不改变其相应的性质，如味道、颜色等；也能够改善部分谷物在口感、蒸煮时间等方面的缺陷，从而较好地解决了部分食品问题，提高了人们的生活水平。低温等离子技术在食品研究方面将会有越来越深入的探索，食品各方面的品质将会得到更好的改善和提高。