低温等离子体技术在食品杀菌中应用的研究进展

张关涛，张东杰,2,3, ，李 娟, ，王洪江，金露达，关宇航，徐敏琳

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心，黑龙江大庆 163319；3.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江大庆 163319）

随着人民生活水平的提高，消费者不仅期望获得值得信赖的安全食品，对食品新鲜度、风味和质地也提出了更高的要求。近年来，为了最大限度地保持食品营养价值，国内外科研工作者利用一系列非热加工技术与装备，深入研究食品加工从传统“热加工”向“冷加工”的变革与创新[1]。目前，新鲜果蔬、生鲜海鲜、肉及家禽制品等生鲜及热敏性食品采用的传统热杀菌包装技术，存在杀菌不彻底、破坏营养成分、消耗大量的人力、物力、财力以及产生二次污染等问题。针对这一问题，很多研究人员提出采用冷链物流贮藏，但由于微生物传播途径广泛，仍有大量微生物繁殖引起食品腐败变质。因此，食品工业正在寻求一种新型的冷杀菌技术来满足消费者对食品新鲜度和安全性的要求。

低温等离子体技术作为国际上一种最新的食品冷杀菌技术，利用食品周围介质产生光电子、离子和自由基等活性物质，对食品中微生物的抑制和化学农药的降解具有独特的作用。与目前广泛采用的热源等杀菌技术相比，低温等离子体技术在杀菌过程中具有安全、高效、产生的活性物质能高效杀菌且不易残留等巨大优势，特别适用于生鲜及热敏性食品的冷杀菌。因此，研究低温等离子体技术对生鲜食品的大规模开发，具有关键的技术突破和巨大的开发空间。本文以介绍低温等离子体为出发点，系统地论述了低温等离子体的形成机理和技术特点，分析影响其杀菌效率的因素及提高杀菌效率的技术条件，并在此基础上着重从抑制微生物生长维持食品新鲜度，归纳了该技术在食品（新鲜果蔬、生鲜海鲜、肉及家禽制品等）中的应用，展望了该技术的应用发展趋势，对提高低温等离子体技术在食品工业中的应用具有重要的意义。

1 低温等离子体的概述

1.1 等离子体的概念

等离子体（Plasma）是一种导电流体，它被称为是继传统固体、液体和气体之外的第四种物质状态，理化性质与其它三种物质状态截然不同，通常也称其为“等离子态”[2]。等离子体可由任何中性气体在外界高能量作用下电离为高能状态的带电粒子、中性粒子及各种自由基组成的高度电离的混合气体，电离过程中，正负离子数值相等且总是以一种成对的方式出现，整体呈电中性状态，故称为等离子体[3-4]。

1.2 等离子体的分类

等离子体的发生过程伴随能量传递，按照电离能力、离子和电子温度的热平衡状态可分为高温等离子体和低温等离子体[5-6]。热平衡状态下，电子和离子温度达106～108K，称为高温等离子体[7]。非热平衡状态下，离子温度低于电子温度且整个体系宏观上表现为常温[8-9]，称为低温等离子体。目前，通过加热、电场、高能射线等方式可以激发产生等离子体[10]，根据其放电方式可分为常压辉光放电（Atmospheric Glow Discharge, AGD）、电晕放电等离子体（Corona Discharge Plasma, CDP）、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）和滑动电弧放电（Glide Arc Discharge, GAD）系统[11-12]。目前食品领域中，DBD为应用最广泛的等离子体产生方式[13]。

2 低温等离子体的形成机理及技术特点

低温等离子体的形成机理可简单表述为：O2、N2、CO2等中性气体被施加足够高的能量后克服分子间作用力，电离产生自由电子，周围的原子或分子与电子发生碰撞，产生活性更高的激发态原子、离子以及自由电子。低温等离子体形成机理图见图1所示。低温等离子体技术作为一种新型的高级氧化技术，受外界电场和磁场的影响，伴随着多种物理化学反应的发生，主要产生高能电子辐射（高能电子轰击水溶液，使水分子发生电离，激发生成游离氧、臭氧和自由基等反应能力极强的物质）、臭氧氧化（臭氧作为强氧化剂，溶于水后会使有机物彻底氧化为CO2、H2O和无机物）、紫外光解（紫外光不仅能单独分解物质，还可与臭氧联用分解物质）三个方面的协同效应。通常，多种效应协同作用时其杀菌效果明显优于单独杀菌效应[14]。

图 1 低温等离子体形成机理[2]Fig.1 Cold plasma formation mechanism[2]

2.1 影响低温等离子体技术杀菌效率的因素

低温等离子体技术是一个复杂的过程，杀菌效果受到多种因素的影响。本文主要对处理参数、微生物特性及环境因素三方面进行分析。

2.1.1 处理参数 低温等离子体的诱导技术、放电时间、处理电压、频率、电极距离及处理方式都会对低温等离子体的杀菌效率产生影响。适当延长放电时间、处理电压和频率能够增加低温等离子体中高能粒子的密度，提高杀菌率。Agun等[15]以平菇为研究对象，在电压6 kV，时间0、5、10、15、20、25 min，流量2 L/min等参数下对其进行杀菌处理，处理25 min后菌落从9 lg CFU/mL（0 min）减少到8.2 lg CFU/mL。此外，对于低温等离子体的诱导技术而言，杀菌过程中所产生的活性物质的种类和数量还会受频率、输入电压和所使用的激发气体类型的影响[16]。Han等[17]研究发现，高氧气调包装（78%～79%N2，20%～21%O2，0.03%CO2）提高了低温等离子体中活性物质的产生，高氧气调包装混合溶液经低温等离子体处理15 s后未检出单增李斯特菌。低温等离子体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，直接处理可以使带电粒子减少向基体传递热量，从而提高杀菌率[18]。Fridman等[19]研究发现，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。

2.1.2 微生物特性 微生物特性，如细菌生长期和细胞壁厚度也是影响低温等离子体杀菌效率的重要因素。Lunov等[20]研究发现，处于稳定期的细菌比处于指数期的细菌对低温等离子体产生的活性物质更加敏感，杀菌效果也更加明显。Yong等[21]研究发现，革兰氏阳性菌由于其外部有较厚的脂多糖膜，阻碍活性物质的穿透，因此革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对低温等离子体产生的活性物质更加具有抵抗力，敏感性更低。

2.1.3 环境因素 相对温度、相对湿度及pH等环境因素对低温等离子体的杀菌效果也有显著影响。pH不同的食物对低温等离子体产生的活性物质的敏感性不同，杀菌效果也会有所差异。Muranyi等[22]研究发现，蜡样芽孢杆菌在pH为5的食物中，菌落数减少4.7 lg CFU/g，而在pH为7的食物中菌落数减少2.1 lg CFU/g。此外，相对温度和相对湿度的提高会增加羟基自由基的行成，从而对低温等离子体的杀菌效果产生影响。Yong等[21]利用低温等离子体技术对水果表面、奶酪切片以及琼脂培养基进行灭菌处理，研究发现，由于微生物以一定速度从外部组织向内部组织迁移，琼脂培养基上的微生物数量减少最为明显。

2.2 提高低温等离子体技术杀菌效率的技术条件

低温等离子体技术作为一种新型的食品冷杀菌技术，可以应对多种类型的细菌、真菌、病毒以及各种芽孢。然而，当大量微生物堆积在食物表面减少活性物质之间的相互作用时，其杀菌效率会受到影响[23]。因此，通常协同其他技术或条件来提高低温等离子体的杀菌效率。

2.2.1 气体组分 在食品工业中，为进一步延长新鲜农产品货架期，通常将低温等离子体技术与不同气体混合物（He/O2，N2/O2/CO2）进行联合使用，从而对新鲜农产品进行更彻底的杀菌处理。Laroussi等[24]对比纯He和He/O2混合气体的低温等离子体技术的杀菌效果，结果显示，He/O2混合气体的杀菌效果优于纯He。Misra等[25]将草莓密封在含有不同O2/N2/CO2组合的混合气体包装中，然后利用低温等离子体技术对草莓进行诱导，研究发现5 min后草莓上的微生物从最初的5 lg CFU/g减少到3 lg CFU/g。深入探究低温等离子体技术与多种混合气体进行联合使用时的杀菌机制，对提高低温等离子体技术在食品中的应用具有积极的意义。

2.2.2 化学增强剂 化学增强剂是水和低温等离子体相互作用产生的，即低温等离子体活性水（Plasmaactivated Water，PAW）。PAW中富含活性氧（ROS）、活性氮（RNS）等活性成分，并具有低pH、高氧化还原电位和高电导率等特殊理化性质，在有效杀灭微生物的基础上，对食品原有的营养品质不会造成显著影响。Xiang等[26]用PAW清洗豆芽30 min，豆芽上的总好氧菌、霉菌和总酵母菌的数量分别降低了2.84和2.32 lg CFU/g，豆芽的总酚和黄酮含量、抗氧化能力及感官特征等均未发生显著变化。Choi等[27]的研究中也提出一种连续组合清洗泡菜的方法，包括PAW、自来水和60 ℃温和热处理（MH）。单用PAW清洗就可使泡菜中的好氧菌、乳酸菌、酵母和霉菌以及大肠菌群减少2.0、2.2、1.8、0.9 lg CFU/g。

2.2.3 电磁场 电磁场是提高低温等离子体产生活性物质的另一种方法。Ito等[28]研究发现电磁场协同低温等离子体使羟基自由基的产生增加了1.5倍，而且对大肠杆菌的杀菌效率提高了2.4倍。目前，该方法已被用于生物医学领域，为以后在食品领域中的应用奠定了基础。此外，马跃等[29]研究认为单独的电场作用并不能很好的杀灭食品中的微生物，当电场协同低温等离子体技术激发产生更多的高能活性物质，提高低温等离子体的杀菌效率。

3 低温等离子体技术在食品杀菌中的应用

新鲜果蔬、生鲜肉和海鲜等生鲜及热敏性食品采用的传统杀菌保鲜技术包括高温杀菌和冷冻保鲜等，这些处理通常存在杀菌不彻底、产生二次污染等问题，而且还会对最终产品的风味、质地和颜色等方面产生不利影响，缩短货架保鲜期的同时还会使食品的价值降低。目前，随着社会科学的快速发展，低温等离子体技术被广泛应用于材料加工[18]、电子学[30]、生物材料[31]、聚合物加工和生物医疗器械等领域。因为，低温等离子体技术应用在杀菌保鲜和农药降解等方面有诸多优点，能最大限度地保持食品原有的营养及感官特性，且不会产生有毒有害的副产品，具有较高的经济效益，所以低温等离子体技术在食品领域也得到了极大的应用[32]，成为杀菌保鲜和农药降解的新型技术。

3.1 新鲜水果及水果制品

新鲜水果及水果制品是补充人体维生素、葡萄糖及能量的主要来源[10]，但其质软且容易携带治病菌及化学农药，在流通和储藏过程中难以长时间贮藏。近年来，低温等离子体技术被广泛应用到延长水果及水果制品的保存时间和保持其新鲜程度，低温等离子体技术运用在水果和水制品中可分为杀菌保鲜及农药降解两种作用效果（表1）。

表1 低温等离子体技术在新鲜水果及水果制品中的应用研究Table 1 Application research of cold plasma technology in fresh fruits and fruit products

新鲜水果及水果制品在种植、采摘、运输以及后期加工等流通过程中，因与外界接触，表面经常附着具有传染性的病原微生物，对人类的健康造成了严重的威胁，故对其进行杀菌处理尤为重要。任翠荣等[42]利用常压低温等离子体技术在气体流速为1 L/h，处理距离10 mm，放电时间1 min，电压140 V对新鲜草莓进行处理，结果显示，新鲜草莓在此参数下杀菌保鲜效果最好，草莓的维生素C含量要明显高于对照组，而果实失重率却比对照组低，保鲜期（常温）是传统常温保鲜期的2倍。Critzer等[43]利用低温等离子体技术对新鲜哈密瓜和苹果进行杀菌处理不同时间后大肠埃希菌、沙门氏菌以及单增李斯特菌种群减少，减少量因菌株的不同而不同。Matan等[44]利用低温等离子体技术在功率40 W的条件下对新鲜火龙果进行杀菌处理，处理后的火龙果表面微生物生长抑制效果比未经处理的火龙果表面微生物的生长抑制效果增加5.0%，延长火龙果的货架保鲜期。Dasan等[45]以橙汁、番茄汁为原料，研究低温等离子体技术处理120 s时的杀菌效果，研究发现，橙汁（1.59 lg CFU/mL）、番茄汁（1.43 lg CFU/mL），由此可见，透明澄清溶液对低温等离子体技术更加敏感。Perni等[46]利用低温等离子体技术对芒果杀菌处理0.5 min，结果显示，芒果表面的单增李斯特菌和大肠杆菌O157:H7浓度下降2.5 lg CFU/g。Kovaevi等[47]以新鲜石榴汁为原料，利用低温等离子体在时间3 min，样品容量5 cm3，气体流速0.75 dm3/min参数条件下，对石榴汁进行诱导后，石榴汁中花青素含量增加21%～35%。低温等离子体技术作为一种冷杀菌技术，用于新鲜水果及水果制品杀菌及降解农残时，它克服现有灭菌方法的一些不足之处，具有作用时间短、杀菌温度低以及在处理过程中对食品营养价值和感官性能破坏较小等许多独特优势[48]。但该技术目前还处于实验室研究阶段，灭菌的工艺参数、食品种类和低温等离子体的激发装置等都会影响实验结果，给多数实验结果的比较、归纳和优化带来困难。因此，研发适用于生鲜及热敏性食品杀菌保鲜的低温等离子体发生装置和设备，探究最适宜的等离子体灭菌工艺参数，分析不同种类食品、不同环境和不同暴露条件等对食品保鲜效果的影响，对提高低温等离子体技术在食品工业中的应用具有重要的意义。

3.2 新鲜蔬菜

新鲜蔬菜种植、加工、储藏和运输等流通过程中致病菌可通过不同途径传播，且致病菌在整个货架期内都能活跃生长，使得新鲜蔬菜极易腐烂不易贮藏。近几年中，低温等离子体技术在新鲜蔬菜中的应用已有大量研究（表2）。

表2 低温等离子体技术在新鲜蔬菜中的应用研究Table 2 Application research of cold plasma technology in fresh vegetables

新鲜蔬菜保藏的目的是在不显著改变产品营养、感官特性的基础上使微生物和酶失活，从而延长保藏期。孙艳等[52]以鲜切黄瓜为原料利用低温等离子体技术在电压170 V，时间5 min，电极距离2.5 cm对其进行杀菌处理，结果显示，黄瓜表面的大肠杆菌致死率高达99.65%，提高了黄瓜的食用安全系数，且处理前后黄瓜的理化性质变化均不显著，有效地保护了黄瓜的水分、糖度、酸度和颜色。Ziuzina等[53]利用低温等离子体技术对新鲜菠菜杀菌处理2.5 min后，菠菜上单增李斯特菌减少1.7 lg CFU/样本，大肠杆菌减少2.2 lg CFU/样本，与对照组相比菠菜的颜色、水分、pH和可溶性固形物含量变化均不显著。利用该技术对新鲜蔬菜进行杀菌处理时，耗时短、安全高效，并且不会对新鲜蔬菜的营养物质和感官特性产生负面影响。但该技术应用到不规则形状的食品相关领域时，无法保证其产生的活性物质与不规则食品充分、均匀接触，因此研发适合于不规则食品的低温等离子体源，并应用于实际生产中，对食品工业的发展将起到积极的推动作用。

3.3 肉及肉制品

肉及肉制品富含丰富的蛋白质，营养价值高，其组成较其它食品更接近人体需求，颇受人们喜爱。但肉及肉制品在屠宰、加工、储藏和运输等流通过程中致病菌可通过不同途径传播，易造成污染而导致其腐败变质，保质期缩短。研究证实，低温等离子体技术能够杀灭肉及肉制品在加工、储藏等流通过程中所附着对人体有害的微生物，保证食品的风味、营养及颜色等品质指标不发生显著变化，延长食品的货架期[54]，达到食品长期储存和保持食品品质的目的（表3）。

表3 低温等离子体技术在肉及肉制品中的应用研究Table 3 Application research of cold plasma technology in meat and meat products

禽畜屠宰过程中，胴体容易受到禽畜尸体上的细菌污染。针对这一问题，国内外科研工作者提出了危害分析及关键控制点（HACCP）系统，但仍然无法完全有效预防。研究发现，低温等离子体技术在保持食品风味、营养及颜色等品质指标的基础上能有效杀灭细菌。Kim等[59]利用该技术在电压75、100、125 W，时间60、90 s等参数下，使用He、He/O2的混合气体作为激发介质对切片培根进处理，结果显示He等离子体处理后微生物种群数降低1～2 lg CFU/g，He/O2等离子体处理后微生物种群数降低2～3 lg CFU/g。Choi等[60]利用该技术对生鲜猪肉处理120 s后，大肠杆菌和单增李斯特菌分别减少1.5和＞1.0 lg CFU/g，并且处理后的生鲜猪肉颜色、风味、营养等品质指标并没有发生显著变化，很好地保持了食品的价值。利用该冷杀菌技术对肉及肉制品进行处理时，具有安全无污染、低耗能以及对灭菌环境温度要求低等优势，所以在肉及肉制品杀菌保鲜方面的作用较为显著，能够较好地对其进行杀菌保鲜，延长货架保鲜期，并且不改变其相应的性质，如味道、营养及颜色等品质指标。但目前该技术仍处于基础研究阶段，还存在着一些问题，如穿透能力不强，对食品表面的微生物能产生较大影响；而对于深入肉品组织内部的细菌，其灭菌效果还不够好。因此，可以将该技术与其它非热处理技术联合使用以提高其杀菌效果，进而更有效地提高肉及肉制品的安全性和货架期。

3.4 海鲜及海鲜制品

海鲜及海鲜制品营养丰富且容易受到微生物的侵袭，即使在冷链运输或冷藏条件下，表面依然有嗜冷菌生长繁殖，从而导致其腐败变质。为了延缓海鲜及海鲜制品的腐败，延长保鲜时间，近年来低温等离子体技术在海鲜及海鲜制品领域的应用已有大量研究（表4）。

表4 低温等离子体技术在海鲜及海鲜制品中的应用研究Table 4 Application research of cold plasma technology in seafood and seafood products

目前，我国各大中超市海鲜及海鲜制品仍以裸露或覆盖保鲜膜置于冷柜销售为主，容易使得致病菌通过不同途径传播，为保证海鲜及海鲜制品的新鲜度，保持其营养价值，抑制微生物的生长是海鲜及海鲜制品在销售及流通等过程中的首要任务[64]。焦浈等[65]以三文鱼为原料研究等离子体活化水冰（PAWice）对纯培养以及人工接种于三文鱼片表面单增李斯特菌的杀菌效果，结果显示，与无菌水冰（sterile water-ice，SW-ice）相比，PAW-ice对单增李斯特菌纯培养杀菌效果显著，可以使细菌降低1～3 lg CFU/mL值，杀菌效率取决于PAW制备时间、制备体积以及PAW-ice处理时间。刘品等[66]利用低温等离子体技术对南美白对虾进行处理（50 kV、60 s），结果显示，经过处理之后能显著减缓对虾黑变及品质下降速度，一定程度延长对虾的货架期。石芸洁等[67]以生食蟹糊为研究对象，探究低温等离子体技术在不同电压、不同时间对生食蟹糊灭菌效果及品质的影响，结果显示，杀菌率达97.3%，且经过低温等离子体技术处理对生食蟹糊的营养影响不明显。斯兴开等[68]研究低温等离子体技术对草鱼鱼肉品质的影响，将草鱼肉分别在不同电压（20、30、40 kV）条件下常温处理不同时间（1、2、3 min），研究结果表明，可有效杀菌，并对草鱼鱼肉的新鲜程度无明显负面影响，既可以保持鱼肉独有的生鲜风味，又可有效降低生食水产品的风险。低温等离子体技术作为一种非热杀菌技术，对海鲜及海鲜制品进行杀菌处理前后温度无明显变化，较好的保持了海鲜及海鲜制品独特的生鲜风味以及有效避免其结构和质地发生变化，产生的活性物质能对其进行高效杀菌，显著提高生鲜海产品的食用安全性。但该技术也存在一定的局限性，如成本较高，经济效益不明显。此外，低温等离子体产生的高活性ROS会促进海鲜及海鲜制品中脂肪的氧化，从而对其风味产生不良影响，因此可采用添加天然抗氧化剂等方法延迟或抑制脂肪氧化以预防低温等离子体技术处理对海鲜及海鲜制品品质的影响。

3.5 家禽制品

家禽制品营养价值高且口感较好。目前，常用冷藏、真空包装和腌制等方法来保持其营养价值和口感，但在加工、储藏和运输等流通过程中仍然无法完全避免受到致病菌的污染。利用低温等离子体技术对家禽制品进行灭菌处理，能有效延长其货架期，且色泽、风味、质地和营养等不发生显著变化（表5）。

表5 低温等离子体技术在家禽制品中的应用研究Table 5 Application research of cold plasma technology in poultry and egg products

低温等离子体既高效地杀灭家禽制品表面的治病微生物，又保持了食品原有的品质。Patil等[74]利用低温等离子体技术对禽肉表皮上的空肠弯曲杆菌和沙门氏菌进行灭菌处理，结果显示，菌落数均减少，且禽肉的色泽、风味、质地和营养等不发生显著变化。Dirks等[75]利用该技术处理生鲜鸡皮上的空肠弯曲杆菌和沙门氏菌，也取得了相同的结果。乔维维等[76]以生鲜牛肉为研究对象，利用低温等离子体技术在72 kV的电压下对其进行杀菌处理86 s，在此条件下杀菌率为93.75%，并且牛肉仍能保持较好的颜色和风味。相对于传统的杀菌保鲜技术，低温等离子体技术高效、安全无破坏性，能有效地杀灭家禽制品表面的治病微生物，且不会对家禽制品的风味、营养及颜色等品质指标产生负面影响。但利用该技术对家禽制品进行杀菌处理时，由于等离子体、微生物和食品种类的复杂性，导致具体的杀菌机制仍然缺乏深入的探讨，需要进行更深入地研究，而且该技术目前还无法适应工业化、机械化生产的需要，因此，还需进一步探索低温等离子体系统批量或连续处理大量食品的可行性。

4 结语及展望

作为食品领域的一种新型非热加工技术，低温等离子体技术凭借其安全、绿色、成本低、快速和方便等优势广泛应用于食品安全控制及食品加工等领域。在今后的研究过程中，应针对低温等离子体技术的工作原理、杀菌机制以及该技术对食品结构和品质指标的影响等方面进行机理研究，并对该技术所处理过的食品进行各项指标及安全性评价。此外，还应以风险评估作为基础，加强低温等离子体技术在食品加工过程中的技术规范、监管法规以及应用标准的制定工作，从而不断推动低温等离子体技术在食品工业中的应用。