食品低温等离子体杀菌技术研究进展

等离子体（Plasma）由带电粒子和中性粒子构成，被称为除“固、液、气”三态之外的第四态，它是一种导电体系，但总体上呈现电中性。自然界也存在等离子体，如太阳热核聚变、发生闪电时等。人工制备等离子体通常由中性气体在高电压作用下激发诱导产生，按照粒子（电子、离子、中性粒子）温度差异可以分为热等离子体和低温等离子体；根据制备压力的不同一般分为真空等离子体和常压等离子体两类。其中，真空等离子体均匀且无方向性，但需要在真空条件下进行，设备昂贵；常压等离子较为常见，即在大气压条件下产生等离子体，在材料、食品方面研究与应用的等离子体一般为低温等离子体。

低温等离子体产生的活性氧自由基、带电粒子等能使微生物细胞膜破损、胞内大分子泄漏，所以常用于食品杀菌处理。本文从低温等离子体发生方式、等离子体构成、杀菌机制、杀菌工作模式、对食品组分和品质影响等方面进行阐述，为低温等离子体在生鲜类及热敏性食品杀菌研究及规模化应用提供参考，并对低温等离子体在菌种诱变、有机物去除等方面的应用进行了讨论。

一、低温等离子体制备与成分分析

1.低温等离子体发生装置。早期制备低温等离子体的工艺设备较为复杂，需要在低于大气压的条件下进行，后来可以在大气压条件下制备低温等离子体，使其具備了较高的研究与商业应用价值。

真空低温等离子体的发生装置主要由外加电场、载气、真空室、真空泵等主要部件组成，产生的等离子体在真空室内均匀分布，设备对真空度的要求比较高，所以真空系统造价较高，且设备体积大多较小。

高常压低温等离子体（Atmospheric pressure cold plasma，APCP）发生装置较为简单，主要分为介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）和气流喷射两种类型。介质阻挡放电主要由交流高压电源、高压电极、接地电极、绝缘介质（至少一块）构成，平板式介质阻挡放电产生的等离子体在极板之间产生，等离子体作用面积较大。气流喷射等离子体发生装置主要由高压电极、接地电极、载气等主要部分构成，产生的等离子体射流较为集中，因此等离子体处理强度较大，但作用面积较小。应针对处理物料的表面积、所需的处理强度等的不同，选择相应的发生装置。

2.低温等离子体的成分。在强电场的作用下，气体发生电离、碰撞从而形成等离子体。等离子体的构成与载气有关，常用的载气有空气、氩气、氦气、氮气等，也可以是它们的混合物。通常将产生的等离子体分为活性氧（Reactive oxygen species，ROS）和活性氮（Reactive nitrogen species，RNS），这些活性成分包括臭氧、羟基自由基、一氧化氮、二氧化氮等。载气的不同使得产生的等离子体主要成分不同，研究表明有氧气参与的情况下，产生的氧自由基对杀灭微生物效果更好。

二、等离子体杀菌机制探究

低温等离子体中的活性氧、活性氮、紫外光、带电粒子等组分具有杀菌作用，主要通过诱导微生物细胞膜发生脂质氧化，从而造成细胞膜结构损伤。不同的杀菌物质作用于细胞的不同部位，造成细胞破坏或者生物体死亡。细胞膜完整性遭到破坏以后，这些活性物质通过孔隙进入细胞内部，与蛋白质、核酸等发生化学反应，从而杀灭微生物。低温等离子体的杀菌机制可从对细胞的蚀刻与静电干扰穿孔、大分子氧化两个方面加以解释。

1.蚀刻与静电干扰穿孔。低温等离子体产生的高能粒子轰击微生物表面，造成细胞膜局部损伤。同时，高能粒子还可以与活性氧等协同作用，氧化细胞膜表面的蛋白质和脂质，使某些物质发生化学键断裂，细胞膜局部的变形甚至形成微孔。此外，低温等离子体产生的电子和离子在细胞膜表面富集产生静电干扰，当静电张力超过了膜的总抗拉强度，则会破坏细胞膜结构的完整性。

蚀刻穿孔作用是等离子体杀菌的重要机制。细胞膜穿孔使细胞的完整性受到破坏，影响细胞内外物质交换。细胞膜破损后，等离子体化学作用产生的自由基更容易进入细胞内部，从而增强杀菌效果。等离子体与其他技术联用也能起到良好的协同作用，如等离子处理先在细胞膜打孔，更有利于植物精油进入细胞内部，从而杀灭微生物，达到协同增效的作用。

2.细胞内大分子氧化。低温等离子体产生的ROS、RNS可以与细胞内脂类和蛋白质发生一系列氧化反应。低温等离子体产生的羟基自由基、超氧阴离子自由基、单线态氧和臭氧都可以与不饱和脂肪酸发生脱氢反应导致脂质的氧化，形成脂质自由基后进一步与氧分子反应生成脂质过氧化氢自由基，继续与周围不饱和脂肪酸反应形成脂肪酸过氧化物，从而引发脂质氧化的链式反应，使得细胞膜的选择透过性被破坏，细胞膜完整性被破坏引起细胞内外渗透压失衡，并最终导致细胞的凋亡。

ROS和RNS的攻击造成蛋白质氨基酸侧链的修饰和三级结构发生改变，引发蛋白质功能变化，影响了细胞新陈代谢及正常生理生化反应。在细胞内起重要生理生化作用的酶，它们的活性金属结合部位对ROS和RNS的攻击敏感。一方面，氧化蛋白在细胞内不断积累，另一方面，酶的活性受到抑制或者破坏，从而影响了细胞内部生理生化反应，导致细胞凋亡。

ROS和RNS可以与脱氧核糖核酸（Deoxyribo nucleic acid，DNA）的碱基和糖基反应，造成DNA多种类型的氧化损伤。羟基自由基可以与DNA中的糖基反应，造成DNA链的断裂。ROS的反应产物可以与DNA进一步反应，如脂质过氧化氢自由基可与DNA中的嘌呤反应生成嘌呤聚合物，脂质链式反应产生的某些醛类也可以与DNA反应造成碱基的烷基化和DNA链内或链间的交联。

三、低温等离子杀菌技术研究

1.杀菌影响因素及对品质的影响。（1）低温等离子体杀菌的影响因素。研究发现，低温等离子体杀菌效果受到设备的影响比较大，如功率、场强、极板间距、载气选择等，功率越大、场强越强、等离子体强度越大，其杀菌效果一般越好。

（2）低温等离子体杀菌对食品品质的影响。低温等离子体杀菌也会对食品的质构、色泽、风味造成不利影响，但总体上较为柔和。近年来，低温等离子体对杀菌物料中营养成分的影响也受到关注。比如，低温等离子体处理后的生鲜鱼肉，在储藏期间组胺含量增加速度较慢，对改善产品风味起到了积极的作用。等离子体虽然可以起到良好的杀菌效果，但容易造成脂质氧化。钱婧等研究发现，低温等离子体对生鲜猪肉的杀菌率可达94.50%，未对猪肉的脂质氧化造成显著影响，但促使血红蛋白中血红素的铁离子被氧化，同时降低体系pH，进而显著加快体系脂质氧化速率，因此胴体的血液残留较少时适合进行等离子体处理。

2.杀菌形式。目前低温等离子杀菌方式主要有两种：一是直接杀菌，将等离子体直接作用于处理物料；二是间接杀菌，将等离子体作用于纯水、缓冲溶液或者有机酸溶液等，制备等离子体活化水用于鲜切蔬菜、肉制品的杀菌。为了提高杀菌效率，人们也研究了冷等离子体与其他杀菌方式的协同作用。

（1）冷等离子体直接杀菌。在真空状态下，等离子体无方向性，活性氮氧物质分散均匀且和物料表面接触充分，因此杀菌率高。常压等离子体操作简便、设备简单，有着更为广阔的商业应用前景，但活性物质分布均匀性受到影响，使得杀菌效率达不到预期。俞志远研究了常压氮气等离子体射流处理金黄色葡萄球菌生物膜，处理30min后生物膜中超过80%的细菌失去新陈代谢能力，大约30%细菌细胞膜完整；随着剂量的增加，细胞内活性氧总量显著增加。活性氧、氮等物质是杀菌的主要原因，不论真空还是常压等离子体，只要等离子体剂量足够，都能有效杀菌。

（2）冷等離子体间接杀菌。等离子体活化水是将等离子体活性物质由气态通入水或者溶液中，或者直接在溶液中放电产生活化水溶液。将活化水或者水溶液用于果蔬清洗杀菌，不仅使得活性物质存在的时间变长，还解决了常压等离子体杀菌的均匀性问题。相启森等研究了等离子体活化水处理沙门氏菌的杀菌作用和机制，杀菌效果随放电时间的延长而增加，初始浓度为7.91log CFU/mL，经过放电60s的活化水处理10min，活菌数降至4.22log CFU/mL。同时，电镜观察到细菌形态发生明显变化，胞内核酸、蛋白质等大分子泄漏，胞内活性氧水平显著提高。所以，等离子体活化水杀菌机制与直接等离子体处理相同，均是活性物质破坏了细胞膜，胞内大分子泄漏或者变性、酶失活最终导致细胞凋亡。

（3）冷等离子体联合杀菌。直接或间接冷等离子体处理如果和其他杀菌技术联用，可以克服自身弱点从而强化杀菌效果。比如，等离子体活化水与超声波结合可以提高除菌效率，当超声用于冻肉解冻时，等离子体活化水用作介质可以抑制肉品解冻期间微生物滋生，从而提高产品品质。等离子体结合光催化杀菌也有不错的杀菌效果，由于等离子体中的紫外线对于灭菌的贡献较小，导致等离子体中的一部分能量以光的形式散失，降低了等离子体杀菌的能量利用率，但用于光催化产生活性氧化学能则有助于杀菌。在等离子体和精油的协同杀菌中，等离子体破坏了细胞膜，方便精油进入细胞内部，协同杀菌的可靠性和杀菌效率进一步提高，也是一种很好的研究思路。

四、低温等离子体核心技术装备研发进展

低温等离子体发生装置多样，结构和材料的不同对于所形成的低温等离子体有着显著影响。介质阻挡放电系统被认为是最有效的低温等离子体激发系统，也是科学研究和应用主要采用的装置。常压介质阻挡放电系统不需要真空系统，构造简单，与真空等离子处理设备小容量的处理腔相比有着较大的优势。

目前，国内外研究使用的常压介质阻挡等离子体发生系统大多以简单组装为主，工厂化杀菌的低温等离子体设备较为少见。欧盟于2016年开启了SAFE-BAG项目，希望将多种介质阻挡放电类型的等离子体系统连接为食品加工流水线，这种组合式的流水线采用隧道式。南京财经大学章建浩团队在肉制品低温等离子体保鲜杀菌方面进行了全面深入的研究，目前也在积极筹建产业化流水线并开展相关放大试验。浙江大学吴迪团队在食品等离子体杀菌方面进行了较为全面的研究，也在开展等离子体杀菌相关产业化研究。

作者简介：杨旭（1988-），女，汉族，重庆人，实验师，硕士研究生，研究方向为食品加工及工艺。