輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品的殺菌及其品質(zhì)影響研究

李兆杰， 劉小菁， 楊麗君， 紀玉梅，房保海，郝 瑩， 王 靜， 張玉春， 魏 瑋　(.威海出入境檢驗檢疫局,山東威海 60;.威海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東威海 60;.威海市市立醫(yī)院,山東威海 600；.山東出入境檢驗檢疫局，山東青島 6600；.濰坊出入境檢驗檢疫局，山東濰坊 60)

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輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品的殺菌及其品質(zhì)影響研究

李兆杰1， 劉小菁2， 楊麗君1， 紀玉梅3，房保海4，郝 瑩5， 王 靜1， 張玉春1， 魏 瑋1(1.威海出入境檢驗檢疫局,山東威海 264205;2.威海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東威海 264210;3.威海市市立醫(yī)院,山東威海 264200；4.山東出入境檢驗檢疫局，山東青島 266002；5.濰坊出入境檢驗檢疫局，山東濰坊 261041)

等離子體是氣體受到外界高溫、強電磁場、輻射等高能量作用時電離產(chǎn)生的一種高度電離的氣體，主要由正負離子、基態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子、活性自由基、射線、活性自由基、電子等組成，整個體系呈電中性，因此成為等離子體。低溫等離子體是指整個體系在宏觀上表現(xiàn)為常溫，但體系中電子的溫度很高，達上千乃至上萬攝氏度[1-2]。體系中的高能電子及各種活性離子具有很高的活性，可以對微生物進行快速殺滅[3-6]。

鑒于傳統(tǒng)熱力滅菌和化學(xué)滅菌在破壞食品色香味、化學(xué)殘留等方面的諸多不足，應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)進行殺菌研究逐步成為滅菌領(lǐng)域的研究熱點。目前國內(nèi)外正嘗試將這一技術(shù)應(yīng)用于包括食品加工在內(nèi)的諸多領(lǐng)域[7]。其優(yōu)點主要包括：較低的溫度可用于不適于高溫的食品殺菌，封閉的等離子體系統(tǒng)可防止地刺輻射外泄，殺菌快速且無毒，氣體循環(huán)系統(tǒng)可將殺死的微生物或殘留物帶走。Marsili等采用高壓脈沖放電，可以快速有效地殺滅食品中的大腸桿菌和沙門氏菌[8]。諾克斯威爾的田納西州大學(xué)等離子體科學(xué)實驗室成功開發(fā)出了大氣壓下輝光放電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在常壓室溫條件下利用射頻激發(fā)空氣等離子體，快速殺滅微生物菌體及孢子。劉傳林等利用分裝式低溫等離子體減壓保鮮技術(shù)貯藏果蔬，使葉菜類及瓜果類蔬菜保鮮期分別達到90和150 d，出庫后貨架期長達7～10 d[9]。

盡管如此，目前關(guān)于低溫等離子體技術(shù)用于食品殺菌的系統(tǒng)研究還鮮有報道，比如對各種類型食品的殺菌效果等。此外，近年來，人們對食品的安全性和營養(yǎng)性關(guān)注度越來越高，低溫等離子體技術(shù)作為一種新型殺菌技術(shù)，研究其對食品的品質(zhì)影響對于該技術(shù)的推廣應(yīng)用確有必要。基于上述兩點，筆者應(yīng)用輝光放電低溫等離子體技術(shù)，一方面，探討低溫等離子體技術(shù)對魚肉、奶粉、牛奶、淀粉、橙汁5種不同類型食品的殺菌效果；另一方面，選擇過氧化值、酸價、維生素C等指標(biāo)，評價低溫等離子體殺菌技術(shù)對食品的品質(zhì)影響。這將為輝光放電低溫等離子體殺菌技術(shù)廣泛用于食品殺菌提供重要的方法依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1菌種。大腸桿菌(Escherichiacoli，E.coli)ATCC 10536、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，S.aureus)ATCC 12600、單核細胞增生李斯特氏菌(Listeriamonocytogenes，L.monocytogenes)ATCC 19114、宋內(nèi)氏志賀氏菌(Shigellasonnei，S.sonnei)ATCC 25931，購自美國模式培養(yǎng)物集存庫(ATCC)；腸炎沙門氏菌(Salmonellaenteritidis，S.enteritidis)CICC 21482，購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC)；白色念珠菌CGMCC 2.4159(Candidaalbicans，C.albicans)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)。細菌從-70 ℃接種到營養(yǎng)肉湯中，36.5 ℃培養(yǎng)18～24 h，備用。C.albicans接種YPD培養(yǎng)基，28 ℃培養(yǎng)18～24 h，備用。

1.1.2試劑。計數(shù)瓊脂、酵母浸出粉胨葡萄糖培養(yǎng)基(YPD)、孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基、營養(yǎng)肉湯，購自北京陸橋生物科技有限公司，按說明書配置。

1.1.3儀器與設(shè)備。輝光放電低溫等離子體殺菌設(shè)備，自制，交流輸出，0～10 kV，峰值功率120 W，工作頻率30～40 kHz，通過在電路中加入限流電阻維持輝光放電； 核酸蛋白分析儀，美國Bio-rad公司；CR22G III離心機，日本日立公司；恒溫恒濕培養(yǎng)箱、干燥箱，美國3M公司。

1.2方法

1.2.1輝光放電低溫等離子體對食品的殺菌效果研究。

1.2.1.1菌懸液的制備。分別吸取E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis肉湯培養(yǎng)液1 ml于1.5 ml離心管中，4 000 r/min離心5 min，吸棄上清，加入1 ml無菌生理鹽水懸浮洗滌混勻，用核酸蛋白分析儀測定菌液濃度，用生理鹽水將菌液濃度稀釋至×108CFU/ml。

吸取C.albicansYPD培養(yǎng)液1 ml于1.5 ml離心管中，2 000 r/min離心5 min，吸棄上清，加入1 ml無菌生理鹽水懸浮洗滌混勻，用生理鹽水將菌液濃度稀釋至×106CFU/ml。

1.2.1.2陽性樣品制備。魚片陽性樣品制備：向1 L生理鹽水中分別添加108CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis各10 ml，得到106CFU/ml濃度的細菌混合液。稱取100 g魚片放入上述細菌混合液中，浸泡10 min后取出，瀝干水分，分為70 g、30 g兩組，一組用于殺菌試驗，一組用作對照。

奶粉陽性樣品制備：分別吸取10 μl 108CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis的菌液于同一離心管中，加入10 ml生理鹽水混勻，得到105CFU/ml的細菌混合液。將上述菌液噴灑于100 g奶粉中，并充分攪拌，自然晾干，顛倒混勻。分為70 g、30 g兩組，一組用于殺菌試驗，一組用作對照。

橙汁飲料陽性樣品制備：按上述方法制備得到1 ml 105CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis5種細菌混合液。將菌液加入100 ml橙汁中，并充分振蕩混勻。均分70、30 ml兩組，一組用于殺菌試驗，一組用作對照。

牛奶陽性樣品制備：制法同橙汁陽性樣品。制備得到100 ml牛奶陽性樣品。均分70、30 ml兩組，一組用于殺菌試驗，一組用作對照。

淀粉陽性樣品制備：用接種環(huán)從孟加拉紅瓊脂平板上刮取C.albicansCGMCC 2.4159，放入盛有1 ml生理鹽水的離心管中，用移液器充分吹打混勻，然后噴灑于100 g淀粉中，并充分攪拌，顛倒混勻。分為70、30 g兩組，一組用于殺菌試驗，一組用作對照。

1.2.1.3殺菌。打開氣瓶閥門，調(diào)整氣體流量，使放電氣體氬氣充滿整個氣體管路并將滅菌腔室中的空氣排凈。接通高壓電源開始放電產(chǎn)生刷裝低溫等離子體射流。調(diào)整放電參數(shù)為：峰值電壓10 kV，工作頻率30～40 kHz，峰值功率120 W，氣體流量2 L/min，氣壓為常壓，溫度為室溫。待低溫等離子體充滿整個滅菌腔室后，魚片均勻擺放于載物臺上，奶粉置于培養(yǎng)皿中均勻鋪開，厚度約3 mm，牛奶和橙汁飲料置于培養(yǎng)皿中，厚度約3 mm。滅菌處理時間分為3、5、8、10、12、15 min 6個時間段，每個時間段取滅菌樣品10 g用于活菌計數(shù)試驗。淀粉的處理時間為5、8、10、15、20 min 6個時間段。載物臺高度距離放電端口6 cm。對照于室溫放置同樣時間。

1.2.1.4滅菌效果檢測。將處理組和對照組樣品分別加入9倍生理鹽水，用拍擊式均質(zhì)器拍打1～2 min，充分混勻。制成1∶10和1∶100的樣品勻液。吸取1 ml兩個稀釋度的樣品勻液于無菌平皿中，每個稀釋度做3個平皿。同時，分別吸取1 ml 空白稀釋液加入3個無菌平皿內(nèi)作空白對照。及時將15～20 ml 冷卻至46 ℃的平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基傾注平皿，并轉(zhuǎn)動平皿使其混合均勻。待平板凝固后，將平板翻轉(zhuǎn)，(36±1)℃培養(yǎng)(48±2)h后，計數(shù)平板上的菌落數(shù)。真菌用孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基傾注平皿，28 ℃培養(yǎng)5 d。

1.2.2輝光放電低溫等離子體殺菌技術(shù)對食品的品質(zhì)影響。

1.2.2.1陽性樣品制備。魚片陽性樣品、橙汁飲料陽性樣品的制備同“1.2.1.2”。

1.2.2.2滅菌。將樣品置于滅菌腔載物臺上，調(diào)整低溫等離子體殺菌裝置參數(shù)，同“1.2.1.3”。滅菌時間5 min。同時設(shè)對照樣品。

1.2.2.3魚片中過氧化值、酸價的測定。滅菌魚片及對照過氧化值、酸價的測定根據(jù)GB 5009.37-2003《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析》進行。

1.2.2.4橙汁飲料中維生素C的測定。滅菌橙汁飲料及對照樣品用1%草酸提取，然后用2，6-二氯酚靛粉將抗壞血酸氧化為順式抗壞血酸，再與鄰苯二胺結(jié)合生成一種熒光化合物。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SN/T 0869-2000《進出口飲料中維生素C的測定方法》，用熒光分光光度及測定。

2結(jié)果與分析

2.1輝光放電低溫等離子體對食品的殺菌效果輝光放電低溫等離子體對魚片、奶粉、牛奶、橙汁和淀粉的殺菌動力學(xué)曲線見圖1。由圖1可以看出，魚片和奶粉的殺菌曲線相似，在3 min時，細菌數(shù)量有所減少，但數(shù)量級沒變，在5 min時，細菌數(shù)量急劇下降，但8、10、12、15 min時，細菌數(shù)量沒有明顯變化，殺菌進入平臺期。在3 min時，牛奶中的細菌數(shù)量沒有明顯變化，在5 min時，細菌數(shù)量急劇下降，降低了一個數(shù)量級，8 min后，殺菌進入平臺期。在3 min時，橙汁中的細菌數(shù)量下降不明顯，在5、8、10、12、15 min時，細菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢下降，未出現(xiàn)急劇下降情況。對淀粉的殺菌動力學(xué)曲線顯示，在5 min時，細菌數(shù)量沒有太多變化，在8、10、15 min時，細菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢下降，在20 min時，殺菌曲線進入平臺期。

2.2輝光放電低溫等離子體殺菌對食品的品質(zhì)影響

2.2.1輝光放電低溫等離子體殺菌對魚片過氧化值、酸價的影響。過氧化值表示油脂和脂肪酸等被氧化程度的一種指標(biāo)，用于說明樣品是否因已被氧化而變質(zhì)；酸價是脂肪中游離脂肪酸含量的標(biāo)志，脂肪在長期保藏過程中，由于微生物、酶和熱的作用發(fā)生緩慢水解，產(chǎn)生游離脂肪酸。而脂肪的質(zhì)量與其中游離脂肪酸的含量有關(guān)。一般常用酸價作為衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。在脂肪生產(chǎn)的條件下，酸價可作為水解程度的指標(biāo)，在其保藏的條件下，則可作為酸敗的指標(biāo)。酸價越小，說明油脂質(zhì)量越好，新鮮度和精煉程度越好。由表1可以看出，滅菌前后，魚片過氧化值、酸價2個指標(biāo)上沒有明顯變化。說明低溫等離子體殺菌技術(shù)不會導(dǎo)致過氧化值和酸價升高，不會引起氧化變質(zhì)或酸敗。

表1　滅菌前后魚片過氧化值、酸價比較

2.2.2輝光放電低溫等離子體殺菌對橙汁飲料中維生素C的影響。 維生素C具有抗氧化作用，在氧化、加熱條件下，維生素C極易被破壞。由表2可以看出，滅菌后，橙汁飲料維生素C有輕微下降，下降了9.5%。

表2　滅菌前后橙汁的維生素C比較

3討論

該試驗應(yīng)用研制的低溫等離子體殺菌裝置，選擇魚片、奶粉、牛奶、橙汁飲料和淀粉5種食品，分為固體、粉末和液體3種形態(tài)，進行殺菌研究。由殺菌動力學(xué)曲線來看，輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品都具有明顯的殺菌作用，但不能將細菌全部殺滅。相比較而言，對魚片和奶粉的殺菌效果最好，對橙汁的殺菌效果差一些，對淀粉中的真菌的殺菌效果最差。分析原因可能主要與食品基質(zhì)的復(fù)雜性及低溫等離子體的特點有關(guān)。一方面，食品中水分及食品基質(zhì)的存在大大降低了低溫等離子體的能量，因此衰減了低溫等離子體的殺菌能力；另一方面，等離子體的穿透性較差，僅能對食品表面的細菌具有殺滅作用，對于食品內(nèi)部的細菌，等離子體很難穿透并對其殺滅。但盡管如此，低溫等離子體技術(shù)作為一種新的非熱力殺菌方法已展示出它的強大生命力，對食品殺菌的優(yōu)勢和前景不可忽視。一種好的解決方案是將低溫等離子體殺菌技術(shù)與其他殺菌技術(shù)結(jié)合使用，結(jié)合多種殺菌方法，解決食品殺菌中出現(xiàn)的各類問題。

對食品的殺菌，一方面要注重其殺菌效率，另一方面要重視殺菌對食品的品質(zhì)影響和安全性。熱力滅菌殺菌效果雖好，但對食品的品質(zhì)影響和營養(yǎng)成分破壞較大。化學(xué)殺菌嚴重影響食品的原有風(fēng)味，而且最大的問題是化學(xué)殺菌劑的殘留對人體造成潛在危害。該研究對應(yīng)用輝光放電低溫等離子體殺菌前后的幾項評價指標(biāo)進行比較發(fā)現(xiàn)，橙汁中維生素C下降了9.5%，說明等離子體對橙汁中維生素C造成了輕微破壞。但是殺菌前后食品的過氧化值、酸價2個指標(biāo)沒有明顯變化，說明低溫等離子體殺菌方法不會使食品氧化，其低溫特點也不會使油脂受熱水解發(fā)生酸敗。通過3個評價指標(biāo)的比較，可以初步說明輝光放電低溫等離子體技術(shù)用于食品殺菌的安全性。當(dāng)然，判斷低溫等離子體殺菌技術(shù)對食品的品質(zhì)評價，還需對更多指標(biāo)進行測定。

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摘要[目的]探討輝光放電低溫等離子體技術(shù)對不同類型食品的殺菌效果，同時對殺菌后的食品品質(zhì)變化進行評價。[方法]應(yīng)用輝光放電低溫等離子體技術(shù)對魚肉、奶粉、牛奶、淀粉、橙汁5種食品進行殺菌試驗，對殺菌前后魚片的過氧化值和酸價、橙汁飲料的維生素C含量進行比較分析。[結(jié)果]輝光放電低溫等離子體技術(shù)對5種不同類型食品均具有明顯的殺菌作用，但不能將細菌全部殺滅；對魚片的過氧化值、酸價沒有顯著影響，對橙汁飲料中的維生素C略有影響。[結(jié)論]輝光放電低溫等離子體技術(shù)對食品具有明顯的殺菌效果，其優(yōu)勢是綠色、安全、環(huán)保。

關(guān)鍵詞低溫等離子體；輝光放電；食品；殺菌；品質(zhì)

Sterilization of Several Foods by Glow Discharge Low Temperature Plasma and Its Effects on Food Quality

LI Zhao-Jie1，LIU Xiao-Jing2，YANG Li-Jun1et al(1.Weihai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Weihai，Shandong 264205; 2.Weihai Vocational College，Weihai，Shandong 264210)

Abstract[Objective] To discuss the sterilization effects of low temperature plasma by glow discharge on fish，milk powder，milk，amylum and orange juice，and to evaluate the differences of food quality after sterilization.[Method] Five kinds of foods were sterilized by low temperature plasma by glow discharge.Meanwhile，the parameters of the peroxide value and acid value of fish，the content of vitamine C before and after sterilization were compared statistically.[Result] After sterilization，bacteria in five different types of foods decreased obviously to a certain extent，but not completely.There were no significant differences in the peroxide value and acid value of fish before and after sterilization，and just a little decrease in vitamine C of orange juice.[Conclusion] Low temperature plasma by glow discharge is an effective tool of food sterilization，with the advantages of greenness，safety and environmental protection.

Key wordsLow temperature plasma; Glow discharge; Food; Sterillization; Quality

收稿日期2015-04-28

作者簡介李兆杰(1981- )，男，山東安丘人，高級工程師，博士，從事食品檢測方法研究。

基金項目國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科研項目(2012IK179，2010IK151，2011IK221)；山東出入境檢驗檢疫局科研項目(SK201217)。

中圖分類號S-03

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-310-03