等離子體活化水在食品工業(yè)中應(yīng)用研究進(jìn)展

康超娣,相啟森,劉 驍,栗俊廣,張 華,白艷紅

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450001)

近年來,大氣壓低溫等離子體技術(shù)日臻成熟,在食品非熱殺菌[1]、食品內(nèi)源酶失活[2]、農(nóng)藥殘留降解[3]等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-6]。然而由于食品原料形狀的不規(guī)則性,現(xiàn)有的大氣壓低溫等離子體技術(shù)在處理均勻性等方面還未達(dá)到理想的效果。目前,國(guó)內(nèi)外最新研究已將水作為大氣壓低溫等離子體的中間媒質(zhì)來對(duì)食品進(jìn)行處理。等離子體活化水(Plasma-activated water,PAW)也稱為等離子體處理水(Plasma-treated water,PTW),是指通過在水中或水表面進(jìn)行等離子體放電而得到的液體。研究證實(shí),PAW具有良好的殺菌作用[7-8]。由于溶液具有良好的均勻性和流動(dòng)性,PAW克服了大氣壓低溫等離子體技術(shù)作用不均勻等技術(shù)缺陷,其在食品生產(chǎn)和安全控制領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-8]。

本文綜合分析了PAW的制備方法及其在食品殺菌保鮮、生物被膜控制、肉制品保鮮護(hù)色、芽苗菜生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展,初步探討了PAW的作用機(jī)制,并討論了PAW研究中有待解決的問題和發(fā)展方向,對(duì)今后PAW技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究有一定指導(dǎo)作用。

1 PAW的制備方法和理化特性

1.1 PAW的制備方法

目前,PAW主要通過在水表面或水下進(jìn)行大氣壓氣體放電來制備。理論上講,能夠產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的方法均可用于PAW的制備。考慮到制備量和安全性,在實(shí)際研究中使用較多的主要包括介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge,DBD)、表面介質(zhì)阻擋放電(Surface dielectric barrier discharge,SDBD)、大氣壓等離子體射流(Atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等[7-8](圖1)。如圖1a所示,DBD裝置包括兩個(gè)平行金屬電極,其中至少一個(gè)覆蓋絕緣介質(zhì)(作用是阻擋貫穿兩個(gè)電極的放電通道)。當(dāng)兩個(gè)電極上施加了足夠高的交流電壓時(shí),電極間的氣體被激發(fā)而產(chǎn)生等離子體,形成的等離子體擴(kuò)散進(jìn)入蒸餾水中而得到PAW。SDBD 裝置與DBD裝置類似,主要特點(diǎn)是由多組電極組成(圖1b)。APPJ裝置是由一個(gè)圓柱體的金屬射頻(RF)電極和圓筒狀的金屬接地電極構(gòu)成。在高電壓作用下,氣體通過上述兩個(gè)共軸電極之間的縫隙時(shí)被電離而產(chǎn)生等離子體;在氣體壓力的推動(dòng)作用下,產(chǎn)生的等離子體由噴口向外噴出并與蒸餾水接觸而得到PAW(圖1c)。

圖1 等離子體活化水產(chǎn)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the producing systems of plasma-activated water

1.2 PAW理化特性

在等離子體放電過程中,PAW中產(chǎn)生了大量的活性化學(xué)物質(zhì),并顯著影響其pH、氧化還原電位、電導(dǎo)率等理化指標(biāo)。

圖2 氣體等離子體與水溶液相互作用中產(chǎn)生的活性物質(zhì)和機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of some of the reactive species and mechanisms in the plasma-liquid interaction

1.2.3 氧化還原電位 氧化還原電位(Oxidation reduction potential,ORP)是表征水溶液氧化還原能力的重要指標(biāo),與其中含有的活性氧、活性氮等物質(zhì)有關(guān)。研究表明,等離子體處理能夠顯著升高水溶液的ORP,例如經(jīng)放電5 min和10 min所得PAW的ORP分別為350 mV和550 mV,均顯著高于對(duì)照組(約270 mV)[14-15]。

1.2.4 電導(dǎo)率 由于產(chǎn)生了大量的水溶性化學(xué)物質(zhì),PAW的電導(dǎo)率一般隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著升高[14-15]。

2 PAW在果蔬殺菌保鮮中的應(yīng)用

2.1 PAW對(duì)果蔬的殺菌保鮮作用

最新研究表明,PAW具有廣譜殺菌特性,能夠有效殺滅存在于環(huán)境和食品中的釀酒酵母、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等食品腐敗菌和食源性致病菌[15,17-21]。目前,對(duì)PAW在食品殺菌保鮮領(lǐng)域的研究多集中于果蔬產(chǎn)品,尚無應(yīng)用于肉制品、禽蛋制品等的研究報(bào)道。Guo等研究表明,PAW浸泡處理能夠有效殺滅葡萄、草莓、雙孢蘑菇等表面的微生物并顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品的儲(chǔ)藏期,而對(duì)果蔬產(chǎn)品的色澤、硬度、pH和抗氧化能力等理化指標(biāo)無顯著影響[15,20-21](見表1)。上述文獻(xiàn)中的研究結(jié)果表明,PAW處理既能有效殺滅消除生鮮食品上的微生物,又能抑制并延緩生鮮食品腐敗變質(zhì),在食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 PAW在食品殺菌保鮮的應(yīng)用Table 1 Applications of PAW in the sterilization and preservation of foods

2.2 PAW殺菌機(jī)制

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PAW殺菌機(jī)理進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,并提出了若干不同的觀點(diǎn)。研究證實(shí),PAW含有的H2O2等活性物質(zhì)能夠穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,通過損傷DNA、蛋白質(zhì)等引發(fā)氧化應(yīng)激等途徑而殺死微生物[3]。此外,等離子體處理引發(fā)的溶液酸化(pH降低)和ORP升高也可能是PAW發(fā)揮殺菌作用的重要機(jī)制之一[1]。例如,pH是影響氫過氧自由基(HOO·)解離平衡的重要因素。當(dāng)pH低于HOO·的酸解離常數(shù)(4.88)時(shí),將促進(jìn)HOO·的形成;HOO·具有很強(qiáng)的氧化性并能繼續(xù)反應(yīng)生成H2O2,能夠引發(fā)細(xì)胞發(fā)生氧化損傷[14,22-23]。

式(1)

式(2)

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PAW殺菌機(jī)理尚未得到統(tǒng)一的觀點(diǎn),甚至存在較大的爭(zhēng)論。例如Chen等發(fā)現(xiàn)在以空氣為載氣進(jìn)行放電所制備的PAW中銅離子和鋅離子濃度隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著升高;考慮到銅離子和鋅離子均具有一定的殺菌作用,因此作者推測(cè)電極腐蝕釋放到PAW中的金屬離子可能在其殺菌過程中發(fā)揮了一定的作用[24]。

3 PAW對(duì)細(xì)菌生物被膜的失活作用

細(xì)菌生物被膜(Bacterial biofilm)是自然條件下細(xì)菌細(xì)胞包裹在自身產(chǎn)生的多聚物基質(zhì)內(nèi)并粘附于惰性的或者生物物體表面,形成的具有一定結(jié)構(gòu)性的細(xì)菌群體[25-26]。在食品工業(yè)中,食源性病原菌和腐敗菌能夠在食品、食品加工設(shè)備、輸送管道、不銹鋼等表面形成生物被膜,成為食品生物性危害的潛在污染源[27]。研究結(jié)果表明,除顯著殺滅浮游生長(zhǎng)的微生物以外,PAW也能夠有效清除多種細(xì)菌的生物被膜[24,28-31]。Chen等報(bào)道,PAW能夠通過裂解細(xì)胞膜等途徑有效殺滅大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物被膜,但對(duì)其生物量無顯著影響[28]。與Chen等[28]研究結(jié)果類似,Pan等發(fā)現(xiàn)經(jīng)PAW處理5 min后,第5 d形成的糞腸球菌(E.faecalis)成熟生物被膜被完全失活,其作用機(jī)制可能與其含有的活性氧/活性氮有關(guān)[31]。與漂白粉、過氧乙酸、二氧化氯等傳統(tǒng)化學(xué)消毒劑和殺菌劑相比,PAW具有無化學(xué)殘留、安全高效等優(yōu)點(diǎn),有望應(yīng)用于食品設(shè)備、輸送管道等食品接觸面中細(xì)菌生物被膜的清除和控制。

4 PAW對(duì)肉制品的保鮮和護(hù)色作用

N2+e→N+N+e

式(3)

N+O2→NO+H

式(4)

NO+O3→NO2+O2

式(5)

式(6)

式(7)

研究證實(shí),在乳化型香腸、肉糜等中添加PAW能夠發(fā)揮良好的保鮮和護(hù)色作用[8,32-33]。在真空包裝和80 ℃水浴加熱30 min后,PAW處理組豬肉糜(PAW添加量約為20%,W/W)的亮度(L*)和黃度(b*值)與亞硝酸鈉處理組(添加量約為1.2%,W/W)和空白組無顯著性差異,但其紅度(a*)顯著低于亞硝酸鈉處理組并顯著高于空白組(p<0.05)[32]。Jung等報(bào)道,在乳化型香腸制備過程中添加9%(W/W)的PAW并于4 ℃儲(chǔ)藏28 d后,PAW處理組總需氧菌數(shù)與亞硝酸鈉處理組類似,均顯著低于空白組(p<0.05);4 ℃儲(chǔ)藏28 d后,與亞硝酸鈉處理組相比,PAW處理組香腸的亮度(L*)顯著升高,而紅度(a*)、黃度(b*值)和亞硝酸鈉殘留量均顯著降低(p<0.05),而色澤、風(fēng)味、彈性、總接受性等感官得分均高于亞硝酸鈉處理組(p>0.05)[8]。綜上所述,作為一種亞硝酸鹽的替代品,PAW在肉制品加工和安全控制方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景,但其安全性、穩(wěn)定性等問題仍需深入研究[34]。

5 PAW在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

芽苗菜以豆類或谷類種子所儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為基礎(chǔ),浸泡一定時(shí)間然后定期淋澆,使種子萌發(fā)然后生長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度所獲得的幼苗,具有風(fēng)味獨(dú)特、口感脆嫩、生育周期短、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高等優(yōu)點(diǎn)。研究證實(shí),適當(dāng)?shù)牡蜏氐入x子處理或PAW均能夠促進(jìn)大豆、綠豆、蘿卜、黑麥等種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)[35-39]。Zhang等發(fā)發(fā)現(xiàn),在處理時(shí)間為2 min時(shí),電壓為17.3 kV的DBD等離子體處理能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長(zhǎng),但繼續(xù)升高電壓至22.1 kV,黃豆芽的生長(zhǎng)反而受到抑制;在電壓為22.1 kV 時(shí),DBD等離子體處理12～60 s能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長(zhǎng),但當(dāng)處理時(shí)間超過2 min時(shí)黃豆芽的生長(zhǎng)則受到顯著抑制,表明等離子體處理對(duì)種子的生長(zhǎng)具有雙重作用[35]。Naumova等研究表明,PAW能夠促進(jìn)黑麥的萌發(fā)和生長(zhǎng),放電5 min所制備的PAW處理組黑麥發(fā)芽率、根和胚芽鞘長(zhǎng)度約分別是自來水處理組黑麥種子的1.5倍、2倍和1.5倍[38]。與Naumova等研究結(jié)果類似,Kim等采用DBD放電5 min制備的PAW來生產(chǎn)黃豆芽,發(fā)現(xiàn)與自來水相比,PAW處理能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長(zhǎng)并抑制其表面微生物數(shù)量;與自來水處理組相比,PAW處理組豆芽子葉、下胚軸和根中維生素C含量分別提高了5.5%(p<0.05)、11.0%(p<0.05)和9.2%(p>0.05),同時(shí)其子葉、下胚軸和根部中γ-氨基丁酸、天冬酰胺、絲氨酸等氨基酸含量也均顯著高于自來水處理組(p<0.05)[39]。類似于電解水,PAW促進(jìn)植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng),可能與其含有的活性氧和活性氮等物質(zhì)有關(guān)[35,40]。

綜上所述,適當(dāng)?shù)腜AW能夠促進(jìn)種子的發(fā)芽和生長(zhǎng),有效降低芽苗菜表面微生物數(shù)量并顯著升高維生素C、γ-氨基丁酸等營(yíng)養(yǎng)成分含量,在芽苗菜生產(chǎn)和安全控制方面具有較大的應(yīng)用前景。

6 前景與展望

目前,作為一種新型的環(huán)境友好型處理技術(shù),PAW具有處理范圍廣、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),在果蔬殺菌保鮮、肉制品保鮮護(hù)色、芽苗菜生產(chǎn)等食品生產(chǎn)與安全控制領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。目前,PAW相關(guān)研究存在作用機(jī)制不明確、多集中于實(shí)驗(yàn)室研究等問題。在今后的工作中,一方面應(yīng)該加強(qiáng)PAW活性組分生成機(jī)制及影響因素、作用機(jī)理等方面的基礎(chǔ)研究,同時(shí)還應(yīng)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)PAW的安全性;另一方面應(yīng)該加強(qiáng)PAW在食品原料殺菌保鮮、食品接觸面消毒等領(lǐng)域的應(yīng)用研究并評(píng)價(jià)其對(duì)食品感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響,從而推動(dòng)PAW在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

[1]Liao XY,Liu DH,Xiang QS,et al. Inactivation mechanisms of non-thermal plasma on microbes:A review[J]. Food Control,2017,75:83-91.

[2]Misra NN,Pankaj SK,Segat A,et al. Cold plasma interactions with enzymes in foods and model systems[J]. Innovative Trends in Food Science & Technology,2016,55:39-47.

[3]Sarangapani C,Misra NN,Milosavljevic V,et al. Pesticide degradation in water using atmospheric air cold plasma[J]. Journal of Water Process Engineering,2016,9:225-232.

[4]王佳媚,黃明明,喬維維,等. 冷源等離子體冷殺菌技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2015,17(5):55-62.

[5]Thirumdas R,Sarangapani C,Annapure US. Cold plasma:a novel non-thermal technology for food processing[J]. Food Biophysics,2015,10(1):1-11.

[6]Mir SA,Shah MA,Mir MM. Understanding the role of plasma technology in food industry[J]. Food and Bioprocess Technology,2016,9(5):734-750.

[7]Zhang Q,Liang YD,Feng HQ,et al. A study of oxidative stress induced by non-thermal plasma-activated water for bacterial damage[J]. Applied Physics Letters,2013,102(20):203701.

[8]Jung S,Kim HJ,Park S,et al. The use of atmospheric pressure plasma-treated water as a source of nitrite for emulsion-type sausage[J]. Meat Science,2015,108:132-137.

[9]Bruggeman P,Leys C. Non-thermal plasmas in and in contact with liquids[J]. Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(5):053001.

[10]Bruggeman PJ,Kushner MJ,Locke BR,et al. Plasma-liquid interactions:a review and roadmap[J]. Plasma Sources Science and Technology,2016,25(5):053002.

[11]Samukawa S,Hori M,Rauf S,et al. The 2012 plasma roadmap[J]. Journal of Physics D:Applied Physics,2012,45(25):253001.

[12]孔剛玉,劉定新. 氣體等離子體與水溶液的相互作用研究—意義、挑戰(zhàn)與新進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù),2014,40(10):2956-2965.

[13]Chen ZT,Cheng XQ,Lin Li,et al. Cold atmospheric plasma discharged in water and its potential use in cancer therapy[J]. Journal of Physics D:Applied Physics,2016,50(1):015208.

[14]Zhang Q,Ma RN,Tian Y,et al. Sterilization efficiency of a novel electrochemical disinfectant againstStaphylococcusaureus[J]. Environmental Science & Technology,2016,50(6):3184-3192.

[15]Ma RN,Wang GM,Tian Y,et al. Non-thermal plasma-activated water inactivation of food-borne pathogen on fresh produce[J]. Journal of Hazardous Materials,2015,300:643-651.

[16]Park G,Ryu YH,Hong YJ,et al. Cellular and molecular responses ofNeurosporacrassato non-thermal plasma at atmospheric pressure[J]. Applied Physics Letters,2012,100(6):063703.

[17]沈瑾,王佳奇,張茜,等. 低溫等離子體活化水消毒相關(guān)性能研究[J]. 中國(guó)消毒學(xué)雜志,2017,34(4):300-302.

[18]王學(xué)揚(yáng),齊志華,宋穎,等. 等離子體放電活化生理鹽水殺菌應(yīng)用研究[J]. 物理學(xué)報(bào),2016,65(12):123301.

[19]葉幗嬪,張茜,潘紅,等. 低溫等離子體活性水對(duì)致病菌的作用[J]. 中國(guó)科學(xué):生命科學(xué),2013,43(8):679-684.

[20]Guo J,Huang K,Wang X,et al. Inactivation of yeast on grapes by plasma-activated water and its effects on quality attributes[J]. Journal of Food Protection,2017,80(2):225-230.

[21]Xu YY,Tian Y,Ma RN,et al. Effect of plasma activated water on the postharvest quality of button mushrooms,Agaricusbisporus[J]. Food chemistry,2016,197(Pt A):436-444.

[22]Liu FX,Sun P,Bai N,et al. Inactivation of bacteria in an aqueous environment by a direct-current,cold-atmospheric-pressure air plasma microjet[J]. Plasma Processes and Polymers,2010,7(3-4):231-236.

[23]Zhang Q,Zhuang J,von Woedtke T,et al. Synergistic antibacterial effects of treatments with low temperature plasma jet and pulsed electric fields[J]. Applied Physics Letters,2014,105(10),104103.

[24]Chen TP,Liang JF,Su TL. Plasma-activated water:antibacterial activity and artifacts?[J]. Environmental Science and Pollution Research,2017-05-24,DOI:10.1007/S11356-017-9169-0.

[25]Flemming HC,Wingender J,Szewzyk U,et al. Biofilms:an emergent form of bacterial life[J]. Nature Reviews Microbiology,2016,14(9):563-575.

[26]Costerton JW,Stewart PS,Greenberg EP. Bacterial biofilms:a common cause of persistent infections[J]. Science,1999,284(5418):1318-1322.

[27]李燕杰,杜冰,董吉林,等. 食品中細(xì)菌生物被膜及其形成機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代食品科技,2009,25(4):435-438.

[28]Chen TP,Su TL,Liang JF. Plasma-activated solutions for bacteria and biofilm inactivation[J]. Current Bioactive Compounds,2017,13(1):59-65.

[29]Brelles-Mario G. Challenges in biofilm inactivation:The use of cold plasma as a new approach[J]. Journal of Bioprocessing & Biotechniques,2012,2:e107.

[30]Kamgang-Youbi G,Herry JM,Bellon-Fontaine MN,et al. Evidence of temporal postdischarge decontamination of bacteria by gliding electric discharges:application toHafniaalvei[J]. Applied and Environmental Microbiology,2007,73(15):4791-4796.

[31]Pan J,Li YL,Liu CM,et al. Investigation of cold atmospheric plasma-activated water for the dental unit waterline system contamination and safety evaluationinvitro[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing,2017,37(4):1091-1103.

[32]Jung S,Kim HJ,Park S,et al. Color developing capacity of plasma-treated water as a source of nitrite for meat curing[J]. Korean Journal for Food Science of Animal Resources,2015,35(5):703-706.

[33]Jung S,Lee J,Lim Y,et al. Direct infusion of nitrite into meat batter by atmospheric pressure plasma treatment[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2017,39:113-118.

[34]Foster J,Sommers BS,Gucker SN,et al. Perspectives on the interaction of plasmas with liquid water for water purification[J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2012,40(5):1311-1323.

[35]Zhang JJ,Jo JO,Huynh DL,et al. Growth-inducing effects of argon plasma on soybean sprouts via the regulation of demethylation levels of energy metabolism-related genes[J]. Scientific Reports,2017,7:41917.

[36]Zhou RW,Zhou RS,Zhang XH,et al. Effects of atmospheric-pressure N2,He,Air,and O2microplasmas on mung bean seed germination and seedling growth[J]. Scientific Reports,2016,6:32603.

[37]Sivachandiran L,Khacef A. Enhanced seed germination and plant growth by atmospheric pressure cold air plasma:combined effect of seed and water treatment[J]. RSC Advances,2017,7:1822-1832.

[38]Naumova IK,Maksimov AI,Khlyustova AV. Stimulation of the germinability of seeds and germ growth under treatment with plasma-activated water[J]. Surface Engineering and Applied Electrochemistry,2011,47(3):263-265.

[39]Kim YJ,Lee EJ,Koo OK,et al. Bean sprout cultivation method using plasma-discharged water,apparatus for generating plasma active species for water treatment for non-heat sterilization,and method for using same:WO2017082691 A1[P]. 2017-05-18[2017-06-25]. http://www.google.com/patents/WO2017082691A1?cl=en

[40]劉瑞,張冬晨,辰巳英三,等. 電生功能水在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 食品科技,2014,39(6):93-97.