基于低溫等離子體技術(shù)的果蔬生鮮殺菌保鮮研究進(jìn)展

徐文慧，周錦云，蔡靜，張俊

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品采后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310021)

果蔬生鮮由于營養(yǎng)豐富、口感良好、風(fēng)味獨(dú)特而受到消費(fèi)者的喜愛。傳統(tǒng)的生鮮保鮮技術(shù)主要以裸露或覆蓋保鮮膜置于冷柜中冷藏的方法來延緩發(fā)生腐敗的時間。常用的果蔬保鮮技術(shù)以氣調(diào)保鮮為主[1]，根據(jù)果蔬貯藏要求，通過調(diào)節(jié)環(huán)境氣體成分比例，抑制果蔬呼吸，延緩代謝，從而保持果蔬品質(zhì)。雖然這些保鮮技術(shù)可以有效地延長果蔬生鮮的貯藏期，但無法達(dá)到有效殺菌和解毒的目的，而其他保鮮技術(shù)也存在著諸如設(shè)備成本過高、營養(yǎng)破壞、殺菌效率低等缺陷[2]。

低溫等離子體技術(shù)是新一代的高科技滅菌技術(shù)，它能克服現(xiàn)有滅菌方法的一些局限和不足之處，提高消毒滅菌效果。其體系主要以帶電粒子為主，受外加電場、磁場和電磁場的影響[3]，不但可以對果蔬生鮮產(chǎn)生有效的殺菌效果，而且不會影響果蔬生鮮的過氧化值和酸價，不會對營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。

介紹低溫等離子體技術(shù)殺菌保鮮的機(jī)理，對比常用果蔬生鮮保鮮技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述低溫等離子體技術(shù)在果蔬生鮮殺菌保鮮領(lǐng)域的研究進(jìn)展，探討低溫等離子體技術(shù)對果蔬生鮮的實(shí)用價值。

1 低溫等離子體技術(shù)的特點(diǎn)

低溫等離子體技術(shù)是近20年發(fā)展起來的新型高級氧化技術(shù)[5]。它不同于一般的中性氣體，主要以帶電粒子為主，受外加電場、磁場和電磁場的影響，具有獨(dú)特的光、熱、電等物理性質(zhì)[6]，可以產(chǎn)生多種物理過程和化學(xué)反應(yīng)，主要產(chǎn)生高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光解3方面的協(xié)同作用。

高能電子輻射作用[7-8]。低溫等離子體內(nèi)的高能電子轟擊水溶液，使水分子發(fā)生電離，激發(fā)生成反應(yīng)能力極強(qiáng)的物質(zhì)，并通過反應(yīng)生成游離氧、臭氧和自由基。這些活性基團(tuán)易攻擊有機(jī)分子，通過一系列的反應(yīng)使其分解為小分子。

臭氧氧化作用[9]。低溫等離子體產(chǎn)生的臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，溶于水后直接或由其分解產(chǎn)生的·OH氧化有機(jī)物，會使其徹底氧化為CO2、H2O和無機(jī)物。

紫外光解作用[10]。低溫等離子體產(chǎn)生的紫外光不僅能單獨(dú)分解物質(zhì)，還可與臭氧聯(lián)用。例如：分子+光子→激發(fā)態(tài)+能量→離子(游離基)+H2O+O2→新物質(zhì)。

低溫等離子體的產(chǎn)生方法主要有高壓脈沖放電法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法和滑動弧放電法[11-14]。高壓脈沖放電法：超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→與水分子碰撞→·OH+水生電子+重復(fù)沖擊波，超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→O2→O3+紫外光，類型有針-板式、點(diǎn)-板式、線-板式、環(huán)-筒式。介質(zhì)阻擋放電法：電極放電→富集粒子+電子+自由基+激發(fā)態(tài)原子(分子)→離解+電離反應(yīng)，類型有體(介質(zhì)阻擋放電)、面(介質(zhì)阻擋放電)、共板(介質(zhì)阻擋放電)。輝光放電法：直流放電→蒸汽鞘→高活性粒子(H·、·OH、O3、H2O2)。滑動弧放電法：大氣流→等離子體流→活性粒子+紫外光+高壓激波，類型有液相、氣相。

2 常見果蔬生鮮殺菌保鮮方式對比

殺菌保鮮是食品行業(yè)中一個非常重要的環(huán)節(jié)。常見的果蔬生鮮殺菌保鮮方式主要分為熱力殺菌法與非熱力殺菌法2大類。

2.1 熱力殺菌法

2.1.1 巴氏殺菌法

巴氏殺菌法也稱為低溫殺菌法、冷殺菌法[15]，是一種在較低的溫度既可殺死病菌又能保持物品中營養(yǎng)物質(zhì)風(fēng)味不變的滅菌法，主要應(yīng)用于營養(yǎng)成分在低熱環(huán)境下不容易發(fā)生分解的食物，如牛奶等，能夠較好地保持食物的營養(yǎng)物質(zhì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是滅菌溫度較低，時間較短；缺點(diǎn)是滅菌不徹底，對于耐熱性較好的微生物無法徹底殺滅[16]。

2.1.2 壓力蒸汽滅菌法

壓力蒸汽滅菌法是在密封空間中產(chǎn)生至少100 MPa的壓力，通過高溫蒸汽殺滅微生物的方法。通過使微生物細(xì)胞中的細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，讓微生物原有的生理活動能力遭到破壞，促使微生物死亡[17]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、滅菌效果好、無殘留；缺點(diǎn)是食品的營養(yǎng)物質(zhì)被破壞，成本高，安全性較低。

2.2 非熱力殺菌法

2.2.1 臭氧殺菌法

臭氧殺菌法是一種以空氣與水體為媒質(zhì)的溶菌級滅菌法[18]。通過臭氧的強(qiáng)氧化作用破壞微生物的細(xì)胞膜，阻礙其新陳代謝，改變膜的通透性，使得蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞溶解死亡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是殺菌迅速徹底，無二次殘留，且可快速自然分解為氧氣；缺點(diǎn)是臭氧有強(qiáng)烈的腥味，對鼻黏膜有刺激性，且自身性質(zhì)特殊，使用受限。

2.2.2 紫外殺菌法

紫外殺菌法是一種通過光的直線輻射傳播殺菌的滅菌法[19]。紫外線可對微生物進(jìn)行輻射，損傷、破壞其核酸的生理功能，使得微生物死亡[20]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是殺菌效果較好；缺點(diǎn)是紫外線輻射對人體有傷害，限制因素多，且對一些食品的風(fēng)味會有影響，不適用于不耐熱的食品。

2.2.3 微波殺菌法

微波殺菌法是指采用微波(頻率范圍300～300 000 MHz)照射殺滅微生物，是熱殺菌的一種[21]。通過對膜電位、極性分子結(jié)構(gòu)的改變，使得微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和生理活性物質(zhì)發(fā)生變異，喪失活力或死亡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是時間短，速度快，溫度低，安全可靠；缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴，對一些肉類食品的保鮮效果不明顯，對一些食品的營養(yǎng)成分有影響[22]，且自身存在限制性因素。

2.2.4 高壓脈沖殺菌法

高壓脈沖殺菌法是一種利用脈沖波瞬間使細(xì)胞破壁，造成膜電位紊亂[23]，對微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜造成破壞，使微生物失活的殺菌法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，效果好；缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，限制因素多。

3 低溫等離子體技術(shù)在果蔬生鮮殺菌保鮮中的應(yīng)用

低溫等離子體技術(shù)因其兼具高能電子輻射、臭氧氧化和光化學(xué)催化氧化3種作用而成為新一代的殺菌保鮮技術(shù)。該技術(shù)具有滅菌環(huán)境溫度要求低，省時、效率高、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在果蔬生鮮的殺菌保鮮中[24]。

3.1 果蔬

果蔬保鮮的主要環(huán)節(jié)是抑制果蔬呼吸，降低呼吸強(qiáng)度，延緩生理代謝，降低營養(yǎng)成分消耗，抑制微生物生長，從而延長貯藏期，保持果蔬品質(zhì)。

任翠榮等[25]利用低溫等離子體處理草莓，發(fā)現(xiàn)常壓低溫等離子體保鮮草莓的最優(yōu)條件為放電時間60 s、放電距離10 mm、處理電壓140 V、氣體流速1 L·h-1，感官評定發(fā)現(xiàn)，草莓的常溫保鮮期延長了2 d，為傳統(tǒng)常溫保鮮期的2倍。孫艷等[26]以鮮切果蔬的代表——黃瓜為原料，研究低溫等離子體在不同電壓、極距、時間條件下對大腸埃希菌的影響，結(jié)果表明：低溫等離子體對鮮切黃瓜表面的大腸埃希菌具有顯著的殺菌效果，且能夠較好地保持黃瓜的水分、糖度、酸度和顏色，不會對細(xì)胞膜造成損害，維持了細(xì)胞膜的通透性和脂質(zhì)氧化程度，保持了VC含量。王卓等[27]探究低溫等離子體對藍(lán)莓表面的殺菌作用發(fā)現(xiàn)，利用介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體在45 kV工作電壓下處理藍(lán)莓50 s，可使藍(lán)莓表面細(xì)菌和真菌數(shù)量下降，且可顯著抑制藍(lán)莓貯藏期間腐爛的發(fā)生。Critzer等[28]研究低溫等離子體對蘋果、哈密瓜和生菜表面的大腸埃希菌、傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞李斯特菌滅活的影響，結(jié)果表明，3種菌落在處理不同時間后種群減少。Matan等[29]利用低溫等離子體處理鮮切火龍果表面的病原菌發(fā)現(xiàn)，40 W時的大氣射頻等離子體能使其抑制鮮切火龍果表面所有病菌生長的效果提高5.0%，可以有效地抑制鮮切火龍果的病原菌生長，延長火龍果的貨架期。

低溫等離子體處理果蔬既保持了原來的感官品質(zhì)，又對其表面的微生物具有很好的抑制作用。相對于傳統(tǒng)的殺菌保鮮技術(shù)，低溫等離子體是一種新興的綠色滅菌技術(shù)，利用產(chǎn)生的自由基和活性成分可高效地殺滅細(xì)菌，維持果蔬品質(zhì)。

3.2 生鮮

生鮮由于含水量高且營養(yǎng)物質(zhì)豐富，適于微生物的生長和繁殖，極易發(fā)生腐敗。生鮮殺菌保鮮的關(guān)鍵是抑制微生物的生長，減緩蛋白質(zhì)的分解速度，減少氨和胺類物質(zhì)等堿性腐敗物質(zhì)的產(chǎn)生[30]，延緩生鮮的腐敗，延長保鮮時間。

斯興開等[31]利用低溫等離子體處理草魚魚肉，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可有效殺菌，并對草魚魚肉的新鮮程度無明顯負(fù)面影響，既可以保留栲膠獨(dú)有的生鮮風(fēng)味，又可有效降低生食水產(chǎn)品的風(fēng)險，顯著提高生食水產(chǎn)品的食用安全性。劉品[32]以南美白對蝦為研究對象，通過低溫等離子體技術(shù)處理后，對蝦體內(nèi)的多酚氧化酶活力降低，黑變速度下降。同時，低溫等離子體能有效抑制南美白對蝦細(xì)菌增長，使其貨架期在4 ℃冷藏條件下由4 d延長至6 d。喬維維等[33]研究發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體能有效降低牛肉細(xì)菌殘留量，且最佳殺菌工藝為電壓72 kV，處理時間86 s，O2、CO2和N2比例分別為35%、35%和30%。在此條件下，牛肉仍能保持較好的顏色，殺菌率為93.75%。黃明明等[34]利用低溫等離子體在72 kV條件下處理牛肉85 s，4 ℃條件下貯藏 10 d，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理后會顯著降低貯藏過程中牛肉的菌落含量，貯藏10 d的菌落總數(shù)顯著低于對照，假單胞菌、熱死索絲菌、乳酸菌微球菌和大腸埃希菌的數(shù)量也均低于對照組。R?d等[35]利用低溫等離子體處理牛肉干表面的單核增生性李斯特菌，隨著等離子體激發(fā)功率和時間延長，菌落總數(shù)能夠明顯降低。Patil等[36]利用低溫等離子體處理禽肉表皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌，也取得了積極效果。

低溫等離子體利用其自身機(jī)制優(yōu)勢，通過對生鮮表面殺菌、降解代謝產(chǎn)物和農(nóng)殘，達(dá)到了保鮮的效果[37]。其對生鮮的殺菌作用強(qiáng)，能有效地殺死或鈍化細(xì)菌、霉菌、酵母，及其他有害的微生物，甚至使孢子和生物菌膜失活[38]，能夠減緩腐敗菌在生鮮中的生長速度，保證運(yùn)輸和貯藏過程中生鮮的新鮮程度，在一定程度上延長生鮮的貨架期，同時對生鮮感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值的改變較小。

4 小結(jié)

在當(dāng)今食品加工領(lǐng)域，果蔬生鮮的保鮮、貯藏一直以來都是難以解決的問題，國內(nèi)外一直將該領(lǐng)域列為研究的重點(diǎn)[39]。低溫等離子體殺菌技術(shù)可以應(yīng)對多種類型的細(xì)菌、真菌、病毒，以及各種芽孢。不僅具有對滅菌環(huán)境溫度要求低、省時、效率高、不產(chǎn)生殘留物、殺菌全面等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了常見果蔬生鮮殺菌保鮮方法在安全性、經(jīng)濟(jì)性和效率等方面的缺點(diǎn)，是一種值得深入研究推廣的新型殺菌保鮮技術(shù)。