低溫等離子體殺菌技術研究現狀

◎ 許童桐，黨慶秋

（1.四川工商職業技術學院，四川 都江堰 611830；2.四川輕化工大學，四川 宜賓 644000）

過去食品的滅菌方法常用高熱滅菌，此法會造成一些不利于食品品質的反應發生，如蛋白質凝固和核酸變性。甚至有些食品經進一步加溫后會在高溫作用下分解，發生顏色的改變，以及水分和維生素的流失。近代出現了巴斯德消毒法，但此法嚴格的保存方式和短暫的保存時間使其不能在食品中得到廣泛運用。隨著工業的發展，食品污染途徑也在迅速增加，故而保持食品風味的同時做到高效率滅菌是現代食品企業進一步發展突破的機遇。近年來倡導的低溫等離子體滅菌可能將成為下一個值得研究推廣的滅菌方式。

1 等離子體概述

1.1 等離子體的概念

在人們的常識中物質有3 態，分別為氣態、液態和固態。此外還有第四類不常為人熟知的物質狀態，這一類物質狀態被稱為“等離子體”。它由正離子和游離電子構成，通常不帶電但具有非常強的導電性，是一種新興的殺菌介質。目前熟知的等離子體有太陽或者其他恒星表面的氣層。因當強電流通過時，電磁作用會引發產生劇烈的收縮，所以，現如今人們通常通過電場和磁場來產生利用等離子體。

1.2 等離子體的分類

等離子體按照是否達到熱平衡，可分為兩類，一類是熱平衡等離子體，另一類是非熱平衡等離子體。利用其電子、離子和中性粒子相對溫度的區別與不同點，當等離子體的電子、離子和中性粒子處于相等的溫度，即上述的熱平衡狀態時，稱它為高溫等離子體。相反，當其電子有幾千攝氏度的超高溫，而粒子和中性粒子的溫度遠低于電子，有時候可以接近于日常室溫，即上述非熱平衡的等離子體，又稱它為冷等離子體。因為在常溫下可以利用，故低溫等離子體滅菌在食品滅菌領域有極高的研究價值和未來前景。

1.3 低溫等離子體殺菌

對低溫等離子體建立起可以作為滅菌技術手段的認知，最初來源于1968 年Menashi 的報告。在這一次報告中使用到了等離子滅菌技術來消滅玻璃瓶上的細菌，而等離子體是用氬等離子體。在這以后，人們對等離子滅菌逐步了解，并逐步運用于現代輕工業、醫療業和食品工業中。

1.4 關于低溫等離子體殺菌機理的幾種假說

目前，學界還未能準確了解低溫等離子體完整的殺菌機制。主要流行的3 種關于反應機制的假說[1-3]：①制造強磁場產生等離子體時產生的一些紫外線，會引起微生物細胞核中的基因組發生改變，而改變來源于DNA 的堿基。紫外線下堿基形成嘧啶二聚體，最后導致微生物死亡，達成滅菌。②自由基導致了微生物組分發生改變，并最后使得微生物死亡，而等離子體殺菌過程可以生成各類化學活性物質，即自由基。③產生等離子體時，產生的紫外光中有著相當含量的紫外光子，這些紫外光子可以使微生物中一些細胞分子的化學鍵斷鍵，最終生成一些揮發性物質，例如一氧化碳（CO）、碳氫化合物（CHx）等。

2 低溫等離子殺菌成分與輻照殺菌技術的區別與聯系

由上述可以知道低溫等離子殺菌的一些殺菌成分分別為紫外線、紫外光子、自由基和等離子產生帶電粒子。有研究比較了電鏡下低溫等離子殺菌后的細菌與病毒，發現二者的電鏡圖像均呈現有許多擊穿孔，研究者推論低溫等離子滅菌離不開高動能的離子以及電子運動[4]。

青莉芳等指出輻照滅菌主要是利用電磁波，且主要有3 種不同輻照可以針對不同種類的食品進行滅菌[5]。它與低溫等離子滅菌相比，相同之處是利用破壞化學鍵的方法使微生物失活，并且高效、無殘留、無毒性。差別在于，輻照滅菌的方式單一，多利用射線產生的低于10 MeV 的電子束來進行輻照滅菌。

3 低溫等離子體在食品殺菌中的應用

近年來，Dobrynin 等人研究可控制一氧化氮注入生物介質和活細胞，證明等離子體有助于食品保鮮[6]。馬虹兵等也利用電場滅殺液體中的沙門氏菌以及大腸埃希氏菌，以此證明等離子體滅菌在液體食品滅菌中同樣具有可行性[7]。以下研究者也從各個方面研究了低溫等離子滅菌技術在食品中的應用。

（1）林向陽等人研究低溫等離子滅菌技術在液體食品中的運用[8]。實驗表明液體食品中含有的細菌可在常溫情況下短時間內被低溫等離子體滅殺，且實驗結果顯示，與作為對照組的低溫殺菌以及高溫殺菌等技術相比，低溫等離子殺菌技術最優。與空白對照相比，實驗組橙汁和牛奶含有細菌總數下降，產品的維生素C 氧化值極低，并且這項技術低能耗，相同分量下每毫升橙汁或者牛奶只消耗1 ～2 J 的能量。

（2）劉傳林等人對分裝式低溫等離子體減壓保鮮技術進行了研究[9]。實驗表明，這項技術在常溫下可以運用并且可以有效調節濕度有利于保藏，而等離子體的成分作用于食品內部和表面，梳理了不利于保藏的乙烯氣體，也使得病原菌死亡，對農藥殘留也有調節降低作用。其作用后的果蔬類農產品保鮮期因為產品品種差異，可以達到90 ～150 d，而其檢驗運輸后貨架銷售期為7 ～10 d。

（3）張志偉等人通過實驗比較不同的電壓、時間、極距對大氣壓下低溫等離子體對鮮切胡蘿卜表面的金黃色葡萄球菌滅菌效果的影響[10]。實驗結果表明，低溫等離子體殺菌的殺菌率與處理電壓和處理時間成正比，但是與處理極距成反比，實驗通過響應面法證明其所建立模型可以運用于實際生產殺菌。

（4）張建浩等人研究低溫等離子體技術處理牛肉[11]。處理10 d 的牛肉重新檢測表明，低溫等離子殺菌技術能夠明顯延長鮮牛肉的貨架銷售期，低溫等離子體技術有效抑制了有害微生物的繁殖。與氣調包裝組對比也說明處理后的牛肉不僅健康安全而且對色澤等感官影響微弱，說明在肉制品的食品滅菌領域低溫等離子體滅菌也是一項值得探索研究的新技術。

4 低溫等離子體殺菌的優點與問題

4.1 低溫等離子體殺菌技術的優點

低溫等離子體技術作為一項殺菌技術，在食品工業生產中有著巨大的優勢和潛力，并且在國外相關企業的實際生產中也得到了很好的運用。技術的優勢主要體現在：①可以在常溫下運用，對于不便高溫滅菌的食品提供了優良的滅菌技術。②利用等離子體滅菌，其氣體循環也有利于帶走滅菌廢物和滅菌造成的生物殘留。③由于等離子體被嚴格約束在密閉空間中，故而相較于高溫滅菌，低溫等離子體滅菌技術也較為安全。④滅菌速度快、滅菌效率高。⑤綠色無污染，高效環保。低溫等離子體技術與諸多舊技術相比，彌補了很多的缺點與不足，非常值得研究推廣。

4.2 低溫等離子體殺菌技術目前存在的主要問題

現階段，低溫等離子體技術不能在我國食品滅菌領域普及推廣的原因，一方面是新技術，企業需要更多研究依據從而研究論證其對生產者和消費者的安全性，另一方面是這項技術的工業機械化研究需要大量的資金和設備支持。最后另外，該技術雖然優點眾多，但是其本身也有一定的局限性，張建浩等指出低溫等離子滅菌中等離子體穿透性較低，加工中其他設備和加工環節也可能影響殺菌效果，如果采用低溫等離子滅菌，諸多關聯環節也需要改進、重新設計，這對其滅菌普及造成了相當大程度的影響[12]。而楊新文等人研究等離子技術滅菌后食品品質的變化，也表明了雖然等離子滅菌后的食品色澤穩定性較好，但蛋白質結構受損明顯[13]。

5 結語

隨著科技的不斷發展，技術的不斷推陳出新，低溫等離子體滅菌技術一定可以因為其對食品感官風味和營養成分的優良保留特點凸顯更大的實踐價值。在此對這項技術未來的研究提出一些期待：①加大對其滅菌機制的研究，得到令大部分人信服的觀點結論。②研究這項技術運用食品后對食用者健康的影響，為這項技術提供相關的安全性支持。③研究這項技術在食品工業中的設備改良和相關設備的設計。④研究這項滅菌技術中食品的厚薄通透性對滅菌效果的影響，為企業的利用效率和為實踐指導方向。