低溫等離子體在農產品加工保藏中應用的研究進展

鄭 哲，李 昌

（南昌大學, 食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌 330047）

低溫等離子體是一項新興的農產品非熱加工方式，對食品行業發展具有推動作用，因此受到了全球研究者的廣泛關注。低溫等離子技術可以用于包裝材料的加工處理，提高包裝材料的阻隔性能或者賦予包裝材料抗菌活性，從而延長食品的貨架期[1]。同時，低溫等離子體可以影響酶的活性，修飾食品基質功能特性，降解毒素和農藥，對農產品原材料進行滅菌等[2?3]。然而，該項技術目前還處在實驗室研究階段，在食品工業規模化生產中尚未得到充分的開發利用。本文介紹了等離子體的概況及其產生方式，分析了滅菌的影響因素和作用機理，分析了低溫等離子體用于真菌毒素降解以及食品包裝材料滅菌的現狀，闡述了等離子體技術的優點、存在的問題及未來展望。

1 等離子體的概念與分類

1.1 等離子體的概念

等離子體是一種導電流體，可以由任何中性氣體在高壓下電離為激發或未激發的分子、原子、自由電子、具有正負電荷的離子以及自由基等，整體呈電中性的狀態[4?5]。一般來說，供能將氣體分解成多種活性物質，然后進行激發、去激發和電離等反應[6]。在物理學上，等離子體又被稱為除固態、液態、氣態以外的物質的“第四種形態”。因為正負電荷數在數值上始終保持相等，故被稱為等離子體[7?8]。

1.2 等離子體的分類

1.2.1 按帶電粒子溫度高低分類 等離子體的發生過程伴隨能量傳遞，按照離子溫度與電子溫度是否達到熱平衡狀態以及等離子體的電離水平，等離子體可以分為高溫等離子體和低溫等離子體[9?10]。當電子溫度與離子溫度達到熱平衡狀態時，稱為高溫等離子體，也稱為熱力學平衡等離子體，此時體系中的氣體幾乎處于被完全電離的狀態；當電子溫度遠高于離子溫度，體系處于非熱平衡狀態時，體系中的氣體為輕度電離，故被稱為低溫等離子體，也稱為非熱力學平衡等離子體。在食品工業的應用中，低溫等離子體因為其在低溫食品加工中的潛在應用和特殊優勢而受到人們的廣泛關注。

1.2.2 按等離子體發生方式分類 目前，等離子體主要可以通過電場、加熱、高能射線等方式激發產生[11]。在實驗室研究，一般采用加速電子、離子或高能中性粒子的碰撞作用而產生電離氣體。低溫等離子體經常使用的發生系統包括介質阻擋放電、電暈放電、常壓輝光放電和滑動弧電弧放電[12?13]。

1.2.2.1 介質阻擋放電 介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）等離子體發生裝置是由混合主室、等離子體室和氣體循環模塊共同組成的放電系統。在放電間隙之間用塑料、石英或陶瓷等介質材料將兩個金屬電極分開，由于電荷的移動，電介質阻擋了火花的形成[14]，在放電間隙形成了等離子體。介質阻擋放電一般有三種形式：雙側介質阻擋放電、單側介質阻擋放電和中間介質阻擋放電。其組成結構如圖1(a～c)所示。DBD是目前食品研究中應用最廣泛的等離子體產生方式[15]。

圖1 介質阻擋放電等離子體裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of DBD plasma

1.2.2.2 電暈放電 電暈放電等離子體（Corona Discharge Plasma，CDP）通過不對稱的電極對產生，其中相對較高的電壓占據了一個電極區域，該區域的擊穿強度超過氣體的擊穿強度，因此在電極周圍形成了弱電離等離子體[16]。光輻射、離子流、中性分子流是電暈放電的能量進行材料表面作用的主要方式，工作頻率從Hz到MHz不等[17]。該技術成本低且操作簡便。電暈放電已被用于微生物凈化、表面處理、電沉淀法等多個方面（圖2）。

1.2.2.3 滑動電弧放電 滑動電弧放電（Glide Arc Discharge，GAD）是在一個反應器中產生的，該反應器含有兩個或兩個以上的發散金屬電極[18]。一般情況下，高壓電源在兩電極之間的最短間隙處進行擊穿，在氣體的推動下，滑動弧沿電極進行運動。當滑動弧的長度達到臨界長度時，電源無法提供足夠的能量來平衡等離子體柱的熱損失，因此滑動弧在這個階段迅速冷卻并熄滅，在最窄的電極間區域重新形成電弧，體系不斷循環并形成等離子體區域[19]。該技術對表面處理和液體處理均具有良好的適應性，并且已經被用于無機污染物分解、材料表面改性、廢水處理等多個領域（圖3）。

1.2.2.4 常壓輝光放電 常壓輝光放電（Atmospheric Glow Discharge, AGD）是在一個大氣壓下即可產生大量冷源等離子體的激發系統，它使用一個很大的間隔作為阻擋介質，用氦氣作為激發氣體。此系統中至少需要有一個電極被絕緣介質蓋住。啟動電源后，產生的帶電粒子會聚集在絕緣體表面，在絕緣介質間形成電勢差（圖4）。

2 低溫等離子體在農產品殺菌保藏中的應用及其機理

2.1 低溫等離子體在農產品殺菌保藏的應用

近年來農產品保藏越來越多的運用到了低溫等離子體技術。農產品保藏的目的是在不顯著改變產品的營養、感官特性的基礎上使微生物和酶失活，從而延長保藏期。研究表明，采用不同的激發設備和操作條件，產生的等離子體特性和滅菌效果也存在一定差異，一些果蔬及其加工產品經等離子體處理后，微生物均不同程度地減少（見表1）。

圖2 電暈放電等離子體裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of CD plasma

圖3 滑動電弧放電等離子體裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of GAD plasma

圖4 常壓輝光介質系統等離子體裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of glow discharge plasma

低溫等離子體技術作為一種非熱加工技術用于農產品的殺菌處理，具有許多獨特的優勢。相對于熱加工，低溫等離子體在農產品加工過程中對食品營養價值和感官性能的破壞較小[28]。等離子體殺菌作為一種新興的廣譜滅菌技術，可以殺滅多種食品有害微生物，從而達到農產品保鮮保藏的目的[29?30]。

2.2 低溫等離子體在農產品殺菌保藏中的作用機制

低溫等離子體在作用于農產品保藏時可以產生多種活性物質，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、自由基、紫外光子等。這些活性物質都可以作用于微生物細胞從而抑制微生物生長或造成細胞死亡，其作用機理見圖5[31]。本文分別從臭氧、自由基和紫外線三個方面進行探討。

2.2.1 臭氧 低溫等離子體體系中，氣體放電時會產生大量的活性氧化物（ROS）、活性氮化物（RNS）等活性物質[32]。其中以臭氧為例，它可以穿透細胞壁與微生物體內的不飽和鍵發生作用，從而使細胞膜受損導致新陳代謝受到影響[33]。Yusupov等[34]發現低溫常壓等離子體產生的ROS可作用于革蘭氏陽性細菌金黃色葡萄球菌肽聚糖，等離子體系中產生的O3和H2O2等使細菌肽聚糖的C-O、C-N和C-C化學鍵斷裂，最終造成細胞壁破損導致了細菌死亡。這一發現證明了活性氧化物可以直接氧化肽聚糖和磷脂雙分子層，破壞其中的關鍵化學鍵，最終導致細胞壁和細胞膜破裂[35]。沒有細胞膜的保護，O3就可以深入破壞膜內的蛋白質和多糖，從而影響細胞的代謝活動，使細胞死亡[36]。而Oshima等[37]研究發現大腸桿菌的染色體、核糖體和質粒DNA會因放電而分裂成小片段。在滑動電弧等離子體下的Erwinia菌株中也觀察到DNA的部分水解，這一結果證明了O3可以進一步與DNA作用并導致部分DNA的片段化。這些研究表明了O3用于微生物凈化的效果十分顯著，但是關于O3殺菌是否還受其他因素影響仍然需要進一步的深入探究。

圖5 低溫等離子殺菌示意圖[31]Fig.5 Schematic diagram of cold plasma sterilization[31]

2.2.2 自由基 除了臭氧等含氧活性物質，在低溫等離子體激發過程中，還產生了大量的自由基等其他活性組分。Trompeter等[38]認為在放電氣體中加入水蒸汽時的滅菌效果更好，可能是由于滅菌過程中形成了羥自由基和過氧化氫等自由基。低溫等離子體產生的羥基自由基的作用下，膜蛋白的化學修飾和降解也被認為是低溫等離子殺菌的一種途徑[32]。此外，Babaeva等[39]證實等離子體活性水中的亞硝酸根會在酸性條件下生成NO自由基，生成的自由基能滲透進入菌體內，從而起到殺菌作用。Kim等[40]研究證明了豬肉分別暴露于使用He和He + O2激發的等離子體裝置時，單核細胞增生李斯特氏菌的菌落總數均有不同程度的下降，經等離子體處理后其脂質氧化情況也顯著增強[41]。有研究證明了自由基可以與食品中的核酸、蛋白質、淀粉等大分子物質發生反應，對食品組分進行改性、修飾[42]，等離子體產生的自由基還可以擾亂微生物的正常功能[43?44]。處于等離子體中的微生物與自由基發生強烈的碰撞，且微生物細胞的表面損傷不能及時快速修復，最終導致了微生物的滅活。這種現象很好的解釋了微生物被等離子體迅速滅活的原因，這個過程被稱為“蝕刻”[45]。盡管不同自由基在穩定性、生物活性以及反應特性等方面有所不同，但它們都具有廣泛的抗菌活性[46]。

2.2.3 紫外輻射 在等離子體產生的過程中，有研究表明，不同波長的紫外光子使DNA鏈形成胸腺嘧啶堿基二聚物導致細胞死亡，此外紫外光還可以破壞蛋白質氨基酸的結構，使蛋白質失活[47]。Roth等[48]使用在253.7 nm處發射，功率密度為0.6 mW/cm2的低壓汞燈，發現等離子體中可以產生一定數量的短波滅菌紫外線（UV-C），這種光照是等離子體中殺菌的活性成分之一。Trompeter等[38]通過實驗發現紫外輻射能夠殺死枯草芽孢桿菌。通過對應用于食品的等離子體源的發射光譜的研究，Schneide[49?50]和Boudam等[51]的研究認為關于等離子體源的紫外線的具體殺菌效果取決于等離子體源的發生裝置、工作壓力和等離子體放電的規模等多種因素。Laroussi[52]認為等離子殺菌過程中有紫外輻射、電磁輻射和粒子輻射3種輻射，其中紫外線在波長230～240 nm的殺菌效果最好。關于紫外輻射在等離子體系中殺菌的機理，尤其是紫外光在等離子體滅菌過程中的具體效果以及最佳波長，目前仍沒有特別確切的結論，這也是未來工作中所需要進一步解決的關鍵問題。

2.3 影響等離子體殺菌保藏的因素

等離子體殺菌是一個復雜的過程，殺菌結果可能受到多種因素的影響。由于等離子體的激發條件不同，導致等離子體滅活微生物的程度也不同。本文主要分為內部因素和外部因素兩大方面進行分析。

2.3.1 內部因素 影響低溫等離子體處理效果的內部因素有等離子體誘導技術、處理電壓、極間距離等。例如，以不同等離子體誘導技術為例，所使用的激發氣體類型決定了殺菌過程中產生的活性物質的數量以及最終滅菌的效果，產生活性物質的種類還會受頻率和輸入電壓的影響[53]。此外，影響低溫等離子體工作效率的因素還有曝光方式。由于帶電粒子的特性以及它們與樣品的結合能力，直接接觸可以減少向基體傳遞熱量，進而提高等離子體殺菌的效率[54?55]。

2.3.2 外部因素 影響等離子體殺菌的外部因素主要與環境因素、物質形態等有關。例如，pH不同的食物對熱量、壓力和其他條件的反應不同。Muranyi等[56]的研究表明，在等離子體處理完成后，pH為5的蠟樣芽孢桿菌減少了4.7 log CFU/g，而pH為7的蠟樣芽孢桿菌減少了2.1 log CFU/g。此外，固體和液體食物基質與反應性物質的相互作用不同，大多數液體在處理過程中能夠蒸發并參與隨后的反應，固態物質則有不一樣的反應結果。

3 低溫等離子體在農產品脫除農殘和真菌毒素降解的應用

真菌毒素是產毒真菌在適當的環境條件下產生的有毒次生代謝產物。在食品衛生和飼料衛生領域，它們被稱為霉菌毒素[57]。霉菌毒素廣泛存在于花生、豆類、玉米、小麥等農產品中[58]。這些化合物在高溫下具有化學穩定性，在農產品加工過程中不會降解或很難降解。常規的農藥使用可以預防農作物的損失并且增加產量，但是農藥對多種生物甚至包括人類在內有潛在毒性。因此，在施用農藥期間需要采取最大程度的預防措施。近年來，大量研究表明低溫等離子體可以有效降解存在于農產品尤其是谷物中的真菌毒素以及農藥殘留等有害物質（見表2）。

表中的數據表明了低溫等離子體技術可以去除果蔬中的有毒化學物質，有效降解農藥，為高價值農產品的非熱加工及保藏提供了新方法。同樣，Ghorashi等在對開心果的研究中達67%的真菌降解率也說明低溫等離子體技術不僅可以作用于果蔬產品的加工保藏，在堅果保藏中對真菌毒素的降解同樣取得了較好的結果[61]。

基于這些研究的基礎上，低溫等離子體技術可以有效降解真菌毒素和農藥殘留。但是，目前對于降解產物的研究尚不完善，具體的產物類型以及降解產物是否具有毒性仍有待深入研究，等離子體用于降解真菌毒素和農藥殘留的作用機制及其影響因素也沒有準確定論。在將來，研究的重點是闡明降解的具體途徑和最終降解效果，探究降解產物是否具有毒性，以確保等離子作用過程不會損害食品質量。尤其是可以從等離子氣體的組成和目標農藥的性質結構等方面進行深入研究，以將低溫等離子體技術更多的應用于農產品的農殘脫除和真菌毒素降解。

表2 低溫等離子體在農產品脫除農殘和真菌毒素降解中的應用Table 2 Application of cold plasma in degradation of pesticide residues and mycotoxins

4 低溫等離子體在農產品包裝的應用

農產品包裝材料在產品保藏、運輸過程中保護產品不受外界環境的污染。低溫等離子體技術可以用于包裝材料的表面處理或進行表面改性，如清潔、涂層、印刷、涂裝和粘接等[63]。低溫等離子體可以快速和安全地對包裝材料進行滅菌，不會對材料的性能產生不利影響或留下殘留物。

低溫等離子體技術可以保持聚合物箔或層合板的密封性能，減少氣體（氧氣和二氧化碳）進入包裝材料，并在不留下殘留物的情況下去除污染物，實現對包裝內食品介質的冷殺菌。Pankaj等[64]對PLA薄膜包裝內的食品進行了殺菌處理，該研究表明等離子體處理對玻璃化轉變溫度和氧、水蒸氣滲透性等并沒有不利影響，從而避免了對食品的二次污染。低溫等離子體技術在食品包裝中的應用可以代替傳統的低效包裝材料的滅菌方法，為可降解食品包裝材料和食品凈化提供了一個新的節能方法，提供了未來的研究方向。宋穎等[65]在大氣條件下利用共面電極交替排列的方式在塑料袋的內表面產生低溫等離子體，在99%氦氣和1%氧氣條件下處理5 min，可以殺滅99.99% 的頑固真菌。低溫等離子體在包裝材料加工方面的技術突破尤其是阻隔性能的提高是不容忽視的，同時等離子體種類的滲透能力也需要更多深入的研究。Ehsan Moradi等[66]研究發現含有殼聚糖/聚乙烯的雙層薄膜與3%的精油混合并經等離子體處理后，殼聚糖膜的透氣性和透氧性均有所降低；與傳統雙層膜相比，大大延長了雞胸肉的貨架期，為低溫等離子體用于制備雙層抗菌膜，應用于家禽及其肉制品的貯藏提供了一種新型包裝思路，證明低溫等離子體在食品包裝和保鮮方面具有很大的潛力。等離子體技術可以沉積熱敏材料，是抗菌活性包裝新興領域的一個潛在選擇。通過對各種包裝材料的表面改性，對不同化合物的表面接枝和沉積，提高用于食品包裝的傳統聚合物的力學性能和阻隔性能[67]，有利于進一步優化薄膜的功能化包裝[68]。在不影響聚合物本體性能的情況下低溫等離子體可用于改變聚合物的表面粗糙度和組成。低溫等離子體技術在食品包裝材料處理方面具有很好的應用前景。

5 結論與展望

低溫等離子體技術作為一種新型非熱加工技術，相比于傳統的農產品加工保藏技術，具有溫和，高效，無破壞性，操作簡單等獨特優勢。在延長農產品貨架期，保障產品安全，研發新型包裝材料等領域具有十分廣闊的前景。但是相較于傳統的熱加工，等離子技術對于技術要求嚴格，成本也更高，所以該技術應用于工業化生產的普及度仍然不高。目前有關等離子體技術作用的機制還沒有十分完善的理論，對于農產品組分及其包裝材料改性的具體活性成分也尚且沒有定論，這導致其在工業化大生產中的推廣受到了限制。此外，由于等離子體的穿透力較弱，對于食品加工過程中的滅菌效果還有待于進行更深入的優化研究。

低溫等離子體是一個有多種成分所組成的復雜體系，在今后的研究中，可以著重于以下幾個方面進行探索與發展：a. 深入探究低溫等離子體的滅菌機制，采用多種方法對細菌化學成分的變化進行檢測，例如蛋白質的變性，DNA雙鍵的斷裂，細胞膜的成分變化等，為食品工業中的應用提供更加有力的理論依據。b. 分離出等離子體激發后的各種活性成分，分析對農產品組分的影響及其作用機制。以自由基為例，可以根據不同變量處理時產生主要自由基類型等進行分析，以便于為等離子體技術后期的研究提供參考。c. 針對食品工業研發適用于農產品保藏的低溫等離子體發生裝置和設備，探究最適宜的等離子滅菌的工藝參數，分析不同種類食品或不同環境下，不同暴露條件和處理時間、電壓等對保藏保鮮效果的影響，提高等離子體用于保藏機制的工作效率，降低成本。d. 低溫等離子體技術已經被應用于農產品的包裝材料的研究，在今后的工作中可以將低溫等離子體技術作為一種輔助手段，深入研究對包裝材料的表面改性，使用新型包裝從而最大程度上延長產品的貨架期。e. 加強低溫等離子體應用于農產品安全性的研究。可以采取一些合適的方法避免低溫等離子體處理對產品品質的影響，以更有效的保障食品安全。