低溫等離子體技術在食品殺菌中應用的研究進展

張關濤，張東杰,2,3, ，李 娟, ，王洪江，金露達，關宇航，徐敏琳

（1.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心，黑龍江大慶 163319；3.國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江大慶 163319）

隨著人民生活水平的提高，消費者不僅期望獲得值得信賴的安全食品，對食品新鮮度、風味和質地也提出了更高的要求。近年來，為了最大限度地保持食品營養價值，國內外科研工作者利用一系列非熱加工技術與裝備，深入研究食品加工從傳統“熱加工”向“冷加工”的變革與創新[1]。目前，新鮮果蔬、生鮮海鮮、肉及家禽制品等生鮮及熱敏性食品采用的傳統熱殺菌包裝技術，存在殺菌不徹底、破壞營養成分、消耗大量的人力、物力、財力以及產生二次污染等問題。針對這一問題，很多研究人員提出采用冷鏈物流貯藏，但由于微生物傳播途徑廣泛，仍有大量微生物繁殖引起食品腐敗變質。因此，食品工業正在尋求一種新型的冷殺菌技術來滿足消費者對食品新鮮度和安全性的要求。

低溫等離子體技術作為國際上一種最新的食品冷殺菌技術，利用食品周圍介質產生光電子、離子和自由基等活性物質，對食品中微生物的抑制和化學農藥的降解具有獨特的作用。與目前廣泛采用的熱源等殺菌技術相比，低溫等離子體技術在殺菌過程中具有安全、高效、產生的活性物質能高效殺菌且不易殘留等巨大優勢，特別適用于生鮮及熱敏性食品的冷殺菌。因此，研究低溫等離子體技術對生鮮食品的大規模開發，具有關鍵的技術突破和巨大的開發空間。本文以介紹低溫等離子體為出發點，系統地論述了低溫等離子體的形成機理和技術特點，分析影響其殺菌效率的因素及提高殺菌效率的技術條件，并在此基礎上著重從抑制微生物生長維持食品新鮮度，歸納了該技術在食品（新鮮果蔬、生鮮海鮮、肉及家禽制品等）中的應用，展望了該技術的應用發展趨勢，對提高低溫等離子體技術在食品工業中的應用具有重要的意義。

1 低溫等離子體的概述

1.1 等離子體的概念

等離子體（Plasma）是一種導電流體，它被稱為是繼傳統固體、液體和氣體之外的第四種物質狀態，理化性質與其它三種物質狀態截然不同，通常也稱其為“等離子態”[2]。等離子體可由任何中性氣體在外界高能量作用下電離為高能狀態的帶電粒子、中性粒子及各種自由基組成的高度電離的混合氣體，電離過程中，正負離子數值相等且總是以一種成對的方式出現，整體呈電中性狀態，故稱為等離子體[3-4]。

1.2 等離子體的分類

等離子體的發生過程伴隨能量傳遞，按照電離能力、離子和電子溫度的熱平衡狀態可分為高溫等離子體和低溫等離子體[5-6]。熱平衡狀態下，電子和離子溫度達106～108K，稱為高溫等離子體[7]。非熱平衡狀態下，離子溫度低于電子溫度且整個體系宏觀上表現為常溫[8-9]，稱為低溫等離子體。目前，通過加熱、電場、高能射線等方式可以激發產生等離子體[10]，根據其放電方式可分為常壓輝光放電（Atmospheric Glow Discharge, AGD）、電暈放電等離子體（Corona Discharge Plasma, CDP）、介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）和滑動電弧放電（Glide Arc Discharge, GAD）系統[11-12]。目前食品領域中，DBD為應用最廣泛的等離子體產生方式[13]。

2 低溫等離子體的形成機理及技術特點

低溫等離子體的形成機理可簡單表述為：O2、N2、CO2等中性氣體被施加足夠高的能量后克服分子間作用力，電離產生自由電子，周圍的原子或分子與電子發生碰撞，產生活性更高的激發態原子、離子以及自由電子。低溫等離子體形成機理圖見圖1所示。低溫等離子體技術作為一種新型的高級氧化技術，受外界電場和磁場的影響，伴隨著多種物理化學反應的發生，主要產生高能電子輻射（高能電子轟擊水溶液，使水分子發生電離，激發生成游離氧、臭氧和自由基等反應能力極強的物質）、臭氧氧化（臭氧作為強氧化劑，溶于水后會使有機物徹底氧化為CO2、H2O和無機物）、紫外光解（紫外光不僅能單獨分解物質，還可與臭氧聯用分解物質）三個方面的協同效應。通常，多種效應協同作用時其殺菌效果明顯優于單獨殺菌效應[14]。

圖 1 低溫等離子體形成機理[2]Fig.1 Cold plasma formation mechanism[2]

2.1 影響低溫等離子體技術殺菌效率的因素

低溫等離子體技術是一個復雜的過程，殺菌效果受到多種因素的影響。本文主要對處理參數、微生物特性及環境因素三方面進行分析。

2.1.1 處理參數 低溫等離子體的誘導技術、放電時間、處理電壓、頻率、電極距離及處理方式都會對低溫等離子體的殺菌效率產生影響。適當延長放電時間、處理電壓和頻率能夠增加低溫等離子體中高能粒子的密度，提高殺菌率。Agun等[15]以平菇為研究對象，在電壓6 kV，時間0、5、10、15、20、25 min，流量2 L/min等參數下對其進行殺菌處理，處理25 min后菌落從9 lg CFU/mL（0 min）減少到8.2 lg CFU/mL。此外，對于低溫等離子體的誘導技術而言，殺菌過程中所產生的活性物質的種類和數量還會受頻率、輸入電壓和所使用的激發氣體類型的影響[16]。Han等[17]研究發現，高氧氣調包裝（78%～79%N2，20%～21%O2，0.03%CO2）提高了低溫等離子體中活性物質的產生，高氧氣調包裝混合溶液經低溫等離子體處理15 s后未檢出單增李斯特菌。低溫等離子體的處理方式包括直接處理和采用接地金屬網屏蔽帶電粒子的間接處理，直接處理可以使帶電粒子減少向基體傳遞熱量，從而提高殺菌率[18]。Fridman等[19]研究發現，與間接處理相比，直接處理可使大腸桿菌的失活率提高約兩個數量級。

2.1.2 微生物特性 微生物特性，如細菌生長期和細胞壁厚度也是影響低溫等離子體殺菌效率的重要因素。Lunov等[20]研究發現，處于穩定期的細菌比處于指數期的細菌對低溫等離子體產生的活性物質更加敏感，殺菌效果也更加明顯。Yong等[21]研究發現，革蘭氏陽性菌由于其外部有較厚的脂多糖膜，阻礙活性物質的穿透，因此革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對低溫等離子體產生的活性物質更加具有抵抗力，敏感性更低。

2.1.3 環境因素 相對溫度、相對濕度及pH等環境因素對低溫等離子體的殺菌效果也有顯著影響。pH不同的食物對低溫等離子體產生的活性物質的敏感性不同，殺菌效果也會有所差異。Muranyi等[22]研究發現，蠟樣芽孢桿菌在pH為5的食物中，菌落數減少4.7 lg CFU/g，而在pH為7的食物中菌落數減少2.1 lg CFU/g。此外，相對溫度和相對濕度的提高會增加羥基自由基的行成，從而對低溫等離子體的殺菌效果產生影響。Yong等[21]利用低溫等離子體技術對水果表面、奶酪切片以及瓊脂培養基進行滅菌處理，研究發現，由于微生物以一定速度從外部組織向內部組織遷移，瓊脂培養基上的微生物數量減少最為明顯。

2.2 提高低溫等離子體技術殺菌效率的技術條件

低溫等離子體技術作為一種新型的食品冷殺菌技術，可以應對多種類型的細菌、真菌、病毒以及各種芽孢。然而，當大量微生物堆積在食物表面減少活性物質之間的相互作用時，其殺菌效率會受到影響[23]。因此，通常協同其他技術或條件來提高低溫等離子體的殺菌效率。

2.2.1 氣體組分 在食品工業中，為進一步延長新鮮農產品貨架期，通常將低溫等離子體技術與不同氣體混合物（He/O2，N2/O2/CO2）進行聯合使用，從而對新鮮農產品進行更徹底的殺菌處理。Laroussi等[24]對比純He和He/O2混合氣體的低溫等離子體技術的殺菌效果，結果顯示，He/O2混合氣體的殺菌效果優于純He。Misra等[25]將草莓密封在含有不同O2/N2/CO2組合的混合氣體包裝中，然后利用低溫等離子體技術對草莓進行誘導，研究發現5 min后草莓上的微生物從最初的5 lg CFU/g減少到3 lg CFU/g。深入探究低溫等離子體技術與多種混合氣體進行聯合使用時的殺菌機制，對提高低溫等離子體技術在食品中的應用具有積極的意義。

2.2.2 化學增強劑 化學增強劑是水和低溫等離子體相互作用產生的，即低溫等離子體活性水（Plasmaactivated Water，PAW）。PAW中富含活性氧（ROS）、活性氮（RNS）等活性成分，并具有低pH、高氧化還原電位和高電導率等特殊理化性質，在有效殺滅微生物的基礎上，對食品原有的營養品質不會造成顯著影響。Xiang等[26]用PAW清洗豆芽30 min，豆芽上的總好氧菌、霉菌和總酵母菌的數量分別降低了2.84和2.32 lg CFU/g，豆芽的總酚和黃酮含量、抗氧化能力及感官特征等均未發生顯著變化。Choi等[27]的研究中也提出一種連續組合清洗泡菜的方法，包括PAW、自來水和60 ℃溫和熱處理（MH）。單用PAW清洗就可使泡菜中的好氧菌、乳酸菌、酵母和霉菌以及大腸菌群減少2.0、2.2、1.8、0.9 lg CFU/g。

2.2.3 電磁場 電磁場是提高低溫等離子體產生活性物質的另一種方法。Ito等[28]研究發現電磁場協同低溫等離子體使羥基自由基的產生增加了1.5倍，而且對大腸桿菌的殺菌效率提高了2.4倍。目前，該方法已被用于生物醫學領域，為以后在食品領域中的應用奠定了基礎。此外，馬躍等[29]研究認為單獨的電場作用并不能很好的殺滅食品中的微生物，當電場協同低溫等離子體技術激發產生更多的高能活性物質，提高低溫等離子體的殺菌效率。

3 低溫等離子體技術在食品殺菌中的應用

新鮮果蔬、生鮮肉和海鮮等生鮮及熱敏性食品采用的傳統殺菌保鮮技術包括高溫殺菌和冷凍保鮮等，這些處理通常存在殺菌不徹底、產生二次污染等問題，而且還會對最終產品的風味、質地和顏色等方面產生不利影響，縮短貨架保鮮期的同時還會使食品的價值降低。目前，隨著社會科學的快速發展，低溫等離子體技術被廣泛應用于材料加工[18]、電子學[30]、生物材料[31]、聚合物加工和生物醫療器械等領域。因為，低溫等離子體技術應用在殺菌保鮮和農藥降解等方面有諸多優點，能最大限度地保持食品原有的營養及感官特性，且不會產生有毒有害的副產品，具有較高的經濟效益，所以低溫等離子體技術在食品領域也得到了極大的應用[32]，成為殺菌保鮮和農藥降解的新型技術。

3.1 新鮮水果及水果制品

新鮮水果及水果制品是補充人體維生素、葡萄糖及能量的主要來源[10]，但其質軟且容易攜帶治病菌及化學農藥，在流通和儲藏過程中難以長時間貯藏。近年來，低溫等離子體技術被廣泛應用到延長水果及水果制品的保存時間和保持其新鮮程度，低溫等離子體技術運用在水果和水制品中可分為殺菌保鮮及農藥降解兩種作用效果（表1）。

表1 低溫等離子體技術在新鮮水果及水果制品中的應用研究Table 1 Application research of cold plasma technology in fresh fruits and fruit products

新鮮水果及水果制品在種植、采摘、運輸以及后期加工等流通過程中，因與外界接觸，表面經常附著具有傳染性的病原微生物，對人類的健康造成了嚴重的威脅，故對其進行殺菌處理尤為重要。任翠榮等[42]利用常壓低溫等離子體技術在氣體流速為1 L/h，處理距離10 mm，放電時間1 min，電壓140 V對新鮮草莓進行處理，結果顯示，新鮮草莓在此參數下殺菌保鮮效果最好，草莓的維生素C含量要明顯高于對照組，而果實失重率卻比對照組低，保鮮期（常溫）是傳統常溫保鮮期的2倍。Critzer等[43]利用低溫等離子體技術對新鮮哈密瓜和蘋果進行殺菌處理不同時間后大腸埃希菌、沙門氏菌以及單增李斯特菌種群減少，減少量因菌株的不同而不同。Matan等[44]利用低溫等離子體技術在功率40 W的條件下對新鮮火龍果進行殺菌處理，處理后的火龍果表面微生物生長抑制效果比未經處理的火龍果表面微生物的生長抑制效果增加5.0%，延長火龍果的貨架保鮮期。Dasan等[45]以橙汁、番茄汁為原料，研究低溫等離子體技術處理120 s時的殺菌效果，研究發現，橙汁（1.59 lg CFU/mL）、番茄汁（1.43 lg CFU/mL），由此可見，透明澄清溶液對低溫等離子體技術更加敏感。Perni等[46]利用低溫等離子體技術對芒果殺菌處理0.5 min，結果顯示，芒果表面的單增李斯特菌和大腸桿菌O157:H7濃度下降2.5 lg CFU/g。Kovaevi等[47]以新鮮石榴汁為原料，利用低溫等離子體在時間3 min，樣品容量5 cm3，氣體流速0.75 dm3/min參數條件下，對石榴汁進行誘導后，石榴汁中花青素含量增加21%～35%。低溫等離子體技術作為一種冷殺菌技術，用于新鮮水果及水果制品殺菌及降解農殘時，它克服現有滅菌方法的一些不足之處，具有作用時間短、殺菌溫度低以及在處理過程中對食品營養價值和感官性能破壞較小等許多獨特優勢[48]。但該技術目前還處于實驗室研究階段，滅菌的工藝參數、食品種類和低溫等離子體的激發裝置等都會影響實驗結果，給多數實驗結果的比較、歸納和優化帶來困難。因此，研發適用于生鮮及熱敏性食品殺菌保鮮的低溫等離子體發生裝置和設備，探究最適宜的等離子體滅菌工藝參數，分析不同種類食品、不同環境和不同暴露條件等對食品保鮮效果的影響，對提高低溫等離子體技術在食品工業中的應用具有重要的意義。

3.2 新鮮蔬菜

新鮮蔬菜種植、加工、儲藏和運輸等流通過程中致病菌可通過不同途徑傳播，且致病菌在整個貨架期內都能活躍生長，使得新鮮蔬菜極易腐爛不易貯藏。近幾年中，低溫等離子體技術在新鮮蔬菜中的應用已有大量研究（表2）。

表2 低溫等離子體技術在新鮮蔬菜中的應用研究Table 2 Application research of cold plasma technology in fresh vegetables

新鮮蔬菜保藏的目的是在不顯著改變產品營養、感官特性的基礎上使微生物和酶失活，從而延長保藏期。孫艷等[52]以鮮切黃瓜為原料利用低溫等離子體技術在電壓170 V，時間5 min，電極距離2.5 cm對其進行殺菌處理，結果顯示，黃瓜表面的大腸桿菌致死率高達99.65%，提高了黃瓜的食用安全系數，且處理前后黃瓜的理化性質變化均不顯著，有效地保護了黃瓜的水分、糖度、酸度和顏色。Ziuzina等[53]利用低溫等離子體技術對新鮮菠菜殺菌處理2.5 min后，菠菜上單增李斯特菌減少1.7 lg CFU/樣本，大腸桿菌減少2.2 lg CFU/樣本，與對照組相比菠菜的顏色、水分、pH和可溶性固形物含量變化均不顯著。利用該技術對新鮮蔬菜進行殺菌處理時，耗時短、安全高效，并且不會對新鮮蔬菜的營養物質和感官特性產生負面影響。但該技術應用到不規則形狀的食品相關領域時，無法保證其產生的活性物質與不規則食品充分、均勻接觸，因此研發適合于不規則食品的低溫等離子體源，并應用于實際生產中，對食品工業的發展將起到積極的推動作用。

3.3 肉及肉制品

肉及肉制品富含豐富的蛋白質，營養價值高，其組成較其它食品更接近人體需求，頗受人們喜愛。但肉及肉制品在屠宰、加工、儲藏和運輸等流通過程中致病菌可通過不同途徑傳播，易造成污染而導致其腐敗變質，保質期縮短。研究證實，低溫等離子體技術能夠殺滅肉及肉制品在加工、儲藏等流通過程中所附著對人體有害的微生物，保證食品的風味、營養及顏色等品質指標不發生顯著變化，延長食品的貨架期[54]，達到食品長期儲存和保持食品品質的目的（表3）。

表3 低溫等離子體技術在肉及肉制品中的應用研究Table 3 Application research of cold plasma technology in meat and meat products

禽畜屠宰過程中，胴體容易受到禽畜尸體上的細菌污染。針對這一問題，國內外科研工作者提出了危害分析及關鍵控制點（HACCP）系統，但仍然無法完全有效預防。研究發現，低溫等離子體技術在保持食品風味、營養及顏色等品質指標的基礎上能有效殺滅細菌。Kim等[59]利用該技術在電壓75、100、125 W，時間60、90 s等參數下，使用He、He/O2的混合氣體作為激發介質對切片培根進處理，結果顯示He等離子體處理后微生物種群數降低1～2 lg CFU/g，He/O2等離子體處理后微生物種群數降低2～3 lg CFU/g。Choi等[60]利用該技術對生鮮豬肉處理120 s后，大腸桿菌和單增李斯特菌分別減少1.5和＞1.0 lg CFU/g，并且處理后的生鮮豬肉顏色、風味、營養等品質指標并沒有發生顯著變化，很好地保持了食品的價值。利用該冷殺菌技術對肉及肉制品進行處理時，具有安全無污染、低耗能以及對滅菌環境溫度要求低等優勢，所以在肉及肉制品殺菌保鮮方面的作用較為顯著，能夠較好地對其進行殺菌保鮮，延長貨架保鮮期，并且不改變其相應的性質，如味道、營養及顏色等品質指標。但目前該技術仍處于基礎研究階段，還存在著一些問題，如穿透能力不強，對食品表面的微生物能產生較大影響；而對于深入肉品組織內部的細菌，其滅菌效果還不夠好。因此，可以將該技術與其它非熱處理技術聯合使用以提高其殺菌效果，進而更有效地提高肉及肉制品的安全性和貨架期。

3.4 海鮮及海鮮制品

海鮮及海鮮制品營養豐富且容易受到微生物的侵襲，即使在冷鏈運輸或冷藏條件下，表面依然有嗜冷菌生長繁殖，從而導致其腐敗變質。為了延緩海鮮及海鮮制品的腐敗，延長保鮮時間，近年來低溫等離子體技術在海鮮及海鮮制品領域的應用已有大量研究（表4）。

表4 低溫等離子體技術在海鮮及海鮮制品中的應用研究Table 4 Application research of cold plasma technology in seafood and seafood products

目前，我國各大中超市海鮮及海鮮制品仍以裸露或覆蓋保鮮膜置于冷柜銷售為主，容易使得致病菌通過不同途徑傳播，為保證海鮮及海鮮制品的新鮮度，保持其營養價值，抑制微生物的生長是海鮮及海鮮制品在銷售及流通等過程中的首要任務[64]。焦湞等[65]以三文魚為原料研究等離子體活化水冰（PAWice）對純培養以及人工接種于三文魚片表面單增李斯特菌的殺菌效果，結果顯示，與無菌水冰（sterile water-ice，SW-ice）相比，PAW-ice對單增李斯特菌純培養殺菌效果顯著，可以使細菌降低1～3 lg CFU/mL值，殺菌效率取決于PAW制備時間、制備體積以及PAW-ice處理時間。劉品等[66]利用低溫等離子體技術對南美白對蝦進行處理（50 kV、60 s），結果顯示，經過處理之后能顯著減緩對蝦黑變及品質下降速度，一定程度延長對蝦的貨架期。石蕓潔等[67]以生食蟹糊為研究對象，探究低溫等離子體技術在不同電壓、不同時間對生食蟹糊滅菌效果及品質的影響，結果顯示，殺菌率達97.3%，且經過低溫等離子體技術處理對生食蟹糊的營養影響不明顯。斯興開等[68]研究低溫等離子體技術對草魚魚肉品質的影響，將草魚肉分別在不同電壓（20、30、40 kV）條件下常溫處理不同時間（1、2、3 min），研究結果表明，可有效殺菌，并對草魚魚肉的新鮮程度無明顯負面影響，既可以保持魚肉獨有的生鮮風味，又可有效降低生食水產品的風險。低溫等離子體技術作為一種非熱殺菌技術，對海鮮及海鮮制品進行殺菌處理前后溫度無明顯變化，較好的保持了海鮮及海鮮制品獨特的生鮮風味以及有效避免其結構和質地發生變化，產生的活性物質能對其進行高效殺菌，顯著提高生鮮海產品的食用安全性。但該技術也存在一定的局限性，如成本較高，經濟效益不明顯。此外，低溫等離子體產生的高活性ROS會促進海鮮及海鮮制品中脂肪的氧化，從而對其風味產生不良影響，因此可采用添加天然抗氧化劑等方法延遲或抑制脂肪氧化以預防低溫等離子體技術處理對海鮮及海鮮制品品質的影響。

3.5 家禽制品

家禽制品營養價值高且口感較好。目前，常用冷藏、真空包裝和腌制等方法來保持其營養價值和口感，但在加工、儲藏和運輸等流通過程中仍然無法完全避免受到致病菌的污染。利用低溫等離子體技術對家禽制品進行滅菌處理，能有效延長其貨架期，且色澤、風味、質地和營養等不發生顯著變化（表5）。

表5 低溫等離子體技術在家禽制品中的應用研究Table 5 Application research of cold plasma technology in poultry and egg products

低溫等離子體既高效地殺滅家禽制品表面的治病微生物，又保持了食品原有的品質。Patil等[74]利用低溫等離子體技術對禽肉表皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌進行滅菌處理，結果顯示，菌落數均減少，且禽肉的色澤、風味、質地和營養等不發生顯著變化。Dirks等[75]利用該技術處理生鮮雞皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌，也取得了相同的結果。喬維維等[76]以生鮮牛肉為研究對象，利用低溫等離子體技術在72 kV的電壓下對其進行殺菌處理86 s，在此條件下殺菌率為93.75%，并且牛肉仍能保持較好的顏色和風味。相對于傳統的殺菌保鮮技術，低溫等離子體技術高效、安全無破壞性，能有效地殺滅家禽制品表面的治病微生物，且不會對家禽制品的風味、營養及顏色等品質指標產生負面影響。但利用該技術對家禽制品進行殺菌處理時，由于等離子體、微生物和食品種類的復雜性，導致具體的殺菌機制仍然缺乏深入的探討，需要進行更深入地研究，而且該技術目前還無法適應工業化、機械化生產的需要，因此，還需進一步探索低溫等離子體系統批量或連續處理大量食品的可行性。

4 結語及展望

作為食品領域的一種新型非熱加工技術，低溫等離子體技術憑借其安全、綠色、成本低、快速和方便等優勢廣泛應用于食品安全控制及食品加工等領域。在今后的研究過程中，應針對低溫等離子體技術的工作原理、殺菌機制以及該技術對食品結構和品質指標的影響等方面進行機理研究，并對該技術所處理過的食品進行各項指標及安全性評價。此外，還應以風險評估作為基礎，加強低溫等離子體技術在食品加工過程中的技術規范、監管法規以及應用標準的制定工作，從而不斷推動低溫等離子體技術在食品工業中的應用。