低溫等離子體在水產品保鮮中的應用研究進展

周結倩,張坤,徐杰,鄭歐陽,張虹虹,孫欽秀,3*,劉書成.3,魏帥.3,夏秋瑜.3,王澤富.3,韓宗元.3,吉宏武,3

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東省海洋食品工程技術研究中心,水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東 湛江,524088)2(南方海洋科學與工程廣東省實驗室,廣東 湛江,524088)3(海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心,大連工業大學,遼寧 大連,116034)

低溫等離子保鮮技術是一種新型的非熱殺菌保鮮技術,通過各種活性物質和獨特的光電效應協同作用,具有良好的殺菌保鮮作用[1],在各種不同食品基質中,如即食火腿[2]、干腌牛肉[3]等都具有較好的微生物滅活效果。相對于傳統的熱加工體系,低溫等離子保鮮技術對產品質地、風味、感官的改變較小,可以保持水產品的良好品質,同時其具有處理范圍廣、能耗低、環境友好、滅菌環境溫度要求低等優勢[4]。

我國是全球最大的水產品養殖與出口國,截止2019年底,全國水產品總產量共計6 480.36萬t[5],然而水產品營養物質豐富、組織脆弱、極易滋生微生物[6],因而極易腐敗變質,亟需一定方法來抑制水產品的腐敗變質。如何提高水產品的保鮮效果,同時最大限度保留其營養價值和良好品質,進而延長產品貨架期是生鮮食品保鮮研究所要克服的主要困難,而低溫等離子體技術可以在溫度較低的情況下滅活大量的微生物,進而保留水產品原有品質的同時抑制保鮮水產品的腐敗變質,延長其貨架期。

近幾年來低溫等離子體在水產品保鮮中的應用得到了廣泛的研究,本文初步闡述了低溫等離子體的保鮮原理以及在水產品中應用研究進展,并討論了低溫等離子體在應用中亟待解決的問題,為低溫等離子體在水產品中的應用研究提供一定的指導作用。

1 低溫等離子體概述

等離子體的形成是通過電場或強紫外輻射使物質外層電子擊出,形成具有高位能、高動能的自由電子并與背景氣體發生碰撞,從而引發一系列活性物質的產生。其本質上是由電子、正負離子、自由基、激發或非激發態氣體分子和光子等組成的具有電中性的電離氣體。

等離子的種類受相態、壓力、溫度、濕度等條件的影響,不同條件產生的等離子體的活性物質種類和數量、溫度、電離程度、熱力學平衡狀態都不盡相同。如圖1所示,根據電子、離子和氣體分子的相對溫度,可以將等離子體分為高溫等離子體(106～108K)和低溫等離子體(300～103K)。高溫等離子體需要在足夠高的能量條件(核聚變、太陽日冕等)下產生,是處于熱力學平衡狀態的高度電離氣體,所有的粒子溫度都相同。低溫等離子體又稱為熱力學非平衡狀態等離子體,可分為熱等離子體(準平衡等離子體,≤2×104K)和冷等離子體(非平衡等離子體,300～103K)。相較而言,低溫等離子體易控制、易制備且成本低,在食品、醫藥、污水處理等方面都具有廣泛的應用潛力。

圖1 等離子體的分類[7]Fig.1 Classification of plasma注:Te為電子;Ti為離子;Tg為氣體分子;Tp為等離子體

1.1 等離子體發生方式

目前,應用于科學研究和生產實踐的低溫等離子發生器有很多種,常見的低溫等離子體制備方法有介質阻擋放電法(dielectric barrier discharge,DBD)、大氣壓等離子體射流法(atmospheric pressure plasma jet, APJ)、接觸輝光放電法、電暈放電法等。電暈放電均勻性差,電子密度和能量低,活性物質相對較少,效率偏低,無法大量制備。而接觸輝光放電電極壽命短,能耗較高。因此這2種放電方法目前在食品殺菌領域應用較少。目前由于介質阻擋放電法和大氣壓等離子體射流法適用壓力廣、易于大量制備等優點,在食品領域中較為常用,主要應用于食品物料表面殺菌以及食品加工設備表面殺菌,尤其是果蔬、肉制品、水產品等需要較低殺菌溫度和較高殺菌效率的生鮮食品。因此,本文主要針對這2種方法的工作原理進行了詳細介紹。

1.1.1 介質阻擋放電

介質阻擋放電法在兩電極中任意一側或雙側放上絕緣介質,用于阻斷2個電極之間的電流通道,通過高頻、高功率放電在放電間隙中產生等離子體[8]。其等離子體發生裝置如圖2所示,主要由高壓電極、絕緣介質層和地電極構成,其中絕緣介質層主要由塑料、玻璃、石英、云母、陶瓷等絕緣材料制成。

介質阻擋放電法電離強度高,適用的壓力范圍廣,能夠在大氣壓下生產大體積的低溫等離子體,且具有設備簡單,操作方便等優點。但是介質阻擋放電在大氣壓下表現為絲狀流注放電模型,常常出現放電區域中放電細絲局部能量密度過高而灼傷物料的現象,研究者發現通過調節電源類型、電極結構、氣流等參數可以使其表現出均勻、穩定、無放電細絲的放電形式[9]。

圖2 介質阻擋放電等離子源示意圖Fig.2 Basic configuration of DBD

1.1.2 大氣壓等離子體射流

大氣壓等離子射流等離子體發生裝置(圖3)主要由高壓電極、噴嘴、環形地電極構成,流動的工作氣體在同軸的電極之間縫隙間通過,在高壓作用下被電離產生等離子體,源源不斷地從噴嘴中噴出,形成大氣低溫等離子體,如若作用于水氣界面或水下則可生成等離子體活化水[10]。

大氣壓等離體射流法將放電區域和工作區域分開,氣體在放電區域內持續流動,可以帶走產生的熱量,防止介質層過熱;而流動氣體可以減弱絲狀放電現象,放電更加均勻和穩定[9]。大氣壓等離子體射流法在生物醫藥、材料表面改性、清洗殺菌等[11]方面都有廣泛研究。

圖3 等離子射流等離子源示意圖Fig.3 Basic configuration of APJ

1.2 等離子體的存在形式

除了放電形式影響等離子應用效果外,等離子體的存在形式也直接影響等離子體的應用范圍及殺菌效果。目前應用于食品領域的低溫等離子體主要以大氣低溫等離子體、等離子體活化水和等離子體活化冰的形式存在。

1.2.1 大氣低溫等離子體

大氣低溫等離子體產生機制是在大氣壓下向中性的氣體施加電場或者強紫外輻射使得氣體發生電離,來產生活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)、高能粒子、紫外輻射、激發態分子等活性物質[12]。等離子源的功率強度、電源類型、處理時間、工作氣體類型及其比例是等離子體性質的主要影響因素。科學家們最早研究大氣低溫等離子體時使用氬氣、氦氣等惰性氣體作為工作氣體,因為惰性氣體具有高導熱系數(散熱)、具有較低的工作放電電壓和豐富的紫外發射光譜[13],等離子體易于產生。然而,惰性氣體產生的低溫等離子體半衰期短,粒子種類較少,抗菌活性受限,在面對實際的工業應用時,惰性氣體的來源、成本以及回收率都應納入考慮,因此其廣泛應用會受到極大的限制。如今,利用大氣作為工作氣體是低溫等離子體的研究熱點,相較惰性氣體而言,大氣低溫等離子體含有豐富的ROS、RNS,對微生物的滅活作用更為有效。除此之外,可以調節工作氣體的類型和比例對食品物料進行氣調包裝,如提高氧氣含量、增加惰性氣體等,對微生物滅活效果更為顯著。

1.2.2 等離子體活化水

等離子體活化水是等離子體技術中一種更為新型的非熱加工技術,是指通過在水中、水氣界面或者水相上方施加電場,同時在氣相和液相內產生活性物質。兩相產生的各種化學物質會相互擴散,產生種類更為豐富的活性物質,同時會對水的pH 值、氧化還原電位、電導率等物理性質產生影響[14],同時上述物理性質也可以用于反映等離子體活化水的殺菌時效性,確定等離子體活化水中長效殺菌物質[15]等。相較于大氣低溫等離子體,等離子體活化水的液體性質可以克服食品物料形狀不規則性,殺滅食品凹陷、狹小縫隙中的微生物[14],同時具有良好的流動性,便于物質的交換。

1.2.3 等離子體活化水

2 低溫等離子體對微生物的滅活機理

低溫等離子體主要的保鮮機制是低溫等離子體對食品微生物的滅活。如今低溫等離子體對微生物具體的滅活機制尚不明晰,但是低溫等離子體中的各種活性成分、光子輻射、穩態的離子等對微生物繁殖代謝起到阻遏的作用被廣泛認可,研究者認為低溫等離子體可能主要通過對微生物細胞壁、細胞膜和核酸作用(圖4),導致微生物活性降低甚至死亡。

圖4 低溫等離子體的滅活機理Fig.4 Microbial inactive mechanisms of low temperature plasma in biological and physical aspects

2.1 低溫等離子體對細胞壁的作用

陳玥等[20]研究了常壓冷等離子體對食源性腐敗菌失活作用機制,同時探究等離子體對金黃色葡萄球菌和大腸埃希氏菌形態影響,觀察到低溫等離子體處理后細菌細胞的形態發生改變,細胞出現褶皺、收縮(圖5)。ZIUZINA等[21]也得到了相似的結果,發現經等離子體處理后大多數的大腸埃希氏菌表面粗糙、變形,甚至形成凹痕和孔洞,細胞出現縮小和脫水現象。低溫等離子體中強氧化性物質破壞細胞的氧化還原狀態,作用于細胞壁中的肽聚糖、磷脂和脂肪酸,引發細胞失穩死亡。

圖5 常壓冷等離子體對不同食源性腐敗菌形態的影響[20]Fig.5 Effect of atmospheric cold plasma on morphology of food-borne spoilage microorganisms

2.2 低溫等離子體對細胞膜的作用

當細胞暴露在強電場中時,低溫等離子體中的帶電離子會聚集在細胞膜表面,影響細胞膜表面帶電粒子的流動行為,會使細胞膜發生去極化[22],更容易受到低溫等離子體活性物質的攻擊。如圖4 所示,由于帶電粒子的不斷積聚,細胞膜失穩,內部高電荷所產生的的靜電張力超過細胞膜的抗拉強度時,細胞膜會發生電穿孔,從而形成結構性缺陷或者微孔,甚至發生破裂[23-24],導致內容物的泄露和活性物質在細胞內的擴散,進一步導致細胞的氧化損傷。由于革蘭氏陽性菌的細胞外膜更厚,能抵抗更大的靜電張力,因而革蘭氏陽性菌對低溫等離子體具有更高的耐受性[25]。此外,等離子體中的RNS 也可以通過降低溶液pH 的方式影響膜表面電荷的性質和膜的通透性,導致微生物氧化失活。等離子體中豐富的自由基還會直接攻擊細胞表面,破壞細胞膜上的化學鍵,造成細胞表面的損傷[26]。除此之外,低溫等離子體還可以有效地誘導病原菌生物膜的直接失活,并可能在減弱病原菌的毒力方面發揮重要作用[11]。

膜脂是生物膜的骨架,常含不飽和脂肪酸。低溫等離子中大量的活性物質和自由基如ROS、過氧亞硝酸鹽(ONOOH)會引發脂質,尤其多不飽和脂肪酸的過氧化反應,形成脂質過氧化物,生成的丙二醛會使細胞膜的整體結構發生破壞,致使膜的流動性降低、通透性增強[27-28]。

膜蛋白是生物膜功能的主要承擔者,控制著細胞的增殖分化、信號傳導、物質運輸等重要生理功能。低溫等離子體中的活性物質可與蛋白質中的氨基酸殘基發生反應,導致蛋白質結構功能的變化[29]。

2.3 低溫等離子體對核酸的作用

核酸是儲存、復制和傳遞遺傳信息的主要物質基礎。如圖4所示,低溫等離子體中的活性物質,尤其是ROS活性氧成分可以刺激DNA雙螺旋鏈結構的斷裂從而導致氧化損傷[30];在脂質氧化過程中形成的丙二醛會參與DNA的解旋作用,造成嚴重的DNA損傷[31];同時由于細胞壁的失穩,細胞膜的通透性增加,導致細胞中DNA和RNA大量滲透,細胞外核酸物質增加,更有利于低溫等離子體對核酸物質的氧化[32]。

紫外線輻射直接誘導的DNA損傷被認為是微生物失活的重要機制,尤其是波長在260 nm左右的紫外光,會導致同一條DNA鏈中的胸腺嘧啶和胞嘧啶反應形成二聚體,嚴重損害細菌的復制能力[27]。但也有研究認為紫外線的作用可以忽略不計,因為在大氣壓條件下近紫外輻射很容易被氣體原子和分子吸收,而且大部分紫外輻射都會被細胞中生物大分子吸收,且產生的波長為220～280 nm有效殺菌紫外輻射通常達不到所需的殺菌劑量[27]。因而紫外輻射在低溫等離子體中的滅活效果和機制有待更深入的研究。

綜上所述,低溫等離子體各類物質的復合效應會通過改變細菌細胞形態、造成細胞膜穿孔、攻擊細胞內的核酸、蛋白質和脂質等大分子物質,影響細胞的繁殖代謝,引起細菌細胞滲漏和細胞功能的喪失,從而達到微生物滅活保鮮的作用。

3 低溫等離子體在水產品殺菌保鮮中的應用

在我國,水產品主要還是以低溫貯藏保鮮,依靠冷鏈鮮銷為主,消費者越來越追求安全、營養、鮮美的品質。近年來,許多國內外學者利用低溫等離子體技術對水產品進行保鮮。如表1所示,研究者們采用了不同的等離子體制備方式和處理參數,證明了低溫等離子體具有保鮮有效性,也驗證了在不同處理條件下對微生物的滅活效果不同。

表1 低溫等離子體對水產品常見微生物的殺菌保鮮應用Table 1 Application of cold plasma in sterization and preservation of common microorganisms in aquatic products

低溫等離子體作為非平衡狀態的活性體,其作用效力會受到各種因素的影響,一般而言,處理電壓越大、處理時間越長,產生的活性物質越多,保鮮效果越好,貯藏時間和作用方式都直接影響其對微生物滅活的效果。研究結果顯示,低溫等離子體普遍能將水產品的貨架期延長到8～15 d左右。

目前低溫等離子體在魚類和甲殼類水產品都有應用(表2)。低溫等離子體在生鮮魚片的研究和應用較多,研究者利用了介質阻擋放電法和等離子體射流法產生不同形態的低溫等離子體對生鮮魚片的保鮮效果進行了研究。研究表明,介質阻擋放電法常常與改性氣體包裝技術進行聯合協同保鮮,形成調節氣體比例達到厭氧抑菌和活性等離子體滅活的協同保鮮機制;通過增大氧氣濃度增強低溫等離子體的滅活效力,同時添加稀有氣體氬氣來降低的工作放電電壓,來達到較好的滅活保鮮效果,并降低設備對電力的要求。等離子體射流法則多用于PAW的制備,在液體或氣液界面產生活性物質,利用液態介質直接作用于魚體表面,適用于非包裝食品的表面直接殺菌。

表2 低溫等離子體在水產品殺菌中的應用Table 2 Application of cold plasma in sterization of aquatic products

氣態低溫等離子體是目前生鮮魚片殺菌常用的形式,由于介質阻擋放電法處理電壓較高,所需電壓普遍在60～100 kW左右,常常出現放電區域中放電細絲局部能量密度過高而灼傷物料的現象,因而介質阻擋放電法結合氣態介質時,處理時間普遍在5 min左右。液態的低溫等離子體在滅菌時,需要將魚片浸漬于液體介質中,會引起魚肉溶脹和水溶性成分的損失,導致魚肉食用品質降低。同時由于大多數生鮮食品不宜進行長時間浸泡,因而采用氣態低溫等離子體能更好維持產品品質。

低溫等離子體在甲殼類水產品保鮮方面也有應用,目前研究者采用了不同形態(氣體和固體)低溫等離子體對南美白對蝦、刀額新對蝦、太平洋白對蝦和即食酒漬泥螺的保鮮效果進行了研究。研究發現,施加低溫等離子體后產品的菌群數量顯著降低,有效延長貨架期。SHIEKH等[47]研究了低溫等離子體結合茶木芒葉提取物對太平洋白對蝦的保鮮效果的影響,發現經處理后蝦體內腸桿菌科細菌、產硫化氫細菌、假單胞菌、乳酸菌數量都顯著降低,各類理化品質得到很好保持,有效將其保質期延長到15 d。LIN等[48]利用以空氣為介質的氣態低溫等離子體對即食酒漬泥螺進行滅活殺菌,當施加電壓為60 kV時,其抑菌率達到了69.52%,貨架期延長到12 d,相對未處理組增加了6 d。與生鮮魚片不同,甲殼類水產品在高電壓下不易發生灼傷,因而可以通過提高電壓、延長作用時間來提升微生物的滅活效果。

在水產品的貯藏條件中,致腐致病的主要菌群類型是嗜冷菌,而且多為革蘭氏陰性菌,如大腸埃希氏菌、希瓦氏菌、沙門氏菌等會引起蛋白質降解,營養價值的降低,產生不良氣味,食用被菌體污染的水產品會引起嚴重腹瀉和敗血癥。低溫等離子體對此類微生物的滅菌效果顯著,滅菌率普遍達到了90%以上。

相啟森等[36]利用PAW對沙門氏菌菌液處理6 min時,沙門氏菌降低了4.32 lgCFU/mL。DOLEZALOVA等[28]利用以氬氣為介質制備的低溫等離子體對大腸埃希氏菌處理45 min,88%大腸埃希氏菌處于不可培養狀態,研究顯示經等離子體處理后水中檢測到了游離的丙二醛和DNA,說明大腸埃希氏菌的膜脂成分可能發生了氧化損傷,細胞膜形成了孔洞甚至發生破裂。同時生成的丙二醛可能與DNA反應發生交聯形成核苷酸加合物,從而抑制細胞的生長繁殖。

在革蘭氏陽性菌中,主要以單增李斯特菌、乳酸菌、葡萄球菌等為主,在食品冷藏冷凍中具有較大的致病風險,會引發食物中毒、敗血癥、炎癥甚至死亡。低溫等離子體對其具有良好的滅活作用,能使菌體數量顯著降低。G?K等[3]研究了大氣低溫等離子體對干腌牛肉中金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌的滅活作用,研究發現金黃色葡萄球菌可以最大減少0.85 lgCFU/cm2,而單增李斯特菌計數最大減少0.83 lgCFU/cm2,因而能有效提高產品的安全性。金黃色葡萄球菌經等離子體處理后菌體表面所受到的表面張力增大,活性物質促使膜脂的氧化。但研究發現經處理后金黃色葡萄球菌并未發生細胞破裂,僅出現細胞表面粗糙、變形,形成凹痕和孔洞的現象。

據目前的研究表明,低溫等離子對革蘭氏陰性菌的滅菌效果更好,低溫等離子體中含有的高活性的羥基自由基是滅活革蘭性陰性菌的主要因素,可以引發細菌細胞壁肽聚糖分子關鍵化學鍵斷裂,造成細菌內蛋白質或核酸損傷;相較于革蘭性陰性菌,革蘭氏陽性菌細胞壁具有多層交聯緊密的肽聚糖網絡,往往對低溫等離子體的抗性更強[49]。

目前低溫等離子體對真菌的滅活作用研究甚少,研究成果不多,對真菌的細胞結構分析,真菌細胞壁幾丁質的交聯程度更大,穩定性更強,可能對各類滅活因素敏感性都較低[23],并未表現較為明顯的滅菌作用。在水產品的貯藏條件中,造成水產品腐敗的主要菌群類型是嗜冷菌,而且多為革蘭氏陰性菌,因而低溫等離子體在水產品貯藏保鮮領域具有更廣闊的應用空間。

4 展望

低溫等離子體對微生物滅活保鮮作用已經被廣泛證實,其在生鮮食品的保鮮加工有著巨大的應用潛力,因水產品本身品質的特殊性,對保鮮技術的要求也更為苛刻。作為一種新型的非熱殺菌形式,雖然低溫等離子體具有顯著的微生物滅活效果、滅活環境溫度低、處理范圍廣等的優勢,但是低溫等離子體作為活躍的反應體,對物質的各類作用并不具有選擇性,不可避免也會對食品中的各類大分子物質造成損害,如低溫等離子體中的活性氧攻擊氨基酸分子中的自由氨基或亞氨基,造成蛋白質的氧化,使得蛋白質特定化學鍵的斷裂或對側鏈基團的化學改性[50]。低溫等離子體中的活性物質ROS,尤其是是羥自由基、H2O2和超氧陰離子可以與食物脂質相互作用并啟動自動氧化過程[51],造成食品營養價值降低。因此低溫等離子體在食品中的應用還應該注意活性物質對營養物質的破壞,設定適宜的工作參數最大化殺滅微生物,最小化品質損害。

此外,有關低溫等離子體具體的作用機制、影響因素及其調控手段還沒有較為完善的理論作為支撐。等離子體源裝置的精確調控、工作氣體的最優比例、活性物質的生成機制、活性物質的長效保留都是低溫等離子體制備階段所面臨的的主要問題。低溫等離子體作為活躍的反應體,所含有的成分難以統一標準化,反應各級產物鑒定、最終產物的測定、殘留問題、安全性評估都面臨挑戰。除此之外,其制備機理、作用機理、具體作用效果、效益性都有待完善的理論和實驗數據支持。

因此,低溫等離子體在保鮮領域的廣泛應用要求對低溫等離子體制備及應用理論化、標準化、規模化,則需要對低溫等離子體進行更多的研究與探索。