冷等離子體在肉品安全控制領域應用研究進展

康超娣，相啟森，趙電波，李可，牛力源，白艷紅*

1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450001）；2. 河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室（鄭州 450001）3. 食品生產與安全河南省協同創新中心（鄭州 450001）

肉品因自身營養豐富，在生產、加工和儲藏等環節中極易被微生物污染，導致腐敗變質甚至引發食物中毒事件[1]。傳統熱殺菌技術在有效殺滅食品中腐敗微生物和病原菌的同時，也對食品熱敏性營養成分和感官品質造成不良影響。因此，研發非熱殺菌技術是當前食品工程領域的研究熱點。冷等離子體（Cold plasma）是一種新型非熱加工技術，具有快速、高效、處理溫度低、無污染等優點。研究表明：冷等離子體能夠有效殺滅食品在加工和儲存過程中所污染的有害微生物，從而達到食品長期儲存和保鮮的目的，在食品加工和食品安全控制等領域具有廣泛的應用前景[2-4]。該文綜述了冷等離子體對肉品表面微生物的滅菌效果及其對理化性質和感官品質等的影響，同時探討了冷等離子體技術的殺菌機制，并對今后的研究方向進行了展望，以期為冷等離子體技術在肉品安全控制領域相關研究提供理論參考。

1 冷等離子體概述

1.1 等離子體的分類

等離子體（Plasma）由William Crookes于1879年首先發現[5]，是一種由離子、電子、紫外光、未電離中性粒子等組成、整體呈電中性的物質狀態。等離子體廣泛存在于宇宙中，被認為是除固態、液態、氣態之外的物質第四態，也被稱為“等離子態”[6]。

依據帶電粒子、電子等溫度的不同，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體，其中低溫等離子體依據熱力學平衡狀態的不同又可分為熱等離子體和冷等離子體（圖1）。熱等離子體中的電子與粒子（離子、中性分子和原子）處于局部平衡狀態且電子溫度和離子溫度幾乎相同（約為2×104K）；而冷等離子體中的中性粒子和離子的溫度僅保持低溫（300～500 K）[7-8]。

圖1 等離子體的分類

1.2 冷等離子體的產生方式

大氣壓氣體放電是產生冷等離子體的常用方法，其氣體放電類型主要包括電暈放電、介質阻擋放電（Dielectric barrier discharge，DBD）、輝光放電、微波放電（Microwave discharge，MD）、大氣壓等離子體射流（Atmospheric-pressure plasma jet，APPJ）、電暈放電等離子體射流（Corona discharge plasma jet，CDPJ）、薄層介質阻擋放電（Flexible thin-layer dielectric barrier discharge，FTDBD）和射頻大氣壓放電（Radiofrequency atmospheric pressure plasma discharge，RFAPP）等[6,9]。

2 冷等離子體對肉品的殺菌作用

研究證實：冷等離子體能夠有效殺滅冷鮮豬肉、雞胸肉、牛肉、羊肉等原料肉及牛肉干、培根肉等肉制品表面的微生物（表1）[10]。Ulbin-Figlewicz等[11]研究表明，He/Ar冷等離子體源處理10 min后，豬肉表面的嗜冷菌活菌數和總菌落數分別降低了3 log10CFU/cm2和2 log10CFU/cm2，酵母和霉菌數分別降低了3 log10CFU/cm2（He）和2.6 log10CFU/cm2（Ar）；牛肉表面總菌落數分別降低了2 log10CFU/cm2（He）和0.5 log10CFU/cm2（Ar）。Fr?hling等[12]研究表明，豬肉背長肌經微波等離子體處理5 min并于5 ℃貯藏20 d后，菌落總數降低至2～3 log10CFU/g，顯著低于空白組（9 log10CFU/g，p＜0.05）。除有效殺滅肉品表面細菌、酵母及霉菌以外，冷等離子體也能有效殺滅存在于生鮮肉表面的病毒。Bae等[13]研究證實，經APPJ處理5 min后，接種到牛肉、豬肉和雞胸肉表面的鼠諾如病毒（MNV-1）和甲型肝炎病毒（HM-175）完全失活。以上研究結果表明，冷等離子體在肉類食品殺菌保鮮領域具有廣泛的應用前景。

表1 冷等離子體在肉品殺菌中的應用

接表1

3 冷等離子體處理對肉品品質的影響

國內外學者在研究冷等離子體對肉品殺菌作用的同時，也評價了冷等離子體處理對肉品色澤、質構、pH等品質指標的影響（表2）。

Yong等[16,19-21]研究表明，等離子體處理能夠有效殺滅肉品表面的微生物并顯著延長食品的貯藏期，而對肉品的色澤、硫代巴比妥酸反應產物（Thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）含量、pH、質構、揮發性鹽基氮（TVB-N）等指標無顯著影響（p＞0.05）。Jayasena等[22]研究表明，經FTDBD處理5 min和10 min后，牛肉和豬肉樣品的L*值均未發生顯著變化（p＞0.05），但a*值顯著降低（p＜0.05）；在處理10 min后，脂肪氧化水平顯著升高，經熟制后，對味道造成不良影響（p＜0.05）。

冷等離子體處理對肉品的味道、顏色、氣味、風味及可接受性等感官參數仍存在不良影響[16,20]。因此，在今后的研究中需進一步優化放電功率、載氣、處理時間等冷等離子體處理參數，以有效控制冷等離子體處理對肉品品質所造成的不良影響[24]。

表2 冷等離子體對肉品品質的影響

4 冷等離子體在肉品包裝中的應用

冷等離子體也被用于肉品包裝。常用的方法是將食品置于密封的包裝袋內，采用DBD等離子體對內含食品的包裝袋進行放電處理，從而有效防止包裝后造成的二次污染[25]。上述技術已成功應用于雞肉、豬肉和牛肉等加工包裝領域[22,26]。Wang等[26]在DBD系統的兩個電極之間放入托盤包裝的新鮮雞肉，托盤包裝內通入空氣或改性氣體（65% O2+30% CO2+5% N2）。結果表明：經放電處理180 s并于4 ℃儲藏10 d后，通入改性氣體產生的等離子體比空氣產生的等離子體能更有效地抑制微生物的生長繁殖，且微生物減少量超過4 log10CFU/g，雞肉的貨架期延長至14 d，同時雞肉的L*值無顯著影響（p＞0.05）。綜上所述，冷等離子體處理包裝肉類食品能最大限度地保持肉品色澤，同時又能有效降低微生物數量，從而延長其貨架期。

5 冷等離子體的殺菌機制研究

由于冷等離子體產生方式、載氣等存在很大差異，目前國內外對冷等離子體殺菌機制還沒有形成統一的認識。相關研究普遍認為，冷等離子體殺菌機制可能主要包括以下幾個方面。

5.1 活性化學組分

在氣體放電過程中，產生的活性化學組分被認為是冷等離子體主要的殺菌因子。活性化學組分主要物質包括過氧化氫（H2O2）、臭氧（O3）、超氧陰離子自由基（O2-·）、單線態氧（1O2）、羥基自由基（·OH）等活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及一氧化氮自由基（NO·）、氧化氮自由基（·NO2）、過氧亞硝基陰離子（ONOO-·）、過氧亞硝酸（OONOH）和烷基過氧亞硝酸鹽（ROONO）等活性氮（Reactive nitrogen species，RNS）[27]。

研究證實，冷等離子體中ROS、RNS能損傷細胞內DNA、蛋白質和酶等重要的細胞生物大分子。ROS可能通過與脂質的相互作用改變生物膜功能，導致蛋白質氨基酸的氧化和不飽和脂肪酸過氧化物的形成[28-29]；Yusupov等[30]研究低溫大氣壓等離子體產生的ROS與革蘭氏陽性細菌金黃色葡萄球菌肽聚糖的相互作用，結果表明，產生的·OH、O3和H2O2等活性氧使細菌肽聚糖的C—O、C—N和C—C等重要化學鍵斷裂，造成細胞壁破損并導致微生物死亡。

5.2 靜電作用

靜電作用被認為是冷等離子體發揮殺菌作用的一種重要物理機制。冷等離子體中帶電粒子的運動能引起正電荷或負電荷局部聚集，從而產生電場，在強電場的情況下，冷等離子體內部產生的帶電粒子形成的靜電力作用可能導致細菌細胞膜破裂[31]。冷等離子體對細菌的靜電作用與微生物種類有關。據報道，冷等離子體輻照處理（前40 s內）使革蘭氏陰性菌細胞膜幾乎完全破損，而革蘭氏陽性菌則未出現損傷[32]。此外，Mendis等[33]認為帶電粒子對細胞表面轟擊產生的靜電排斥超過細胞膜的拉伸強度而導致細胞外膜損傷。

5.3 紫外線作用

目前，冷等離子體產生的紫外光作用在冷等離子體研究領域仍存在爭議。一方面，冷等離子體在放電過程中可產生大量紫外線，紫外線對微生物的殺菌作用不僅可以通過干擾DNA中胸腺嘧啶的形成來抑制細菌，而且也可通過破壞蛋白質的結構使其失去生物學活性[24]；另一方面，冷等離子體激發產生的紫外線多集中在近紫外區（300～400 nm，UV-A）。研究證實：紫外光譜區域殺菌活性相對于其他殺菌活性物質較弱，在220～280 nm波長范圍內（UV-C）且劑量足夠大時才能抑制細菌生長。而Laroussi等[34]以空氣為載氣，利用DBD放電產生的等離子體處理細菌，發現沒有大量產生低于285 nm的紫外光，因此認為紫外線并未在殺菌過程中起到直接明顯的作用。

5.4 其他作用

冷等離子體的產生需要施加電場，帶電粒子和電子在電場的作用下產生離子，電荷定向運動引起電流產生磁場，電場和磁場會引起其它帶電粒子的運動，從而伴隨極強的熱輻射和熱傳導。相關研究表明：細胞內帶電粒子（電子和離子）的積累可能誘導細胞程序性死亡和電穿孔[32,35]，并通過引發細胞組分的釋放而導致微生物失活。此外，冷等離子體化學物質間的復合效應也導致了細菌細胞內物質泄漏和細胞功能的喪失，且微生物失活效應也與等離子體源、操作條件、工作氣體以及微生物本身等因素相關[24]。

6 結語

作為一種新型非熱加工技術，冷等離子體能有效殺滅肉品表面的微生物，并同時較好地保持色澤、pH等理化及感官指標，在肉品殺菌保鮮領域具有廣闊的應用前景。在今后的研究工作中，首先應研發適用于食品加工的冷等離子體設備，并通過優化工藝參數等提高殺菌效果并降低對產品品質造成的不良影響；同時還應重點研究冷等離子體對肉品中蛋白質、脂肪等組分及加工性能、安全性等的影響，從而不斷推動冷等離子體在肉品工業中的廣泛應用。