低溫等離子技術及其對食品品質與微生物的影響

楊新文 - 牛文俊 - 成軍虎 - 王滿生 -

(1. 安徽中儲糧糧油質監中心，安徽 合肥 230041；2. 華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640；3. 中國農業科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205)

1 低溫等離子體技術

1.1 等離子體放電

目前，低溫等離子體的產生主要是通過氣體放電，在食品領域，較為常見的氣體放電方式為介質阻擋放電和電暈放電。在放電過程中，高密度的電子通過氣態介質在電場中被加速，使電子和氣體中的原子及分子發生初次大量碰撞，這些碰撞會改變電子的方向和能量，但是由于質量差異，一些質量較大的粒子在碰撞過程中幾乎無動量傳遞，能保持接近外界環境的溫度[3]。對于在大氣壓下空氣等離子，氧氣和氮氣經過電離、離解等反應生成基態或激發態的粒子等，它們具有比單分子之間碰撞更低的活化能，與電子發生二次碰撞，進一步生成大量的活性氧、活性氮物質。同時，伴隨著電子躍遷，會產生大量的紫外線，在紫外線和這些活性成分的作用下，對微生物進行滅活。

1.2 等離子體診斷

在等離子體的產生過程中，有電子、離子、自由基和光子等多種物質參與，為了更好地理解和控制這一過程，人們使用不同的方法來檢測和診斷等離子體。目前，診斷技術主要分為電學和光學兩種方式，一般實時進行。電學診斷技術常用的有朗繆爾探針、等效電路模型以及干涉測量法。朗繆爾探針法是將電極探針放入產生的等離子體中，通過描繪電流電壓特性曲線間接診斷等離子體的濃度[4]。一般來說，這種方法要求探頭的直徑短于電子的平均自由路徑，德拜長度滿足拉普拉斯極限定理。否則，外層護套結構和內部碰撞的干擾會影響電子密度、空間電位等參數的檢測。等效電路模型適用于產生大氣壓等離子體的高壓電源，電壓的時間特性由高壓探頭測量，并用數字示波器記錄電壓的時間變化。對于高于500 V 的電壓，通常會使用具有某些特性的分壓器。干涉測量方法表主要表征和測量等離子體的折射率，通過計算沿等離子體源的激光路徑長度與折射率的關系從而診斷出等離子體的密度[5]。等離子體能激發不同波長的電磁波、電場以及磁場。通過光學測量能夠有效地診斷等離子體的溫度、密度和化學組成。測量儀器主要由4部分組成：等離子體產生裝置作為光源，透鏡作為光導向器，衍射光柵作為光譜儀，感光片作為檢測器。在紅外區域，通過傅立葉變換光譜法能觀察到分子旋轉與振動之間的轉變，具有高光譜分辨率和高信噪比。干涉儀通過移動光學路徑創建時域干涉圖，再將干涉圖轉換為頻域頻譜。圖1展示了以Ar惰性氣體為工作氣體的射頻型低溫等離子體的原子發射光譜圖。

1.3 等離子體活性成分

圖1 Ar惰性氣體的射頻型低溫等離子體的原子發射光譜圖

2 低溫等離子體處理對食品品質的影響

2.1 對淀粉結構的影響

食品中淀粉結構的修改和改性與淀粉的有效利用至關重要。Bunara等[9]通過低溫等離子體處理玉米淀粉，發現經過低溫等離子處理的玉米淀粉的水結合能力有所增加。形成的主要原因是等離子體處理過后的淀粉樣品，其部分直鏈淀粉與支鏈淀粉被降解為麥芽糖和葡萄糖等小分子糖，而這些糖含量的增加，會提高淀粉整體的親水性能。Pal等[10]研究認為，稻米經過等離子體處理后，米粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉中鏈的支化程度增加，處理后淀粉的脫水收縮性也發生了改變。在被處理前的冷藏期間，谷物淀粉分子主要由淀粉鏈之間的分子締合引起重組，導致脫水收縮，而經過低溫等離子體技術處理后，谷物中淀粉分子間的糖苷鍵在等離子體的作用下裂解而解聚，進而發生脫水收縮，如圖2所示。

2.2 對蛋白質結構的影響

等離子體中產生的活性成分可以較為顯著地影響肉的色澤。其中，NO和CO都有可能與肌紅蛋白血紅素發生配位結合，使肌紅蛋白顯示出鮮艷的粉紅色。同時，由于等離子體產生的氮氧化物會溶于肉表面的水分中，生成亞硝酸鹽和硝酸鹽，導致pH下降的同時也有可能與肌紅蛋白發生相互作用，這也是研究者認為等離子體能夠作為護色手段的原因。除了與肌紅蛋白的血紅素配位結合，肌紅蛋白還可能與NO的非血紅素結合，即與卟啉環外的氨基酸結合，生成N-亞硝化肌紅蛋白，從而存在一定的健康風險。Yong等[11]發現，將溶于磷酸鹽緩沖液中的肌紅蛋白暴露于常壓等離子體(APP)20 min后，a*值下降，b*值上升(P<0.05)。APP處理后，肌紅蛋白溶液中產生亞硝酸鹽，為高鐵肌紅蛋白的亞硝化(綠色)提供了一個積極的環境。然而，在肌紅蛋白溶液中添加0.5%二硫代鈉(一種強還原劑)導致了脫氧肌紅蛋白的形成，經APP處理后，脫氧肌紅蛋白被轉化為亞硝基肌紅蛋白，呈現出理想的紅色。因此，APP誘導的肌紅蛋白溶液中的綠色與亞硝化的高鐵肌紅蛋白的形成有關。Wang等[12]發現，將安樂死的羅非魚暴露于NO氣體中，暴露時間越長，肌紅蛋白的血紅素與NO結合越多。Wang等[13]還嘗試將NO溶于水中處理羅非魚肉，發現羅非魚的色澤穩定性顯著提高，貨架期延長。同理，Mantilla等[14]采用CO處理羅非魚肉，魚肉的a*值上升且穩定性增加。也有研究[15]認為，氣調包裝中加入CO能保持牛肉的鮮紅色澤。這些研究均表明，等離子體與肌紅蛋白的配位結合是很可能發生的。Surowsky等[16]通過采用低溫等離子體技術處理新鮮食品中的酶，發現對蛋白質結構穩定起重要作用的二級結構受到了明顯的破壞損失。放電產生的等離子體如OH-等可以參與到對蛋白質肽鏈的切割以及可以氧化氨基酸側鏈并形成蛋白質—蛋白質交聯，使蛋白質原有的活性受到顯著影響。而Deng等[17]也通過介質阻擋放電等離子體對蛋白質進行處理，證實被處理的蛋白質被降解為了小分子物質，蛋白質的結構受損較為顯著。Ekezie等[18]探討了以干燥空氣為載氣的RF等離子體活性物質產生的氧化效應對肌原纖維蛋白(MP)結構的修飾以及對其理化特性的影響。采用分光光度法、ANS熒光探針法探究了CP處理對MP的理化特性的影響，結果表明，與對照組相比，MP的溶解性下降，且在10 min處理后，達到最低值(54.8±6.76)%；同時濁度增加，起泡能力基本不發生變化。初步揭示了CP處理可以誘導MP分子構像的改變，為蛋白質等生物大分子的修飾提供了一定的參考；圓二色譜分析結果表明，隨著處理時間的增加，α-螺旋不斷下降，經過10 min處理后，α-螺旋結構基本消失，揭示了等離子體中的活性成分對蛋白質的二級結構產生了破壞作用；ANS熒光探針和熒光發射光譜法分析結果表明，隨著處理時間的延長，MP分子表面的疏水性逐漸增加，經過10 min處理后，表面疏水值從(465.7±9.33)增加到(846.6±10.2)。同時，MP蛋白的最大熒光吸收波長發生了輕微的紅移。紫外吸收光譜顯示MP分子在280 nm處的吸收呈現逐漸增加的趨勢，初步揭示了等離子體中的活性氧成分如OH-、H2O+等對氨基酸殘基以及巰基的氧化作用，以及誘導MP蛋白分子展開，導致疏水氨基酸暴露，從而引起MP蛋白分子構像的改變。圖3揭示了低溫等離子體處理對蛋白質高級結構的影響過程。

表1 等離子體—液體各相活性物質

圖2 等離子體處理對淀粉結構的影響

ROS. 活性氧化物 RNS. 活性氮化物

2.3 低溫等離子體處理對食品中微生物的影響

近年來，冷等離子體在食品工業中的應用顯示出獨特的優勢，可用于滅活食品表面的沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、巴西曲霉、大腸桿菌、單核增生李斯特菌等微生物[19]，酵母[20]，枯草芽孢桿菌內生孢子[21]和枯草芽孢桿菌[22]，黃曲霉[23]和曲霉寄生黃曲霉孢子[24-27]。包裝后的肉經等離子體處理也能保證肉的微生物下降超過2個對數級，同時包裝未被損壞。并且，等離子體處理在有效滅菌的同時，不會降低肉的質量，包括質地等感官質量和脂肪氧化、蛋白氧化等理化特性[28]。Kuzminova等[29]的試驗結果表明，隨著低溫等離子體處理的進行，被處理過的枯草芽孢桿菌孢子的外層組織遭到明顯破壞，孢子的尺寸也明顯減小，與孢子的原始尺寸相比，孢子幾乎被完全侵蝕。低溫等離子體處理后微生物的細胞結構受到破壞，膜功能如控制物質進出受到顯著影響，進而表現為微生物及孢子被滅活效果明顯。芽孢內DNA攜帶著與芽孢內新陳代謝相關的信息，一旦相關的DNA受損，芽孢就很有可能死亡。目前研究發現，低溫等離子體能造成芽孢內的DNA損傷，且主要與激發氣體產生的紫外線有關。Hertwig等[21]使用3組氣體(Ar，Ar+0.135% O2，Ar+0.135% O2+0.2% N2)對枯草芽孢桿菌進行滅活，并對滅活過程中芽孢滅活率和DNA損傷進行動力學分析，不同氣體條件下DNA損傷的動力學模型不同。對突變體芽孢(缺乏α/β型DNA酸可溶蛋白，缺乏核酸切除修復路徑)進行低溫等離子體處理的試驗中發現，突變體對于在低溫等離子體處理下的環境敏感性增加。Ma等[30-31]用大氣壓等離子體射流活化的等離子體活化水(PAW)處理接種過金黃色葡萄球菌的草莓，貯藏4 d后使草莓表面的金黃色葡萄球菌減少了2 lg CFU/g，并且對真菌生長也有一定的抑制作用。

圖4 低溫等離子體處理對微生物滅活機制

3 結束語

低溫等離子體激發過程中會產生大量的ROS和RNS等活性物質，可以與食品體系中的有機大分子如淀粉和蛋白質發生化學變化，可以進行化學修飾、改性與功能性優化。同時，這些活性成分可以與食品微生物的細胞膜成分及遺傳物質DNA相互作用，最終達到滅活的效果。文章主要探討了部分國內外學者使用低溫等離子體處理食品分子結構變化的研究成果，為低溫等離子技術調控食品品質提供重要理論參考和新的技術手段。同時，在關于低溫等離子體滅活芽孢類微生物的研究上，滅活效果明顯，處理時間短，效率高，在未來應用上低溫等離子體技術將會有更廣闊的發展空間，為該技術的工程化應用提供理論支撐。