基于低溫等離子體技術的果蔬生鮮殺菌保鮮研究進展

徐文慧，周錦云，蔡靜，張俊

(浙江省農業科學院食品科學研究所 農業農村部果品采后處理重點實驗室 浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310021)

果蔬生鮮由于營養豐富、口感良好、風味獨特而受到消費者的喜愛。傳統的生鮮保鮮技術主要以裸露或覆蓋保鮮膜置于冷柜中冷藏的方法來延緩發生腐敗的時間。常用的果蔬保鮮技術以氣調保鮮為主[1]，根據果蔬貯藏要求，通過調節環境氣體成分比例，抑制果蔬呼吸，延緩代謝，從而保持果蔬品質。雖然這些保鮮技術可以有效地延長果蔬生鮮的貯藏期，但無法達到有效殺菌和解毒的目的，而其他保鮮技術也存在著諸如設備成本過高、營養破壞、殺菌效率低等缺陷[2]。

低溫等離子體技術是新一代的高科技滅菌技術，它能克服現有滅菌方法的一些局限和不足之處，提高消毒滅菌效果。其體系主要以帶電粒子為主，受外加電場、磁場和電磁場的影響[3]，不但可以對果蔬生鮮產生有效的殺菌效果，而且不會影響果蔬生鮮的過氧化值和酸價，不會對營養物質產生負面影響[4]。

介紹低溫等離子體技術殺菌保鮮的機理，對比常用果蔬生鮮保鮮技術的優缺點，綜述低溫等離子體技術在果蔬生鮮殺菌保鮮領域的研究進展，探討低溫等離子體技術對果蔬生鮮的實用價值。

1 低溫等離子體技術的特點

低溫等離子體技術是近20年發展起來的新型高級氧化技術[5]。它不同于一般的中性氣體，主要以帶電粒子為主，受外加電場、磁場和電磁場的影響，具有獨特的光、熱、電等物理性質[6]，可以產生多種物理過程和化學反應，主要產生高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光解3方面的協同作用。

高能電子輻射作用[7-8]。低溫等離子體內的高能電子轟擊水溶液，使水分子發生電離，激發生成反應能力極強的物質，并通過反應生成游離氧、臭氧和自由基。這些活性基團易攻擊有機分子，通過一系列的反應使其分解為小分子。

臭氧氧化作用[9]。低溫等離子體產生的臭氧是一種強氧化劑，溶于水后直接或由其分解產生的·OH氧化有機物，會使其徹底氧化為CO2、H2O和無機物。

紫外光解作用[10]。低溫等離子體產生的紫外光不僅能單獨分解物質，還可與臭氧聯用。例如：分子+光子→激發態+能量→離子(游離基)+H2O+O2→新物質。

低溫等離子體的產生方法主要有高壓脈沖放電法、介質阻擋放電法、輝光放電法和滑動弧放電法[11-14]。高壓脈沖放電法：超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→與水分子碰撞→·OH+水生電子+重復沖擊波，超窄高壓脈沖→脈沖電暈放電→高能量電子→O2→O3+紫外光，類型有針-板式、點-板式、線-板式、環-筒式。介質阻擋放電法：電極放電→富集粒子+電子+自由基+激發態原子(分子)→離解+電離反應，類型有體(介質阻擋放電)、面(介質阻擋放電)、共板(介質阻擋放電)。輝光放電法：直流放電→蒸汽鞘→高活性粒子(H·、·OH、O3、H2O2)。滑動弧放電法：大氣流→等離子體流→活性粒子+紫外光+高壓激波，類型有液相、氣相。

2 常見果蔬生鮮殺菌保鮮方式對比

殺菌保鮮是食品行業中一個非常重要的環節。常見的果蔬生鮮殺菌保鮮方式主要分為熱力殺菌法與非熱力殺菌法2大類。

2.1 熱力殺菌法

2.1.1 巴氏殺菌法

巴氏殺菌法也稱為低溫殺菌法、冷殺菌法[15]，是一種在較低的溫度既可殺死病菌又能保持物品中營養物質風味不變的滅菌法，主要應用于營養成分在低熱環境下不容易發生分解的食物，如牛奶等，能夠較好地保持食物的營養物質。該方法的優點是滅菌溫度較低，時間較短；缺點是滅菌不徹底，對于耐熱性較好的微生物無法徹底殺滅[16]。

2.1.2 壓力蒸汽滅菌法

壓力蒸汽滅菌法是在密封空間中產生至少100 MPa的壓力，通過高溫蒸汽殺滅微生物的方法。通過使微生物細胞中的細胞膜、細胞壁等細胞結構產生變化，讓微生物原有的生理活動能力遭到破壞，促使微生物死亡[17]。該方法的優點是操作方便、滅菌效果好、無殘留；缺點是食品的營養物質被破壞，成本高，安全性較低。

2.2 非熱力殺菌法

2.2.1 臭氧殺菌法

臭氧殺菌法是一種以空氣與水體為媒質的溶菌級滅菌法[18]。通過臭氧的強氧化作用破壞微生物的細胞膜，阻礙其新陳代謝，改變膜的通透性，使得蛋白質變性，細胞溶解死亡。該方法的優點是殺菌迅速徹底，無二次殘留，且可快速自然分解為氧氣；缺點是臭氧有強烈的腥味，對鼻黏膜有刺激性，且自身性質特殊，使用受限。

2.2.2 紫外殺菌法

紫外殺菌法是一種通過光的直線輻射傳播殺菌的滅菌法[19]。紫外線可對微生物進行輻射，損傷、破壞其核酸的生理功能，使得微生物死亡[20]。該方法的優點是殺菌效果較好；缺點是紫外線輻射對人體有傷害，限制因素多，且對一些食品的風味會有影響，不適用于不耐熱的食品。

2.2.3 微波殺菌法

微波殺菌法是指采用微波(頻率范圍300～300 000 MHz)照射殺滅微生物，是熱殺菌的一種[21]。通過對膜電位、極性分子結構的改變，使得微生物體內蛋白質和生理活性物質發生變異，喪失活力或死亡。該方法的優點是時間短，速度快，溫度低，安全可靠；缺點是費用昂貴，對一些肉類食品的保鮮效果不明顯，對一些食品的營養成分有影響[22]，且自身存在限制性因素。

2.2.4 高壓脈沖殺菌法

高壓脈沖殺菌法是一種利用脈沖波瞬間使細胞破壁，造成膜電位紊亂[23]，對微生物的細胞壁和細胞膜造成破壞，使微生物失活的殺菌法。該方法的優點是速度快，效果好；缺點是設備昂貴，限制因素多。

3 低溫等離子體技術在果蔬生鮮殺菌保鮮中的應用

低溫等離子體技術因其兼具高能電子輻射、臭氧氧化和光化學催化氧化3種作用而成為新一代的殺菌保鮮技術。該技術具有滅菌環境溫度要求低，省時、效率高、安全無污染等優點，被廣泛應用在果蔬生鮮的殺菌保鮮中[24]。

3.1 果蔬

果蔬保鮮的主要環節是抑制果蔬呼吸，降低呼吸強度，延緩生理代謝，降低營養成分消耗，抑制微生物生長，從而延長貯藏期，保持果蔬品質。

任翠榮等[25]利用低溫等離子體處理草莓，發現常壓低溫等離子體保鮮草莓的最優條件為放電時間60 s、放電距離10 mm、處理電壓140 V、氣體流速1 L·h-1，感官評定發現，草莓的常溫保鮮期延長了2 d，為傳統常溫保鮮期的2倍。孫艷等[26]以鮮切果蔬的代表——黃瓜為原料，研究低溫等離子體在不同電壓、極距、時間條件下對大腸埃希菌的影響，結果表明：低溫等離子體對鮮切黃瓜表面的大腸埃希菌具有顯著的殺菌效果，且能夠較好地保持黃瓜的水分、糖度、酸度和顏色，不會對細胞膜造成損害，維持了細胞膜的通透性和脂質氧化程度，保持了VC含量。王卓等[27]探究低溫等離子體對藍莓表面的殺菌作用發現，利用介質阻擋放電低溫等離子體在45 kV工作電壓下處理藍莓50 s，可使藍莓表面細菌和真菌數量下降，且可顯著抑制藍莓貯藏期間腐爛的發生。Critzer等[28]研究低溫等離子體對蘋果、哈密瓜和生菜表面的大腸埃希菌、傷寒沙門氏菌和單核細胞李斯特菌滅活的影響，結果表明，3種菌落在處理不同時間后種群減少。Matan等[29]利用低溫等離子體處理鮮切火龍果表面的病原菌發現，40 W時的大氣射頻等離子體能使其抑制鮮切火龍果表面所有病菌生長的效果提高5.0%，可以有效地抑制鮮切火龍果的病原菌生長，延長火龍果的貨架期。

低溫等離子體處理果蔬既保持了原來的感官品質，又對其表面的微生物具有很好的抑制作用。相對于傳統的殺菌保鮮技術，低溫等離子體是一種新興的綠色滅菌技術，利用產生的自由基和活性成分可高效地殺滅細菌，維持果蔬品質。

3.2 生鮮

生鮮由于含水量高且營養物質豐富，適于微生物的生長和繁殖，極易發生腐敗。生鮮殺菌保鮮的關鍵是抑制微生物的生長，減緩蛋白質的分解速度，減少氨和胺類物質等堿性腐敗物質的產生[30]，延緩生鮮的腐敗，延長保鮮時間。

斯興開等[31]利用低溫等離子體處理草魚魚肉，發現低溫等離子體可有效殺菌，并對草魚魚肉的新鮮程度無明顯負面影響，既可以保留栲膠獨有的生鮮風味，又可有效降低生食水產品的風險，顯著提高生食水產品的食用安全性。劉品[32]以南美白對蝦為研究對象，通過低溫等離子體技術處理后，對蝦體內的多酚氧化酶活力降低，黑變速度下降。同時，低溫等離子體能有效抑制南美白對蝦細菌增長，使其貨架期在4 ℃冷藏條件下由4 d延長至6 d。喬維維等[33]研究發現，低溫等離子體能有效降低牛肉細菌殘留量，且最佳殺菌工藝為電壓72 kV，處理時間86 s，O2、CO2和N2比例分別為35%、35%和30%。在此條件下，牛肉仍能保持較好的顏色，殺菌率為93.75%。黃明明等[34]利用低溫等離子體在72 kV條件下處理牛肉85 s，4 ℃條件下貯藏 10 d，發現低溫等離子體處理后會顯著降低貯藏過程中牛肉的菌落含量，貯藏10 d的菌落總數顯著低于對照，假單胞菌、熱死索絲菌、乳酸菌微球菌和大腸埃希菌的數量也均低于對照組。R?d等[35]利用低溫等離子體處理牛肉干表面的單核增生性李斯特菌，隨著等離子體激發功率和時間延長，菌落總數能夠明顯降低。Patil等[36]利用低溫等離子體處理禽肉表皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌，也取得了積極效果。

低溫等離子體利用其自身機制優勢，通過對生鮮表面殺菌、降解代謝產物和農殘，達到了保鮮的效果[37]。其對生鮮的殺菌作用強，能有效地殺死或鈍化細菌、霉菌、酵母，及其他有害的微生物，甚至使孢子和生物菌膜失活[38]，能夠減緩腐敗菌在生鮮中的生長速度，保證運輸和貯藏過程中生鮮的新鮮程度，在一定程度上延長生鮮的貨架期，同時對生鮮感官品質和營養價值的改變較小。

4 小結

在當今食品加工領域，果蔬生鮮的保鮮、貯藏一直以來都是難以解決的問題，國內外一直將該領域列為研究的重點[39]。低溫等離子體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。不僅具有對滅菌環境溫度要求低、省時、效率高、不產生殘留物、殺菌全面等優點，而且克服了常見果蔬生鮮殺菌保鮮方法在安全性、經濟性和效率等方面的缺點，是一種值得深入研究推廣的新型殺菌保鮮技術。