低溫等離子體在食品中殺滅微生物與降解真菌毒素研究進(jìn)展

周煜，蔡瑞，岳田利，袁亞宏，王周利，*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100；3.國家楊凌農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)工程技術(shù)研究中心，陜西楊凌712100）

微生物及真菌毒素是谷物、飼料、果蔬及其加工制品中無法避免的污染物，對食品安全、動(dòng)物和人體健康等構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，也影響了相關(guān)產(chǎn)品的出口貿(mào)易和流通，阻礙了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化，由微生物污染及真菌毒素引起的食品安全危害事件不斷加劇，對食品行業(yè)產(chǎn)生了重大影響，嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)品的國際化貿(mào)易和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，研究建立高效的殺菌技術(shù)與毒素降解方法至關(guān)重要。低溫等離子體作為一種新型的非熱加工處理方式，由于對微生物滅活效果顯著，同時(shí)能夠保證新鮮農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)而成為研究熱點(diǎn)[1-2]。

本文主要綜述低溫等離子體處理在食品微生物的滅活及真菌毒素降解及應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，結(jié)構(gòu)如下：重點(diǎn)概述低溫等離子體的作用機(jī)理與方式；基于理論模型和實(shí)際樣品的微生物和真菌毒素的殺滅與降解效果及作用機(jī)制；低溫等離子體技術(shù)在新鮮農(nóng)產(chǎn)品、液體食品、糧食和肉類等多個(gè)產(chǎn)業(yè)中殺菌及降解真菌毒素方面的研究進(jìn)展，以期為現(xiàn)有研究工作提供方法與思路。

1 等離子體簡介

等離子體（plasma）是一種正離子和電子密度大致相等的電離氣體，由離子、電子以及未電離的中性粒子集合組成，整體呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)，被稱為是除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第4狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算，宇宙中99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)，自然界中常見的等離子體如太陽、電離層、極光、雷電等；人工合成的等離子體主要為氣體放電法產(chǎn)生的熒光燈、霓虹燈、電弧焊等[3]。等離子體的應(yīng)用在生活中隨處可見，其與生活息息相關(guān)。

1.1 等離子體的產(chǎn)生及分類

等離子體的產(chǎn)生可表述為中性氣體被施加足夠高的能量后氣體分子發(fā)生電離而形成的混合物。通常氣體中存在一定比例的原子（或分子）發(fā)生電離，因此可產(chǎn)生一定數(shù)量的初級電子。這些電子在外部電場的作用下獲得能量，當(dāng)其能量高于氣體原子的電離電勢時(shí)，電子與原子間的非彈性碰撞將導(dǎo)致電離，從而產(chǎn)生離子和電子，電子與周圍的原子或分子繼續(xù)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生活性更高的激發(fā)態(tài)原子、離子以及自由電子，直至整個(gè)系統(tǒng)受帶電離子的的支配，此時(shí)的電離氣體就被稱為等離子體。等離子體產(chǎn)生示意圖見圖1。

等離子體主要含有帶電粒子（電子、離子）和不帶電粒子（分子、激發(fā)態(tài)原子、亞穩(wěn)態(tài)原子、自由基）以及紫外線、γ射線、β射線等，其可以在較寬的氣壓和溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生，也可用微波、光脈沖、交流電和直流電等多種激發(fā)源產(chǎn)生[4-5]。其中高電壓放電是獲得等離子體最普遍的途徑。在兩個(gè)電極之間施加高電壓后，產(chǎn)生一定的電場強(qiáng)度分布，其間的氣體被電離從而產(chǎn)生放電等離子體。氣體的電離程度與電場強(qiáng)度的大小以及高壓電源的功率等因素有關(guān)[6]。

圖1 等離子體產(chǎn)生示意圖Fig.1 Schematic diagram of plasma generation

根據(jù)電子溫度和離子溫度之間的關(guān)系，等離子體可以分為平衡等離子體和非平衡等離子體兩大類。處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的等離子體，其電子和離子具有相似的溫度和能量，這些等離子體的整體溫度通常在104K左右，電離度（離子數(shù)超過等離子體總粒子數(shù)）接近或等于100%；相反，處于熱力學(xué)非平衡態(tài)的等離子體，其中電子和離子具有不同的溫度。電子的溫度在104K左右，而離子和中性粒子的溫度常常接近室溫。作為一種活性氣體介質(zhì)，這些非熱等離子體具有相對較低的電離度，可以安全使用且不會(huì)對周圍的材料造成熱損傷[7]。同完全電離的高溫等離子體相比，低溫等離子體不僅包括電子、離子，還存在負(fù)離子（原子或分子為基體）、分子、自由基、激態(tài)原子、光子。正由于這些化學(xué)活性粒子的存在，使低溫等離子體成為能完成多種化學(xué)反應(yīng)過程的系統(tǒng)[8]。

另外，等離子體中可用于電離的氣體種類很多，如空氣、氮?dú)饣蛘吆幸欢ū壤亩栊詺怏w的混合物，例如氦氣、氬氣或氖氣。這種廣泛的涉及范圍表明了低溫等離子體系統(tǒng)的靈活性以及新形式的低溫等離子體系統(tǒng)繼續(xù)建立和評估的程度。當(dāng)在進(jìn)料氣體中使用氧氣時(shí)，低溫等離子體的抗微生物功效趨于增強(qiáng)。與使用空氣或其他氮和氧的混合物的冷等離子體系統(tǒng)相比，使用氦的低溫等離子體系統(tǒng)在商業(yè)規(guī)模上運(yùn)行要昂貴得多。即使用作整體混合氣體的次要組分，這些氣體之間的價(jià)格差異及滅菌效果也是影響擴(kuò)大到商業(yè)加工的重要因素[9]。

1.2 等離子體源

低溫等離子體源的本質(zhì)是向不同中性氣體施加電場從而產(chǎn)生活性粒子以滿足預(yù)期應(yīng)用。由于食品加工對滅菌技術(shù)是否影響食品感官指標(biāo)和營養(yǎng)成分具有嚴(yán)格的要求，一般要求等離子滅菌在常溫、常壓下進(jìn)行，這樣才有工業(yè)化的價(jià)值。能在常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的放電方式有直流輝光放電（glow discharges，DC）、電暈放電（corona discharge plasmas，CD）、介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharges plasmas，DBD）、射頻放電（radio frequency discharge plasmas，RF）、局部放電（partial discharges，PD）等[10-11]。

等離子體源的設(shè)計(jì)也隨著時(shí)間的推移而發(fā)展。目前也開發(fā)獲得了一些新穎的等離子體源，如表面波等離子體源、中性環(huán)路放電等離子體源，但還未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[12]。因此，探索并發(fā)展適合的等離子體源對其在食品工業(yè)中的應(yīng)用具有重要的意義。

2 等離子體對微生物的殺滅機(jī)制

目前，對于等離子體滅活微生物的機(jī)制尚未徹底解析。諸多研究提出了不同的滅活機(jī)制，但均未得到證實(shí)。等離子體滅菌中微生物種類、性質(zhì)（如耐酸性、耐熱性等）、等離子體源、食品類型等諸多因素都會(huì)影響殺菌效果。低溫等離子體滅菌機(jī)理見圖2。

圖2 低溫等離子體滅菌機(jī)理Fig.2 Sterilization mechanism of cold plasma

在等離子體中，一般認(rèn)為高能電子、帶電粒子、紫外線、氧自由基等物質(zhì)與微生物的滅活有關(guān)：

1）高速粒子的穿透效應(yīng)：等離子體裝置持續(xù)不斷的產(chǎn)生高濃度的正負(fù)離子，這些離子在微生物表面產(chǎn)生的剪切力大于其細(xì)胞膜表面張力，在能量釋放的過程中，細(xì)菌的細(xì)胞壁因此而受到嚴(yán)重破壞，正離子穿透多孔的細(xì)胞壁，滲透至細(xì)胞內(nèi)部，破壞細(xì)胞電解質(zhì)，損害細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[13]。

2）電場效應(yīng)：當(dāng)平均電場強(qiáng)度超過一定范圍時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞膜會(huì)被擊穿。細(xì)胞膜很薄，當(dāng)作用在細(xì)胞膜上的電場強(qiáng)度很高，將使細(xì)胞出現(xiàn)不可恢復(fù)的擊穿，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。但該機(jī)制仍存在爭議，馬躍等研究認(rèn)為電場作用不是細(xì)菌滅活的主要因素，等離子體中的氧自由基可以破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，以及細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)和核酸，從而起到殺菌的效果[14]。

3）紫外光作用：等離子體發(fā)生過程中伴隨著光輻射，包括紫外線與可見光，其發(fā)射光譜與氣體介質(zhì)成分及其電離后的活性粒子種類密切相關(guān)。紫外線可影響細(xì)菌DNA鏈中的胸腺嘧啶堿基的二聚作用，這抑制了細(xì)菌正常復(fù)制的能力。但由于紫外線在常壓空氣和水中很容易被介質(zhì)吸收，故作用有限[15-16]。

4）pH值變化：等離子體殺藻過程中pH值和酸度對細(xì)胞形態(tài)具有明顯的破環(huán)作用[6]。但May KORACHI認(rèn)為由于等離子體反應(yīng)引起酸度水平增加不是細(xì)菌細(xì)胞死亡的原因。等離子體處理后觀察到內(nèi)容物的DNA顯示擴(kuò)增序列的惡化，表明可能發(fā)生DNA降解，認(rèn)為等離子體放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)影響DNA導(dǎo)致細(xì)胞死亡為主要原因[17]。同樣，李婭西等研究發(fā)現(xiàn)pH值在等離子體微生物滅活中不起主要作用，分析后認(rèn)為等離子體中的帶電粒子和氧自由基（reactive oxygen species，ROS）才可能是導(dǎo)致菌類滅活的主要因素[18]。

5）高能粒子和活性自由基的作用：高壓放電非平衡等離子體中，反應(yīng)物質(zhì)通過電子沖擊和離解等多種碰撞途徑產(chǎn)生，使等離子體中含有大量原子氧（O）、臭氧（O3）、羥基（OH）、NO、NO2等活性氧和活性氮（reactive nitrogen species，RNS），這些活性物質(zhì)對微生物細(xì)胞特別是其細(xì)胞膜具有直接影響。細(xì)胞膜為磷脂雙分子層，其重要組分之一是不飽和脂肪酸，可賦予膜凝膠狀性質(zhì)，允許生化副產(chǎn)物跨膜傳輸。由于不飽和脂肪酸易受羥基自由基（·OH）的攻擊，因此羥基自由基的存在可能會(huì)影響膜脂阻止離子和極性化合物跨膜運(yùn)輸?shù)墓δ堋Ａ硗猓度肓字p分子層的蛋白質(zhì)也控制各種化合物的通過。蛋白質(zhì)是氨基酸的線性聚合物，氨基酸在富含自由基的等離子體環(huán)境中同樣易于氧化變性。因此，等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)會(huì)極大地?fù)p害微生物細(xì)胞的完整性，易與細(xì)菌體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生反應(yīng)，且易干擾細(xì)胞的呼吸作用，致細(xì)菌死亡[16]。

劉紅霞等通過電鏡觀察到，等離子體處理后細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破裂，造成細(xì)胞質(zhì)泄漏。他們認(rèn)為，強(qiáng)氧化性的氧自由基易與細(xì)胞作用，通過氧化作用破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞質(zhì)泄漏。隨著處理時(shí)間的增加，氧自由基不僅與細(xì)胞壁和細(xì)胞膜反應(yīng)，還與細(xì)胞質(zhì)中的物質(zhì)反應(yīng)，如破壞細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)和核酸[19]。許子牧在分子生物層面研究了低溫等離子體滅菌的機(jī)理，通過試驗(yàn)同樣證明等離子體處理可能會(huì)影響細(xì)菌中與氧化應(yīng)激反應(yīng)、生物膜形成、抗生素抵抗和DNA損傷保護(hù)／修復(fù)相關(guān)的基因表達(dá)，并且導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)ROS的生成，從而誘導(dǎo)菌內(nèi)氧化壓力上升，當(dāng)超過細(xì)菌氧化應(yīng)激反應(yīng)閾值時(shí)造成細(xì)菌失活[20]。Nata?a Hojnik等發(fā)現(xiàn)，等離子體中存在的各類自由基可以相互作用，產(chǎn)生ROS和RNS。在活細(xì)胞中，這些物質(zhì)首先與細(xì)胞膜反應(yīng)，然后進(jìn)入細(xì)胞對細(xì)胞間成分如細(xì)胞器和生物分子（DNA、RNA和蛋白質(zhì)等）造成損害。特別是當(dāng)活性物質(zhì)與水相互作用，將導(dǎo)致對細(xì)胞有害的·OH的形成，形成于DNA分子周圍的水合層中的·OH能夠造成90%的DNA損傷，隨后·OH與附近的有機(jī)物反應(yīng)，導(dǎo)致鏈?zhǔn)窖趸瑥亩鴩?yán)重破壞DNA分子以及細(xì)胞膜和其他細(xì)胞成分。同樣，當(dāng)真菌毒素暴露于等離子體產(chǎn)生的ROS和RNS時(shí)，它們會(huì)通過次級反應(yīng)直接或間接分解，降低其毒性[2，21]。綜上所述，以上研究均突出了低溫等離子體滅菌中自由基的主導(dǎo)地位，其主要機(jī)理為自由基對細(xì)胞膜及細(xì)胞壁的損傷，并進(jìn)入細(xì)胞影響DNA、RNA及蛋白質(zhì)的正常生理活性，從而殺滅微生物。

食品滅菌除了需要?dú)缥⑸锘铙w之外，還不得不考慮抗逆性極強(qiáng)的細(xì)菌休眠體——芽孢。在環(huán)境適宜時(shí)，其可重新萌發(fā)成為營養(yǎng)細(xì)胞，造成食品污染，影響食品的貯藏性。芽孢含水量極低，抗逆性強(qiáng)，能經(jīng)受高溫、紫外線，電離輻射以及多種化學(xué)物質(zhì)滅殺等。石興民等采用介質(zhì)阻擋放電大氣壓低溫等離子體殺滅枯草桿菌黑色變種芽孢，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體對細(xì)菌芽孢有良好的殺滅效果，且具有時(shí)間劑量依賴性。帶電粒子的擊穿作用和ROS的氧化作用可能在殺滅芽孢的過程中起主要作用，而高壓電場效應(yīng)可以忽略不計(jì)[22]。

除此之外，等離子體處理對孢子也具有一定殺滅作用。孢子的存活率直接取決于其保護(hù)層的完整性，由于含水量低，孢子可有效抵抗高溫。但在空氣等離子體中，氧基自由基提供的氧化環(huán)境可使孢子表面的蛋白質(zhì)變性。當(dāng)外殼失去其完整性時(shí)，孢子的核心易受自由基的攻擊。造成孢子致死損傷的另一個(gè)機(jī)制可能是孢子表面帶電粒子的積累和孢子表面上自由基的連續(xù)轟擊，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂[23]。

目前的研究大都認(rèn)為低溫等離子體殺滅微生物活體、芽孢、孢子等均依賴于氧自由基的強(qiáng)氧化作用，但這一說法仍舊較為局限，等離子體中的豐富活性物質(zhì)的作用及交互作用有待研究，這對未來實(shí)踐應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

3 等離子體技術(shù)在食品殺菌中的應(yīng)用

3.1 新鮮農(nóng)產(chǎn)品

新鮮農(nóng)產(chǎn)品由田間采收直接與田間土壤、空氣、昆蟲等接觸，受真菌污染的可能性極大；且新鮮農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，因此控制新鮮農(nóng)產(chǎn)品中的微生物及真菌毒素以保障食品安全對于食品工業(yè)發(fā)展來說至關(guān)重要。下文將綜述低溫等離子體滅活新鮮農(nóng)產(chǎn)品中微生物的廣闊前景。

Daniela等研究了大氣壓低溫等離子體技術(shù)（atmospheric pressure cold plasma，APCP）在生菜、胡蘿卜、西紅柿中的滅菌效果，發(fā)現(xiàn)APCP對新鮮農(nóng)產(chǎn)品滅菌效果與其表面狀態(tài)有顯著關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)胡蘿卜中大腸桿菌滅活大多≤0.5 log CFU/g，主要因?yàn)楹}卜具有高度多孔的表面，細(xì)菌可以在其中遷移從而免受等離子體作用。同樣，用APCP處理生菜，由于其葉狀結(jié)構(gòu)，微生物能夠在葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)遷移因此略具防止等離子體處理的保護(hù)作用。而當(dāng)APCP作用于番茄表面，其光滑和均勻的表面不能保護(hù)微生物免受侵害，導(dǎo)致細(xì)胞的失活[24]。R.X.Wang等的研究表明，等離子體滅活效果與樣品表面水分含量有顯著關(guān)系。用等離子體處理30 s可使胡蘿卜片上90%的細(xì)菌被滅活。相反，相同情況下黃瓜片上僅約60%的細(xì)菌被滅活。至于梨片，微生物滅活效果甚至更低，只有約40%被滅活。處理1 min后，黃瓜和梨片上的細(xì)菌滅活率達(dá)到80%以上，進(jìn)一步的等離子體處理導(dǎo)致存活細(xì)菌的進(jìn)一步減少，但滅活率的變化顯著降低。4 min等離子體處理使胡蘿卜片上的所有病原體失活。然而，梨和黃瓜片上大約10%的沙門氏菌仍存活。他們將滅活效率的差異歸因于表面液態(tài)水的差異，或更可能歸因于從組織內(nèi)部流出的汁液[25]。底物形貌對細(xì)菌滅活效果有重要影響。食物結(jié)構(gòu)如萵苣的氣孔，草莓表面的凸起和馬鈴薯組織的真核細(xì)胞壁可能產(chǎn)生物理屏障，從而保護(hù)細(xì)菌細(xì)胞。此外，食品表面的固有特征如蠟狀表皮或其他組分也可有助于保護(hù)黏附的細(xì)菌[7]。在食品生產(chǎn)中應(yīng)用等離子體滅菌時(shí)，應(yīng)根據(jù)原料性質(zhì)設(shè)置適合的處理工藝參數(shù)或利用預(yù)處理技術(shù)以保證最佳滅菌效果。

目前工業(yè)上鮮切果蔬多采用氯消毒替代防腐劑，但其潛在危害還未有明確報(bào)道。而等離子體在滿足滅活新鮮農(nóng)產(chǎn)品上微生物條件的同時(shí)，對產(chǎn)品質(zhì)量的影響較小，且安全可控，因此在食品工業(yè)中將具廣闊的發(fā)展前景。SilviaTappi等評估了介質(zhì)阻擋放電等離子體處理對儲(chǔ)存期間鮮切瓜穩(wěn)定性的影響，評估其質(zhì)量參數(shù)、代謝和微生物指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明在鮮切瓜保質(zhì)期明顯增長的同時(shí)，其定性參數(shù)（可滴定酸度、可溶性固形物含量、干物質(zhì)、顏色、質(zhì)地）僅受等離子體處理的微弱影響[26]；Ah YoungSong等研究低溫等離子體處理（cold plasma treatment，CPT）對食源性病原體的抑制和對新鮮生菜貯藏時(shí)間的延長作用，結(jié)果表明，CPT抑制生菜上的病原體可達(dá)2.8 log CFU/g的效果。N2-CPT對大腸桿菌的生長產(chǎn)生抑制作用，但在儲(chǔ)存期間不影響生菜的理化性質(zhì)和感官品質(zhì)。CPT顯示出在不損失新鮮蔬菜理化或感官特性的情況下改善其微生物安全的潛力[27]。王卓等研究了介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體對藍(lán)莓果實(shí)的殺菌效果，發(fā)現(xiàn)在45 kV工作電壓下處理藍(lán)莓50 s，可使細(xì)菌和真菌數(shù)量分別下降 1.75 log（CFU/g）和 1.77 log（CFU/g），降低了藍(lán)莓腐爛的發(fā)生，同時(shí)誘導(dǎo)了藍(lán)莓抗氧化活力，有利于提高藍(lán)莓貯藏期間的品質(zhì)[28]。總體而言，低溫等離子技術(shù)為食物鏈中的多個(gè)應(yīng)用點(diǎn)提供了機(jī)會(huì)，同時(shí)確保了微生物安全和化學(xué)安全。

3.2 液體食品

基于對天然和營養(yǎng)食品日益增長的需求，并伴隨食品加工和包裝技術(shù)的不斷發(fā)展，液體食品愈來愈受廣大消費(fèi)者喜愛。為使這些食品具有優(yōu)良的感官品質(zhì)及營養(yǎng)成分，新的滅菌技術(shù)不斷發(fā)展[29]。目前的工業(yè)普遍應(yīng)用的殺菌方法如巴氏殺菌法、高溫瞬時(shí)滅菌法等均基于熱處理，雖然能夠滿足滅菌要求，但在滅菌過程中往往易引起食品品質(zhì)的變化。現(xiàn)存的替代方案主要有：脈沖電場（pulsed electric fields，PEF）、輻射、UV光、高壓、凍融。這些方法由于對食品品質(zhì)的保護(hù)不足和加工成本過高而存在缺陷。因此，需要尋求一種新的替代方案。

Tyczkowska-Sieron E等研究了20株從患有臨床或亞臨床乳腺炎的奶牛采集的牛奶樣品中分離出的中型無綠藻（P.zopfii）。研究證實(shí)每種菌株均顯示出對低溫大氣等離子體的高度易感性，開辟了利用低溫等離子體對抗P.zopfii的新方法[30]。當(dāng)奶牛攝食由真菌毒素污染的飼糧后，可能會(huì)導(dǎo)致牛奶產(chǎn)量的下降以及乳成分的改變，并使牛奶中含有真菌毒素。牛奶中真菌毒素的存在嚴(yán)重威脅著人類和動(dòng)物的健康[31]。李婭西等研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可以快速有效地殺滅橙汁（OJ）中的微生物（金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念球菌）以延長橙汁儲(chǔ)存的貨架期，而且對橙汁營養(yǎng)及理化性質(zhì)的影響甚微[18]。Lei Xu等研究探討高壓大氣低溫等離子體（high voltage atmospheric cold plasma，HVACP）對OJ中鼠傷寒沙門氏菌（S.enterica）的滅活效果。結(jié)果表明HVACP可以有效地滅活OJ中的沙門氏菌，同時(shí)對橙汁質(zhì)量影響最小[32]。Pankaj等在80 kV下使用HVACP對葡萄汁進(jìn)行4 min處理，結(jié)果顯示釀酒酵母減少7.4 log CFU/mL。隨后對葡萄汁各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)果汁的pH值、酸度和電導(dǎo)率沒有任何顯著的變化（P＞0.05）；非酶促褐變導(dǎo)致的總色差較低；總酚、總黃酮、DPPH自由基清除和抗氧化能力降低，與熱巴氏滅菌后的結(jié)果相當(dāng)[33]。Lívia M.N.Paix?o等研究輝光放電等離子體對巴西金桔果汁品質(zhì)的影響，在處理前后測定樣品的理化性質(zhì)和生物活性物質(zhì)。結(jié)果顯示維生素C沒有顯著變化，總酚、抗氧化活性和B族維生素增加，產(chǎn)品的顏色幾乎不受影響[34]。由此可見，低溫等離子技術(shù)不僅可有效滅活液體食品中的微生物，保障食品安全，延長貨架期，并且在處理過程中對食品營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)的影響極小，相較于傳統(tǒng)滅菌方式可有效保存食品中的營養(yǎng)物質(zhì)，未來在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

但低溫等離子體技術(shù)針對不同產(chǎn)品有不同的工藝參數(shù)，生產(chǎn)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以應(yīng)用。林向輝等研究表明，隨著循環(huán)次數(shù)、橙汁溫度及電壓的升高，殺菌效果和酶的鈍化作用逐漸增強(qiáng)。與金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌相比，大腸桿菌和沙門氏菌較易被殺滅[35]。Bj?rnSurowsky等研究了低溫等離子體滅活蘋果汁中弗氏檸檬酸桿菌（C.freundii）的能力。在氬氣和0.1%氧氣等離子體中暴露480 s并儲(chǔ)存24 h后，蘋果汁中的C.freundii減少約5個(gè)數(shù)量級。另外，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞和等離子體之間的直接接觸不是實(shí)現(xiàn)滅活所必需的，液體中等離子體產(chǎn)生的化合物，例如過氧化氫和氫過氧自由基是微生物滅活的關(guān)鍵所在[29]。食品行業(yè)需根據(jù)特定產(chǎn)品的加工工藝設(shè)計(jì)等離子體殺菌工藝參數(shù)以有效保障產(chǎn)品品質(zhì)。

3.3 肉及肉制品

肉類食品是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚氖称罚捎谄浜胸S富的營養(yǎng)成分，在加工、貯藏、運(yùn)輸、銷售過程當(dāng)中極易遭受微生物的污染而導(dǎo)致產(chǎn)品的腐敗變質(zhì)，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)將危及消費(fèi)者的健康甚至生命，因而肉類食品的保鮮及衛(wèi)生安全是長期以來亟待解決的問題[36]。肉類保鮮處理的傳統(tǒng)方法各具一定的局限性，如熱殺菌技術(shù)易導(dǎo)致肉的結(jié)構(gòu)變化和質(zhì)地?fù)p失；化學(xué)降解法易產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物；輻照會(huì)對肉類的脂肪酸譜和感官特性產(chǎn)生不利影響等。在非熱方法中，低溫等離子體處理肉類和肉類產(chǎn)品以保障其安全和品質(zhì)是一項(xiàng)創(chuàng)新[37-38]。

試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果表明：對于鉛礦石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，兩種前處理方法均能將其消解完全，溶液澄清透明，且認(rèn)定值和測得值吻合較好。對于鉛礦石實(shí)際樣品而言，密閉酸溶法均能將樣品消解完全，溶液澄清透明，各元素回收率在80%～115%之間；敞開酸溶法能將樣品1消解完全，溶液澄清透明，各元素回收率在80%～120%之間；敞開酸溶法對樣品2的消解效果不好，溶液中仍有黑渣殘留(可能是石墨類、炭類溶質(zhì)或一些重金屬元素氧化物)，且Ge、In兩種元素回收率異常偏低，這可能是由于在溶樣過程中Ge揮發(fā)或者黑渣吸附In所致。因此，實(shí)驗(yàn)選擇密閉酸溶法消解樣品。

Ulbin-Figlewicz等研究了低溫等離子體處理對肉表面微生物滅活的效果及其對肉色和pH值的影響，結(jié)果顯示處理10 min后，氦等離子體處理的細(xì)菌總數(shù)減少約3 log CFU/cm2，氬等離子體處理的微生物總數(shù)減少約2 log CFU/cm2，且酵母和霉菌也有一定程度的減少，約為3 CFU/cm2（氦）和2.6 CFU/cm2（氬）[39]。Lu Han等研究表明在空氣中使用大氣壓等離子體（80 kVRMS）處理60 s后，在PBS中檢測不到大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和金黃色葡萄球菌[40]。Sara KatrineR?d等研究了低溫大氣壓等離子體對接種無害李斯特菌的切片即食（ready to eat，RTE）肉制品滅菌的應(yīng)用。接種的樣品在含有30%氧和70%氬的密封線性低密度聚乙烯袋中在15.5、31 W和62W下處理2 s～60 s，使李斯特菌的減少范圍為（0.8±0.4）log CFU/g～（1.6±0.5）log CFU/g，不受處理時(shí)間和強(qiáng)度顯著影響。而在15.5W和62 W下每間隔10 min處理20 s，多次處理后無害李斯特菌的減少隨著處理次數(shù)的增加而提高[41]。黃明明等采用高壓電場低溫等離子體殺菌（cold plasma cold sterilization，CPCS）對氣調(diào)包裝O2、CO2與N2體積分?jǐn)?shù)分別為35%、35%、30%的生鮮牛肉在72 kV條件下處理85 s，于4℃條件下貯藏10 d后分析牛肉冷藏過程菌落總數(shù)、主要腐敗菌屬等變化。研究結(jié)果表明CPCS可顯著降低貯藏過程中牛肉中的菌落含量，貯藏10 d菌落總數(shù)為5.76 log CFU/g，顯著低于對照組7.46 log CFU/g[42]。諸多研究均顯示低溫等離子體技術(shù)對肉及肉制品滅菌具有良好效果。

4 等離子體降解真菌毒素研究進(jìn)展

4.1 真菌毒素的傳統(tǒng)降解方式

常用的真菌毒素脫除方法有物理法、化學(xué)法和生物法。化學(xué)法主要是采用酸、堿、氧化劑、醛或亞硫酸氣體等以改變真菌毒素的結(jié)構(gòu)，該方法雖然能夠有效脫除毒素，但可能會(huì)對食品的營養(yǎng)價(jià)值和風(fēng)味產(chǎn)生影響，且存在化學(xué)物質(zhì)殘留的安全隱患。無毒無害的植物精油滅菌也因此成為一大熱點(diǎn)，研究證實(shí)了多種植物精油對多種真菌具有良好抑菌作用，但其成本較高，適用范圍局限。除此之外，臭氧熏蒸處理也為控制真菌毒素污染的有效化學(xué)手段，但并非所有真菌毒素都可以利用臭氧處理達(dá)到脫毒目的，同樣需要有針對性地選擇脫毒方式。研究表明谷物等經(jīng)過臭氧處理后，臭氧氣體會(huì)部分殘留，從而使樣品帶有難聞氣味，且臭氧降解真菌毒素后，降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和毒性也需要進(jìn)一步研究。另外，ClO2用于真菌毒素降解也會(huì)對食品品質(zhì)造成損失。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于ClO2的強(qiáng)氧化性還可能對腐蝕設(shè)備，高濃度的ClO2氣體具有易燃爆的特點(diǎn)，增大了生產(chǎn)過程中的安全隱患[43-44]。

物理降解方法主要包括熱處理、吸附劑吸附和輻照處理等。熱處理易對產(chǎn)品的風(fēng)味、營養(yǎng)成分造成不良影響，而吸附劑雖然較為安全，但穩(wěn)定性差。吸附法主要通過活性炭、皂土、沸石等多孔性物質(zhì)對真菌毒素進(jìn)行吸附從而從食品中脫除。雖然有些吸附劑可以吸附真菌毒素，但其實(shí)用性與可操作性還需進(jìn)一步探討。尤其是將吸附劑作為飼料添加劑來吸附飼料中的真菌毒素，需考慮吸附劑對維生素和微量元素等營養(yǎng)元素的吸附，是否造成營養(yǎng)成分損失[45-46]。許多文獻(xiàn)已證實(shí)利用γ-射線可以使黃曲霉毒素、赭曲霉毒素等真菌毒素得到一定程度的降解。輻照降解技術(shù)具備高效、快速和可避免二次污染等傳統(tǒng)降解方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而越來越多地被用于真菌毒素降解領(lǐng)域。但輻照技術(shù)仍具有一定的局限性，且需進(jìn)一步對輻解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、組成及毒性進(jìn)行分析并對安全性進(jìn)行評估，從而建立完善的真菌毒素輻照降解機(jī)制[47]。

生物法脫毒包括微生物法和生物酶法。微生物法利用微生物對毒素的吸附或代謝能力脫除毒素。微生物脫毒具有脫毒效果顯著、反應(yīng)條件溫和、不會(huì)造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，且成本相對低廉，但不適用于所有領(lǐng)域，如食品加工過程等[48]。生物酶法脫毒是利用基因技術(shù)構(gòu)建生物酶的高效表達(dá)工程菌，分離獲得純酶以進(jìn)行食品和飼料中真菌毒素的脫除。利用微生物酶的降解作用，并結(jié)合生物型吸附劑的吸附作用可使毒素在被腸絨毛吸收之前在胃內(nèi)快速轉(zhuǎn)變成無毒或低毒化合物，且不影響飼料中營養(yǎng)成分的吸收，是解決飼料中真菌毒素發(fā)生危害的理想方法，也是清除飼料中真菌毒素的發(fā)展方向。相對于吸附法而言，利用微生物、酶以及酵母菌的生物降解法成本較高，其實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值可能會(huì)有所限制，因此將吸附法與生物降解法有機(jī)地結(jié)合可為真菌毒素的脫除帶來新的突破[49-50]。

目前隨著食品工業(yè)的發(fā)展，對食品安全問題的空前重視，對營養(yǎng)健康的追求，各種真菌降解方法正在不斷革新，傳統(tǒng)方法均具有一定的局限性，因此諸如等離子體這類更為安全、有效的真菌毒素降解方式的研究意義重大。

4.2 低溫等離子體降解真菌毒素

真菌毒素可污染種類繁多的谷物，如小麥、大麥、玉米、燕麥、高梁、黑麥、小米及其相關(guān)產(chǎn)品，嚴(yán)重危及糧食食用安全，直接威脅人類健康。控制糧食中真菌毒素含量，降低真菌毒素污染水平，盡量減少直接或間接攝入真菌毒素，是保障人們健康的重要舉措[51]。由于谷物、種子、堅(jiān)果及其產(chǎn)品廣泛用作人類食物和牲畜飼料，它們的微生物安全值得高度重視。

4.2.1 等離子體降解真菌毒素效果及影響因素

目前使用低溫等離子體降解真菌毒素的研究主要集中于黃曲霉毒素上。黃曲霉素是黃曲霉、寄生曲霉在生長過程中產(chǎn)生、分泌的次級代謝產(chǎn)物，是一類毒性極強(qiáng)的物質(zhì)，具有強(qiáng)致癌性和強(qiáng)免疫抑制性，廣泛分布于發(fā)霉糧食及其制品中，特別是花生、花生油、玉米及其制品中[52]。由于等離子體技術(shù)對不同的作用對象具有不同的處理效果，因此需要全面深入的研究利用等離子體降解真菌毒素的各項(xiàng)工藝參數(shù)以保證脫毒效果。等離子體處理效果影響因素見表1。

劉真等探究不同處理時(shí)間、處理功率、水分含量、顆粒大小、種類的花生對AFB1降解的影響。結(jié)果表明，相同時(shí)間下處理功率越大，花生中AFB1降解得越多，400 W時(shí)降解率為73.45%，相同處理功率下，處理時(shí)間越長，花生中的AFB1降解越多，8 min后降解率為79.26%；相同條件下，花生中水分含量、花生顆粒大小與降解率呈正相關(guān)，而含油量與降解率成負(fù)相關(guān)[55-56]。除了處理功率及時(shí)間、真菌毒素種類影響外，介質(zhì)中含有的物質(zhì)成分也會(huì)影響低溫等離子體處理的效果。Salama A等用雙氣壓低溫等離子體（double atmospheric pressure cold plasma，DAPCP） 處理水果洗滌水以研究其真菌脫毒效果，發(fā)現(xiàn)處理7.5 min可使櫻桃洗滌水中真菌菌落減少74.7%～100%，但研究發(fā)現(xiàn)不同樣品的處理效果取決于洗滌水中抗氧化劑的含量，抗氧化劑的存在減少了等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)的壽命，降低了處理效果[57]。劉真等探究花生中的蛋白質(zhì)、脂肪酸、維生素和水分對低溫射頻等離子體去除AFB1的影響，發(fā)現(xiàn)食品各成分對等離子體脫毒效果存在影響[55]。

表1 等離子體處理效果影響因素Table 1 Factors affecting plasma treatment

4.2.2 低溫等離子體處理對產(chǎn)品品質(zhì)影響及安全性評估

在控制農(nóng)產(chǎn)品中的真菌毒素方面低溫等離子技術(shù)已顯示出良好的真菌滅活及真菌毒素降解效果，并且研究表明等離子體處理對產(chǎn)品品質(zhì)影響較小。劉真等評估低溫射頻等離子體去除黃曲霉毒素過程中其對花生油品質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)100、200 W和300 W的等離子體處理花生油10 min后，花生油的酸價(jià)從 0.87 mg KOH/g分別減少到 0.28、0.25、0.26 mg KOH/g，差異顯著（p＞0.05）。在試驗(yàn)所處理的范圍內(nèi)，花生油的過氧化值均未超出6 mmol/kg。通過高效液相色譜分析，等離子體對花生油中的維生素E和反式脂肪酸含量的影響較小。這說明低溫射頻等離子體技術(shù)降解花生油中的AFB1的方法不僅安全、有效，且不會(huì)影響花生油的品質(zhì)[58]。斯興開等研究低溫等離子體對草魚魚肉品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，低溫等離子體處理后的菌落總數(shù)明顯下降，魚肉的感官評分和持水性略有下降，但無大影響。綜合魚肉揮發(fā)性和非揮發(fā)性變化，表明該方法對草魚魚肉品質(zhì)的影響較小[59]。

在操作安全性方面，等離子體被封閉在系統(tǒng)內(nèi)，它可使所產(chǎn)生的電磁輻射不外泄，通過氣體循環(huán)系統(tǒng)可將殺死的微生物或殘余物帶走，不會(huì)對操作人員構(gòu)成傷害，安全可靠[60]；在產(chǎn)品安全性方面，趙玲玲等研究AFB1經(jīng)低溫射頻等離子體處理后降解產(chǎn)物的安全性。發(fā)現(xiàn)等離子處理AFB1后降解產(chǎn)物毒性較AFB1本身的毒性有所降低。同時(shí)，等離子體處理AFB1的降解率與毒性成正相關(guān)，今后可以在提高降解率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究降解產(chǎn)物的安全性[61]。

除此之外，一些研究者也對谷物中其他真菌毒素進(jìn)行了研究。Ten Bosch Lars研究了低溫大氣壓等離子體（cold atmospheric pressure plasma，CAPP）在以環(huán)境空氣作為工作氣體的條件下降解真菌毒素的效果，結(jié)果表明暴露于CAPP的所有純真菌毒素在60 s內(nèi)完全降解，降解速率隨真菌毒素結(jié)構(gòu)而變化，而雜色曲霉素表現(xiàn)出最高的降解抗性[62]。

綜上，多種因素共同作用于低溫等離子體技術(shù)降解真菌毒素的最終效果，而實(shí)際應(yīng)用中每種食品具有不同的特性，因此還需進(jìn)一步研究不同電壓、處理時(shí)間、樣品組成成分、樣品理化指標(biāo)、真菌毒素濃度等的影響，并全面深入研究降解產(chǎn)物的安全性，以更快推動(dòng)等離子體技術(shù)有效的應(yīng)用于食品工業(yè)。

5 低溫等離子體應(yīng)用前景展望

低溫等離子體技術(shù)可以有效減少食品中微生物數(shù)量并有效降解食品和飼料中的真菌毒素，對于食品工業(yè)而言成本較低，且其在安全性和穩(wěn)定性方面具有良好的表現(xiàn)。然而，實(shí)際應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)以減少食品和飼料原料中的病原性微生物和真菌毒素將需要進(jìn)一步研究以解決目前存在的問題。

1）等離子體滲透深度較低，遷移到食物組織中以及附著在粗糙的食物表面的細(xì)菌存在無法徹底殺滅的隱患，需要進(jìn)一步研究等離子體處理技術(shù)及底物前處理方式以保證處理。

2）低溫等離子體技術(shù)應(yīng)該能夠批量處理食品，以適應(yīng)目前工業(yè)化、機(jī)械化生產(chǎn)的需要。因此，需要進(jìn)一步研究探索等離子體系統(tǒng)批量或連續(xù)處理大量食品的可行性。低溫等離子體處理效果取決于多種內(nèi)在和外在參數(shù)，包括食品原料表面特性、食物類型、食品加工工藝、真菌毒素的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、微生物的類型及表面附著性、微生物特性、等離子體處理工藝參數(shù)、成本效益等等。

3）等離子體處理食品的滅菌效果、真菌毒素降解效果良好，且對食品品質(zhì)影響極小，但目前還未研究清楚其滅活及降解機(jī)制，因此無法肯定其降解真菌毒素后分解產(chǎn)物是否對人體存在危害，存在遺留隱患。

6 結(jié)論

與幾種常規(guī)和非熱（例如，UV光、γ輻射、脈沖光）方法相比，低溫等離子體處理對微生物滅活速度極快，處理?xiàng)l件溫和，對食品品質(zhì)影響微乎其微。低溫等離子體可作為抑制食物材料（包括谷物、水果、蔬菜、肉類等）上微生物生長的潛在替代技術(shù)。與UV，熱處理或化學(xué)處理相比，低溫等離子體可作為降解真菌毒素的快速、有效和安全可行的技術(shù)，且可與現(xiàn)存技術(shù)結(jié)合，研究探索殺滅微生物及降解真菌毒素的最優(yōu)工藝。未來的研究應(yīng)拓展低溫等離子體在食品工業(yè)的應(yīng)用范圍，對其實(shí)踐性進(jìn)行評估，并深入研究其微生物滅活及真菌毒素降解機(jī)理，為該技術(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。