低溫等離子體在食品中應用的研究

史瑩瑩，楊晴麗，柳雅麗，馬夢召，夏秋霞

（宿州學院生物與食品工程學院，安徽宿州 234000）

1 低溫等離子體

1.1 低溫等離子體的概念

等離子體是由大量相互作用的帶電粒子組成的宏觀體系，宇宙中的物質主要以這種狀態存在，按照表觀溫度，等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體2種[1]。自然界中，等離子體存在于太陽、雷電等，人工制造的等離子體存在于霓虹燈、熒光燈等。低溫等離子體是繼三態之后的第四態，是氣體在放電過程中產生大量的正負帶電粒子、電子和中性粒子，以及自由基組成的表現出集體行為的一種準中性氣體。

1.2 低溫等離子體的分類

目前，低溫等離子體是通過氣體放電產生的，根據其放電方式分為以下4類：電暈放電（Corona Discharge）、輝光放電（Glow Discharge）、介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge） 和滑動弧光放電（Gliding Arc Discharge）[2]。

1.2.1 介質阻擋放電等離子體（DBD）

介質阻擋放電，又稱為介質阻擋電暈放電或無聲放電，是將絕緣介質插入放電空間，隨后產生的一種氣體放電方式，能夠在氣壓很高和頻率很寬范圍內工作，工作氣壓為10～10 000 Pa，電源頻率為50 Hz～1 MHz。如今人們對于介質阻擋放電等離子體研究越來越多。

1.2.2 輝光放電

一般低壓氣體著火都能產生輝光放電，它是稀薄氣體中的自持放電現象，其中包括亞正常輝光和反輝光2個過渡階段。現在其主要應用是利用其發光效應制作霓虹燈、日光燈等，利用正常輝光放電的穩壓效應制作氖穩壓管等。

1.2.3 電暈放電

電暈放電是最常見的一種氣體放電形式，指氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電，發生時能夠聽見嘶嘶聲，有時伴有微弱的輝光。光輻射、離子流、中性分子流是電暈放電的能量進行材料表面作用的主要方式。

1.2.4 滑動弧光放電

滑動弧光放電氣體的自持放電現象，這種氣體所存在的環境條件需要較大功率的電源提供足夠大的電流，能夠使氣體擊穿并發出強烈的光。因此，弧光放電可用作強光光源，在光譜分析中可作激發元素光譜的光源，在工業上可焊接冶煉、切割金屬，在醫學上可作紫外線源等。

2 低溫等離子體在食品中的應用

隨著社會科學的快速發展，低溫等離子體技術的發展也越來越迅速，已被廣泛應用于材料加工[3]、電子學[4]、生物材料[5]、聚合物加工和生物醫療器械等領域。因為低溫等離子體技術有著諸多特點，所以在食品領域也得到了極大的應用[6]。傳統方法包括高溫殺菌、冷凍保鮮和化學改性等，然而這些處理通常導致一些不良的結構性質和感官特性的變化，或形成對最終產品的營養價值、風味、顏色和質地有負面影響的副產品。而目前低溫等離子體應用在殺菌、保鮮、改性三大方面有諸多優點：如處理溫度低、對營養破壞少、能最大限度地保持原有的感官特性、無毒副產品、成本低等，因而低溫等離子體技術將會在食品上的應用越來越廣泛，成為常規殺菌、保鮮、改性技術的替代品。

2.1 肉及肉制品

因肉和肉制品的價值高、味道鮮美而頗受人們喜愛，但微生物在其加工貯藏中易造成污染而導致其腐敗變質、保質期縮短。低溫等離子在其殺菌、保鮮、改性方面突顯了很大的幫助[7]。

2.1.1 水產品

水產品包括魚、蝦、螃蟹等，對其進行保鮮、殺菌、改性大多是利用低溫、輻照、保鮮劑、真空包裝、腌制、風干等技術。焦湞等人[8]利用低溫等離子體對三文魚進行殺菌和保鮮，采用研究等離子體活化水冰（PAW-ice）對純培養及人工接種于三文魚片表面單增李斯特菌的殺菌效果的這些方法得到了PAW-ice對單增李斯特菌純培養殺菌比無菌水冰效果更佳。采用PAW-ice可以顯著減少三文魚片中TVB-N的形成、降低pH值增長趨勢等方法，加大了三文魚殺菌程度，從而提高其新鮮程度。魚類中三文魚除外還有很多種類，如海域里的鮐魚、魷魚和淡水湖泊里的草魚[9]等。鮐魚又名青花魚，由于其他魚類的銳減，鮐魚已經成為餐桌上主要的魚產品，但處理不當容易腐敗，產生有害的物質。施姿鶴等人[10]用ACP進行直接和間接處理，通過鮐魚貯藏過程中組胺含量和有關的假單胞菌、腸桿菌、弧菌探究介質阻擋放電低溫等離子體處理鮐魚的殺菌效果，證明直接處理對鮐魚的殺菌效果更優，菌落總數降低率比間接處理高，并組胺含量在貯藏期內增長較慢。魷魚絲[11]是經新鮮魷魚加工制成，其保存時間較長，而對于低溫等離子體應用在魷魚冰鮮保存中。金圖南[12]研究了低溫等離子滅菌效果的影響因素與較佳條件和低溫等離子體對魷魚感官品質及營養價值等是否產生影響。結果表明，等離子體電壓強度對滅菌效果具有顯著影響，當電壓為60 kV時，處理15 s即可產生近乎全部滅殺的滅菌效果。而低溫等離子體在延長魷魚保鮮期的同時對其感官評定、鮮度、營養物質、氣味和口感無較大影響。

蝦的營養豐富、味道鮮美，是餐桌的美味佳肴。劉品等人[13]利用低溫等離子體對南美白對蝦防黑變及品質做出的研究表明：①該技術在變黑程度方面對南美白對蝦有防黑變作用，從而提升其商品價值，延長貨架期，增加經濟效益和促進水產品發展；②技術處理過的對蝦在感官方面，外觀、色澤、氣味都優于未處理的對蝦。新鮮南美白對蝦在4℃冷藏條件下的貨架期為4 d，經低溫等離子體處理的對蝦貨架期為6 d，且經過低溫等離子體處理能有效抑制南美白對蝦細菌增長。

螃蟹作為生活在水體中的動物，體內易殘留大量細菌等微生物。石蕓潔等人[14]利用低溫等離子體技術，得出低溫等離子體在60 kV處理90 s時滅菌效果最好，殺菌率達97.3%；處理后蟹糊菌落濃度增長速度明顯小于對照組，所以低溫等離子體能夠使生食蟹糊延長保藏時間，對照組TVB-N值在180 d時比對照組低，而且低溫等離子體對生食蟹糊的營養影響不明顯，故低溫等離子體可以在保持原有的營養及理化性質的同時，有效殺滅菌、延長生食蟹糊貯藏時間。

2.1.2 牛肉

牛肉富含蛋白質，其組成較其他肉類更接近人體需求。目前，我國各大中超市生鮮牛肉仍以裸露或覆蓋保鮮膜置于冷柜銷售為主。黃明明等人[15]的試驗結論說明了低溫等離子體能有效對生鮮牛肉進行殺菌，并不顯著影響牛肉色澤。其研究表明，在電壓72 kV，處理時間86 s，O2、CO2和N2占比分別為35%，35%和30%的情況下，殺菌率高達93.75%，而且牛肉顏色并未受到影響。

2.1.3 雞肉

雞肉營養價值較高，口感較好，脂肪比豬肉少。對于其保鮮方法有冷藏、腌制、真空包裝、調料調制等，而利用低溫等離子體其擴展方法進行新鮮保存，則能保存其色澤、風味、質構、營養等不發生損失，減少產生呋喃、丙烯酰胺和雜環胺化合物等有害物質。康超娣[16]研究得出，PAW對雞胸肉表面殺菌及品質有影響，PAW不僅能夠有效殺滅雞胸肉表面P.deceptionensis CM2，而且對雞胸肉品質影響較小，但添加有機物降低PAW的殺菌效果。李娜[17]研究低溫等離子體對預制雞丁的保鮮，在單因素基礎上通過響應面優化參數，達到最優的殺菌參數，從而加強低溫等離子體對雞肉應用研究。

2.2 果蔬

水果、蔬菜[18]是補充人體維生素、葡萄糖及能量的主要來源，因果蔬菜不易貯藏，而利用低溫等離子體技術延長其保存時間和新鮮程度。

2.2.1 新鮮果蔬

蔬菜水果在種植、加工、運輸過程中，因與外界接觸表面經常附著具有傳染性的病原微生物，故對其進行殺菌、保鮮尤為重要。

香蕉[19]、柑橘[20]、草莓、藍莓等水果因其質軟而難以長時間貯藏。任翠榮等人[21]對草莓保鮮進行研究，表明常壓低溫等離子體在放電時間60 s，處理距離10 mm，處理電壓140 V，氣體流速1 L/h時，草莓的保鮮效果最好，常溫保鮮期是傳統的2倍，此時的維C含量顯著升高。王卓等人[22]通過低溫等離子體降低藍莓表面的微生物數量表明，低溫等離子體處理可顯著降低貯藏期間腐爛的程度，并且誘導藍莓抗氧化酶活力，從而提高了藍莓的品質。除水果以外，低溫等離子體在蔬菜中的研究也頗為顯著。孫艷等人[23]研究指出APLTP能有效殺死鮮切黃瓜表面的大腸桿菌，在處理電壓170 V，處理時間5 min，處理極距2.5 cm時，殺菌率高達99.65%，由此提高黃瓜的食用安全系數。且APLTP處理前后黃瓜的理化性質變化均不顯著，很好地保護了黃瓜的水分、糖度、酸度和顏色，也維護了細胞膜的通透性及抗氧化能力。

2.2.2 果蔬汁

果蔬汁經新鮮果蔬壓榨制成，更便于人體吸收，在各方面都具有較大的功效，正因需要對新鮮果蔬進行加工處理，更需注重滅菌、保鮮的過程。于弘慧等人[24]利用低溫等離子體對梨汁品質和抗氧化活性的影響進行研究，結果表明，殺菌時間5 min，電源電壓為5 kV，空氣流速為70 L/min時，其殺菌率可達3.81 logNO/N。且與巴氏殺菌作比較，經低溫等離子體殺菌處理的維C和梨汁多酚的含量分別比前者高20.6%和26.5%；對DPPH自由基和羥自由基的清除能力分別比前者高17.99%和18.37%。王英[25]在低溫等離子體滅活蘋果汁中耐高滲酵母的研究結果表明，等離子體產生的化合物O3和H2O2，以及液相中的活性物質，可以滅活微生物。等離子體處理后蘋果汁的pH值僅略微增加，而還原糖濃度和可滴定酸濃度保持穩定，從而達到保鮮和殺菌的作用。

2.3 在谷物中的應用

谷類是人類幾千年來的傳統主食，可以說是中國人必不可少的一類食物，在我國膳食中的地位極高。五谷主要有稻米、小麥、玉米等及其他雜糧，雜糧中有燕麥、小米、高粱等。全谷物在加工的過程中能夠保留大部分營養成分，比其他谷物具有更高的營養價值。盡管如此，全谷物存在的風味較差、口感粗糙、蒸煮時間長、食用不方便、不易消化、貨架期短、不易保藏等缺點，這一直制約著其成為主流的餐桌食品[26]，而對于全谷物所具有的這些缺點，低溫等離子體則能對其進行有效改善，使得谷物有更好的食用感。

2.3.1 糙米

糙米是由稻米簡單加工而成，在去除其外殼后，還保留部分外層組織，所以在口感方面較差，也不像精米容易被人體消化。就糙米所存在的食用缺陷，Chen H H等人[27]通過對糙米進行不同電壓的等離子體處理試驗，結果表明糙米的蒸煮時間有明顯下降，在處理電壓為1 kV時，糙米的蒸煮時間最少，僅為17.2 min；而對照組糙米的蒸煮時間為24.8 min，這表明低溫等離子體對于糙米蒸煮時間的減少效果顯著（p<0.05）。孟寧等人[28]的研究結果表明，相比較于對照組糙米，低溫等離子體處理后糙米的加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率顯著增加到236.10%，268.25%和19.18 mg/g（p<0.05）；直鏈淀粉、蛋白質、膳食纖維和非必需氨基酸的含量也有一定程度的增加。低溫等離子體處理改善了糙米飯的糊化特性、質構特性和感官品質，有利于糙米飯品質的提升。Lee K H等人[29]針對低溫等離子體對全谷物糙米表面細菌的影響進行一系列試驗，研究發現經低溫等離子體處理20 min后糙米表面接觸的蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌減少大約2.30 log CFU/g，這表明低溫等離子體技術對糙米表面的細菌具有有效的控制效果。

2.3.2 小麥

小麥是我國北方的主要作物，其比稻米更加耐旱，幾乎全作食用，只有極小部分用于飼料喂養。在人類生存的世界里，存在著很多肉眼不可見的微生物，如真菌、細菌，微生物的存在有時能夠引起食品的變質和腐敗。Brasoveanu M等人[30]采用吸濕法對大麥和玉米種子的對照組和低溫等離子體處理組進行研究，以確定種子的真菌負荷，研究發現種子的真菌負荷隨著低溫等離子體處理時間的增加不斷降低，處理時間在10 min后真菌負荷顯著降低25%以上。同時，研究發現大麥植株的生長不受低溫等離子體的影響，但有助于大麥種子的生芽。宋景新[31]以濃縮乳清蛋白（WPC） 和小麥交聯淀粉（WCS）為基材，優化WPC/WCS可食膜的制備工藝條件，結果表明DBD等離子體改性技術提高了膜的機械性能（TS）、阻隔性能和熱穩定性，當改性參數為400 W-60 s時，WPC/WCS膜綜合性能最優；等離子體改性技術顯著增加了膜表面的粗糙度、親水性、膜表面O/C原子比和-OH含量，但是等離子體改性技術對晶體結構并無明顯作用。

2.3.3 豆腐及蛋白

豆制品是深受廣大消費者喜愛的一種植物蛋白食品，其蛋白質含量和營養價值高，口感和風味良好，然而其壓榨過程中產生的黃漿水中含有較多的有機物，極易腐敗變質，不經處理直接排放易對環境造成極大污染。因此，劉靜茹等人[32]開展了低溫等離子體協同絮凝劑凈化豆腐黃漿水的研究，試驗在放電電壓13.5 kV，放電極間距8 mm，通入空氣流量0.6 L/min，放電8 h條件下，PAM+PAC協同低溫等離子體處理豆腐黃漿水，COD最大去除率為79.74%。研究可為豆腐黃漿水的凈化處理提供一種方法和理論依據。植物蛋白是一種直接從植物中提取的蛋白質，營養與動物蛋白相仿，在大豆中的含量最高。李帥等人[33]通過對可食膜表面進行觀察發現，經低溫等離子體處理的可食膜表面物理結構發生改變，粗糙度增加，水接觸角變小，有效提高大豆分離蛋白膜的機械性能和表面潤濕性。花生蛋白是以花生為原料的植物蛋白，其沒有蛋白質的熱變性、營養價值較高。季慧等人[34]分析結果表明，經低溫等離子處理后，β-折疊和無規則卷曲的含量增加，α-螺旋和β-轉角的含量降低，蛋白的有序結構被破壞，結構由緊密變松散；花生蛋白表面疏水性顯著提高。由此可見，低溫等離子處理是一種改善蛋白功能性質的有效方法。

3 結語

低溫等離子體在食品滅菌、保鮮和改性方面的作用較為顯著，能較好地對肉和肉制品、水果類進行殺菌保存，并且能不改變其相應的性質，如味道、顏色等；也能夠改善部分谷物在口感、蒸煮時間等方面的缺陷，從而較好地解決了部分食品問題，提高了人們的生活水平。低溫等離子技術在食品研究方面將會有越來越深入的探索，食品各方面的品質將會得到更好的改善和提高。