冷等離子體技術(shù)在蛋白質(zhì)改性中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王俊鵬，賀稚非,2，李敏涵，齊世超，李洪軍,2,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715）

蛋白質(zhì)不僅是人類飲食中必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，同時也是重要的食品工業(yè)原料，具有許多與食品加工質(zhì)量相關(guān)的功能特性[1]。但天然蛋白質(zhì)的功能特性可能并不理想，如存在溶解性差、有致敏性等缺陷，從而限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[2-3]。在食品加工過程中通常會使用酶、化學(xué)和物理法改善蛋白質(zhì)的功能特性以滿足實際生產(chǎn)的要求，然而傳統(tǒng)改性方法通常需要較高的能耗和成本，化學(xué)試劑的使用則可能對人體健康產(chǎn)生不利影響[4]。因此，使用生態(tài)友好的非熱物理方法修飾蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并改善其功能特性已經(jīng)成為當(dāng)下食品科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點[5]。目前已用于蛋白質(zhì)改性的非熱物理技術(shù)有高壓、超聲波、脈沖電場、輻照、超臨界流體、冷等離子體等[6-7]。其中冷等離子體技術(shù)最初多應(yīng)用于電子工業(yè)以及高分子材料印刷與表面涂覆性能的改良，隨著近幾年食品非熱加工研究的興起，冷等離子體技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸拓展到食品工業(yè)領(lǐng)域中[8]。

冷等離子體作為一種新興的非熱加工技術(shù)，不僅為易揮發(fā)性和熱敏性食品滅菌提供了新的思路[9]，同時在改善蛋白質(zhì)功能特性方面也顯示出巨大潛力，具有可在無外源化學(xué)試劑或酶的條件下有效改變天然蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[10]。冷等離子體中的活性氧、活性氮是蛋白質(zhì)改性的關(guān)鍵成分，這些成分可以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如化學(xué)鍵形成、氨基酸側(cè)鏈氧化、多肽鏈之間交聯(lián)等，進(jìn)而達(dá)到改善蛋白質(zhì)功能的作用[11]。因此，研究經(jīng)冷等離子體處理后蛋白質(zhì)功能特性的變化對挖掘冷等離子技術(shù)的實用價值具有重要意義。基于此，本文對冷等離子體技術(shù)改善蛋白質(zhì)功能特性的應(yīng)用研究進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以期為冷等離子體技術(shù)在蛋白質(zhì)改性方面的應(yīng)用提供參考。

1 冷等離子體概述

1.1 冷等離子體的定義

冷等離子體是一類溫度接近室溫（30～60 ℃）的等離子體[12]。美國物理學(xué)家Langmuir于1928年首次提出了等離子體的概念，指出等離子體是電子和離子達(dá)到電荷平衡的一種電離氣體[13]。后來有學(xué)者將等離子體的概念進(jìn)一步總結(jié)為由正負(fù)離子、自由電子、自由基、電磁輻射量子、激發(fā)態(tài)或非激發(fā)粒子組成的電離氣體，整體呈電中性[14]。冷等離子體的產(chǎn)生過程可分為電子碰撞階段和重粒子碰撞階段。在電子碰撞階段，電子從電、熱、電磁波中獲取能量發(fā)生振動、激發(fā)、解離、電離、俘獲；在重粒子碰撞階段，氮氣（N2）、氧氣（O2）等粒子與電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生活性氮、活性氧類物質(zhì)，如臭氧（O3）、羥自由基（·OH）和氮氧化物類等[11]。冷等離子體中電子和其他粒子處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)，電子溫度遠(yuǎn)高于其他粒子溫度，體系能量主要集中在高能電子中，因此整體溫度可維持在較低水平[15-16]。除了冷等離子體，根據(jù)等離子體是否處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)以及電離程度還可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體呈完全電離狀態(tài)，體系內(nèi)部電子和其他粒子溫度處于高度熱力學(xué)平衡狀態(tài)，整體溫度可達(dá)1×106～1×108K，而低溫等離子體呈部分電離或未電離狀態(tài)[17]。低溫等離子體進(jìn)一步可分為熱等離子體和冷等離子體，熱等離子體中電子和其他粒子處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，電子與其他粒子溫度接近，整體溫度可達(dá)2×104K[18]。

1.2 冷等離子體的產(chǎn)生方式

冷等離子體的載氣可使用一種或多種氣體，如空氣、氧氣、氮氣、氦氣、氬氣等，其中空氣是最常用的氣體[19]。冷等離子體常見的產(chǎn)生方式有大氣壓等離子體射流（atmospheric pressure plasma jets，APPJ）、介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）、電暈放電（corona discharge，CD）、微波放電（microwave discharges，MD），圖1為這4 種產(chǎn)生方式示意圖[20]。

圖1 冷等離子體產(chǎn)生方式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cold plasma generation methods

APPJ裝置通常由位于陶瓷噴嘴結(jié)構(gòu)中的針形電極和環(huán)形電極（接地）組成，噴嘴出口間隙通常在幾毫米，產(chǎn)生的冷等離子體可以進(jìn)入具有高縱橫比的狹窄空間[21]；DBD裝置是應(yīng)用最廣泛的冷等離子體發(fā)生裝置，包含兩個金屬電極，其中至少有一個電極被電介質(zhì)覆蓋，當(dāng)兩個電極之間的電壓達(dá)到擊穿電壓時，由于電介質(zhì)的阻隔作用，電流無法通過，放電間隙會產(chǎn)生大量的微放電效應(yīng)，產(chǎn)生等離子體[22]；CD是一種弱發(fā)光放電，一般發(fā)生于幾何形狀十分尖銳的電極附近，電極尖端場強(qiáng)極高，可以將電子加速到周圍氣體原子或分子的電離水平，形成等離子體，包括自由選擇直流或脈沖模式，常見的CD模式為點對板組合[12]。MD裝置無需電極，由磁控管產(chǎn)生的微波作用處理室中的氣體產(chǎn)生等離子體，頻率一般為2.45 GHz，但大氣壓下產(chǎn)生的MD等離子體溫度較高，因為有過多的氣體分子需要大量的能量來維持等離子體狀態(tài)，所以MD等離子體通常在低壓條件（10～200 Pa）下產(chǎn)生[23]。不同類型的冷等離子體產(chǎn)生方式各有優(yōu)缺點，如表1所示[20-23]。

表1 不同類型冷等離子體產(chǎn)生方式的優(yōu)缺點[20-23]Table 1 Advantages and disadvantages of different methods for the generation of cold plasma[20-23]

1.3 冷等離子體技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

冷等離子體在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有食品殺菌、食品組分改性、包裝材料改良、農(nóng)藥降解等[24]。目前關(guān)于冷等離子體食品滅菌機(jī)制的觀點尚不統(tǒng)一，早期研究認(rèn)為是紫外線對DNA造成的光化學(xué)損傷或活性氧對細(xì)胞主要成分（如蛋白質(zhì)、脂肪、DNA等）造成的氧化損傷誘導(dǎo)了微生物的死亡，但現(xiàn)在也有研究認(rèn)為帶電粒子的靜電作用和電穿孔作用對細(xì)胞壁或細(xì)胞膜造成的機(jī)械損傷才是微生物死亡的主要原因[25]；冷等離子體在食品組分改性方面的主要研究對象是淀粉和蛋白質(zhì)，氣體電離產(chǎn)生的活性化學(xué)物質(zhì)能夠改變這些大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)分子間的交聯(lián)與解聚以及新官能團(tuán)的形成，從而達(dá)到改變功能特性的作用[26-27]；冷等離子體可以使包裝材料表面官能化，即在聚合物材料表面形成官能團(tuán)（如含氧或含氮基團(tuán)）進(jìn)而優(yōu)化包裝性能，此外還可用于提高食品包裝的印刷效果和包裝表面的殺菌效果[28]；臭氧和羥自由基被認(rèn)為是冷等離子體降解農(nóng)藥的主要活性成分，可通過氧化作用破壞與毒性有關(guān)的官能團(tuán)或化學(xué)鍵使農(nóng)藥降解[29]。

2 冷等離子體技術(shù)對蛋白質(zhì)功能特性的影響

食品中蛋白質(zhì)的功能特性通常可以歸為以下幾類：1）水合性質(zhì)，即蛋白質(zhì)-水分子之間的相互作用，包括溶解性、黏附性、吸水性和持水性等；2）界面性質(zhì)，蛋白質(zhì)在兩個不同相界面的作用，包括乳化性和起泡性；3）聚集和凝膠特性[30]。蛋白質(zhì)功能特性的不同取決于氨基酸組成、序列及其空間構(gòu)象的不同[31]。因此冷等離子體能夠通過誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，如氧化、硝化、脫酰胺、羥基化等，改變蛋白質(zhì)的功能特性[32]。

2.1 溶解性

溶解性是蛋白質(zhì)其他功能特性的基礎(chǔ)，在食品加工中為了獲得更好的乳化性或起泡性，通常需要蛋白質(zhì)具有較高的溶解性[33]。蛋白質(zhì)的溶解性與其疏水相互作用（蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)分子之間）和離子相互作用（水-蛋白質(zhì)分子之間）有關(guān)[34]。高溶解性蛋白的疏水性氨基酸殘基一般被包埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，當(dāng)疏水性殘基更多地暴露于蛋白質(zhì)分子表面時，蛋白質(zhì)的溶解性降低[35]。

近幾年的研究顯示，冷等離子體可以對蛋白質(zhì)的二、三級結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，改變疏水性氨基酸側(cè)鏈暴露程度，影響蛋白質(zhì)的溶解度。Dong Shuang等[36]采用電壓分別為50、75、100、125 V的DBD冷等離子體處理玉米醇溶蛋白2 min后發(fā)現(xiàn)，不同電壓條件均可提高蛋白質(zhì)的溶解度，當(dāng)電壓為75 kV時溶解度最大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)α-螺旋含量的變化趨勢與溶解度相同，該作者分析溶解度提高是由于蛋白表面形成了新的含氧或含氮親水基團(tuán)。Bu?ler等[37]在電壓為8.8 kV的條件下對豌豆蛋白進(jìn)行0～10 min的DBD冷等離子體處理后發(fā)現(xiàn)，蛋白溶解度與處理時間成正比，處理10 min后溶解度提高到了原來的191%，328 nm波長處色氨酸熒光強(qiáng)度也隨時間變化有所增加。但該研究人員在另一項研究卻得到了相反的結(jié)果[38]，在采用相同實驗條件對黃粉蟲蛋白進(jìn)行處理后，蛋白質(zhì)的溶解度隨著處理時間的延長不斷下降，最大熒光強(qiáng)度也隨之減弱，表明更多色氨酸等熒光氨基酸從蛋白質(zhì)的疏水內(nèi)核暴露出來，外部溶劑中的疏水性殘基含量增加，導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度降低。由此可見冷等離子體處理并不總是能夠提高蛋白質(zhì)的溶解度，其處理效果可能與蛋白質(zhì)類型、樣品濃度以及樣品pH值有關(guān)。

2.2 凝膠性

蛋白質(zhì)的凝膠特性與許多食品的品質(zhì)密切相關(guān)，如香腸、魚糜、豆腐等。蛋白質(zhì)凝膠是變性蛋白質(zhì)分子重新聚集形成的有序三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以將色素、水分、脂肪和風(fēng)味物質(zhì)包裹在其中[39]。凝膠的形成通常與未折疊蛋白質(zhì)分子間的各種化學(xué)作用力有關(guān)，包括二硫鍵、氫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用[40]。

冷等離子體處理可以使蛋白質(zhì)在凝膠化過程中產(chǎn)生更多的共價鍵，使形成的凝膠具有更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Nyaisaba等[41]采用60 kV的DBD冷等離子體對魷魚分別進(jìn)行15、60、120、180、240、300 s的處理后發(fā)現(xiàn)，蛋白凝膠硬度在0～120 s的處理過程中顯著增加，從0.29 N增加到0.81 N，繼續(xù)處理則硬度下降；持水性在180 s時比對照組高5.31%；通過電泳圖譜分析發(fā)現(xiàn)，冷等離子體處理誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)和聚集，促進(jìn)了共價鍵的形成。Miao Wenhua等[42]采用不同電壓（10、20、30、40、50 kV和60 kV）的DBD冷等離子體對鱈魚肌原纖維蛋進(jìn)行10 min的處理，結(jié)果顯示，在電壓從0增加到60 kV的過程中硬度從1.88 N增加到了3.33 N，持水量增加了12.86%。研究還發(fā)現(xiàn)樣品中的游離巰基含量下降，電泳圖譜中200 kDa的條帶強(qiáng)度減弱，這可能是蛋白質(zhì)片段之間形成了更多的二硫鍵所致。從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，冷等離子體處理可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子間的聚集和交聯(lián)，促進(jìn)而二硫鍵的形成，改善蛋白質(zhì)凝膠特性，但要獲得理想的處理效果則需要選擇合適的電壓與處理時間。

2.3 乳化性

蛋白質(zhì)乳化特性指的是蛋白質(zhì)促進(jìn)乳狀液中油滴形成和穩(wěn)定的功能特性。蛋白質(zhì)可以在均質(zhì)化過程中吸附在油-水界面，降低界面張力，并提供足夠的排斥力阻止油滴之間的聚合，從而形成穩(wěn)定的乳狀液[43]。蛋白質(zhì)乳化性受表面電荷、親水-親油平衡性和構(gòu)象柔韌性的影響，蛋白質(zhì)解折疊會導(dǎo)致疏水氨基酸殘基暴露和構(gòu)象柔韌性增加，從而增強(qiáng)油-水界面活性和蛋白質(zhì)的吸附能力[44]。

冷等離子體對蛋白質(zhì)乳化性的影響同樣與電壓和處理時間有密切關(guān)系。Mehr等[45]等研究了DBD冷等離子體處理對山黧豆蛋白乳化特性的影響，結(jié)果顯示，9.4 kV處理60 s的乳液油-水界面張力最低，但油滴尺寸較大，不能形成足夠牢固的界面層；18.6 kV處理60 s的乳液油滴尺寸最小，界面蛋白吸附量最高，具有厚而牢固的界面膜，乳化穩(wěn)定性顯著高于對照組；結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示α-螺旋和二聚酪氨酸含量以及表面疏水性顯著增加，表明蛋白質(zhì)了發(fā)生解折疊和重新聚集交聯(lián)。Mehr等[46]在另一項關(guān)于DBD冷等離子體制備山黧豆蛋白納米顆粒（Grass pea protein isolate nanoparticles，GPPINP）的研究中發(fā)現(xiàn)，18.6 kV、300 s條件下制備的GPPINP能夠更有效地吸附在油-水界面，形成更穩(wěn)定的界面膜，乳化性能得到改善。在體外細(xì)胞毒性實驗中發(fā)現(xiàn)，正常人皮膚成纖維細(xì)胞（normal human skin fibroblasts，NHDF）經(jīng)不同條件下制備的GPPINP處理并培養(yǎng)24 h后仍具有較高的細(xì)胞活力（大于87.7%），經(jīng)過48 h培養(yǎng)后所有處理組的細(xì)胞活力均有所增加，表明GPPINP對NHDF無細(xì)胞毒性。Ji Hui等[47]報道稱DBD冷等離子體（35 V、（2.0±0.2）A）可以提高花生分離蛋白的乳化特性，乳液穩(wěn)定性通過穩(wěn)定性指數(shù)（turbiscan stability index，TSI）表示，TSI越低，乳液穩(wěn)定性越高。研究表明，經(jīng)過7 h的儲存放置后，對照組TSI超過25.00，而處理組TSI均在10.00以下，且2 min處理的TSI僅為2.92。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在1～3 min處理中，蛋白質(zhì)的α-螺旋和游離巰基含量下降，β-折疊增加，平均粒徑從1 112.7 nm減小到1 062.3 nm。一般認(rèn)為具有較小粒徑的蛋白質(zhì)可以更快速地移動并擴(kuò)散到油-水界面進(jìn)行吸附，提高乳化特性[48]。乳狀液的穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)：1）液滴平均尺寸和尺寸分布；2）蛋白質(zhì)濃度和界面蛋白吸附量、油的種類和體積；3）連續(xù)相的黏度、儲存時間和溫度[49]。結(jié)合上述研究分析，冷等離子體可以改變蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)解折疊，減小乳液中液滴粒徑，增加界面蛋白吸附量與表面疏水性，提高蛋白質(zhì)的乳化特性。

2.4 起泡性

泡沫和乳液一樣是亞穩(wěn)定體系，蛋白質(zhì)的起泡性包括起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，是冰淇淋、蛋糕、面包等攪打食品的關(guān)鍵性質(zhì)[50]。空氣在蛋白溶液攪打過程中可以進(jìn)入溶液形成泡沫，蛋白質(zhì)能夠快速的吸附到氣-水界面，形成黏彈性界面膜從而維持泡沫的穩(wěn)定狀態(tài)[51]。

冷等離子體對起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響存在差異。在冷等離子體處理初期蛋白質(zhì)折疊部分展開，能夠更快速的在界面膜展開，起泡能力提高；隨著處理時間的延長，蛋白質(zhì)發(fā)生聚集，粒徑增大，界面膜剛性增加，泡沫穩(wěn)定性提高，但蛋白質(zhì)粒徑的增加會降低其在氣-水界面的吸附率，造成起泡能力降低[52-53]。Segat等[53]在70 kV條件下使用DBD冷等離子體對乳清分離蛋白模型溶液進(jìn)行1～60 min的處理，研究表明，蛋白起泡能力在15 min內(nèi)最大增加了近30%，隨著處理時間延長，起泡能力迅速下降，而泡沫穩(wěn)定性不斷提高；此外蛋白質(zhì)的羰基含量增加，巰基含量下降，表明蛋白質(zhì)發(fā)生氧化。Chizobaekezie等[54]的研究得到了類似的結(jié)論，通過APPJ冷等離子體（功率50 kHz、電壓7 kV）處理大蝦肌動球蛋白發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過5 min的處理后大蝦肌動蛋白起泡能力提高了約50%，巰基含量和內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降，同樣表明蛋白質(zhì)發(fā)生了氧化。因此，可以推測冷等離子體處理能夠通過適度氧化改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而提高起泡性能。

2.5 風(fēng)味物質(zhì)結(jié)合能力

風(fēng)味是食品重要的感官性質(zhì)，蛋白質(zhì)與風(fēng)味物質(zhì)的結(jié)合會顯著影響食品的整體品質(zhì)[55]。蛋白質(zhì)結(jié)合風(fēng)味物質(zhì)的能力與氨基酸側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，已知的結(jié)合機(jī)制包括氫鍵、離子鍵、二硫鍵、分子間作用力和疏水相互作用[56]。目前關(guān)于冷等離子體對蛋白質(zhì)風(fēng)味吸附能力影響的研究相對較少，具體影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。Luo Ji等[57]研究了DBD冷等離子體對干腌培根中肌原纖維蛋白與芳香族化合物結(jié)合能力的影響，結(jié)果表明，在60 kV和70 kV條件下處理150 s后，肌原纖維蛋白與多種醛類（尤其是壬醛和辛醛）的結(jié)合能力均有不同程度的提升，該作者推測這與肌原纖維蛋白的降解、疏水氨基酸含量的增加以及α-螺旋結(jié)構(gòu)的解旋有關(guān)。

3 冷等離子體技術(shù)在蛋白質(zhì)改性方面的應(yīng)用

3.1 提高蛋白膜包裝性能

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，合成包裝材料對壞境的污染日益嚴(yán)重，生物可降解的天然聚合物包裝材料受到了更多的關(guān)注[58]。多種蛋白質(zhì)已被用于包裝薄膜的開發(fā)，如小麥面筋蛋白、玉米蛋白、乳清蛋白、酪蛋白等[59]。天然蛋白質(zhì)膜的包裝性能相比于傳統(tǒng)合成包裝材料而言有一定的缺陷，如玉米醇溶蛋白雖然有穩(wěn)定的生物降解性、成膜性以及良好的活性物質(zhì)緩釋能力，但這類蛋白膜普遍結(jié)構(gòu)較脆、表面性能較差[60]。冷等離子體中的高能粒子可以轟擊固體表面，在微米或納米范圍內(nèi)改變材料的表面形態(tài)，同時引入各種活性基團(tuán)[61]。因此，將冷等離子體技術(shù)用于改善蛋白膜的包裝性能，對推動蛋白質(zhì)在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

已有研究表明冷等離子體技術(shù)可以改善蛋白質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)度、阻隔性、吸水性等包裝性能。Moosavi等[62]對比了乳清蛋白可食膜和谷蛋白可食膜經(jīng)低壓輝光放電冷等離子體（載氣為空氣）處理后的包裝性能，研究發(fā)現(xiàn)處理10 min后，乳清蛋白膜的拉伸強(qiáng)度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB）分別增加了56.09%和84.84%，谷蛋白膜的TS增加了38.67%，EAB有所下降；乳清蛋白的接觸角從61.18°下降到了42.05°，表明膜的親水性提高；兩種蛋白膜的處理結(jié)果并不相同，這可能是由于兩種蛋白質(zhì)的組成不同，乳清蛋白中的半胱氨酸更容易產(chǎn)生二硫鍵，而谷蛋白中的谷氨酰胺更易形成氫鍵。Chen Guiyun等[63]采用DBD冷等離子體對殼聚糖-玉米蛋白復(fù)合膜進(jìn)行30、60、90、120、150 s的處理后發(fā)現(xiàn)，純玉米蛋白膜和復(fù)合玉米蛋白膜的TS均顯著提高，并在60 s時到達(dá)到最大值；傅里葉變換紅外光譜分析表明冷等離子體處理過程中部分的β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲轉(zhuǎn)化成了α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)。Wu Xiaomeng等[64]在DBD冷等離子體對酪蛋白膜性能改善作用的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)條件為50 V、60 s時，蛋白膜的TS增加了33.33%，而當(dāng)條件為50 V、30 s時，蛋白膜的TS增加了61.29%；不同條件處理均能顯著降低水蒸氣透過率。該學(xué)者推測冷等離子體處理可以改變酪蛋白膜內(nèi)晶體分布的平衡，水分子可以通過的間隙數(shù)量和間隙大小也隨之變化，這在掃描電子顯微鏡分析結(jié)果中得到印證。Viviane等[65]研究了輝光放電冷等離子體結(jié)合巴西棕櫚蠟對魚蛋白膜包裝性能的改善作用，結(jié)果顯示魚蛋白膜在10 Pa、5 W條件下處理1 min后，TS增加75%，水蒸氣透過率減少65%。雖然冷等離子體技術(shù)能夠改善蛋白膜的包裝性能，但以上研究均發(fā)現(xiàn)，經(jīng)冷等離子體處理后的蛋白膜存在熱穩(wěn)定性下降、色澤偏黃、透明度降低等問題，這在一定程度上會影響消費者對此類包裝產(chǎn)品的可接受度。可見冷等離子體對不同蛋白質(zhì)膜的處理效果是不同的，即便是同種蛋白質(zhì)膜，由于選擇的氣體成分不同，處理效果也會存在一定差異。此外，不同的電壓和處理時間也會顯著影響蛋白膜的改性效果，在實際應(yīng)用中要合理選擇冷等離子體處理條件。對經(jīng)過冷等離子體處理后的食品原料進(jìn)行安全性分析是保障食品安全的重要環(huán)節(jié)，但目前相關(guān)的毒理性研究十分有限。Han等[66]在MD冷等離子體對脫脂豆粕可食膜口服毒性影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在400 W的條件下處理15 min后，可食膜的強(qiáng)度、拉伸性和防潮性分別提高了6.8%、13.4%和24.4%。在急性和亞急性毒性實驗中，大鼠每天口服可食膜懸浮液劑量分別為5 000 mg/kgmb和1 000 mg/kgmb，連續(xù)投喂14 d后，所有大鼠均未出現(xiàn)死亡或中毒跡象，血液理化分析和肝臟切片觀察也無明顯異常。因此研究人員認(rèn)為MD冷等離子體處理不會在可食膜中產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。

3.2 降低致敏蛋白抗原性

食物過敏是影響人體健康的全球公共衛(wèi)生問題之一。能夠引發(fā)過敏反應(yīng)的蛋白質(zhì)來源有牛奶、雞蛋、魚、甲殼類、堅果、花生、小麥和大豆等食物[67]。其中分子質(zhì)量為10～70 kDa的水溶性糖蛋白是導(dǎo)致食物過敏的主要致敏原，當(dāng)人體攝入致敏蛋白后，免疫球蛋白（immunoglobulins，IG）（IgE、IgG等）會與致敏蛋白的特定位點（表位）結(jié)合，從而發(fā)生非正常免疫反應(yīng)[68]。表位與蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象有關(guān)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)因外源因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化時，表位的功能結(jié)構(gòu)也可能隨之發(fā)生變化，從而影響致敏蛋白表位與免疫球蛋白的結(jié)合，降低相關(guān)蛋白質(zhì)的致敏性[69]。冷等離子體中的活性物質(zhì)可以改變天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，因此在修飾食物中致敏蛋白抗原結(jié)構(gòu)，降低致敏蛋白抗原性方面有重要的研究價值。

Sun Fusheng等[70]采用APPJ冷等離子體對麥醇溶蛋白處理60 min后發(fā)現(xiàn)，麥醇溶蛋白的免疫反應(yīng)性僅為對照組的48.05%，實驗中的R5抗體可以特異性結(jié)合麥醇溶蛋白的表位結(jié)構(gòu)（特異性五肽QQPPFP），據(jù)此可推斷麥醇溶蛋白免疫反應(yīng)性降低與冷等離子體對其表位結(jié)構(gòu)的修飾有關(guān)。Meinlschmidt等[71]討論了DBD冷等離子體和MD冷等離子體對β-伴大豆球蛋白（Gly m5）和大豆球蛋白（Gly m6）兩種過敏原的結(jié)構(gòu)修飾作用，十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）圖譜顯示，經(jīng)過10 min的DBD冷等離子體處理后，Gly m5和Gly m6對應(yīng)的10 kDa和15 kDa條帶幾乎完全消失，而經(jīng)過15 min的MD冷等離子體處理后，10 kDa和15 kDa條帶灰度也明顯變淺；在Gly m5的酶聯(lián)免疫吸附測定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）分析中，DBD冷等離子體可使蛋白的免疫反應(yīng)性幾乎100%喪失，而MD冷等離子體處理90 min時蛋白免疫反應(yīng)性也下降了89%。Venkataratnam等[72]采用80 kV的DBD冷等離子體對帶皮花生粉和脫脂花生粉進(jìn)行0～60 min處理后發(fā)現(xiàn)，花生過敏原Ara h1與免疫球蛋白IgG的結(jié)合能力下降，兩種花生粉的抗原性分別降低了43%和9.3%。以上研究對冷等離子體降低蛋白質(zhì)致敏性的機(jī)理有著相似的看法，即認(rèn)為冷等離子體產(chǎn)生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）會攻擊氨基酸側(cè)鏈，裂解肽的二硫鍵，破壞表位結(jié)構(gòu)，使致敏性下降。然而關(guān)于冷等離子體對致敏蛋白影響的研究結(jié)論并不統(tǒng)一，F(xiàn)ilho等[73]報道稱，腰果致敏蛋白經(jīng)低壓輝光放電冷等離子體處理后的SDS-PAGE圖譜與對照組無明顯差異，在ELISA實驗中也得到了同樣的結(jié)論；對非蛋白成分分析發(fā)現(xiàn)，蔗糖含量從33 mg/g減少到了18 mg/g，脂肪酸含量相較于對照組增加了7.6%。冷等離子體在降低抗原蛋白致敏性方面存在差異，原因可能與冷等離子體產(chǎn)生方式有關(guān)，F(xiàn)ilho等[73]在其研究中使用的是低壓冷等離子體，產(chǎn)生的ROS、RNS的種類和濃度可能與常壓等離子體有較大的不同。

3.3 降低內(nèi)源酶活性

天然內(nèi)源酶廣泛存在于眾多食品之中，不同種類的酶會對食品品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。蛋清中的溶菌酶可以酶解微生物細(xì)胞壁，能夠有效殺滅多大部分革蘭氏陽性菌及部分革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌等）[74]。但也有部分酶的存在會對食品的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，如新鮮水果和蔬菜在貯藏加工過程中會因多酚氧化酶和過氧化物酶的作用發(fā)生酶促褐變[75]。食品中大部分酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和各級結(jié)構(gòu)，因此冷等離子體技術(shù)可以用于食品中內(nèi)源酶的物理改性[76]。

近年來越來越多的研究顯示冷等離子體技術(shù)可以有效降低食品中內(nèi)源酶的活性。Segat等[77]分別使用40、50、60 kV的DBD冷等離子體對堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）進(jìn)行15 s～5 min的處理，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過120 s處理的ALP活性損失45%～50%，經(jīng)過180 s處理后活性低于10%。通過圓二色光譜分析，ALP的主要二級結(jié)構(gòu)為α-螺旋，隨著處理時間的延長和電壓的增加，α-螺旋含量呈下降趨勢，這有可能是ALP失活的主要原因。Bu?ler等[78]對鮮切馬鈴薯和蘋果進(jìn)行2.5、5、7、10 min的MD冷等離子體處理后發(fā)現(xiàn)，多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過氧化物酶（peroxidase，POD）的活力均隨處理時間的延長而下降，當(dāng)處理時間為10 min時，蘋果中的PPO和POD活力分別下降了62%和65%，馬鈴薯中的PPO和POD活力分別下降了77%和89%。Kang等[79]在MD冷等離子體處理對馬鈴薯PPO活力影響的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MD冷等離子體功率為900 W，處理時間為40 min時，馬鈴薯中PPO活力從72.4%顯著降低至59.0%。Tappi等[80]研究了DBD冷等離子體處理對鮮切蘋果品質(zhì)的影響，經(jīng)過10、20、30 min處理后PPO活力均有所下降，其中30 min處理組的PPO活力下降了58 %。目前關(guān)于冷等離子體滅活酶的機(jī)理比較一致的解釋是ROS和RNS會破壞蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（如α-螺旋含量減少），并對芳香族氨基酸側(cè)鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，造成酶失活[81-82]。表2總結(jié)了近幾年冷等離子體技術(shù)在降低食品中內(nèi)源酶活性方面的應(yīng)用。

表2 冷等離子體技術(shù)在降低食品中內(nèi)源酶活性方面的應(yīng)用Table 2 Application of cold plasma technology in reducing the activity of endogenous enzymes in foods

4 結(jié) 語

食品中天然蛋白質(zhì)的改性一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。冷等離子體技術(shù)作為一種新興的非熱物理加工技術(shù)，能夠在最大限度保持蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值的同時改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化蛋白質(zhì)的功能特性，且在使用過程中無需額外添加化學(xué)試劑，無殘留物、高效節(jié)能、環(huán)境友好，是傳統(tǒng)蛋白質(zhì)功能改性技術(shù)良好的替代方法。但目前冷等離子體技術(shù)在實際應(yīng)用中并不十分成熟，未來可以從以下3 個方面展開研究：1）缺乏與傳統(tǒng)蛋白質(zhì)功能改性方法的對比研究，冷等離子體技術(shù)雖然有著自身獨特的優(yōu)勢，但要真正作為傳統(tǒng)改性方法的替代技術(shù)就必須與酶法、化學(xué)法等技術(shù)進(jìn)行全方面的對比研究，如效率、穩(wěn)定性等；2）安全性研究不足，冷等離子體中的有效活性成分復(fù)雜，作用食品蛋白質(zhì)后的安全性需要大量的實驗來驗證；3）技術(shù)條件不明確，設(shè)備、氣體、電壓、頻率，這些因素都會影響到冷等離子體的工作效率。尤其是氣體，電離后產(chǎn)生的化學(xué)活性成分在很大程度上取決于氣體的類型，而且稀有氣體的用量也會直接影響到使用成本。因此，研究冷等離子體技術(shù)的具體作用機(jī)制、建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對推動其工業(yè)化應(yīng)用意義重大。