等離子體技術在谷物中的應用研究

◎ 楊雙喜，侯紅軍，戴瑜鵬，張小東，畢文奇，馬 海

（中央儲備糧中寧直屬庫有限公司，寧夏回族自治區 中衛 755000）

非熱殺菌技術指利用非加熱的方式使殺菌對象達到無菌狀態的技術[1]。其相比熱殺菌技術具有殺菌效果好、污染小、易操作、環保節約、自動化程度高，能夠很好地保存谷類的營養和風味成分，防止熱敏性成分損失等優勢。目前，常用的非熱殺菌主要包括超聲滅菌、輻照滅菌、高靜水壓滅菌、超高壓滅菌和等離子體滅菌。其中超聲滅菌技術在規模化工業中的應用存在較多問題，且食品安全方面存在較大爭議；輻照滅菌技術易產生·OH、·H等自由基，與谷類中蛋白質、脂類等發生化學反應破壞空間結構，從而導致谷類脂肪酸含量減少，產生難聞氣味[2]；高靜水壓滅菌技術對環境、設備尺寸、承受容器和材料耐受性要求嚴格；超高壓滅菌技術設備昂貴，存在間歇式滅菌、無法連續生產等問題；等離子體滅菌技術作為一種綠色、新型處理技術，具有操作簡單方便、安全、能耗低、效率高、節能、環保等優點，可以保持谷物整體質量、感官屬性和營養價值。為此，本文主要從等離子體的概念、分類、滅菌原理進行介紹，重點探討經等離子處理后對谷物酶的活性、淀粉含量、酚類含量和風味物質的影響，以期為等離子技術在谷類加工和貯藏領域中的應用提供理論基礎，推動等離子技術在谷物領域中工業化應用。

1 等離子體的概述

1.1 等離子體的概念

等離子體是一種游離于固態、液態和氣態等以外的一種新的物態體系，簡稱等離子態。等離子體通常由原子、分子、微料等中性離子以及帶電的電子和離子組成，其在電離過程中正負離子通常成對出現且數值相等，整體呈現準中性，因此被稱為等離子體。

1.2 等離子體的分類

1.2.1 按照系統溫度分類

（1）熱平衡狀態下，當電子和離子溫度達到106～108 K時稱為高溫等離子體。

（2）非熱平衡狀態下，當離子溫度低于電子溫度時稱為低溫等離子體。

1.2.2 按照放電方式分類

目前，按照放電方式一般可分為氣體放電、電暈放電、輝光放電、介質阻擋放電、射頻放電及微波放電6種。其中，氣體放電和射頻放電適用于化工生產；輝光放電適用于紡織業生產；電暈放電適用于靜電除塵和半導體生產的靜電控制等方面；微波放電適用于電氣方面；介質阻擋放電適用于食品領域。

1.3 等離子體滅菌的基本原理

1.3.1 高速粒子的穿透效應

指采用等離子體裝置產生高濃度的陰陽離子轟擊微生物，促使微生物表面產生的剪切力大于其表面細胞膜的張力，從而使微生物內部的核酸和蛋白質等生物大分子遭到破壞，最終導致微生物死亡。

1.3.2 電場效應

指等離子體會產生一定強度的電場，當強度大于臨界值時其會穿透細菌細胞膜，導致細菌死亡。

1.3.3 紫外光作用

指等離子體作業時將由輝光放電產生3.3～3.6 eV紫外線強度，在該強度下易破壞細菌的DNA和RNA，同時，使其蛋白質氨基酸結構和菌體糖結構遭到破壞，從而起到殺菌作用。

1.3.4 溫度作用

指等離子體作用條件下將產生高強度電子，該電子溫度相比氣體溫度較高，可促進活性基團和紫外線殺菌效果。

1.3.5 活性物質的作用

指等離子作用下將產生大量的原子氧和自由基等活性基團，該基團可參與微生物內部核酸、蛋白等化學反應，導致細菌死亡。

2 等離子體滅菌對谷物微生物的影響

2.1 等離子體對細菌的影響

Agata等[3]以谷物為研究對象，利用等離子體進行處理，探究與谷物相關細菌安全問題。結果表明，處理時間大于5 min時，谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌和乳酸菌數量越少。Lee等[4]采用等離子體技術對全谷物糙米表面進行處理。結果表明，當處理時間大于20 min時樣品表面大約減少2.30 lg CFU/g大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌。可見，采用等離子體處理有利于減少和控制谷物中細菌數量，起到延長貨架期的作用。

2.2 等離子體對細菌芽孢的影響

Li等[5]采用等離子體對小麥進行處理，探究其對小麥理化性質的影響。結果表明，等離子處理后能有效降低小麥粉中的總平板計數、酵母、霉菌和芽孢桿菌數量。Butscher等[6]以小麥為研究對象，嗜熱硬脂地桿菌內生孢子為模型生物，對小麥顆粒和聚丙烯模型基質進行人工污染，最后利用等離子技術以不同的處理時間、脈沖電壓和頻率組合對樣品進行處理。結果表明，處理時間越長、脈沖頻率越快或脈沖電壓越高，對微生物產生的孢子滅活效率越高。

2.3 等離子體處理對霉菌的影響

李帥[7]以玉米為研究對象，采用等離子體對玉米進行預處理，探究等離子體對玉米黃曲霉和寄生曲霉菌落的影響。結果表明，等離子體預處理功率的增大或處理時間的延長，對玉米籽粒儲藏期間霉菌生長量無顯著性影響。Suhem等[8]為抑制黃曲霉在瓊脂培養基和糙米谷物棒上的生長，采用等離子設備對樣品進行處理。結果表明，等離子處理功率為40 W、時間25 min時，對黃曲霉在瓊脂培養基上的生長抑制效果最好。

3 等離子處理對谷物品質的影響

3.1 等離子處理對谷物酶活性的影響

3.1.1 脂肪酶

脂肪酶與脂肪酸接觸將產生氫過氧化油酸，加速油脂過氧化值升高，破壞谷物貯藏時期的穩定性與品質。張琛等[9]在電場強度12.5 kV·cm-1、脈沖頻率316 Hz、脈沖寬度4 μs、處理時間315 s，以及麥粒水分含量295 g·kg-1條件下，得到小麥脂肪酶活性抑制率超過50%。許強等[10]利用不同電場強度處理小麥脂肪酶5 min，探究在第1 d和第10 d電場強度對脂肪酶紫外光譜的影響。結果表明，電場強度分別為1.0、2.0、4.0和6.0 kV/cm時，第1 d 的紫外光譜的變化幅度強于第10 d的變化幅度；電場強度為3.0和5.0 kV/cm時，第1 d 的變化幅度弱于第10 d的變化幅度。表明等離子體處理技術可以抑制谷物脂肪酶活性，并且抑制程度受貯藏時間影響，時間越長對其抑制程度越弱。

3.1.2 脂氧合酶

脂氧合酶易催化脂質氧化促使谷物貯藏過程中產生陳化現象，導致谷物貯藏穩定性下降，出現褪色和陳化氣味現象，嚴重影響谷物的外觀和營養價值。Haniye等[11]采用氬氣和氮氣冷等離子體對小麥胚芽進行處理，探究輸入不同氣體對脂解酶活性的影響，發現以氬氣為等離子體氣體，30 min后脂氧合酶的殘余活力分別下降至42.50%和87.72%；切換等離子體輸入氣體至氮氣，常壓冷等離子體處理相同時間后，脂肪酶和脂氧合酶的殘余活性分別為77.50%和92.52%。表明等離子氣體可以鈍化和抑制脂氧合酶活性，并且輸入的氣體和處理時間不同，對其抑制效果存在顯著性差異。

3.2 等離子體處理對谷物淀粉的影響

淀粉在谷粒中約占70%，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成。其中，直鏈淀粉占比20%～25%，支鏈淀粉占比75%～80%，兩者含量和自身性質的變化將直接影響谷物的品質。例如，谷物在貯藏過程中淀粉含量將略有減少，從而導致谷物營養品質降低。目前，有關研究表明，等離子技術產生的高能粒子能夠對淀粉顆粒進行轟擊、刻蝕和解聚等效應，從而促進淀粉結構發生不同程度的改變。李瑞紅等[12]采用介質阻擋放電等離子體技術，研究在不同處理電流下等離子體中兩種淀粉結構和理化功能性質的變化。結果表明，等離子體處理對蠟質玉米淀粉改性效率優于高直鏈玉米淀粉，且改性過程中主要改變玉米淀粉的長程晶體結構，而對短程雙螺旋結構的影響較小。可見，等離子技術在淀粉改性方面應用廣泛，具有低成本、高效率、適應強、無污染等優勢，可廣泛促進淀粉在不同食品工業領域的應用。

3.3 等離子體處理對谷物酚類物質的影響

酚類物質主要是一種或多種含有羥基的芳香環化合物，具有抗氧化、抗炎、抗高血壓和預防癌癥的作用。采用等離子體對大米和玉米麩皮進行處理，結果表明，處理后玉米糠（4 -羥基苯甲醛、對香豆素、芥子酸和阿魏酸）和米糠（香草醛、阿魏酸、芥子酸和綠原酸）中個別多酚含量顯著提高，并且總酚含量、總黃酮和抗氧化活性也相對顯著提高。研究發現，大米經等離子處理后，樣品中酚類物質含量顯著提升，功率增加到40 W，處理時間縮短至10 min時，可獲得酚類物質含量為0.44 mg GAE/100 g。表明等離子體處理技術在促進全谷物糧食食品開發中具有重要作用。

3.4 等離子體處理對谷物風味物質的影響

谷物的風味主要由醛、酮、醇、雜環類等化合物構成。孟寧[13]研究發現，等離子處理后可使糙米飯中醛類、萜類物質增加，可為糙米飯提供青草香和果香氣味，但對醇類和醇類化合物影響較小。采用介質阻擋放電冷等離子體對糙米進行非熱處理，結果表明，處理后樣品中游離脂肪酸和己醛含量顯著下降，儲藏期間色澤更加穩定，且具有苯甲醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、(E)-2-壬烯醛、己醛和壬基氯甲酸鹽等獨特的揮發性化合物。等離子處理條件下促使酶的活性發生改變，產生酶促反應，促進活性物質、底物和酶等從細胞中釋放出來，從而產生各種風味物質。

4 結論與展望

采用等離子技術對谷物進行處理，對谷物的微生物和營養品質方面的作用較顯著。對于谷物微生物方面，等離子體可以破壞微生物細胞膜、蛋白質和核酸結構，促使谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌、乳酸菌和蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等數量減少，抑制附著在谷類表面的真菌曲霉和青霉數量。對于谷類酶活性方面，等離子體可以破壞酶的空間結構，促使酶與底物結合的活性位點或酶的輔基發生改變，促使脂肪酶和脂氧合酶的活性發生改變。對于谷物淀粉，經過等離子處理后對淀粉顆粒進行轟擊、刻蝕和解聚，促使淀粉分子改性效率提高；產生交聯，提高儲能模量，降低損耗模量；降低相對結晶度和短程有序性，提高淀粉糊的凝膠強度。對于谷物酚類和風味物質方面，提高其酚類物質含量和抗氧化能力、保留獨特風味物質，降低游離脂肪酸和己醛化合物含量，保證谷物色澤穩定、品質良好。近年，等離子體在谷物方面研究相對較少，本文主要探討國內外等離子體在谷物部分理化性質和微生物方面的研究，為等離子體在谷物方面的應用提供一定的理論基礎。