低温等离子体在农产品加工保藏中应用的研究进展

郑 哲，李 昌

（南昌大学, 食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌 330047）

低温等离子体是一项新兴的农产品非热加工方式，对食品行业发展具有推动作用，因此受到了全球研究者的广泛关注。低温等离子技术可以用于包装材料的加工处理，提高包装材料的阻隔性能或者赋予包装材料抗菌活性，从而延长食品的货架期[1]。同时，低温等离子体可以影响酶的活性，修饰食品基质功能特性，降解毒素和农药，对农产品原材料进行灭菌等[2−3]。然而，该项技术目前还处在实验室研究阶段，在食品工业规模化生产中尚未得到充分的开发利用。本文介绍了等离子体的概况及其产生方式，分析了灭菌的影响因素和作用机理，分析了低温等离子体用于真菌毒素降解以及食品包装材料灭菌的现状，阐述了等离子体技术的优点、存在的问题及未来展望。

1 等离子体的概念与分类

1.1 等离子体的概念

等离子体是一种导电流体，可以由任何中性气体在高压下电离为激发或未激发的分子、原子、自由电子、具有正负电荷的离子以及自由基等，整体呈电中性的状态[4−5]。一般来说，供能将气体分解成多种活性物质，然后进行激发、去激发和电离等反应[6]。在物理学上，等离子体又被称为除固态、液态、气态以外的物质的“第四种形态”。因为正负电荷数在数值上始终保持相等，故被称为等离子体[7−8]。

1.2 等离子体的分类

1.2.1 按带电粒子温度高低分类 等离子体的发生过程伴随能量传递，按照离子温度与电子温度是否达到热平衡状态以及等离子体的电离水平，等离子体可以分为高温等离子体和低温等离子体[9−10]。当电子温度与离子温度达到热平衡状态时，称为高温等离子体，也称为热力学平衡等离子体，此时体系中的气体几乎处于被完全电离的状态；当电子温度远高于离子温度，体系处于非热平衡状态时，体系中的气体为轻度电离，故被称为低温等离子体，也称为非热力学平衡等离子体。在食品工业的应用中，低温等离子体因为其在低温食品加工中的潜在应用和特殊优势而受到人们的广泛关注。

1.2.2 按等离子体发生方式分类 目前，等离子体主要可以通过电场、加热、高能射线等方式激发产生[11]。在实验室研究，一般采用加速电子、离子或高能中性粒子的碰撞作用而产生电离气体。低温等离子体经常使用的发生系统包括介质阻挡放电、电晕放电、常压辉光放电和滑动弧电弧放电[12−13]。

1.2.2.1 介质阻挡放电 介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）等离子体发生装置是由混合主室、等离子体室和气体循环模块共同组成的放电系统。在放电间隙之间用塑料、石英或陶瓷等介质材料将两个金属电极分开，由于电荷的移动，电介质阻挡了火花的形成[14]，在放电间隙形成了等离子体。介质阻挡放电一般有三种形式：双侧介质阻挡放电、单侧介质阻挡放电和中间介质阻挡放电。其组成结构如图1(a～c)所示。DBD是目前食品研究中应用最广泛的等离子体产生方式[15]。

图1 介质阻挡放电等离子体装置示意图Fig.1 Schematic diagram of DBD plasma

1.2.2.2 电晕放电 电晕放电等离子体（Corona Discharge Plasma，CDP）通过不对称的电极对产生，其中相对较高的电压占据了一个电极区域，该区域的击穿强度超过气体的击穿强度，因此在电极周围形成了弱电离等离子体[16]。光辐射、离子流、中性分子流是电晕放电的能量进行材料表面作用的主要方式，工作频率从Hz到MHz不等[17]。该技术成本低且操作简便。电晕放电已被用于微生物净化、表面处理、电沉淀法等多个方面（图2）。

1.2.2.3 滑动电弧放电 滑动电弧放电（Glide Arc Discharge，GAD）是在一个反应器中产生的，该反应器含有两个或两个以上的发散金属电极[18]。一般情况下，高压电源在两电极之间的最短间隙处进行击穿，在气体的推动下，滑动弧沿电极进行运动。当滑动弧的长度达到临界长度时，电源无法提供足够的能量来平衡等离子体柱的热损失，因此滑动弧在这个阶段迅速冷却并熄灭，在最窄的电极间区域重新形成电弧，体系不断循环并形成等离子体区域[19]。该技术对表面处理和液体处理均具有良好的适应性，并且已经被用于无机污染物分解、材料表面改性、废水处理等多个领域（图3）。

1.2.2.4 常压辉光放电 常压辉光放电（Atmospheric Glow Discharge, AGD）是在一个大气压下即可产生大量冷源等离子体的激发系统，它使用一个很大的间隔作为阻挡介质，用氦气作为激发气体。此系统中至少需要有一个电极被绝缘介质盖住。启动电源后，产生的带电粒子会聚集在绝缘体表面，在绝缘介质间形成电势差（图4）。

2 低温等离子体在农产品杀菌保藏中的应用及其机理

2.1 低温等离子体在农产品杀菌保藏的应用

近年来农产品保藏越来越多的运用到了低温等离子体技术。农产品保藏的目的是在不显著改变产品的营养、感官特性的基础上使微生物和酶失活，从而延长保藏期。研究表明，采用不同的激发设备和操作条件，产生的等离子体特性和灭菌效果也存在一定差异，一些果蔬及其加工产品经等离子体处理后，微生物均不同程度地减少（见表1）。

图2 电晕放电等离子体装置示意图Fig.2 Schematic diagram of CD plasma

图3 滑动电弧放电等离子体装置示意图Fig.3 Schematic diagram of GAD plasma

图4 常压辉光介质系统等离子体装置示意图Fig.4 Schematic diagram of glow discharge plasma

低温等离子体技术作为一种非热加工技术用于农产品的杀菌处理，具有许多独特的优势。相对于热加工，低温等离子体在农产品加工过程中对食品营养价值和感官性能的破坏较小[28]。等离子体杀菌作为一种新兴的广谱灭菌技术，可以杀灭多种食品有害微生物，从而达到农产品保鲜保藏的目的[29−30]。

2.2 低温等离子体在农产品杀菌保藏中的作用机制

低温等离子体在作用于农产品保藏时可以产生多种活性物质，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）、自由基、紫外光子等。这些活性物质都可以作用于微生物细胞从而抑制微生物生长或造成细胞死亡，其作用机理见图5[31]。本文分别从臭氧、自由基和紫外线三个方面进行探讨。

2.2.1 臭氧 低温等离子体体系中，气体放电时会产生大量的活性氧化物（ROS）、活性氮化物（RNS）等活性物质[32]。其中以臭氧为例，它可以穿透细胞壁与微生物体内的不饱和键发生作用，从而使细胞膜受损导致新陈代谢受到影响[33]。Yusupov等[34]发现低温常压等离子体产生的ROS可作用于革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌肽聚糖，等离子体系中产生的O3和H2O2等使细菌肽聚糖的C-O、C-N和C-C化学键断裂，最终造成细胞壁破损导致了细菌死亡。这一发现证明了活性氧化物可以直接氧化肽聚糖和磷脂双分子层，破坏其中的关键化学键，最终导致细胞壁和细胞膜破裂[35]。没有细胞膜的保护，O3就可以深入破坏膜内的蛋白质和多糖，从而影响细胞的代谢活动，使细胞死亡[36]。而Oshima等[37]研究发现大肠杆菌的染色体、核糖体和质粒DNA会因放电而分裂成小片段。在滑动电弧等离子体下的Erwinia菌株中也观察到DNA的部分水解，这一结果证明了O3可以进一步与DNA作用并导致部分DNA的片段化。这些研究表明了O3用于微生物净化的效果十分显著，但是关于O3杀菌是否还受其他因素影响仍然需要进一步的深入探究。

图5 低温等离子杀菌示意图[31]Fig.5 Schematic diagram of cold plasma sterilization[31]

2.2.2 自由基 除了臭氧等含氧活性物质，在低温等离子体激发过程中，还产生了大量的自由基等其他活性组分。Trompeter等[38]认为在放电气体中加入水蒸汽时的灭菌效果更好，可能是由于灭菌过程中形成了羟自由基和过氧化氢等自由基。低温等离子体产生的羟基自由基的作用下，膜蛋白的化学修饰和降解也被认为是低温等离子杀菌的一种途径[32]。此外，Babaeva等[39]证实等离子体活性水中的亚硝酸根会在酸性条件下生成NO自由基，生成的自由基能渗透进入菌体内，从而起到杀菌作用。Kim等[40]研究证明了猪肉分别暴露于使用He和He + O2激发的等离子体装置时，单核细胞增生李斯特氏菌的菌落总数均有不同程度的下降，经等离子体处理后其脂质氧化情况也显著增强[41]。有研究证明了自由基可以与食品中的核酸、蛋白质、淀粉等大分子物质发生反应，对食品组分进行改性、修饰[42]，等离子体产生的自由基还可以扰乱微生物的正常功能[43−44]。处于等离子体中的微生物与自由基发生强烈的碰撞，且微生物细胞的表面损伤不能及时快速修复，最终导致了微生物的灭活。这种现象很好的解释了微生物被等离子体迅速灭活的原因，这个过程被称为“蚀刻”[45]。尽管不同自由基在稳定性、生物活性以及反应特性等方面有所不同，但它们都具有广泛的抗菌活性[46]。

2.2.3 紫外辐射 在等离子体产生的过程中，有研究表明，不同波长的紫外光子使DNA链形成胸腺嘧啶碱基二聚物导致细胞死亡，此外紫外光还可以破坏蛋白质氨基酸的结构，使蛋白质失活[47]。Roth等[48]使用在253.7 nm处发射，功率密度为0.6 mW/cm2的低压汞灯，发现等离子体中可以产生一定数量的短波灭菌紫外线（UV-C），这种光照是等离子体中杀菌的活性成分之一。Trompeter等[38]通过实验发现紫外辐射能够杀死枯草芽孢杆菌。通过对应用于食品的等离子体源的发射光谱的研究，Schneide[49−50]和Boudam等[51]的研究认为关于等离子体源的紫外线的具体杀菌效果取决于等离子体源的发生装置、工作压力和等离子体放电的规模等多种因素。Laroussi[52]认为等离子杀菌过程中有紫外辐射、电磁辐射和粒子辐射3种辐射，其中紫外线在波长230～240 nm的杀菌效果最好。关于紫外辐射在等离子体系中杀菌的机理，尤其是紫外光在等离子体灭菌过程中的具体效果以及最佳波长，目前仍没有特别确切的结论，这也是未来工作中所需要进一步解决的关键问题。

2.3 影响等离子体杀菌保藏的因素

等离子体杀菌是一个复杂的过程，杀菌结果可能受到多种因素的影响。由于等离子体的激发条件不同，导致等离子体灭活微生物的程度也不同。本文主要分为内部因素和外部因素两大方面进行分析。

2.3.1 内部因素 影响低温等离子体处理效果的内部因素有等离子体诱导技术、处理电压、极间距离等。例如，以不同等离子体诱导技术为例，所使用的激发气体类型决定了杀菌过程中产生的活性物质的数量以及最终灭菌的效果，产生活性物质的种类还会受频率和输入电压的影响[53]。此外，影响低温等离子体工作效率的因素还有曝光方式。由于带电粒子的特性以及它们与样品的结合能力，直接接触可以减少向基体传递热量，进而提高等离子体杀菌的效率[54−55]。

2.3.2 外部因素 影响等离子体杀菌的外部因素主要与环境因素、物质形态等有关。例如，pH不同的食物对热量、压力和其他条件的反应不同。Muranyi等[56]的研究表明，在等离子体处理完成后，pH为5的蜡样芽孢杆菌减少了4.7 log CFU/g，而pH为7的蜡样芽孢杆菌减少了2.1 log CFU/g。此外，固体和液体食物基质与反应性物质的相互作用不同，大多数液体在处理过程中能够蒸发并参与随后的反应，固态物质则有不一样的反应结果。

3 低温等离子体在农产品脱除农残和真菌毒素降解的应用

真菌毒素是产毒真菌在适当的环境条件下产生的有毒次生代谢产物。在食品卫生和饲料卫生领域，它们被称为霉菌毒素[57]。霉菌毒素广泛存在于花生、豆类、玉米、小麦等农产品中[58]。这些化合物在高温下具有化学稳定性，在农产品加工过程中不会降解或很难降解。常规的农药使用可以预防农作物的损失并且增加产量，但是农药对多种生物甚至包括人类在内有潜在毒性。因此，在施用农药期间需要采取最大程度的预防措施。近年来，大量研究表明低温等离子体可以有效降解存在于农产品尤其是谷物中的真菌毒素以及农药残留等有害物质（见表2）。

表中的数据表明了低温等离子体技术可以去除果蔬中的有毒化学物质，有效降解农药，为高价值农产品的非热加工及保藏提供了新方法。同样，Ghorashi等在对开心果的研究中达67%的真菌降解率也说明低温等离子体技术不仅可以作用于果蔬产品的加工保藏，在坚果保藏中对真菌毒素的降解同样取得了较好的结果[61]。

基于这些研究的基础上，低温等离子体技术可以有效降解真菌毒素和农药残留。但是，目前对于降解产物的研究尚不完善，具体的产物类型以及降解产物是否具有毒性仍有待深入研究，等离子体用于降解真菌毒素和农药残留的作用机制及其影响因素也没有准确定论。在将来，研究的重点是阐明降解的具体途径和最终降解效果，探究降解产物是否具有毒性，以确保等离子作用过程不会损害食品质量。尤其是可以从等离子气体的组成和目标农药的性质结构等方面进行深入研究，以将低温等离子体技术更多的应用于农产品的农残脱除和真菌毒素降解。

表2 低温等离子体在农产品脱除农残和真菌毒素降解中的应用Table 2 Application of cold plasma in degradation of pesticide residues and mycotoxins

4 低温等离子体在农产品包装的应用

农产品包装材料在产品保藏、运输过程中保护产品不受外界环境的污染。低温等离子体技术可以用于包装材料的表面处理或进行表面改性，如清洁、涂层、印刷、涂装和粘接等[63]。低温等离子体可以快速和安全地对包装材料进行灭菌，不会对材料的性能产生不利影响或留下残留物。

低温等离子体技术可以保持聚合物箔或层合板的密封性能，减少气体（氧气和二氧化碳）进入包装材料，并在不留下残留物的情况下去除污染物，实现对包装内食品介质的冷杀菌。Pankaj等[64]对PLA薄膜包装内的食品进行了杀菌处理，该研究表明等离子体处理对玻璃化转变温度和氧、水蒸气渗透性等并没有不利影响，从而避免了对食品的二次污染。低温等离子体技术在食品包装中的应用可以代替传统的低效包装材料的灭菌方法，为可降解食品包装材料和食品净化提供了一个新的节能方法，提供了未来的研究方向。宋颖等[65]在大气条件下利用共面电极交替排列的方式在塑料袋的内表面产生低温等离子体，在99%氦气和1%氧气条件下处理5 min，可以杀灭99.99% 的顽固真菌。低温等离子体在包装材料加工方面的技术突破尤其是阻隔性能的提高是不容忽视的，同时等离子体种类的渗透能力也需要更多深入的研究。Ehsan Moradi等[66]研究发现含有壳聚糖/聚乙烯的双层薄膜与3%的精油混合并经等离子体处理后，壳聚糖膜的透气性和透氧性均有所降低；与传统双层膜相比，大大延长了鸡胸肉的货架期，为低温等离子体用于制备双层抗菌膜，应用于家禽及其肉制品的贮藏提供了一种新型包装思路，证明低温等离子体在食品包装和保鲜方面具有很大的潜力。等离子体技术可以沉积热敏材料，是抗菌活性包装新兴领域的一个潜在选择。通过对各种包装材料的表面改性，对不同化合物的表面接枝和沉积，提高用于食品包装的传统聚合物的力学性能和阻隔性能[67]，有利于进一步优化薄膜的功能化包装[68]。在不影响聚合物本体性能的情况下低温等离子体可用于改变聚合物的表面粗糙度和组成。低温等离子体技术在食品包装材料处理方面具有很好的应用前景。

5 结论与展望

低温等离子体技术作为一种新型非热加工技术，相比于传统的农产品加工保藏技术，具有温和，高效，无破坏性，操作简单等独特优势。在延长农产品货架期，保障产品安全，研发新型包装材料等领域具有十分广阔的前景。但是相较于传统的热加工，等离子技术对于技术要求严格，成本也更高，所以该技术应用于工业化生产的普及度仍然不高。目前有关等离子体技术作用的机制还没有十分完善的理论，对于农产品组分及其包装材料改性的具体活性成分也尚且没有定论，这导致其在工业化大生产中的推广受到了限制。此外，由于等离子体的穿透力较弱，对于食品加工过程中的灭菌效果还有待于进行更深入的优化研究。

低温等离子体是一个有多种成分所组成的复杂体系，在今后的研究中，可以着重于以下几个方面进行探索与发展：a. 深入探究低温等离子体的灭菌机制，采用多种方法对细菌化学成分的变化进行检测，例如蛋白质的变性，DNA双键的断裂，细胞膜的成分变化等，为食品工业中的应用提供更加有力的理论依据。b. 分离出等离子体激发后的各种活性成分，分析对农产品组分的影响及其作用机制。以自由基为例，可以根据不同变量处理时产生主要自由基类型等进行分析，以便于为等离子体技术后期的研究提供参考。c. 针对食品工业研发适用于农产品保藏的低温等离子体发生装置和设备，探究最适宜的等离子灭菌的工艺参数，分析不同种类食品或不同环境下，不同暴露条件和处理时间、电压等对保藏保鲜效果的影响，提高等离子体用于保藏机制的工作效率，降低成本。d. 低温等离子体技术已经被应用于农产品的包装材料的研究，在今后的工作中可以将低温等离子体技术作为一种辅助手段，深入研究对包装材料的表面改性，使用新型包装从而最大程度上延长产品的货架期。e. 加强低温等离子体应用于农产品安全性的研究。可以采取一些合适的方法避免低温等离子体处理对产品品质的影响，以更有效的保障食品安全。