大气压冷等离子体在鲜切果蔬保鲜中的应用研究进展

相启森，张 嵘，范刘敏，马云芳，李云菲

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州450001)

鲜切果蔬又称为最低加工果蔬或轻加工果蔬，是一种经过最少加工处理的产品，因具有新鲜、营养、方便等优点而广受消费者喜爱［1］。但是，鲜切果蔬在去皮、去核、去根和切分等加工环节极易受微生物污染，从而加速其品质劣变并危害人体健康。因此，如何有效保持鲜切果蔬的色香味等感官品质和营养成分就显得尤为重要［2］。大气压冷等离子体(Atmospheric cold plasma，ACP)是近几年兴起的一种非热加工技术，具有处理温度低、活性成分丰富、环境友好等优点，被广泛应用于食品加工和食品安全控制等领域［3－4］。本文综合分析了国内外ACP对鲜切果蔬表面微生物的灭活效果以及对鲜切果蔬中酶活的作用，同时探讨了ACP处理对鲜切果蔬品质的影响，旨在为ACP在鲜切果蔬保鲜中的应用提供参考。

1 大气压冷等离子体概述

等离子体(Plasma)由William Crookes于1879年首次发现，是一种呈电中性的电离气体，由电子、正负离子、自由基、基态或激发态分子和电磁辐射量子(光子)等组成［5－6］。它是由离子、电子、自由基和化学性粒子组成的电中性物质，具有能量密度高、化学活性成分丰富等特点［7］。根据带电粒子温度和电子温度是否处于热平衡状态可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体;而根据热力学平衡状态的不同可将低温等离子体分为热等离子体和冷等离子体(见图1所示)［8－10］。在大气压(常压)条件下产生的整体温度较低的等离子体即为大气压冷等离子体。

图1 等离子体的分类Fig.1 Classification of plasma

ACP主要通过介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，DBD)、电晕放电(Corona discharge)、滑动电弧放电(Gliding arc)、微波放电(Microwave discharges，MD)等方式产生(图2)。电晕放电产生的等离子体通常出现在靠近几何形状尖锐的电极(点、边或细线)处，是一种较为简单的激发装置，它的缺点是作用范围小，处理不均匀(图2a);此外，常见的DBD等离子体激发装置由上下两个电极板和固体绝缘介质组成，上下电极由介质覆盖，当在放电电极上施加高电压时，介质阻挡层的放电间隙可以阻止电流流通，从而产生等离子体(图2b)［11－12］。

2 ACP在鲜切果蔬中的应用研究进展

2.1 ACP对鲜切果蔬表面微生物的影响

鲜切果蔬在去皮、切分等加工环节暴露于空气中，易受到微生物的污染，主要包括霉菌(青霉属、黑曲霉、葡枝根霉等)、酵母菌和细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌等)［13－14］。上述微生物加速了鲜切果蔬的腐败变质，并引发食源性疾病，引起了人们的广泛关注［15－17］。研究表明，ACP可灭活存在于鲜切生菜［18］、黄瓜［19］、火龙果［24］、甜瓜［21］等表面的细菌、酵母菌和霉菌等多种微生物，从而有效延长鲜切果蔬的货架期并保持食品的营养价值和感官品质(见表1)。

图2 ACP产生方式示意图Fig.2 Schematical depiction of typical electrical discharges for the atmospheric cold plasma

目前普遍认为，等离子体产生过程中生成的活性物质、带电粒子、高能紫外线和其他射线等物质是ACP发挥杀菌作用的主要物质基础［25－26］。ACP放电过程中能产生大量活性氧(Reactive oxygen species，ROS)和活性氮(Reactive nitrogen species，RNS)，如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和羟基自由基(·OH)等。研究表明，这些物质可诱导微生物细胞膜脂质发生氧化反应，导致细胞膜结构发生变化，同时活性物质还可扩散到细胞内，进一步氧化蛋白质和核酸等大分子物质，诱导胞内氧化应激，从而导致微生物死亡［9］。此外，Mendis等［27］通过构建电物理场模型认为，等离子体产生的带电粒子可聚集在细胞膜表面，从而改变细胞膜表面带电粒子的流动方向，导致电荷间的静电力大于其自身抗张强度，使得细胞膜受损，并造成细菌失活。而利用等离子体射流灭活大肠杆菌，发现当气体流速和处理间距较小时，紫外线在大肠杆菌失活过程中起主要作用［28］;然而，Laroussi等［29］发现DBD等离子体处理辐照强度很低，因此认为此强度紫外线辐射在DBD等离子体灭活细菌中无明显作用。综上所述，ACP中紫外辐射对微生物灭活的影响尚无定论，还需进一步研究加以明确。

表1 ACP在鲜切果蔬杀菌中的应用Table 1 Application of atmospheric cold plasma in sterilization of fresh－cut fruits and vegetables

表2 ACP对鲜切果蔬中内源酶的作用Table 2 Inactivation effects of atmospheric cold plasma on endogenous enzymes in fresh－cut fruits and vegetables

2.2 ACP对鲜切果蔬内源酶的影响

鲜切果蔬中过氧化物酶(Peroxidase，POD)、多酚氧化酶(Polyphenol oxidase，PPO)、果胶甲酯酶(Pectin methylesterase，PME)等内源酶活性较高，会对其营养及感官品质造成不良影响［30］。已有研究表明，ACP处理能够使鲜切果蔬中的POD、PPO和PME等多种内源酶钝化失活，并发挥抑制鲜切果蔬酶促褐变的作用(见表2)。

大量研究表明，ACP之所以能够使食品内源酶钝化失活与放电过程中产生的高能电子、带电粒子、自由基等活性物质、紫外线及其它射线等有关。其作用机制主要包括上述活性物质对蛋白质氨基酸残基的修饰、对酶空间结构及活性位点的破坏［8，26，37］。Surowsky等［35］采用大气压等离子体射流处理POD及PPO溶液，圆二色光谱分析结果表明，处理组POD和PPO中α－螺旋含量显著降低，同时活性物质造成色氨酸残基发生羟基化和硝基化修饰，这可能是大气压等离子体射流失活上述两种酶的原因。此外，Takai等［36］发现由DBD等离子体产生的羟基自由基(·OH)、超氧阴离子自由基等活性物质对溶菌酶氨基酸残基进行了化学修饰，从而导致酶失活。

2.3 ACP对鲜切果蔬品质的影响

2.3.1 ACP对鲜切果蔬感官品质的影响 国内外学者在研究ACP对鲜切果蔬表面微生物灭活作用的同时，也评价了ACP处理对鲜切果蔬色泽、质构等品质指标的影响。经DBD等离子体和滑动电弧放电等离子体处理并于25℃贮藏72 h后，鲜切猕猴桃的色泽和质地(硬度)均无明显变化［38］。同样，鲜切苹果经DBD等离子体处理20 min后，的L*值、a*值和b*值均未发生显著变化;但是，处理时间延长至30 min后，鲜切苹果的L*值升高，a*值和b*值降低［39］，因此，针对不同鲜切果蔬的DBD等离子体处理条件还需进一步优化。而ACP处理鲜切蔬菜时对其感官品质同样无显著影响，利用功率为400和900 W的DBD等离子体处理鲜切生菜10 min，感官评价表明，鲜切生菜的外观评分和脆度评分无显著变化［40］。因此，ACP在有效杀灭鲜切果蔬表面微生物的同时，能够有效保持鲜切果蔬的感官品质。

2.3.2 ACP对鲜切果蔬营养品质的影响 鲜切果蔬富含膳食纤维、维生素、有机酸、糖和矿质元素等营养成分，对促进人体健康具有重要意义。已有研究表明，在有效杀灭鲜切果蔬表面微生物的同时，ACP可以有效保持鲜切果蔬固有的营养成分。孙艳等［19］发现采用等离子体射流处理鲜切黄瓜后，有效保持了其VC含量。类似研究表明，鲜切甜瓜经DBD等离子体处理后其可溶性固形物、可滴定酸和干物质含量均未发生显著变化［21］。同样，DBD等离子体处理未对鲜切胡萝卜的可溶性固形物、p H、VC含量、糖度和酸度等指标造成显著影响［22］。

2.3.3 ACP对鲜切果蔬中生物活性成分的影响 果蔬富含多酚类、黄酮类、花青素等活性成分，在膳食中是重要的组成部分，有益人体健康［41］。在鲜切猕猴桃应用上，经DBD等离子体处理的鲜切猕猴桃多酚含量和抗氧化活性均无显著性变化［42］。同样，鲜切草莓经DBD等离子体处理1 min并于4℃贮藏7 d后，其花青素含量无显著变化［23］。而鲜切火龙果经DBD等离子体处理并贮存36 h后，其没食子酸、原儿茶酸、对羟基苯甲酸、咖啡酸和对香豆酸含量分别升高了106.9%、132.3%、6.8%、16.7%和108.8%，同时处理组鲜切火龙果提取物的DPPH自由基清除能力显著提高［24］。以上结果表明，ACP处理能够有效保持鲜切果蔬中的生物活性成分(多酚类物质、花青素等)及抗氧化活性。此外，ACP处理在一定条件下还可能有利于促进某些鲜切果蔬酚酸类化合物的合成和积累，但相关作用机制尚不明确，有待进一步研究［43－44］。

3 展望

近年来，鲜切果蔬逐渐成为未来农产品加工的发展趋势，同时其安全性也受到广泛关注。作为一种非热绿色加工技术，ACP不仅可以有效抑制鲜切果蔬表面微生物的生长，而且能有效保持其营养品质和感官品质，在鲜切果蔬质量控制领域具有广阔的应用前景。在今后的工作中，首先应加强基础理论研究，系统阐明ACP灭活微生物以及食品内源酶的作用机制并优化ACP处理工艺参数，为其产业化利用提供理论依据;此外，目前关于ACP应用于鲜切果蔬保鲜的研究主要集中于实验室研究，存在处理量小、自动化程度低等问题。因此冷等离子体装备的研发将是今后重要的研究方向之一。