低温等离子体处理对生姜片杀菌效果及品质的影响

徐艳阳，李雪凤

（吉林大学食品科学与工程学院 长春 130062）

生姜（Zingiber officinaleRosc.）是姜科姜属多年生草本植物，主要分布于亚洲，而我国是世界上生姜种植面积最大且产量最多的国家[1]。生姜作为一种药食同源的新鲜根茎，含有多种功能成分，如多酚类化合物、黄酮类化合物、姜辣素、挥发油等[2-4]，具有抗氧化、降血脂、抗炎、抗肿瘤、抗菌等多种生物学和药理特性[5-8]。然而，生姜在加工和贮藏过程中非常容易出现褐变、失水及组织软化等问题，使其营养价值及食用品质降低，甚至导致霉变，无法长期贮藏[9]。

随着人们对鲜切果蔬需求的日益增长，近年来非热杀菌技术成为食品杀菌研究的热点。目前主要的非热杀菌技术包括超高压处理、辐照、超声波、紫外线、臭氧、高压脉冲电场等[10]，其中最大的超高压设备可以容纳600 L 物料，不能满足大型工业化、大批量的生产需求，而且其容器壁需要采用较厚的钢作为材料，来满足承受压力的需求，因此设备质量以及所占空间较大[11]；脉冲电场技术因处理过程中电极与食品直接接触，易发生二次污染[12]；辐照技术的基本建设投资大，且对操作人员的要求更严格。为满足消费者对食品新鲜度和安全性的更高需求，尤其是生鲜及热敏性食品，研发新型的冷杀菌技术成为研究热点。

与传统的热杀菌相比，低温等离子体处理作为一种新兴的非热加工技术，对细菌、真菌及抗逆性较强的生物膜[13]表现出优良的杀菌效果，并且能更好地保留果蔬的新鲜度、营养及品质。有研究表明，低温等离子体技术可用于农产品的杀菌保鲜，多酚类化合物的辅助提取[14]，辅助提高干燥速率，真菌毒素的降解[17]等方面。此外，低温等离子体技术应用于全谷物食品可以减少其蒸煮时间、淀粉变性，促进萌芽[18]；并降解农药残留等[19]。

Zhang 等[20]研究发现大气冷等离子体处理鲜切梨表面的微生物时，对嗜温需氧菌、酵母和霉菌有较好的抑制作用，并延长了鲜切梨的货架期。王卓等[21]利用介质阻挡放电低温等离子体处理“灿烂”蓝莓，在45 kV 电压下作用50 s，能显著抑制蓝莓的腐烂。Tappi 等[22]使用介质阻挡放电发生器在鲜切甜瓜两侧分别处理15 min 和30 min，发现该处理对鲜切甜瓜品质的影响很小，并显著延长货架期。Lee 等[23]发现在处理功率400 W 和处理时间10 min 时，生菜上的单核细胞增生李斯特菌含量下降了（1.8±0.2）lg（CFU/g）。Lacombe 等[24]使用低温等离子体处理蓝莓15，30，45，60，90，120 s，发现与对照组相比，第1 天和第7 天霉菌和酵母的数量降低幅度分别为0.8～1.6 lg（CFU/g）和1.5～2.0 lg（CFU/g）；这表明低温等离子体在果蔬杀菌上具有一定的发展前景。

有研究表明等离子体处理可能对食品中的酚类物质产生影响。Li 等[25]利用介质阻挡放电低温等离子体在45 kV 工作电压下处理草莓1 min，在贮藏期间特别是在第1，3 天和5 天，总酚、花青素和类黄酮的含量显著增加。Li 等[26]用低温等离子体处理鲜切火龙果发现在储存期间酚类的含量增加。Elez Garofulic等[27]发现常压等离子体处理使樱桃汁中的酚类物质含量提高，这可能是等离子体解离多酚的聚集体。然而，Charoux 等[28]发现等离子体处理和未处理的黑胡椒总酚含量无显著性差异；Amini 等[29]发现对鲜核桃和干核桃进行等离子体喷射处理11 min，其总酚含量和抗氧化活性与未处理组相比无显著性差异。这可能是由于等离子体处理对未切割食品和加工食品中的酚类化合物影响较小[30]。

目前未见等离子体技术在生姜处理方面的研究报道。本文利用低温等离子体技术对生姜切片进行前处理，探讨对生姜切片表面微生物的杀菌效果以及对其品质的影响，为低温等离子体技术在果蔬类农产品的杀菌保鲜应用提供依据。

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

1.1.1 原料 生姜产于山东潍坊昌邑，购自长春市欧亚超市。

1.1.2 试剂 胰蛋白胨（生物纯级）、酵母浸粉（生物纯级），北京奥博星生物技术有限责任公司；没食子酸（分析纯级）、硫酸锂（分析纯级），天津市华东试剂厂；钼酸钠（分析纯级），天津市福晨化学试剂厂；钨酸钠（分析纯级），天津市化学试剂四厂；无水碳酸钠、亚硝酸钠、硝酸铝、抗坏血酸（均为分析纯级），北京化工厂；香草醛，上海惠世生化试剂有限公司；1，1-二苯基-2 苦基肼（HPLC≥98%），上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

SY-DT02S 低温等离子体处理仪，苏州市奥普斯等离子体科技有限公司；UV-4802 紫外-可见分光光度计，尤尼科（上海）仪器有限公司；VOSHIN-800R 无菌均质器，无锡沃信仪器有限公司；DK-98-II 电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；SW-CJ-1FD 洁净工作台，苏州安泰空气技术有限公司；BXM-30R 立式压力蒸汽灭菌锅、HFP-9227 数显电热培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；CR-400 色差计，深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 菌落计数的方法 按照GB/T4789.2-2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》[31]检测姜片表面菌落总数，并计算其杀菌率，即：

式中，Y——样品的杀菌率，%；N0——低温等离子体处理前样品的菌落数，CFU/g；N1——处理后样品的菌落数，CFU/g。

1.3.2 菌悬液的制备 称取25 g 生姜置于盛有225 mL 磷酸盐缓冲溶液的无菌均质袋中，然后均质2 min，制成1∶10 样品匀液。吸取2 mL 样品匀液于200 mL 液体培养基中，在36 ℃振荡培养48 h，制备浓度为8～9 lg（CFU/mL）菌悬液。

1.3.3 样品的制备及处理 先用自来水清洗生姜表面的泥土，然后切成1.5～2.0 mm 姜片。将1.3.2节制备的菌悬液稀释10 倍后，按照料液比1∶5，把生姜片浸入其中，30 min 后取出、沥干，备用。

1.3.4 低温等离子体处理的工艺流程 低温等离子体处理的工艺流程如下：设定处理参数→放样品于处理腔→开启真空泵（待真空度降至100 Pa以下）→开启放电电源。

1.3.5 单因素实验设计 选择放电电源功率和处理时间两个因素进行考察。每次称取染菌的姜片10 g，设置放电电源功率分别为100，200，300，400，500，600 W，处理时间为3 min，研究放电电源功率对鲜切姜片表面微生物杀菌率的影响；设置低温等离子体处理时间分别为1，2，3，4，5，6 min，放电电源功率为400 W，研究低温等离子体处理时间对鲜切姜片表面微生物杀菌率的影响。

1.3.6 响应面优化试验设计 根据1.3.5 节单因素实验的结果，确定放电电源功率（A）和处理时间（B）2 个因素水平进行考察，以姜片表面微生物的杀菌率为响应值，应用中心组合试验设计（CCD）二因素三水平的响应面优化试验，各因素及水平见表1。

表1 CCD 试验设计的因素与水平Table 1 Design factors and level of CCD experiment

1.3.7 总多酚、总黄酮及姜辣素的提取及测定

1.3.7.1 总多酚、总黄酮及姜辣素的提取 称取10.0 g 鲜切生姜，放入研钵中研磨，采用超声波辅助乙醇提取[7]，将上清液作为样品待测液，进行生姜中总多酚、总黄酮及姜辣素的测定。

1.3.7.2 生姜中总多酚、总黄酮含量的测定 吸取1.3.7.1 节制备的待测液2 mL，加蒸馏水至10 mL，参考仇洋[32]的方法，进行生姜中总多酚含量的测定，分别以没食子酸的含量和吸光度为横坐标、纵坐标，绘制没食子酸标准曲线，回归方程为y＝0.0105x+0.0383（R2=0.9987）。总多酚含量以没食子酸质量（μg）/生姜质量（g）表示。

参考邢颖等[7]的方法进行生姜中总黄酮含量的测定。

1.3.7.3 生姜中姜辣素含量的测定 吸取1 mL样品待测液，加无水乙醇至10 mL，同时做空白，在波长280 nm 处测其吸光度。分别以香草醛的质量浓度（2～12 μg/mL）和吸光度为横坐标、为纵坐标，绘制其标准曲线，回归方程为y＝0.0671x-0.0079（R2=0.9994）。姜辣素含量的计算公式[33]如下：

式中，Y——姜辣素的含量，mg/g；2.003——香草醛与姜辣素之间的换算系数；C——香草醛的质量浓度，μg/mL；N——提取液的稀释倍数；V——提取液的的总体积，mL；M——生姜总质量，g。

1.3.8 生姜抗氧化性的测定 参考文献[34]中的方法进行DPPH 清除率的测定。吸取1 mL 1.3.7.1节制备的样品待测液，然后加入3 mL 0.1 mmol/L DPPH 溶液，在室温下避光30 min，在波长517 nm处测定其吸光度。同时作空白，以1 mg/mL VC 为对照。DPPH 自由基清除率计算公式如下：

式中，A0——1.0 mL 蒸馏水+3.0 mL DPPH 溶液的吸光度；AS——1.0 mL 样品溶液+3.0 mL DPPH 溶液的吸光度；AC——1.0 mL 样品溶液+3.0 mL 无水乙醇的吸光度。

1.3.9 颜色的测定 利用色差计测定生姜片的颜色，应用参数有亮度值（L*）、红度值（a*）和黄度值（b*）。等离子体处理姜片前、后的色差值 按如下公式计算：

式中，L*——亮度，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色；a*——红绿度，a*＞0 表示红度，相反则为绿度；b*——黄蓝度，b*＞0 表示黄度，相反则为蓝度。

1.4 数据处理与分析

每个试验重复3 次，试验数据以xˉ±s的形式表示。应用SPSS 21.0 软件进行数据的单因素方差分析；采用Design-Expert 10 软件进行响应面优化设计和数据分析；应用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验的结果与分析

2.1.1 放电电源功率对姜片表面微生物杀菌效果的影响 如图1所示，随着放电电源功率的增大，姜片表面的微生物数量逐渐减少，杀菌率逐渐增大。在100～400 W 之间，菌落总数从6.47 lg（CFU/g）减小到5.66 lg（CFU/g），杀菌率从70.31%提高到95.38%，杀菌效果显著（P＜0.05）。在400～600 W 之间，对姜片表面微生物的杀菌率趋于平缓（P＞0.05）。鉴于试验效果考虑，因此确定放电电源功率400 W 为进一步优化的零水平。

图1 放电电源功率对姜片表面微生物杀菌效果的影响Fig.1 Effects of discharge power on microbial sterilization onginger slices surface

2.1.2 低温等离子体处理时间对姜片表面微生物杀菌效果的影响 如图2所示，随着低温等离子体处理时间的延长，姜片表面的微生物数量呈下降的趋势。在1～4 min 内，姜片表面的微生物数量减少较快，杀菌率逐渐增大。在处理时间4 min时，菌落总数下降了1.72 lg（CFU/g），杀菌率为97.84%。4 min 之后，随着处理时间的延长，杀菌率的变化不显著（P＞0.05），这与孙艳等[35]应用低温等离子体处理黄瓜切片的研究结果一致，即杀菌率随处理时间的延长先上升后平缓。因此，确定低温等离子体处理时间为4 min 为进一步优化的零水平。

图2 低温等离子体处理时间对姜片表面微生物杀菌效果的影响Fig.2 Effects of low temperature plasma treatment time on microbial sterilization on ginger slices surface

2.2 响应面试验结果与分析

根据以上单因素实验的结果，确定放电电源功率、处理时间为自变量，杀菌率为响应值，进行响应面优化设计，试验结果见表2 和3。

应用Design-Expert 10 软件对表2 的数据进行分析，获得杀菌率（Y）与低温等离子体处理功率（A）和处理时间（B）之间的二次多项回归方程为：

回归方程（5）的决定系数R2为0.9858，说明此方程拟合性较好。该模型的校正系数RAdj2为0.9756，表明此模型可解释90%以上的试验数据变异性。由表2 和3 可知，该模型极显著（P＜0.01），失拟项（P=0.0618＞0.05）不显著，说明在整个回归区域的拟合情况良好，可以应用该模型对试验结果进行分析。放电电源功率（A）和处理时间（B）的一次项为极显著（P＜0.01），说明这两个因素对生姜片表面微生物的杀菌效果极显著。二次项（A2、B2）和交互项（AB）极显著，表明放电电源功率（A）和处理时间（B）对生姜片表面菌落总数的杀菌率影响不是简单的线性关系，根据F值可知，影响大小的次序为处理时间＞放电电源功率。

表2 CCD 试验设计及结果Table 2 Design and results of CCD experiment

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

由图3 可知，低温等离子体放电电源功率和处理时间的交互作用极显著，在一定条件下，随着放电电源功率的升高、处理时间的延长，杀菌率逐渐增大。根据响应面分析结果获得低温等离子体最佳杀菌处理条件为：放电电源功率400.779 W、处理时间4.582 min，低温等离子体处理后的姜片表面微生物杀菌率的预测值为99.99%。根据低温等离子体设备要求以及杀菌效果综合考虑，将最佳杀菌条件调整为放电电源功率400 W、处理时间4.6 min。为验证回归模型的可靠性，在最佳杀菌处理条件下进行了3 次验证试验，结果表明生姜片表面微生物的杀菌率为99.89%，相对误差为-0.10%，说明验证试验的结果与模型拟合良好，利用响应面法优化设计低温等离子体对生姜切片表面微生物杀菌具有可行性。

图3 低温等离子体放电电源功率和处理时间交互作用对杀菌率的影响Fig.3 Effects of interaction between low-temperature plasma discharge power and treatment timeonsterilization rate

2.3 低温等离子体处理对生姜片中总多酚、总黄酮及姜辣素含量的影响

生姜切片经低温等离子体处理后的总多酚含量、总黄酮含量与未处理组无显著性差异（P>0.05），与Bao 等[14]使用高压低温等离子体处理番茄渣后总酚含量的变化趋势相同。与未处理组相比，生姜切片经低温等离子体处理后姜辣素的含量下降了35.18%（P<0.05），这可能是由于姜辣素易被氧化[33]，而等离子体的氧化能力很强，由于等离子体中·OH、NO·等活性自由基的存在[36]，导致姜辣素的氧化。此外，姜辣素属于多酚类化合物，从等离子体放电中解离的单线态氧可以与氧分子结合形成臭氧，臭氧可以攻击酚类的芳环结构并导致其降解。

表4 低温等离子体处理前 后生姜片的总多酚、总黄酮及姜辣素含量（μg/g）Table 4 Content of total polyphenols，total flavonoids and gingerol in ginger slices before and after plasma treatment（μg/g）

2.4 低温等离子体处理对生姜片抗氧化活性的影响

经低温等离子体处理后的生姜切片DPPH 自由基清除率比未处理组提高了65.32%，其机制需要进一步研究。

表5 姜片在低温等离子体处理前、后的DPPH 自由基清除率Table 5 DPPH free radical scavenging rate of ginger slices before and after plasma treatment at low temperature

2.5 低温等离子体处理对姜片色泽的影响

姜片经低温等离子体处理前后L*、a*、b*值如表6所示。

表6 姜片在低温等离子体处理前、后的色差Table 6 Chromatic aberration of ginger slices before and after plasma treatment

经低温等离子体处理后的姜片与未处理的鲜姜片相比，其L*值无显著性差异（P>0.05），a*值降低（P<0.05），b*值显著增加（P<0.05），即低温等离子体处理提高了姜片的亮度，颜色偏向绿、黄。同时有文献研究表明生姜在贮藏期间的亮度不断变暗，且逐渐向红、黄色转变[38]。与未处理的鲜姜片相比，处理后的姜片总色差△E无显著差异（P>0.05），从感官上生姜片经等离子体处理后的颜色没有显著的变化。另外，因为本文应用的低温等离子体处理仪是在大气压100 Pa 以下进行的，生姜切片表面的水分会有少量的蒸发。

3 结论

本文研究了低温等离子体放电电源功率和处理时间对鲜切姜片表面微生物的杀菌效果，应用响应面法优化杀菌处理条件，建立了姜片表面微生物杀菌的二次多项数学模型，并确定低温等离子体处理的最佳条件，比较了低温等离子体处理前、后生姜切片中的总多酚含量、总黄酮含量、姜辣素含量以及抗氧化活性的变化。结果表明：低温等离子体放电电源功率和处理时间对生姜切片表面微生物的杀菌效果有显著的影响，影响大小的次序为处理时间＞放电电源功率，最佳杀菌条件为：放电电源功率400 W、处理时间4.6 min。在最佳杀菌条件下处理的生姜切片较对照组的DPPH自由基清除率提高了65.32%，总多酚含量、总黄酮含量与未处理组无显著性差异，颜色没有显著的变化。因此，利用低温等离子体技术能够对生姜片进行有效的杀菌，不仅可有效减少生姜片上的微生物数量，且对其品质无显著影响，为生鲜果蔬及农产品的加工和保鲜贮藏提供一种非热杀菌方法。