等离子体技术在谷物中的应用研究

◎ 杨双喜，侯红军，戴瑜鹏，张小东，毕文奇，马 海

（中央储备粮中宁直属库有限公司，宁夏回族自治区 中卫 755000）

非热杀菌技术指利用非加热的方式使杀菌对象达到无菌状态的技术[1]。其相比热杀菌技术具有杀菌效果好、污染小、易操作、环保节约、自动化程度高，能够很好地保存谷类的营养和风味成分，防止热敏性成分损失等优势。目前，常用的非热杀菌主要包括超声灭菌、辐照灭菌、高静水压灭菌、超高压灭菌和等离子体灭菌。其中超声灭菌技术在规模化工业中的应用存在较多问题，且食品安全方面存在较大争议；辐照灭菌技术易产生·OH、·H等自由基，与谷类中蛋白质、脂类等发生化学反应破坏空间结构，从而导致谷类脂肪酸含量减少，产生难闻气味[2]；高静水压灭菌技术对环境、设备尺寸、承受容器和材料耐受性要求严格；超高压灭菌技术设备昂贵，存在间歇式灭菌、无法连续生产等问题；等离子体灭菌技术作为一种绿色、新型处理技术，具有操作简单方便、安全、能耗低、效率高、节能、环保等优点，可以保持谷物整体质量、感官属性和营养价值。为此，本文主要从等离子体的概念、分类、灭菌原理进行介绍，重点探讨经等离子处理后对谷物酶的活性、淀粉含量、酚类含量和风味物质的影响，以期为等离子技术在谷类加工和贮藏领域中的应用提供理论基础，推动等离子技术在谷物领域中工业化应用。

1 等离子体的概述

1.1 等离子体的概念

等离子体是一种游离于固态、液态和气态等以外的一种新的物态体系，简称等离子态。等离子体通常由原子、分子、微料等中性离子以及带电的电子和离子组成，其在电离过程中正负离子通常成对出现且数值相等，整体呈现准中性，因此被称为等离子体。

1.2 等离子体的分类

1.2.1 按照系统温度分类

（1）热平衡状态下，当电子和离子温度达到106～108 K时称为高温等离子体。

（2）非热平衡状态下，当离子温度低于电子温度时称为低温等离子体。

1.2.2 按照放电方式分类

目前，按照放电方式一般可分为气体放电、电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电6种。其中，气体放电和射频放电适用于化工生产；辉光放电适用于纺织业生产；电晕放电适用于静电除尘和半导体生产的静电控制等方面；微波放电适用于电气方面；介质阻挡放电适用于食品领域。

1.3 等离子体灭菌的基本原理

1.3.1 高速粒子的穿透效应

指采用等离子体装置产生高浓度的阴阳离子轰击微生物，促使微生物表面产生的剪切力大于其表面细胞膜的张力，从而使微生物内部的核酸和蛋白质等生物大分子遭到破坏，最终导致微生物死亡。

1.3.2 电场效应

指等离子体会产生一定强度的电场，当强度大于临界值时其会穿透细菌细胞膜，导致细菌死亡。

1.3.3 紫外光作用

指等离子体作业时将由辉光放电产生3.3～3.6 eV紫外线强度，在该强度下易破坏细菌的DNA和RNA，同时，使其蛋白质氨基酸结构和菌体糖结构遭到破坏，从而起到杀菌作用。

1.3.4 温度作用

指等离子体作用条件下将产生高强度电子，该电子温度相比气体温度较高，可促进活性基团和紫外线杀菌效果。

1.3.5 活性物质的作用

指等离子作用下将产生大量的原子氧和自由基等活性基团，该基团可参与微生物内部核酸、蛋白等化学反应，导致细菌死亡。

2 等离子体灭菌对谷物微生物的影响

2.1 等离子体对细菌的影响

Agata等[3]以谷物为研究对象，利用等离子体进行处理，探究与谷物相关细菌安全问题。结果表明，处理时间大于5 min时，谷物中大肠杆菌、芽孢杆菌和乳酸菌数量越少。Lee等[4]采用等离子体技术对全谷物糙米表面进行处理。结果表明，当处理时间大于20 min时样品表面大约减少2.30 lg CFU/g大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌。可见，采用等离子体处理有利于减少和控制谷物中细菌数量，起到延长货架期的作用。

2.2 等离子体对细菌芽孢的影响

Li等[5]采用等离子体对小麦进行处理，探究其对小麦理化性质的影响。结果表明，等离子处理后能有效降低小麦粉中的总平板计数、酵母、霉菌和芽孢杆菌数量。Butscher等[6]以小麦为研究对象，嗜热硬脂地杆菌内生孢子为模型生物，对小麦颗粒和聚丙烯模型基质进行人工污染，最后利用等离子技术以不同的处理时间、脉冲电压和频率组合对样品进行处理。结果表明，处理时间越长、脉冲频率越快或脉冲电压越高，对微生物产生的孢子灭活效率越高。

2.3 等离子体处理对霉菌的影响

李帅[7]以玉米为研究对象，采用等离子体对玉米进行预处理，探究等离子体对玉米黄曲霉和寄生曲霉菌落的影响。结果表明，等离子体预处理功率的增大或处理时间的延长，对玉米籽粒储藏期间霉菌生长量无显著性影响。Suhem等[8]为抑制黄曲霉在琼脂培养基和糙米谷物棒上的生长，采用等离子设备对样品进行处理。结果表明，等离子处理功率为40 W、时间25 min时，对黄曲霉在琼脂培养基上的生长抑制效果最好。

3 等离子处理对谷物品质的影响

3.1 等离子处理对谷物酶活性的影响

3.1.1 脂肪酶

脂肪酶与脂肪酸接触将产生氢过氧化油酸，加速油脂过氧化值升高，破坏谷物贮藏时期的稳定性与品质。张琛等[9]在电场强度12.5 kV·cm-1、脉冲频率316 Hz、脉冲宽度4 μs、处理时间315 s，以及麦粒水分含量295 g·kg-1条件下，得到小麦脂肪酶活性抑制率超过50%。许强等[10]利用不同电场强度处理小麦脂肪酶5 min，探究在第1 d和第10 d电场强度对脂肪酶紫外光谱的影响。结果表明，电场强度分别为1.0、2.0、4.0和6.0 kV/cm时，第1 d 的紫外光谱的变化幅度强于第10 d的变化幅度；电场强度为3.0和5.0 kV/cm时，第1 d 的变化幅度弱于第10 d的变化幅度。表明等离子体处理技术可以抑制谷物脂肪酶活性，并且抑制程度受贮藏时间影响，时间越长对其抑制程度越弱。

3.1.2 脂氧合酶

脂氧合酶易催化脂质氧化促使谷物贮藏过程中产生陈化现象，导致谷物贮藏稳定性下降，出现褪色和陈化气味现象，严重影响谷物的外观和营养价值。Haniye等[11]采用氩气和氮气冷等离子体对小麦胚芽进行处理，探究输入不同气体对脂解酶活性的影响，发现以氩气为等离子体气体，30 min后脂氧合酶的残余活力分别下降至42.50%和87.72%；切换等离子体输入气体至氮气，常压冷等离子体处理相同时间后，脂肪酶和脂氧合酶的残余活性分别为77.50%和92.52%。表明等离子气体可以钝化和抑制脂氧合酶活性，并且输入的气体和处理时间不同，对其抑制效果存在显著性差异。

3.2 等离子体处理对谷物淀粉的影响

淀粉在谷粒中约占70%，主要由直链淀粉和支链淀粉构成。其中，直链淀粉占比20%～25%，支链淀粉占比75%～80%，两者含量和自身性质的变化将直接影响谷物的品质。例如，谷物在贮藏过程中淀粉含量将略有减少，从而导致谷物营养品质降低。目前，有关研究表明，等离子技术产生的高能粒子能够对淀粉颗粒进行轰击、刻蚀和解聚等效应，从而促进淀粉结构发生不同程度的改变。李瑞红等[12]采用介质阻挡放电等离子体技术，研究在不同处理电流下等离子体中两种淀粉结构和理化功能性质的变化。结果表明，等离子体处理对蜡质玉米淀粉改性效率优于高直链玉米淀粉，且改性过程中主要改变玉米淀粉的长程晶体结构，而对短程双螺旋结构的影响较小。可见，等离子技术在淀粉改性方面应用广泛，具有低成本、高效率、适应强、无污染等优势，可广泛促进淀粉在不同食品工业领域的应用。

3.3 等离子体处理对谷物酚类物质的影响

酚类物质主要是一种或多种含有羟基的芳香环化合物，具有抗氧化、抗炎、抗高血压和预防癌症的作用。采用等离子体对大米和玉米麸皮进行处理，结果表明，处理后玉米糠（4 -羟基苯甲醛、对香豆素、芥子酸和阿魏酸）和米糠（香草醛、阿魏酸、芥子酸和绿原酸）中个别多酚含量显著提高，并且总酚含量、总黄酮和抗氧化活性也相对显著提高。研究发现，大米经等离子处理后，样品中酚类物质含量显著提升，功率增加到40 W，处理时间缩短至10 min时，可获得酚类物质含量为0.44 mg GAE/100 g。表明等离子体处理技术在促进全谷物粮食食品开发中具有重要作用。

3.4 等离子体处理对谷物风味物质的影响

谷物的风味主要由醛、酮、醇、杂环类等化合物构成。孟宁[13]研究发现，等离子处理后可使糙米饭中醛类、萜类物质增加，可为糙米饭提供青草香和果香气味，但对醇类和醇类化合物影响较小。采用介质阻挡放电冷等离子体对糙米进行非热处理，结果表明，处理后样品中游离脂肪酸和己醛含量显著下降，储藏期间色泽更加稳定，且具有苯甲醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、(E)-2-壬烯醛、己醛和壬基氯甲酸盐等独特的挥发性化合物。等离子处理条件下促使酶的活性发生改变，产生酶促反应，促进活性物质、底物和酶等从细胞中释放出来，从而产生各种风味物质。

4 结论与展望

采用等离子技术对谷物进行处理，对谷物的微生物和营养品质方面的作用较显著。对于谷物微生物方面，等离子体可以破坏微生物细胞膜、蛋白质和核酸结构，促使谷物中大肠杆菌、芽孢杆菌、乳酸菌和蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等数量减少，抑制附着在谷类表面的真菌曲霉和青霉数量。对于谷类酶活性方面，等离子体可以破坏酶的空间结构，促使酶与底物结合的活性位点或酶的辅基发生改变，促使脂肪酶和脂氧合酶的活性发生改变。对于谷物淀粉，经过等离子处理后对淀粉颗粒进行轰击、刻蚀和解聚，促使淀粉分子改性效率提高；产生交联，提高储能模量，降低损耗模量；降低相对结晶度和短程有序性，提高淀粉糊的凝胶强度。对于谷物酚类和风味物质方面，提高其酚类物质含量和抗氧化能力、保留独特风味物质，降低游离脂肪酸和己醛化合物含量，保证谷物色泽稳定、品质良好。近年，等离子体在谷物方面研究相对较少，本文主要探讨国内外等离子体在谷物部分理化性质和微生物方面的研究，为等离子体在谷物方面的应用提供一定的理论基础。