国外冷等离子体技术在果蔬杀菌保鲜中的应用

甘肃农业科技

   随着人民生活水平的不断提高，人们对食品的品质和安全提出了更高的要求。我国是农业大国，但食品加工技术的相对落后，特别食品保鲜、精深加工技术研究与应用起步较晚。研究食品加工的高新技术，提高食品工业的国际竞争力，对于国民经济的发展、人民生活水平和品质的提高具有重要的现实意义。在农产品的生长、采收运输和加工过程中，各种微生物的污染是导致食物的腐败和变质或是引起食源性疾病。因此，如何快速有效地杀灭农产品表面的微生物，同时又不会明显改变农产品品质，是食品安全和食品保鲜领域的研究方向。传统的热力杀菌技术主要包括巴氏杀菌、高温杀菌、超高温瞬时杀菌、微波杀菌和电阻加热杀菌等，但这些技术应用在食品保鲜等领域存在明显的不足。通过加热使食品中的致病菌和酸败菌细胞内的蛋白凝固变性，导致细菌失活，但在这个过程中，食品温度的升高会导致其物理化学性质的改变，营养价值下降，甚至会产生一些有害物质，不仅降低了农产品的新鲜度，还严重影响了农产品的品质。

随着消费者对食品品质和安全的要求越来越高，非热加工技术已经成为近些年来食品加工技术和食品安全领域的研究热点。目前，主要研究的非热加工技术有超高压处理、辐射、超声波、紫外线、臭氧和高压脉冲电场技术等，特别是近几年研究提出的新兴非热加工技术低温等离子体技术，已成为果蔬杀菌保鲜的新技术。

1  冷等离子体技术的杀菌机理与优势

低温等离子体的生成是一个非常复杂的物理、化学反应过程。在等离子体中会产生紫外线、带电粒子和活性成分等杀菌成分，其中的活性成分主要包括处于激发态的原子、亚稳态原子、具有活泼化学性质的氧化物和氮化物等。等离子体对生物体的作用也主要是通过这些杀菌成分从分子层面上对生物体的综合作用来实现。近年来研究人员通过多种技术手段和方法对低温等离子体的应用进行了一系列深入的研究，对其中的作用机理有了初步的了解。

1.1  杀菌机理

1.1.1 紫外线紫外线具有良好的杀菌能力，也是应用较为广泛的杀菌方法之一。最具有杀菌作用的紫外线是波长在100nm左右的短波紫外线（Uhra violet C，UVC），而波长范围在200～290nm的紫外线能够促使两个嗦味分子（Cytosine andthym ine，胸腺嘧啶和胞嘧啶）在同一股DNA链上相互靠近并发生作用形成一个二聚物。引发嗦唆二聚物的形成是紫外线对生物体DNA造成伤害的典型方式，产生的嗦唆二聚物能够影响DNA的碱基配对及导致DNA复制过程中发生突变。高度的紫外线照射也会引发细胞修复系统蛋白质变性，破坏细胞自身的DNA修复系统，最终导致细胞死亡。

1.1.2 带电粒子低温等离子体中含有大量的正负带电粒子。研究表明，带电粒子在杀菌、加速血液凝结，牙齿表面除垢等处理过程中起着重要作用。Dobrynin等采用低温等离子体对生物组织进行处理，一种处理方式是生物组织直接暴露在低温等离子区域中，另一种是在等离子体区域和生物组织之间放入接地金属网，结果表明直接处理生物组织效果更好。经过分析发现，这一差异是等离子体中的带电粒子造成的。研究发现，一定量的带电粒子可以改变甚至破坏细胞膜上的负离子通道开后和闭合的蛋白质的三维结构，从而导致细胞膜通透性的改变，使细胞的物质流出，最终导致细胞死亡。

1.1.3 活性成分低温等离子体在空气中放电的过程会产生活性成分（Reactive Species，RS），主要是活性氧化物（Reactive Oxygen Species，ROS）和活性氮化物（RNS），例如臭氧（O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和羟基（OH）等。许多研究表明，活性成分中的氧原子和活性氧（例如O+等）在低温等离子体杀菌过程中发挥非常重要的作用。有研究表明，在一些惰性气体中加入一定量的氧气后，其杀菌效率会大幅度增强。活性氧化物可以直接氧化细胞壁主要组成成分肽聚糖和细胞膜主要组成成分磷脂双分子层，破坏这些分子中的C-C键、C-O键和C-N键，最终导致细胞壁和细胞膜破裂和分解。同时，如果被处理物表面或工作气体中含有适量的水分子时，低温等离子体中就会产生化学性质很活泼的-OH自由基，也会提高低温等离子体的杀菌效率。

1.2  冷等离子体技术的优势

低温等离子体杀菌技术几乎具备了一种理想杀菌消毒法所应具备的全部条件。一是省时。与高压蒸汽灭菌、干热灭菌相比，灭菌时间短。二是常温。灭菌温度为35～45，与1，2-亚乙基氧为主体的化学灭菌相比，操作温度低，能够广泛应用于多种材料和物品的灭菌。三是安全。采用自动控制触板，易操作，无需高温、高压，且安装和调试简单，使用安全。特别是在切断电源后产生的各种活性粒子能够在数毫秒内消失，所以无需通风，不会对操作人员构成伤害，安全可靠。目前国内外已将这一技术广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。

2  冷等离子体杀菌技术的应用现状

等离子体就是经气体电离产生的由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、分子）所组成的体系，因这种气体的正电荷总数与负电荷总数在数值上相等，故称为等离子体。等离子体被称为继“固、液、气”三态以外的新的物质聚集态，即物质第四态。等离子体按照离子温度又分热等离子体和冷等离子体（低温等离子体）。低温等离子体带电粒子温度为1～10eV，系统主要由带电粒子支配，受外部电场、磁场和电磁场的影响，存在多种基元过程及等离子体与固体表面的相互作用，具有独特的光、热、电等物理性质。

2.1  降解农药

蔬菜水果在种植、加工、运输过程中，因与外界接触表面经常附着具有传染性的病原微生物，其中包括国际标准中严格限制的一项微生物指标——大肠埃希氏菌。为此，人们常用喷洒农药的方式控制微生物，使得蔬果表面不可避免地残留农药。为此，从事冷等离子技术应用研究的日韩企业相继开发出家用果蔬清洗解毒机，通过冷等离子体的蚀刻作用，即等离子体中对活性物质与微生物体内的蛋白质和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能，对水果、蔬菜进行农药降解、毒素分解处理。

2.2  表面杀菌

Criter等使用等离子体对苹果、美国香瓜和莴苣表面的大肠杆菌O157：H7、沙门氏菌和单核增生性李斯特菌进行处理，所有样品的菌落数量都有明显减少，减少量因菌株的不同而不同。在芒果和柠檬的果皮上接种大肠杆菌、酿酒酵母菌、成团泛菌和葡糖醋杆菌，经冷源等离子体处理后发现酿酒酵母菌对处理条件的抵抗力最强，增加电压可以产生更加有效的等离子体效应，对菌体的作用效果增强。在苹果皮上接种沙门氏菌和大肠杆菌O157：H7，经滑动电弧介质产生等离子体处理果皮表面，沙门氏菌和大肠杆菌分别减少了2.9～3.7logCFU/mL和3.4～3.6logCFU/mL，高空气（等离子体产生源）流速表现出好的作用效果。Stefano等研究发现只用冷源等离子体处理30s，可以使芒果表面的单核增生性李斯特菌和大肠杆菌O157：H7浓度下降2.5logCFU/g；他还发现，等离子体可以使香瓜表面的啤酒酵母菌浓度减少1logCFU/g，经过20s处理，使葡萄醋酸杆菌浓度降低2.5logCFU/g。

2.3  增强抗逆性

研究发现，冷源等离子体对抗逆性较强的菌膜也有很好的杀灭效果，在低于15的条件下处理5min，可使生菜表面的产气单胞菌菌膜下降2.5logCFU/g。Danijela等研究了冷源等离子体对石榴汁的影响，发现等离子体对石榴汁花青素及颜色具有积极的作用，花青素含量与样品容积、等离子介质流速密切相关，当样品容量为5cm3。气体流速为0.75dm3/min时处理3min，最利于花青素的稳定，与非处理组相比，样品中花青素含量上升了21%～35%。

3  存在的问题

等离子体灭菌技术是一种新的高科技杀菌技术，它克服了之前杀菌技术的一些不足之处和局限性，提高了果蔬的杀菌效果。低温等离子体技术应用在农产品加工方面，目前还处于实验室阶段，没有成熟的商业化应用。一是目前对低温等离子体杀菌技术的杀菌机理研究还不够，低温等离子体中带电粒子和活性成分与微生物的作用机理尚不清楚；二是低温等离子体杀菌技术应用到具有不规则形状的农产品相关领域时，会产生杀菌作用不均匀问题；三是低温等离子体活性水自身的物化性质随时间变化、对农产品外观及内在营养成分含量的影响的相关研究较少；四是关于低温等离子体活性水对农作物致病微生物生长的抑制效果方面的研究几乎没有报道。

4  展望