低溫等離子體活性水在食品領域的應用進展

李嘉慧，成軍虎,2,*，韓 忠,2

（1.華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學現(xiàn)代食品工程研究中心，廣東 廣州 510006）

等離子體（Plasma）是氣體在受到外界高能量作用時電離產生的一種物態(tài)，通常又被稱為固、液、氣之外的物質第四態(tài)[1]。根據(jù)等離子體的能量高低可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類[2]。低溫等離子體的氣體電離度一般小于1%，電離氣體中的帶電粒子處于高能狀態(tài)，溫度達到幾千甚至上萬攝氏度，而其中的離子和分子溫度僅在人體溫度左右，所以“低溫”是相對于帶電粒子溫度而言的，整個體系在宏觀上表現(xiàn)為常溫[1,3]。低溫等離子技術兼具了物理效應、化學效應和生物效應，具有效率高、能耗低、綠色無污染等特點[4]，近年來已被廣泛應用于化學材料[5]、環(huán)境工程[6]、生物醫(yī)學[7]和農業(yè)[8]等領域。在食品領域中，低溫等離子體技術作為一種新型的非熱加工方式而備受矚目，在食品微生物、包裝材料處理和食品成分的功能性改性等方面都有較好的應用[9]。

低溫等離子體活性水（PAW）是用低溫等離子體處理不同性質水（如去離子水、磷酸鹽緩沖溶液、0.9%氯化鈉溶液等）的統(tǒng)稱[10]。由于PAW 的pH 低，并以活性氧化物（Reactive oxygen species，ROS）、活性氮化物（Reactive nitrogen species，RNS）為其主要活性成分，其對細菌、酵母、霉菌和病毒等微生物具有很強的殺滅效果。研究表明，PAW 不僅能有效地殺滅食品中的微生物，還能維持食品本身的品質不受顯著性影響，并且具有操作簡單、處理時間短、效率高等優(yōu)點。

1 低溫等離子體活性水（PAW）簡介

1.1 PAW 的制備方法

PAW 是由水和低溫等離子體相互作用產生的。不同的低溫等離子體放電方式、激發(fā)電壓、電極類型、工作氣體組成、水溶液成分、等離子體與液面之間的距離等都會影響產生的PAW 的物理化學性質，從而影響滅菌效果。在食品領域中常用的等離子體源有介質阻擋放電（DBD）、電暈放電和射流等離子體放電等[11]。依據(jù)低溫等離子體與水的作用方式可將PAW 制備方法大致分為三類：直接在液相放電、在液面上的氣相放電和多相環(huán)境中的放電，如在液體內的氣泡中放電或接觸液體噴霧、泡沫放電[12]。幾種常用的PAW 產生裝置如圖1。

1.2 PAW 的活性成分

PAW 的活性作用主要來自于水溶液中的活性成分，包括羥基自由基、原子氧、單線態(tài)氧、超氧陰離子、原子氮等短壽命化學成分和過氧化氫、過氧亞硝酸、一氧化氮、亞硝酸鹽離子、亞硝酸鹽離子等長壽命化學成分[13]。這些活性成分的轉移主要發(fā)生在等離子體-液體界面，并且涉及許多物理化學反應，如粒子碰撞、界面物質轉移、UV 的光解和復雜的化學過程[14-15]。各相中的活性物質見表1[16]。研究表明，ROS、RNS 與H+的聯(lián)合作用是PAW 滅菌的主要機制，液相中ROS和RNS 的主要化學反應見表2[17]。

表1 等離子體-氣體-液體各相活性物質Table 1 Plasma-gas-liquid active substances in each phase

表2 液相中ROS 和RNS 的主要化學反應Table 2 Major chemical reactions of ROS and RNS in the liquid phase

伴隨活性物質的產生，PAW 的電導率和氧化還原電位（ORP）也會上升。電導率的上升是因為溶液中的離子濃度（如H+和硝酸根離子）上升，引起溶液的導電能力增強。ORP 值是評價消毒劑的氧化能力的指標之一，能反映消毒劑中氧化性物質的濃度和活性，ORP 值越高，則滅菌效果越好。普遍認為PAW 中ORP 值上升來源于ROS 引起的溶液氧化活性增強。此外，溶液在經低溫等離子體處理后pH 值普遍下降到2～3，研究認為PAW 的H+是由氮氧化物溶解于水時產生的[14]，反應式如下：

2 PAW 在食品領域的應用

2.1 PAW 對食品中微生物的影響

食品生產過程中微生物污染是食品工業(yè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)的熱加工和一些非熱加工技術，低溫等離子體技術是一種較為溫和的處理手段，既能達到有效滅菌的目的，又具有營養(yǎng)損失小、品質破壞小、無毒副作用等優(yōu)點。表3 展示了近年來PAW對主要微生物的滅活效果和相關參數(shù)。

較早的研究認為，只有ROS 對PAW 滅菌作用有貢獻，如郭儉[18]認為ROS 中的氧原子和活性氧（如O*、O3）等是殺菌的主要有效成分，而 RNS 對滅菌效果的影響甚微。但是后來的研究表明RNS 在PAW 滅菌過程中也起到了作用。ROS 因其具有強氧化性，首先影響和破壞細胞中抗氧化物質的氧化還原狀態(tài)，然后附著到細胞表面，作用于細胞壁中的肽聚糖、脂質雙分子層中的脂肪酸和細胞膜的主要成分磷脂雙分子層，裂解肽鍵并氧化氨基酸側鏈，導致細胞壁破裂、細胞膜通透性改變甚至破裂，最終細胞瓦解，內容物流出，微生物死亡[18]。Wu 等[19]用等離子體處理不同濃度的H2O2溶液，結果表明H2O2濃度越高，PAW 的滅菌效果越強，原因在于H2O2破壞了細胞膜的完整性。Zhang 等[20]研究了PAW 中的ROS 對金黃色葡萄球菌的氧化應激性的影響，發(fā)現(xiàn)ROS 不僅破壞了細胞膜的完整性，還滲透到細胞內作用于細胞內容物。但是，RNS 的滅菌機理與ROS 略有不同。在Tian 等[21]的研究中，低濃度NO·自由基的PAW 能促進釀酒酵母細胞生長，而高濃度NO·自由基的PAW 則對細胞有殺滅作用，并認為高濃度的NO·自由基抑制了ATP 的產生和酶活、影響鐵離子的代謝途徑從而引起細胞損傷，最終導致細胞死亡。目前的研究普遍認為，PAW的滅菌能力來源于 H2O2、NO2-、NO3-和 ONOO-等長壽命化學成分在酸性條件下的協(xié)同作用[22]，缺少任何一種物質或是降低其濃度都會使溶液的滅菌能力下降，而增加其中任意一種物質的濃度則能使溶液的滅菌能力增強。不過，目前關于短壽命化學成分對微生物作用的報道較少，更不清楚其作用機制。PAW 中的活性物質的滅菌機理如圖2。

除了PAW 中的活性物質的種類和濃度外，影響PAW 滅菌活性的因素還有很多，如金屬離子、保存溫度、微生物種類、微生物所粘附的環(huán)境等等。Chen 等[23]發(fā)現(xiàn)產生等離子體的電極材料會使PAW 中帶有少量的金屬離子（主要是Cu2+和Zn2+），導致PAW 的抗菌能力增強。在Shen 等[24]的報道中，在-80 ℃下保存30 d 的PAW 仍然具有很強的滅菌能力。Kamgang-Youbi 等[25]和葉幗嬪等[26]都證明了微生物的種類對PAW 的滅菌效果有所影響，一般來說，微生物對PAW 的抗性從大到小的順序依次是真菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌，滅菌效果與細胞的結構有關。

2.2 PAW 對生鮮果蔬品質的影響

由于內源酶的催化作用和微生物的生長繁殖所導致的腐敗，許多新鮮果蔬很難長期保存。目前，已有文獻報道了PAW 對新鮮果蔬的保鮮作用。PAW 可有效殺滅果蔬中導致腐敗的致病菌，延長果蔬的貨架期，且不會對果蔬的品質產生明顯的負面影響。

Ma 等[36]用以大氣壓等離子體射流活化的PAW處理接種過金黃色葡萄球菌的草莓，貯藏4 d 后草莓表面的金黃色葡萄球菌減少了2 log CFU/g，PAW 處理對真菌生長也有一定的抑制作用，且草莓仍能保持鮮亮的紅色、完整的組織結構和硬度。在Ma 等[37]的另一項研究中，PAW 處理使楊梅的腐爛率降低了50%左右，貯藏8 d 后細菌和真菌的最大降幅均在1.1 log CFU/g 左右，果實在整個貯藏期相比于對照組表現(xiàn)出更高的硬度和顏色持久度，可溶性固形物含量也相對較高。

Xu 等[38]用PAW 處理新采的雙孢蘑菇，貯藏7 d后，細菌和真菌數(shù)量分別減少了1.5 和0.5 log CFU/g，同時延緩了蘑菇的軟化，但PAW 處理并不影響雙孢蘑菇的顏色和抗氧化性能。Xiang 等[39]用PAW 清洗豆芽30 min，豆芽上的總好氧菌、總酵母菌和霉菌的數(shù)量分別減少2.32 和2.84 log CFU/g，豆芽的抗氧化能力、總酚和黃酮含量及感官特征等均未發(fā)生顯著變化。

Andrasch 等[40]用以微波等離子體活化的PAW 和自來水交替清洗鮮切萵苣，使鮮切萵苣表面所攜帶的微生物減少了2 log CFU/g，但是對萵苣本身品質的影響很小。Choi 等[41]的研究中也提出了一種連續(xù)組合清洗泡菜的方法，包括PAW、自來水和60 ℃溫和熱處理（MH）。單用PAW 清洗就可使泡菜中的好氧菌、乳酸菌、酵母和霉菌以及大腸菌群分別減少2.0、2.2、1.8、0.9 log CFU/g，而隨后的MH 處理則將微生物的數(shù)量減少到低于檢測極限。自來水清洗、PAW、MH 的順序組合，使接種到泡菜上的單增李斯特菌和金黃色葡萄球菌分別減少了3.4 和3.7 log CFU/g。順序組合處理使泡菜的鹽度和過氧化物酶活性下降，而水分、還原糖含量、硬度和顏色的變化可忽略不計。

2.3 PAW 對水產品和肉類品質的影響

PAW 處理對水產品及肉制品品質的變化也有一定的影響。Liao 等[42]將DBD 活化的PAW 冰用于蝦的保鮮，8 d 內蝦的TVC 值均維持在6 log CFU/g 以下，TVB-N 值維持在20 mg/100 g 以下，貯藏時間延長了4～8 d。同時，PAW 冰有效地緩解蝦頭部的黑變過程，減緩蝦青素的降解并抑制多酚氧化酶活性，維持蝦的硬度。PAW 冰在整個貯藏過程中不會造成對蝦的不良降解。PAW 冰處理后蝦的總巰基含量和ATP 酶活性均有所下降，但差異不顯著。

表3 PAW 的殺菌作用及相關參數(shù)Table 3 The sterilization effect and relative parameters of PAW

除了作為保鮮劑，PAW 還可以作為腌制食品的亞硝酸鹽替代品。在肉類產品中，亞硝酸鹽的主要作用有維持肉產品的顏色、抑制肉毒桿菌的生產、抑制脂類氧化和形成腌肉的獨特風味等。Jung 等[43]用DBD放電的方式活化1%焦磷酸鈉溶液，用得到的PAW處理乳化型香腸，由于產生的PAW 含有足夠的亞硝酸鹽（782 mg/L），可作為乳化型香腸的亞硝酸鹽來源。PAW 處理的乳化型香腸的品質，如總好氧菌數(shù)、顏色、過氧化物含量、感官品質等，都與用亞硝酸鈉腌制的香腸相似，且殘余亞硝酸鹽含量較低，驗證了PAW 作為乳化型香腸的亞硝酸鹽替代品的可行性。Yong 等[44]也在豬肉火腿上做了類似的研究，同樣是用DBD 放電的方式活化1%焦磷酸鈉溶液得到PAW。與亞硝酸鹽處理組相比，PAW 處理組有較高的亞硝基血紅素含量，且PAW 中的亞硝基更易被還原為NO 從而擁有更低的亞硝基殘留量。兩組的脂類過氧化物值和總好氧菌值無差異，這主要是由呈堿性的PAW 抗菌效果不佳導致的。此外，在沙門氏菌致突變實驗和免疫毒性反應測試中，PAW 都沒有表現(xiàn)出遺傳毒理學問題。故而，PAW 可作為一種相對安全有效的亞硝酸鹽替代品應用于腌制肉產品中。

3 總結與展望

由于含有ROS 和RNS 等活性成分，PAW 處理可以有效滅活食品中的微生物，降低消費者感染食源性疾病的風險，且不對食品本身品質產生破壞作用，是一種綠色清潔且安全有效的新型滅菌和保鮮技術，可滿足目前市場對綠色無公害產品的追求，已廣泛應用在生鮮果蔬和水產品的保鮮、肉產品的加工工藝中。同時，PAW 具有低亞硝基殘留的優(yōu)勢，是一種生物安全性更高的亞硝酸鹽替代品。但是，目前PAW 在鮮肉中的應用和PAW 鈍化食品內源性酶的作用機理還少有報道。此外，PAW 中的短壽命化學成分對微生物的作用機理尚不明確。如何將PAW 運用于工業(yè)生產也是下一步需要探究的方向之一。綜上所述，PAW在食品領域中具有重要的研究價值，更多的應用領域還有待進一步的開發(fā)和研究。