應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)更好地對(duì)食品表面進(jìn)行殺菌

楊柳 劉明 劉艷香 孟寧 昝學(xué)梅 譚斌 郝建雄

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)食品安全日益重視，對(duì)食品加工和保存過(guò)程中微生物的控制方法也提出了更高的要求。為了提高食品的安全性，通常采用熱殺菌，但熱殺菌會(huì)影響食品的營(yíng)養(yǎng)及感官品質(zhì)，甚至可能產(chǎn)生丙烯酰胺、呋喃等有毒有害物質(zhì)。超高壓、輻照、超聲波、紫外線(xiàn)、臭氧、低溫等離子體（low？ temperature？plasma，LTP）等非熱殺菌技術(shù)避免了熱殺菌的局限，逐漸受到人們的重視。不過(guò)，紫外線(xiàn)、超聲波、臭氧等非熱殺菌技術(shù)通常需要處理20-60min才能有效降低微生物的數(shù)量，耗時(shí)耗力，而超高壓殺菌只能采用軟包裝材料，限制了包裝形式。作為一種新型的非熱殺菌技術(shù)，LTP具有省時(shí)高效、適用范圍廣、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，能更好地保持食品的品質(zhì)，有效地解決了熱敏性食品的殺菌難題。

一、LTP的概述

1.等離子體的概念及分類(lèi)。等離子體是物質(zhì)的第四狀態(tài)，通常是氣體在強(qiáng)電磁場(chǎng)或加熱條件下電離產(chǎn)生，包括電子、離子、自由基、游離態(tài)和激發(fā)態(tài)的原子以及大量非離子化的中性分子，由于其所帶的正負(fù)電荷總數(shù)相等，故稱(chēng)為等離子體。等離子體主要是根據(jù)帶電粒子溫度的相對(duì)高低、熱力學(xué)狀態(tài)及使用時(shí)工作電壓的不同進(jìn)行分類(lèi)，如圖1所示。

2.LTP的殺菌機(jī)理。由于LTP中包含電子、離子、自由基、激發(fā)態(tài)的原子和分子、射線(xiàn)等多種成分，因此，LTP對(duì)微生物的滅活應(yīng)該是幾種作用綜合的結(jié)果。（1）活性化學(xué)成分。LTP殺菌作用的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于生成的活性氧和活性氮能夠破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，損傷細(xì)胞內(nèi)的生物大分子?；钚猿煞挚蓪⒓?xì)胞壁、細(xì)胞膜及細(xì)胞內(nèi)所含的不飽和脂肪酸氧化成氫過(guò)氧化物，生成的丙二醛能夠攻擊蛋白分子的氨基，使蛋白質(zhì)因發(fā)生分子內(nèi)或分子間交聯(lián)而被修飾和降解。丙二醛還可以與DNA交聯(lián)或反應(yīng)形成核苷酸加合物，阻礙細(xì)胞復(fù)制，使微生物的生物學(xué)功能降低甚至喪失。臭氧能夠氧化分解細(xì)菌的線(xiàn)粒體琥珀酸脫氫酶系，減緩或中止ATP的合成和釋放，導(dǎo)致細(xì)胞活力降低直至死亡。此外，活性成分之間反應(yīng)會(huì)增加細(xì)胞培養(yǎng)基的酸性，于紅發(fā)現(xiàn)LTP處理酵母菌時(shí)，酸性增強(qiáng)的菌液可引發(fā)酵母菌細(xì)胞壁酸水解，使酵母菌被滅活。（2）紫外線(xiàn)。紫外線(xiàn)可使同一條DNA鏈上形成嘧啶二聚體，阻止細(xì)菌增殖，廣泛應(yīng)用于食品殺菌。雖然人們對(duì)紫外線(xiàn)的殺菌機(jī)理已經(jīng)有了深入的了解，但對(duì)紫外線(xiàn)在LTP殺菌中是否發(fā)揮作用還沒(méi)有定論。目前的研究表明，紫外線(xiàn)在LTP殺菌中發(fā)揮作用需要滿(mǎn)足一定的條件：①適宜的波長(zhǎng)：紫外線(xiàn)波長(zhǎng)只有在280nm以下且劑量足夠大時(shí)，才能殺死微生物。②光照強(qiáng)度：光照強(qiáng)度不足時(shí)，細(xì)胞SOS修復(fù)系統(tǒng)或修復(fù)酶可使受損的DNA復(fù)原，削弱紫外線(xiàn)的作用。③放電氣體及放電形式：紫外線(xiàn)在殺菌過(guò)程中發(fā)揮主要作用的條件是放電氣體為氬氣、氮氧混合氣體，或放電形式為2.45GHz微波放電。（3）帶電粒子。LTP中含有大量帶正負(fù)電的粒子，Mendis等對(duì)帶電粒子的殺菌機(jī)理進(jìn)行了闡釋?zhuān)J(rèn)為帶電粒子能夠不斷累積、撞擊細(xì)胞，當(dāng)靜電斥力超過(guò)細(xì)胞的拉伸程度時(shí)，能夠誘導(dǎo)細(xì)胞破裂死亡。然而郭儉的研究表明該觀(guān)點(diǎn)并不適用于低溫等離子體射流技術(shù)的殺菌系統(tǒng)，他認(rèn)為帶電粒子流過(guò)細(xì)胞膜時(shí)產(chǎn)生了跨膜電勢(shì)，使細(xì)胞膜損傷、細(xì)胞質(zhì)流失，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。迄今為止，由于LTP成分及生物響應(yīng)的復(fù)雜性，相關(guān)研究對(duì)LTP的殺菌機(jī)制只是在理論上提出了初步解釋?zhuān)瑢?duì)微生物的殺滅機(jī)制還未完全闡釋清楚。

二、影響LTP殺菌效果的因素

1.處理參數(shù)。LTP殺菌效果的差異取決于多種處理參數(shù)的變化。研究表明，長(zhǎng)時(shí)間、高電壓處理能夠增加LTP中高能粒子的密度，提高殺菌率，但當(dāng)時(shí)間、電壓增加到一定程度時(shí)，各類(lèi)粒子進(jìn)一步聚合或反應(yīng)消耗，有效殺菌成分不再增加。LTP的處理方式包括直接處理和采用接地金屬網(wǎng)屏蔽帶電粒子的間接處理，F(xiàn)ridman等發(fā)現(xiàn)與間接處理相比，直接處理可使大腸桿菌的失活率提高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。處理極距也是影響LTP殺菌效果的重要因素，任翠榮等發(fā)現(xiàn)放電距離較遠(yuǎn)時(shí)，樣品接觸LTP的幾率低，較近時(shí)會(huì)加劇樣品中水分揮發(fā)及組織損傷。氣體類(lèi)型反映了LTP中活性成分的種類(lèi)和數(shù)量，Laroussi等對(duì)比了純氦氣和氦氧混合氣體的LTP殺菌效果，結(jié)果顯示，氦氧混合氣體的殺菌效果優(yōu)于純氦氣。另外，氣體流速影響著活性成分的生成速率，流速增加，活性成分向樣品表面附著的速度加快，殺菌率提高。

2.微生物附著介質(zhì)的性質(zhì)。微生物附著介質(zhì)的性質(zhì)，如相對(duì)濕度、pH、表面形態(tài)等對(duì)LTP殺菌的效果有顯著影響。Ragni等觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度的增加增強(qiáng)了LTP對(duì)沙門(mén)氏菌的滅活，可能是由于水分解產(chǎn)生了更多的羥基自由基。pH值較低的樣品對(duì)外界環(huán)境的變化更為敏感，Kayes等研究發(fā)現(xiàn)，與pH？7相比，pH？5瓊脂上的大腸桿菌更容易被LTP滅活。介質(zhì)的表面形態(tài)也影響著LTP中活性物質(zhì)的穿透能力，F(xiàn)ernandez等采用LTP對(duì)萵苣殺菌時(shí)，發(fā)現(xiàn)其表面錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)為菌體的附著提供了場(chǎng)所，降低了萵苣的殺菌率，這表明LTP技術(shù)能夠應(yīng)用于具有凹凸不平或破裂表面的食品中，但殺菌率有待提高。

3.微生物因素。微生物特性如細(xì)胞壁的厚度、組成成分，微生物負(fù)荷等因素也決定著LTP對(duì)微生物的抑制率。Shi等發(fā)現(xiàn)，要使橙汁中大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的殺菌率均達(dá)到100%，LTP的滅活時(shí)間分別為10s、12s、25s，其中，革蘭氏陰性細(xì)菌更容易被滅活，原因主要是：（1）細(xì)胞壁相對(duì)較薄（<10nm），容易被撞擊產(chǎn)生損傷。（2）細(xì)胞壁外膜由磷脂和脂多糖組成，極易發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化而破裂，外膜上還存在孔形成蛋白，使外膜更容易滲漏。與細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)體相比，芽孢具有極厚的多層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)LTP的抗性。與細(xì)菌相比，真菌細(xì)胞壁由幾丁質(zhì)組成，在結(jié)構(gòu)上更加緊湊堅(jiān)硬，對(duì)LTP的抵抗力更強(qiáng)。此外，微生物負(fù)荷高會(huì)削弱LTP的殺菌效果，F(xiàn)ernandez等認(rèn)為在細(xì)胞密度較高的情況下，多層細(xì)胞結(jié)構(gòu)的上層對(duì)下層有保護(hù)作用。

三、LTP技術(shù)在食品殺菌中的應(yīng)用

食品在加工和貯藏過(guò)程中易受金黃色葡萄球菌、單增李斯特菌、大腸桿菌和沙門(mén)氏菌等微生物的污染。LTP被證明對(duì)上述微生物有殺滅作用，可用于熱敏性食品殺菌，能夠最大限度的維持食品的品質(zhì)特性，且省時(shí)效率高，不產(chǎn)生殘留物，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.在果蔬制品殺菌中的應(yīng)用。微生物和各類(lèi)酶的存在降低了果蔬制品的食用安全性，而目前的殺菌保鮮技術(shù)還不夠完善，使果蔬制品存在貨架期短、不易貯藏等缺點(diǎn)，制約了果蔬的工業(yè)化發(fā)展。近年來(lái)，LTP技術(shù)在果蔬制品殺菌中的應(yīng)用逐漸成熟，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)滅活果蔬制品中微生物的研究報(bào)道逐漸增多（表1），為貨架期穩(wěn)定的果蔬制品開(kāi)發(fā)提供了有效的途徑。

鮮切果蔬由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、接觸面積增大、汁液滲出，極易腐敗變質(zhì)，通過(guò)以上實(shí)例可以看出，LTP處理抑制了鮮切果蔬中微生物的增長(zhǎng)。經(jīng)LTP處理后，不同種類(lèi)鮮切果蔬的殺菌率存在差異，可能是由于表面液態(tài)水或內(nèi)部組織流出的汁液影響了LTP的作用，切片上殘留的水分越多，微生物細(xì)胞越容易移動(dòng)并滲入切片，微生物存活幾率越高。鮮切甜瓜的微生物失活率較低，可能是由于其復(fù)雜的網(wǎng)狀果皮為細(xì)菌附著提供了環(huán)境，影響了殺菌率。另外，鮮切果蔬的質(zhì)地和硬度能夠增強(qiáng)或阻礙微生物滲透果蔬切片，從而影響殺菌率。

從表1可以看出，LTP殺菌應(yīng)用于不同品種的果蔬汁時(shí)，殺菌效果存在差異。研究表明，果蔬汁的pH和澄清度影響著殺菌率，Ikawa發(fā)現(xiàn)pH值低于4.7時(shí)，細(xì)菌滅活非常有效，果蔬汁的pH均滿(mǎn)足該條件，即LTP應(yīng)用于果蔬汁殺菌時(shí)效果顯著。此外，由于渾濁果蔬汁中含有不均勻的顆?；蚓鶆虻吵淼慕Y(jié)構(gòu)，能夠抵擋LTP的侵襲，而透明果蔬汁不具備這種結(jié)構(gòu)，因此LTP被認(rèn)為對(duì)透明果蔬汁殺菌更有效。

2.在肉制品及水產(chǎn)品殺菌中的應(yīng)用。肉制品及水產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，含有多種酶，極易腐敗變質(zhì)。近年來(lái)，LTP成為肉制品及水產(chǎn)品殺菌的熱門(mén)技術(shù)之一，最近的一些研究探究了LTP對(duì)不同肉制品及水產(chǎn)品中微生物的滅活作用（表2）。

以上研究表明，LTP技術(shù)應(yīng)用于食品殺菌處理時(shí)，對(duì)肉制品及水產(chǎn)品的微生物控制具有較大的意義。從表2可以看出，火腿的殺菌率較低，Song等認(rèn)為火腿的粗糙多孔結(jié)構(gòu)為單增李斯特菌的附著和遷移提供了場(chǎng)所，使得菌體不被暴露在LTP中。Choi利用LTP處理魷魚(yú)絲時(shí)，發(fā)現(xiàn)LTP處理可以降低魷魚(yú)絲的水分含量，從而防止魷魚(yú)絲變質(zhì)。

3.在乳及乳制品殺菌中的應(yīng)用。乳及乳制品是微生物生長(zhǎng)的理想培養(yǎng)基，被微生物污染的乳及乳制品會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)感染布氏菌病、李斯特菌病等疾病。Kim等利用LTP技術(shù)，有效地減少了牛乳中總需氧菌、大腸桿菌、單增李斯特菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的數(shù)量，提高了牛乳的安全性；Yong等對(duì)奶酪進(jìn)行15kHz、10min的LTP處理，大腸桿菌、單增李斯特菌、鼠傷寒沙門(mén)氏菌分別減少了3.2、2.1、5.8log（CFU/g）。這些實(shí)例表明，LTP可以通過(guò)滅活腐敗和致病菌來(lái)提高乳及乳制品的安全性。

4.在堅(jiān)果制品殺菌中的應(yīng)用。堅(jiān)果極易被毒性極強(qiáng)的真菌毒素所污染，威脅人類(lèi)的健康。研究證明，LTP技術(shù)可用于抑制堅(jiān)果表面微生物，Basaran等發(fā)現(xiàn)，300W？LTP處理榛子5min后，寄生曲霉減少了6log（CFU/g）；處理花生、開(kāi)心果20min后，寄生曲霉分別減少了4、5.5log（CFU/g）?？赡苁怯捎谕鈿ご嬖诓町?，內(nèi)部真菌污染程度不同，致使寄生曲霉減少量不同。Niemira報(bào)道了LTP殺菌在杏仁中的應(yīng)用，在549W、47kHz條件下產(chǎn)生LTP，處理20s后，大腸桿菌在間隔6cm處減少1.34log（CFU/mL），沙門(mén)氏菌在間隔4cm處減少1.16log（CFU/mL）。

5.與其它處理方法結(jié)合在食品殺菌中的應(yīng)用。LTP技術(shù)應(yīng)用于食品殺菌時(shí)存在著一定的不足，為了達(dá)到更好的殺菌效果，最大程度地保證食品的品質(zhì)，研究者們致力于將LTP技術(shù)與其它處理方法結(jié)合以滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求。Umair等將70kV、4min高電壓LTP與15℃、20kHz、3min超聲結(jié)合處理胡蘿卜汁，顯著降低了胡蘿卜汁中酵母菌和霉菌數(shù)，提高了胡蘿卜汁的質(zhì)量。Anna等將LTP處理后的火腿進(jìn)行14d的冷藏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單增李斯特菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的數(shù)量顯著降低，Ziuzina等認(rèn)為儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)增加了活性物質(zhì)在火腿中的擴(kuò)散，提高了殺菌率。

四、LTP技術(shù)對(duì)食品品質(zhì)的影響

在殺滅食品表面微生物的同時(shí)，LTP處理對(duì)食品品質(zhì)的影響也不容忽視。LTP殺菌作用的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于生成的活性物質(zhì)，活性物質(zhì)能夠分解植物原料中的細(xì)胞壁多糖，使酚類(lèi)物質(zhì)積累，也可以與肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白、脂肪等發(fā)生反應(yīng)，影響食品的色澤和風(fēng)味。LTP應(yīng)用于果蔬制品時(shí)，較好地保持了鮮切果蔬的水分、顏色、糖度和酸度，增加了鮮切火龍果的抗氧化性，減輕了泡菜的褐變與軟化，積累了橙汁、蘋(píng)果汁、番茄汁的酚類(lèi)物質(zhì)，但也造成了白葡萄汁、椰汁的非酶褐變，破壞了櫻桃番茄干的番茄紅素。當(dāng)采用LTP處理乳制品、肉制品及水產(chǎn)品時(shí)，使火腿和牛肉干的顏色劣變，引發(fā)了奶酪、火腿、干魚(yú)片等脂肪含量偏高的食品發(fā)生氧化。

五、在食品殺菌中存在的問(wèn)題及展望

LTP作為一種省時(shí)高效的非熱殺菌技術(shù)，已被應(yīng)用于食品的殺菌研究中，在果蔬制品及堅(jiān)果制品殺菌、延長(zhǎng)乳及乳制品的貨架期、防止肉制品及水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)等食品安全領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，并且該技術(shù)在很大程度上對(duì)食品品質(zhì)的影響不顯著。

不過(guò)，LTP技術(shù)應(yīng)用于食品殺菌時(shí)也存在一定的問(wèn)題。第一，由于LTP、微生物和食品種類(lèi)的復(fù)雜性，導(dǎo)致具體的殺菌機(jī)制還需進(jìn)一步明確。第二，LTP的穿透力不足，主要用于表面殺菌，無(wú)法深入殺滅食品內(nèi)部的細(xì)菌，殺菌效果有待提高，因此，可將LTP與其它處理方法聯(lián)合使用，增強(qiáng)殺菌效果，聯(lián)用時(shí)的協(xié)同殺菌原理則需要進(jìn)一步明確。第三，LTP處理后引起食品性質(zhì)改變的研究還不深入，目前的研究主要報(bào)道了活性成分可使脂肪含量高的食品發(fā)生氧化，對(duì)其色澤和風(fēng)味產(chǎn)生不良影響，但LTP技術(shù)對(duì)食品品質(zhì)的影響、品質(zhì)劣變的機(jī)理及解決措施還需要進(jìn)一步探究。（基金項(xiàng)目：“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)：2018YFD0400802。）

第一作者：楊柳，女，1997年出生，碩士生。

通信作者：譚斌。