大氣壓冷等離子體在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用研究進展

相啟森，張 嶸，范劉敏，馬云芳，李云菲

(鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南鄭州450001)

鮮切果蔬又稱為最低加工果蔬或輕加工果蔬，是一種經(jīng)過最少加工處理的產(chǎn)品，因具有新鮮、營養(yǎng)、方便等優(yōu)點而廣受消費者喜愛［1］。但是，鮮切果蔬在去皮、去核、去根和切分等加工環(huán)節(jié)極易受微生物污染，從而加速其品質(zhì)劣變并危害人體健康。因此，如何有效保持鮮切果蔬的色香味等感官品質(zhì)和營養(yǎng)成分就顯得尤為重要［2］。大氣壓冷等離子體(Atmospheric cold plasma，ACP)是近幾年興起的一種非熱加工技術(shù)，具有處理溫度低、活性成分豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于食品加工和食品安全控制等領(lǐng)域［3－4］。本文綜合分析了國內(nèi)外ACP對鮮切果蔬表面微生物的滅活效果以及對鮮切果蔬中酶活的作用，同時探討了ACP處理對鮮切果蔬品質(zhì)的影響，旨在為ACP在鮮切果蔬保鮮中的應(yīng)用提供參考。

1 大氣壓冷等離子體概述

等離子體(Plasma)由William Crookes于1879年首次發(fā)現(xiàn)，是一種呈電中性的電離氣體，由電子、正負離子、自由基、基態(tài)或激發(fā)態(tài)分子和電磁輻射量子(光子)等組成［5－6］。它是由離子、電子、自由基和化學性粒子組成的電中性物質(zhì)，具有能量密度高、化學活性成分豐富等特點［7］。根據(jù)帶電粒子溫度和電子溫度是否處于熱平衡狀態(tài)可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體;而根據(jù)熱力學平衡狀態(tài)的不同可將低溫等離子體分為熱等離子體和冷等離子體(見圖1所示)［8－10］。在大氣壓(常壓)條件下產(chǎn)生的整體溫度較低的等離子體即為大氣壓冷等離子體。

圖1 等離子體的分類Fig.1 Classification of plasma

ACP主要通過介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge，DBD)、電暈放電(Corona discharge)、滑動電弧放電(Gliding arc)、微波放電(Microwave discharges，MD)等方式產(chǎn)生(圖2)。電暈放電產(chǎn)生的等離子體通常出現(xiàn)在靠近幾何形狀尖銳的電極(點、邊或細線)處，是一種較為簡單的激發(fā)裝置，它的缺點是作用范圍小，處理不均勻(圖2a);此外，常見的DBD等離子體激發(fā)裝置由上下兩個電極板和固體絕緣介質(zhì)組成，上下電極由介質(zhì)覆蓋，當在放電電極上施加高電壓時，介質(zhì)阻擋層的放電間隙可以阻止電流流通，從而產(chǎn)生等離子體(圖2b)［11－12］。

2 ACP在鮮切果蔬中的應(yīng)用研究進展

2.1 ACP對鮮切果蔬表面微生物的影響

鮮切果蔬在去皮、切分等加工環(huán)節(jié)暴露于空氣中，易受到微生物的污染，主要包括霉菌(青霉屬、黑曲霉、葡枝根霉等)、酵母菌和細菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、單增李斯特菌等)［13－14］。上述微生物加速了鮮切果蔬的腐敗變質(zhì)，并引發(fā)食源性疾病，引起了人們的廣泛關(guān)注［15－17］。研究表明，ACP可滅活存在于鮮切生菜［18］、黃瓜［19］、火龍果［24］、甜瓜［21］等表面的細菌、酵母菌和霉菌等多種微生物，從而有效延長鮮切果蔬的貨架期并保持食品的營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)(見表1)。

圖2 ACP產(chǎn)生方式示意圖Fig.2 Schematical depiction of typical electrical discharges for the atmospheric cold plasma

目前普遍認為，等離子體產(chǎn)生過程中生成的活性物質(zhì)、帶電粒子、高能紫外線和其他射線等物質(zhì)是ACP發(fā)揮殺菌作用的主要物質(zhì)基礎(chǔ)［25－26］。ACP放電過程中能產(chǎn)生大量活性氧(Reactive oxygen species，ROS)和活性氮(Reactive nitrogen species，RNS)，如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和羥基自由基(·OH)等。研究表明，這些物質(zhì)可誘導(dǎo)微生物細胞膜脂質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致細胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時活性物質(zhì)還可擴散到細胞內(nèi)，進一步氧化蛋白質(zhì)和核酸等大分子物質(zhì)，誘導(dǎo)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致微生物死亡［9］。此外，Mendis等［27］通過構(gòu)建電物理場模型認為，等離子體產(chǎn)生的帶電粒子可聚集在細胞膜表面，從而改變細胞膜表面帶電粒子的流動方向，導(dǎo)致電荷間的靜電力大于其自身抗張強度，使得細胞膜受損，并造成細菌失活。而利用等離子體射流滅活大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)當氣體流速和處理間距較小時，紫外線在大腸桿菌失活過程中起主要作用［28］;然而，Laroussi等［29］發(fā)現(xiàn)DBD等離子體處理輻照強度很低，因此認為此強度紫外線輻射在DBD等離子體滅活細菌中無明顯作用。綜上所述，ACP中紫外輻射對微生物滅活的影響尚無定論，還需進一步研究加以明確。

表1 ACP在鮮切果蔬殺菌中的應(yīng)用Table 1 Application of atmospheric cold plasma in sterilization of fresh－cut fruits and vegetables

表2 ACP對鮮切果蔬中內(nèi)源酶的作用Table 2 Inactivation effects of atmospheric cold plasma on endogenous enzymes in fresh－cut fruits and vegetables

2.2 ACP對鮮切果蔬內(nèi)源酶的影響

鮮切果蔬中過氧化物酶(Peroxidase，POD)、多酚氧化酶(Polyphenol oxidase，PPO)、果膠甲酯酶(Pectin methylesterase，PME)等內(nèi)源酶活性較高，會對其營養(yǎng)及感官品質(zhì)造成不良影響［30］。已有研究表明，ACP處理能夠使鮮切果蔬中的POD、PPO和PME等多種內(nèi)源酶鈍化失活，并發(fā)揮抑制鮮切果蔬酶促褐變的作用(見表2)。

大量研究表明，ACP之所以能夠使食品內(nèi)源酶鈍化失活與放電過程中產(chǎn)生的高能電子、帶電粒子、自由基等活性物質(zhì)、紫外線及其它射線等有關(guān)。其作用機制主要包括上述活性物質(zhì)對蛋白質(zhì)氨基酸殘基的修飾、對酶空間結(jié)構(gòu)及活性位點的破壞［8，26，37］。Surowsky等［35］采用大氣壓等離子體射流處理POD及PPO溶液，圓二色光譜分析結(jié)果表明，處理組POD和PPO中α－螺旋含量顯著降低，同時活性物質(zhì)造成色氨酸殘基發(fā)生羥基化和硝基化修飾，這可能是大氣壓等離子體射流失活上述兩種酶的原因。此外，Takai等［36］發(fā)現(xiàn)由DBD等離子體產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)、超氧陰離子自由基等活性物質(zhì)對溶菌酶氨基酸殘基進行了化學修飾，從而導(dǎo)致酶失活。

2.3 ACP對鮮切果蔬品質(zhì)的影響

2.3.1 ACP對鮮切果蔬感官品質(zhì)的影響 國內(nèi)外學者在研究ACP對鮮切果蔬表面微生物滅活作用的同時，也評價了ACP處理對鮮切果蔬色澤、質(zhì)構(gòu)等品質(zhì)指標的影響。經(jīng)DBD等離子體和滑動電弧放電等離子體處理并于25℃貯藏72 h后，鮮切獼猴桃的色澤和質(zhì)地(硬度)均無明顯變化［38］。同樣，鮮切蘋果經(jīng)DBD等離子體處理20 min后，的L*值、a*值和b*值均未發(fā)生顯著變化;但是，處理時間延長至30 min后，鮮切蘋果的L*值升高，a*值和b*值降低［39］，因此，針對不同鮮切果蔬的DBD等離子體處理條件還需進一步優(yōu)化。而ACP處理鮮切蔬菜時對其感官品質(zhì)同樣無顯著影響，利用功率為400和900 W的DBD等離子體處理鮮切生菜10 min，感官評價表明，鮮切生菜的外觀評分和脆度評分無顯著變化［40］。因此，ACP在有效殺滅鮮切果蔬表面微生物的同時，能夠有效保持鮮切果蔬的感官品質(zhì)。

2.3.2 ACP對鮮切果蔬營養(yǎng)品質(zhì)的影響 鮮切果蔬富含膳食纖維、維生素、有機酸、糖和礦質(zhì)元素等營養(yǎng)成分，對促進人體健康具有重要意義。已有研究表明，在有效殺滅鮮切果蔬表面微生物的同時，ACP可以有效保持鮮切果蔬固有的營養(yǎng)成分。孫艷等［19］發(fā)現(xiàn)采用等離子體射流處理鮮切黃瓜后，有效保持了其VC含量。類似研究表明，鮮切甜瓜經(jīng)DBD等離子體處理后其可溶性固形物、可滴定酸和干物質(zhì)含量均未發(fā)生顯著變化［21］。同樣，DBD等離子體處理未對鮮切胡蘿卜的可溶性固形物、p H、VC含量、糖度和酸度等指標造成顯著影響［22］。

2.3.3 ACP對鮮切果蔬中生物活性成分的影響 果蔬富含多酚類、黃酮類、花青素等活性成分，在膳食中是重要的組成部分，有益人體健康［41］。在鮮切獼猴桃應(yīng)用上，經(jīng)DBD等離子體處理的鮮切獼猴桃多酚含量和抗氧化活性均無顯著性變化［42］。同樣，鮮切草莓經(jīng)DBD等離子體處理1 min并于4℃貯藏7 d后，其花青素含量無顯著變化［23］。而鮮切火龍果經(jīng)DBD等離子體處理并貯存36 h后，其沒食子酸、原兒茶酸、對羥基苯甲酸、咖啡酸和對香豆酸含量分別升高了106.9%、132.3%、6.8%、16.7%和108.8%，同時處理組鮮切火龍果提取物的DPPH自由基清除能力顯著提高［24］。以上結(jié)果表明，ACP處理能夠有效保持鮮切果蔬中的生物活性成分(多酚類物質(zhì)、花青素等)及抗氧化活性。此外，ACP處理在一定條件下還可能有利于促進某些鮮切果蔬酚酸類化合物的合成和積累，但相關(guān)作用機制尚不明確，有待進一步研究［43－44］。

3 展望

近年來，鮮切果蔬逐漸成為未來農(nóng)產(chǎn)品加工的發(fā)展趨勢，同時其安全性也受到廣泛關(guān)注。作為一種非熱綠色加工技術(shù)，ACP不僅可以有效抑制鮮切果蔬表面微生物的生長，而且能有效保持其營養(yǎng)品質(zhì)和感官品質(zhì)，在鮮切果蔬質(zhì)量控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在今后的工作中，首先應(yīng)加強基礎(chǔ)理論研究，系統(tǒng)闡明ACP滅活微生物以及食品內(nèi)源酶的作用機制并優(yōu)化ACP處理工藝參數(shù)，為其產(chǎn)業(yè)化利用提供理論依據(jù);此外，目前關(guān)于ACP應(yīng)用于鮮切果蔬保鮮的研究主要集中于實驗室研究，存在處理量小、自動化程度低等問題。因此冷等離子體裝備的研發(fā)將是今后重要的研究方向之一。