等離子體技術在谷物中的應用研究

◎ 楊雙喜，侯紅軍，戴瑜鵬，張小東，畢文奇，馬 海

（中央儲備糧中寧直屬庫有限公司，寧夏回族自治區(qū) 中衛(wèi) 755000）

非熱殺菌技術指利用非加熱的方式使殺菌對象達到無菌狀態(tài)的技術[1]。其相比熱殺菌技術具有殺菌效果好、污染小、易操作、環(huán)保節(jié)約、自動化程度高，能夠很好地保存谷類的營養(yǎng)和風味成分，防止熱敏性成分損失等優(yōu)勢。目前，常用的非熱殺菌主要包括超聲滅菌、輻照滅菌、高靜水壓滅菌、超高壓滅菌和等離子體滅菌。其中超聲滅菌技術在規(guī)模化工業(yè)中的應用存在較多問題，且食品安全方面存在較大爭議；輻照滅菌技術易產(chǎn)生·OH、·H等自由基，與谷類中蛋白質(zhì)、脂類等發(fā)生化學反應破壞空間結構，從而導致谷類脂肪酸含量減少，產(chǎn)生難聞氣味[2]；高靜水壓滅菌技術對環(huán)境、設備尺寸、承受容器和材料耐受性要求嚴格；超高壓滅菌技術設備昂貴，存在間歇式滅菌、無法連續(xù)生產(chǎn)等問題；等離子體滅菌技術作為一種綠色、新型處理技術，具有操作簡單方便、安全、能耗低、效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，可以保持谷物整體質(zhì)量、感官屬性和營養(yǎng)價值。為此，本文主要從等離子體的概念、分類、滅菌原理進行介紹，重點探討經(jīng)等離子處理后對谷物酶的活性、淀粉含量、酚類含量和風味物質(zhì)的影響，以期為等離子技術在谷類加工和貯藏領域中的應用提供理論基礎，推動等離子技術在谷物領域中工業(yè)化應用。

1 等離子體的概述

1.1 等離子體的概念

等離子體是一種游離于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等以外的一種新的物態(tài)體系，簡稱等離子態(tài)。等離子體通常由原子、分子、微料等中性離子以及帶電的電子和離子組成，其在電離過程中正負離子通常成對出現(xiàn)且數(shù)值相等，整體呈現(xiàn)準中性，因此被稱為等離子體。

1.2 等離子體的分類

1.2.1 按照系統(tǒng)溫度分類

（1）熱平衡狀態(tài)下，當電子和離子溫度達到106～108 K時稱為高溫等離子體。

（2）非熱平衡狀態(tài)下，當離子溫度低于電子溫度時稱為低溫等離子體。

1.2.2 按照放電方式分類

目前，按照放電方式一般可分為氣體放電、電暈放電、輝光放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電及微波放電6種。其中，氣體放電和射頻放電適用于化工生產(chǎn)；輝光放電適用于紡織業(yè)生產(chǎn)；電暈放電適用于靜電除塵和半導體生產(chǎn)的靜電控制等方面；微波放電適用于電氣方面；介質(zhì)阻擋放電適用于食品領域。

1.3 等離子體滅菌的基本原理

1.3.1 高速粒子的穿透效應

指采用等離子體裝置產(chǎn)生高濃度的陰陽離子轟擊微生物，促使微生物表面產(chǎn)生的剪切力大于其表面細胞膜的張力，從而使微生物內(nèi)部的核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子遭到破壞，最終導致微生物死亡。

1.3.2 電場效應

指等離子體會產(chǎn)生一定強度的電場，當強度大于臨界值時其會穿透細菌細胞膜，導致細菌死亡。

1.3.3 紫外光作用

指等離子體作業(yè)時將由輝光放電產(chǎn)生3.3～3.6 eV紫外線強度，在該強度下易破壞細菌的DNA和RNA，同時，使其蛋白質(zhì)氨基酸結構和菌體糖結構遭到破壞，從而起到殺菌作用。

1.3.4 溫度作用

指等離子體作用條件下將產(chǎn)生高強度電子，該電子溫度相比氣體溫度較高，可促進活性基團和紫外線殺菌效果。

1.3.5 活性物質(zhì)的作用

指等離子作用下將產(chǎn)生大量的原子氧和自由基等活性基團，該基團可參與微生物內(nèi)部核酸、蛋白等化學反應，導致細菌死亡。

2 等離子體滅菌對谷物微生物的影響

2.1 等離子體對細菌的影響

Agata等[3]以谷物為研究對象，利用等離子體進行處理，探究與谷物相關細菌安全問題。結果表明，處理時間大于5 min時，谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌和乳酸菌數(shù)量越少。Lee等[4]采用等離子體技術對全谷物糙米表面進行處理。結果表明，當處理時間大于20 min時樣品表面大約減少2.30 lg CFU/g大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌。可見，采用等離子體處理有利于減少和控制谷物中細菌數(shù)量，起到延長貨架期的作用。

2.2 等離子體對細菌芽孢的影響

Li等[5]采用等離子體對小麥進行處理，探究其對小麥理化性質(zhì)的影響。結果表明，等離子處理后能有效降低小麥粉中的總平板計數(shù)、酵母、霉菌和芽孢桿菌數(shù)量。Butscher等[6]以小麥為研究對象，嗜熱硬脂地桿菌內(nèi)生孢子為模型生物，對小麥顆粒和聚丙烯模型基質(zhì)進行人工污染，最后利用等離子技術以不同的處理時間、脈沖電壓和頻率組合對樣品進行處理。結果表明，處理時間越長、脈沖頻率越快或脈沖電壓越高，對微生物產(chǎn)生的孢子滅活效率越高。

2.3 等離子體處理對霉菌的影響

李帥[7]以玉米為研究對象，采用等離子體對玉米進行預處理，探究等離子體對玉米黃曲霉和寄生曲霉菌落的影響。結果表明，等離子體預處理功率的增大或處理時間的延長，對玉米籽粒儲藏期間霉菌生長量無顯著性影響。Suhem等[8]為抑制黃曲霉在瓊脂培養(yǎng)基和糙米谷物棒上的生長，采用等離子設備對樣品進行處理。結果表明，等離子處理功率為40 W、時間25 min時，對黃曲霉在瓊脂培養(yǎng)基上的生長抑制效果最好。

3 等離子處理對谷物品質(zhì)的影響

3.1 等離子處理對谷物酶活性的影響

3.1.1 脂肪酶

脂肪酶與脂肪酸接觸將產(chǎn)生氫過氧化油酸，加速油脂過氧化值升高，破壞谷物貯藏時期的穩(wěn)定性與品質(zhì)。張琛等[9]在電場強度12.5 kV·cm-1、脈沖頻率316 Hz、脈沖寬度4 μs、處理時間315 s，以及麥粒水分含量295 g·kg-1條件下，得到小麥脂肪酶活性抑制率超過50%。許強等[10]利用不同電場強度處理小麥脂肪酶5 min，探究在第1 d和第10 d電場強度對脂肪酶紫外光譜的影響。結果表明，電場強度分別為1.0、2.0、4.0和6.0 kV/cm時，第1 d 的紫外光譜的變化幅度強于第10 d的變化幅度；電場強度為3.0和5.0 kV/cm時，第1 d 的變化幅度弱于第10 d的變化幅度。表明等離子體處理技術可以抑制谷物脂肪酶活性，并且抑制程度受貯藏時間影響，時間越長對其抑制程度越弱。

3.1.2 脂氧合酶

脂氧合酶易催化脂質(zhì)氧化促使谷物貯藏過程中產(chǎn)生陳化現(xiàn)象，導致谷物貯藏穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)褪色和陳化氣味現(xiàn)象，嚴重影響谷物的外觀和營養(yǎng)價值。Haniye等[11]采用氬氣和氮氣冷等離子體對小麥胚芽進行處理，探究輸入不同氣體對脂解酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)以氬氣為等離子體氣體，30 min后脂氧合酶的殘余活力分別下降至42.50%和87.72%；切換等離子體輸入氣體至氮氣，常壓冷等離子體處理相同時間后，脂肪酶和脂氧合酶的殘余活性分別為77.50%和92.52%。表明等離子氣體可以鈍化和抑制脂氧合酶活性，并且輸入的氣體和處理時間不同，對其抑制效果存在顯著性差異。

3.2 等離子體處理對谷物淀粉的影響

淀粉在谷粒中約占70%，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成。其中，直鏈淀粉占比20%～25%，支鏈淀粉占比75%～80%，兩者含量和自身性質(zhì)的變化將直接影響谷物的品質(zhì)。例如，谷物在貯藏過程中淀粉含量將略有減少，從而導致谷物營養(yǎng)品質(zhì)降低。目前，有關研究表明，等離子技術產(chǎn)生的高能粒子能夠?qū)Φ矸垲w粒進行轟擊、刻蝕和解聚等效應，從而促進淀粉結構發(fā)生不同程度的改變。李瑞紅等[12]采用介質(zhì)阻擋放電等離子體技術，研究在不同處理電流下等離子體中兩種淀粉結構和理化功能性質(zhì)的變化。結果表明，等離子體處理對蠟質(zhì)玉米淀粉改性效率優(yōu)于高直鏈玉米淀粉，且改性過程中主要改變玉米淀粉的長程晶體結構，而對短程雙螺旋結構的影響較小?？梢?，等離子技術在淀粉改性方面應用廣泛，具有低成本、高效率、適應強、無污染等優(yōu)勢，可廣泛促進淀粉在不同食品工業(yè)領域的應用。

3.3 等離子體處理對谷物酚類物質(zhì)的影響

酚類物質(zhì)主要是一種或多種含有羥基的芳香環(huán)化合物，具有抗氧化、抗炎、抗高血壓和預防癌癥的作用。采用等離子體對大米和玉米麩皮進行處理，結果表明，處理后玉米糠（4 -羥基苯甲醛、對香豆素、芥子酸和阿魏酸）和米糠（香草醛、阿魏酸、芥子酸和綠原酸）中個別多酚含量顯著提高，并且總酚含量、總黃酮和抗氧化活性也相對顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，大米經(jīng)等離子處理后，樣品中酚類物質(zhì)含量顯著提升，功率增加到40 W，處理時間縮短至10 min時，可獲得酚類物質(zhì)含量為0.44 mg GAE/100 g。表明等離子體處理技術在促進全谷物糧食食品開發(fā)中具有重要作用。

3.4 等離子體處理對谷物風味物質(zhì)的影響

谷物的風味主要由醛、酮、醇、雜環(huán)類等化合物構成。孟寧[13]研究發(fā)現(xiàn)，等離子處理后可使糙米飯中醛類、萜類物質(zhì)增加，可為糙米飯?zhí)峁┣嗖菹愫凸銡馕?，但對醇類和醇類化合物影響較小。采用介質(zhì)阻擋放電冷等離子體對糙米進行非熱處理，結果表明，處理后樣品中游離脂肪酸和己醛含量顯著下降，儲藏期間色澤更加穩(wěn)定，且具有苯甲醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、(E)-2-壬烯醛、己醛和壬基氯甲酸鹽等獨特的揮發(fā)性化合物。等離子處理條件下促使酶的活性發(fā)生改變，產(chǎn)生酶促反應，促進活性物質(zhì)、底物和酶等從細胞中釋放出來，從而產(chǎn)生各種風味物質(zhì)。

4 結論與展望

采用等離子技術對谷物進行處理，對谷物的微生物和營養(yǎng)品質(zhì)方面的作用較顯著。對于谷物微生物方面，等離子體可以破壞微生物細胞膜、蛋白質(zhì)和核酸結構，促使谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌、乳酸菌和蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等數(shù)量減少，抑制附著在谷類表面的真菌曲霉和青霉數(shù)量。對于谷類酶活性方面，等離子體可以破壞酶的空間結構，促使酶與底物結合的活性位點或酶的輔基發(fā)生改變，促使脂肪酶和脂氧合酶的活性發(fā)生改變。對于谷物淀粉，經(jīng)過等離子處理后對淀粉顆粒進行轟擊、刻蝕和解聚，促使淀粉分子改性效率提高；產(chǎn)生交聯(lián)，提高儲能模量，降低損耗模量；降低相對結晶度和短程有序性，提高淀粉糊的凝膠強度。對于谷物酚類和風味物質(zhì)方面，提高其酚類物質(zhì)含量和抗氧化能力、保留獨特風味物質(zhì)，降低游離脂肪酸和己醛化合物含量，保證谷物色澤穩(wěn)定、品質(zhì)良好。近年，等離子體在谷物方面研究相對較少，本文主要探討國內(nèi)外等離子體在谷物部分理化性質(zhì)和微生物方面的研究，為等離子體在谷物方面的應用提供一定的理論基礎。