康超娣，相啟森，趙電波，李可，牛力源，白艷紅*

1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450001）；2. 河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（鄭州 450001）3. 食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心（鄭州 450001）

肉品因自身營(yíng)養(yǎng)豐富，在生產(chǎn)、加工和儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)中極易被微生物污染，導(dǎo)致腐敗變質(zhì)甚至引發(fā)食物中毒事件[1]。傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)在有效殺滅食品中腐敗微生物和病原菌的同時(shí)，也對(duì)食品熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分和感官品質(zhì)造成不良影響。因此，研發(fā)非熱殺菌技術(shù)是當(dāng)前食品工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。冷等離子體（Cold plasma）是一種新型非熱加工技術(shù)，具有快速、高效、處理溫度低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。研究表明：冷等離子體能夠有效殺滅食品在加工和儲(chǔ)存過(guò)程中所污染的有害微生物，從而達(dá)到食品長(zhǎng)期儲(chǔ)存和保鮮的目的，在食品加工和食品安全控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2-4]。該文綜述了冷等離子體對(duì)肉品表面微生物的滅菌效果及其對(duì)理化性質(zhì)和感官品質(zhì)等的影響，同時(shí)探討了冷等離子體技術(shù)的殺菌機(jī)制，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望，以期為冷等離子體技術(shù)在肉品安全控制領(lǐng)域相關(guān)研究提供理論參考。

1 冷等離子體概述

1.1 等離子體的分類

等離子體（Plasma）由William Crookes于1879年首先發(fā)現(xiàn)[5]，是一種由離子、電子、紫外光、未電離中性粒子等組成、整體呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)。等離子體廣泛存在于宇宙中，被認(rèn)為是除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)，也被稱為“等離子態(tài)”[6]。

依據(jù)帶電粒子、電子等溫度的不同，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體，其中低溫等離子體依據(jù)熱力學(xué)平衡狀態(tài)的不同又可分為熱等離子體和冷等離子體（圖1）。熱等離子體中的電子與粒子（離子、中性分子和原子）處于局部平衡狀態(tài)且電子溫度和離子溫度幾乎相同（約為2×104K）；而冷等離子體中的中性粒子和離子的溫度僅保持低溫（300～500 K）[7-8]。

圖1 等離子體的分類

1.2 冷等離子體的產(chǎn)生方式

大氣壓氣體放電是產(chǎn)生冷等離子體的常用方法，其氣體放電類型主要包括電暈放電、介質(zhì)阻擋放電（Dielectric barrier discharge，DBD）、輝光放電、微波放電（Microwave discharge，MD）、大氣壓等離子體射流（Atmospheric-pressure plasma jet，APPJ）、電暈放電等離子體射流（Corona discharge plasma jet，CDPJ）、薄層介質(zhì)阻擋放電（Flexible thin-layer dielectric barrier discharge，F(xiàn)TDBD）和射頻大氣壓放電（Radiofrequency atmospheric pressure plasma discharge，RFAPP）等[6,9]。

2 冷等離子體對(duì)肉品的殺菌作用

研究證實(shí)：冷等離子體能夠有效殺滅冷鮮豬肉、雞胸肉、牛肉、羊肉等原料肉及牛肉干、培根肉等肉制品表面的微生物（表1）[10]。Ulbin-Figlewicz等[11]研究表明，He/Ar冷等離子體源處理10 min后，豬肉表面的嗜冷菌活菌數(shù)和總菌落數(shù)分別降低了3 log10CFU/cm2和2 log10CFU/cm2，酵母和霉菌數(shù)分別降低了3 log10CFU/cm2（He）和2.6 log10CFU/cm2（Ar）；牛肉表面總菌落數(shù)分別降低了2 log10CFU/cm2（He）和0.5 log10CFU/cm2（Ar）。Fr?hling等[12]研究表明，豬肉背長(zhǎng)肌經(jīng)微波等離子體處理5 min并于5 ℃貯藏20 d后，菌落總數(shù)降低至2～3 log10CFU/g，顯著低于空白組（9 log10CFU/g，p＜0.05）。除有效殺滅肉品表面細(xì)菌、酵母及霉菌以外，冷等離子體也能有效殺滅存在于生鮮肉表面的病毒。Bae等[13]研究證實(shí)，經(jīng)APPJ處理5 min后，接種到牛肉、豬肉和雞胸肉表面的鼠諾如病毒（MNV-1）和甲型肝炎病毒（HM-175）完全失活。以上研究結(jié)果表明，冷等離子體在肉類食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 冷等離子體在肉品殺菌中的應(yīng)用

接表1

3 冷等離子體處理對(duì)肉品品質(zhì)的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究冷等離子體對(duì)肉品殺菌作用的同時(shí)，也評(píng)價(jià)了冷等離子體處理對(duì)肉品色澤、質(zhì)構(gòu)、pH等品質(zhì)指標(biāo)的影響（表2）。

Yong等[16,19-21]研究表明，等離子體處理能夠有效殺滅肉品表面的微生物并顯著延長(zhǎng)食品的貯藏期，而對(duì)肉品的色澤、硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn)物（Thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）含量、pH、質(zhì)構(gòu)、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）等指標(biāo)無(wú)顯著影響（p＞0.05）。Jayasena等[22]研究表明，經(jīng)FTDBD處理5 min和10 min后，牛肉和豬肉樣品的L*值均未發(fā)生顯著變化（p＞0.05），但a*值顯著降低（p＜0.05）；在處理10 min后，脂肪氧化水平顯著升高，經(jīng)熟制后，對(duì)味道造成不良影響（p＜0.05）。

冷等離子體處理對(duì)肉品的味道、顏色、氣味、風(fēng)味及可接受性等感官參數(shù)仍存在不良影響[16,20]。因此，在今后的研究中需進(jìn)一步優(yōu)化放電功率、載氣、處理時(shí)間等冷等離子體處理參數(shù)，以有效控制冷等離子體處理對(duì)肉品品質(zhì)所造成的不良影響[24]。

表2 冷等離子體對(duì)肉品品質(zhì)的影響

4 冷等離子體在肉品包裝中的應(yīng)用

冷等離子體也被用于肉品包裝。常用的方法是將食品置于密封的包裝袋內(nèi)，采用DBD等離子體對(duì)內(nèi)含食品的包裝袋進(jìn)行放電處理，從而有效防止包裝后造成的二次污染[25]。上述技術(shù)已成功應(yīng)用于雞肉、豬肉和牛肉等加工包裝領(lǐng)域[22,26]。Wang等[26]在DBD系統(tǒng)的兩個(gè)電極之間放入托盤包裝的新鮮雞肉，托盤包裝內(nèi)通入空氣或改性氣體（65% O2+30% CO2+5% N2）。結(jié)果表明：經(jīng)放電處理180 s并于4 ℃儲(chǔ)藏10 d后，通入改性氣體產(chǎn)生的等離子體比空氣產(chǎn)生的等離子體能更有效地抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，且微生物減少量超過(guò)4 log10CFU/g，雞肉的貨架期延長(zhǎng)至14 d，同時(shí)雞肉的L*值無(wú)顯著影響（p＞0.05）。綜上所述，冷等離子體處理包裝肉類食品能最大限度地保持肉品色澤，同時(shí)又能有效降低微生物數(shù)量，從而延長(zhǎng)其貨架期。

5 冷等離子體的殺菌機(jī)制研究

由于冷等離子體產(chǎn)生方式、載氣等存在很大差異，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)冷等離子體殺菌機(jī)制還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究普遍認(rèn)為，冷等離子體殺菌機(jī)制可能主要包括以下幾個(gè)方面。

5.1 活性化學(xué)組分

在氣體放電過(guò)程中，產(chǎn)生的活性化學(xué)組分被認(rèn)為是冷等離子體主要的殺菌因子?；钚曰瘜W(xué)組分主要物質(zhì)包括過(guò)氧化氫（H2O2）、臭氧（O3）、超氧陰離子自由基（O2-·）、單線態(tài)氧（1O2）、羥基自由基（·OH）等活性氧（Reactive oxygen species，ROS）及一氧化氮自由基（NO·）、氧化氮自由基（·NO2）、過(guò)氧亞硝基陰離子（ONOO-·）、過(guò)氧亞硝酸（OONOH）和烷基過(guò)氧亞硝酸鹽（ROONO）等活性氮（Reactive nitrogen species，RNS）[27]。

研究證實(shí)，冷等離子體中ROS、RNS能損傷細(xì)胞內(nèi)DNA、蛋白質(zhì)和酶等重要的細(xì)胞生物大分子。ROS可能通過(guò)與脂質(zhì)的相互作用改變生物膜功能，導(dǎo)致蛋白質(zhì)氨基酸的氧化和不飽和脂肪酸過(guò)氧化物的形成[28-29]；Yusupov等[30]研究低溫大氣壓等離子體產(chǎn)生的ROS與革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌金黃色葡萄球菌肽聚糖的相互作用，結(jié)果表明，產(chǎn)生的·OH、O3和H2O2等活性氧使細(xì)菌肽聚糖的C—O、C—N和C—C等重要化學(xué)鍵斷裂，造成細(xì)胞壁破損并導(dǎo)致微生物死亡。

5.2 靜電作用

靜電作用被認(rèn)為是冷等離子體發(fā)揮殺菌作用的一種重要物理機(jī)制。冷等離子體中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)能引起正電荷或負(fù)電荷局部聚集，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的情況下，冷等離子體內(nèi)部產(chǎn)生的帶電粒子形成的靜電力作用可能導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜破裂[31]。冷等離子體對(duì)細(xì)菌的靜電作用與微生物種類有關(guān)。據(jù)報(bào)道，冷等離子體輻照處理（前40 s內(nèi)）使革蘭氏陰性菌細(xì)胞膜幾乎完全破損，而革蘭氏陽(yáng)性菌則未出現(xiàn)損傷[32]。此外，Mendis等[33]認(rèn)為帶電粒子對(duì)細(xì)胞表面轟擊產(chǎn)生的靜電排斥超過(guò)細(xì)胞膜的拉伸強(qiáng)度而導(dǎo)致細(xì)胞外膜損傷。

5.3 紫外線作用

目前，冷等離子體產(chǎn)生的紫外光作用在冷等離子體研究領(lǐng)域仍存在爭(zhēng)議。一方面，冷等離子體在放電過(guò)程中可產(chǎn)生大量紫外線，紫外線對(duì)微生物的殺菌作用不僅可以通過(guò)干擾DNA中胸腺嘧啶的形成來(lái)抑制細(xì)菌，而且也可通過(guò)破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)使其失去生物學(xué)活性[24]；另一方面，冷等離子體激發(fā)產(chǎn)生的紫外線多集中在近紫外區(qū)（300～400 nm，UV-A）。研究證實(shí)：紫外光譜區(qū)域殺菌活性相對(duì)于其他殺菌活性物質(zhì)較弱，在220～280 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)（UV-C）且劑量足夠大時(shí)才能抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。而Laroussi等[34]以空氣為載氣，利用DBD放電產(chǎn)生的等離子體處理細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)沒有大量產(chǎn)生低于285 nm的紫外光，因此認(rèn)為紫外線并未在殺菌過(guò)程中起到直接明顯的作用。

5.4 其他作用

冷等離子體的產(chǎn)生需要施加電場(chǎng)，帶電粒子和電子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生離子，電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)引起其它帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，從而伴隨極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)。相關(guān)研究表明：細(xì)胞內(nèi)帶電粒子（電子和離子）的積累可能誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡和電穿孔[32,35]，并通過(guò)引發(fā)細(xì)胞組分的釋放而導(dǎo)致微生物失活。此外，冷等離子體化學(xué)物質(zhì)間的復(fù)合效應(yīng)也導(dǎo)致了細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏和細(xì)胞功能的喪失，且微生物失活效應(yīng)也與等離子體源、操作條件、工作氣體以及微生物本身等因素相關(guān)[24]。

6 結(jié)語(yǔ)

作為一種新型非熱加工技術(shù)，冷等離子體能有效殺滅肉品表面的微生物，并同時(shí)較好地保持色澤、pH等理化及感官指標(biāo)，在肉品殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在今后的研究工作中，首先應(yīng)研發(fā)適用于食品加工的冷等離子體設(shè)備，并通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)等提高殺菌效果并降低對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)造成的不良影響；同時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)研究冷等離子體對(duì)肉品中蛋白質(zhì)、脂肪等組分及加工性能、安全性等的影響，從而不斷推動(dòng)冷等離子體在肉品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。