唐 林，王 松，郭柯宇，楊 勇，2，劉書亮，2*，郭洪祥

（1 四川農(nóng)業(yè)大學 食品學院 四川雅安625014）2 四川農(nóng)業(yè)大學食品加工與安全研究所 四川雅安625014）3 四川金忠食品有限公司 四川邛崍 611500）

等離子體（plasma）是由幾種激發(fā)的原子、分子、離子和自由基組成，與多種反應(yīng)性物種和電磁輻射的能量共存[1]。根據(jù)帶電粒子溫度的不同，可分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體能夠在接近環(huán)境溫度下（30～60 ℃）產(chǎn)生大量生物活性物質(zhì)，如活性氧（ROS）和活性氮（RNS）[2]，具有非熱力消毒和表面改性作用，且不含有毒化學物質(zhì)，對環(huán)境無害。直接將氣體等離子體施加于食品上，可以獲得最大的微生物滅活效率，然而有研究認為，電場和帶電粒子、紫外線、電子等特定物理物質(zhì)會對污染表面造成直接等離子體損傷[3]。一些食品表面的生物活性化合物在等離子體直接處理后也會被降解，產(chǎn)生負面影響，例如：顏色、表面形貌變化和熱敏性損傷等；天然食品原料成分復雜、不均一以及形狀不規(guī)則等，低溫等離子體技術(shù)在處理均勻度等方面尚欠缺。

等離子體活化水 （Plasma activated water，PAW），又稱為等離子體酸、等離子體活化液體[4]，是指水被低溫等離子體處理后，水分子離解的產(chǎn)物與等離子體中的活性物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生富含更多種類活性成分的水溶液。PAW 作為一種新型的殺菌保鮮劑，由于其較好的流動性和滲透性被廣泛應(yīng)用于消毒殺菌、果蔬保鮮、器械表面去污和廢水凈化等生活中的各個領(lǐng)域。本文就PAW 的產(chǎn)生裝置、理化性質(zhì)、殺菌機理和效果以及在食品殺菌保鮮中的應(yīng)用進行綜述，旨在為其廣泛應(yīng)用提供參考。

1 低溫等離子體活化水的產(chǎn)生裝置

理論上講，能產(chǎn)生低溫等離子體的方式都可產(chǎn)生PAW，在食品工業(yè)中常見的按照放電結(jié)構(gòu)分類有介質(zhì)阻擋放電（DBD）、大氣壓等離子體射流（APPJ）和滑動電弧放電等（見表1）。等離子體微射流（PMJ，表中未顯示）是指特征尺寸在1 mm 之下的大氣壓等離子體射流，因其較小的特征尺寸，可直接處理一些微型物體，在食品工業(yè)中也有應(yīng)用。不同裝置的結(jié)構(gòu)和特點各不相同，如SDBD 只能水上放電產(chǎn)生PAW，而APPJ 和DBD 既能通過水上放電也能通過水下放電激活液體。目前還未有研究比較在一定條件下不同裝置產(chǎn)生的PAW理化性質(zhì)的差異，因此，我們在此只探討了不同PAW 產(chǎn)生裝置的特點。

表1 低溫等離子體活化水常見產(chǎn)生裝置及特點Table 1 Common low-temperature plasma activated water generating device and characteristics

2 低溫等離子體活化水的理化性質(zhì)

PAW 的理化性質(zhì)以及主要的活性氧和氮物種（RONS）在很大程度上取決于等離子體氣態(tài)產(chǎn)物，而氣態(tài)產(chǎn)物又強烈依賴于放電方式、工作氣體和放電功率[7]。Tian 等[8]比較了放電方式對PAW 理化特性和生物學效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，水下放電的殺菌效率強于水上放電，因為水下放電誘導了嚴重的氧化應(yīng)激，導致細胞內(nèi)更多的ROS 積累。且水下放電產(chǎn)生的PAW 氧化還原電位和電導率更高，這可能是由于相比于液體，大氣的擊穿強度、密度和電導率較低。工作氣體的成分對等離子體氣態(tài)產(chǎn)物有很大影響，PAW 中高濃度的H2O2與氬氣放電和等離子體中的電子能量[9]有關(guān)，在氬等離子體中，高能電子、激發(fā)的氬原子和離子主要負責H2O 的離解和H2O2的形成[10]，因此純氬的工作氣體有利于H2O2的形成。而用空氣作為工作氣體則有助于形成氮氧化物，Lai 等[9]用Ar 或者Ar+ 1% O2混合氣體作為工作氣體，產(chǎn)生的NO2-和NO3-濃度接近或低于儀器檢測極限，用空氣作為工作氣體則可促進NO2-的產(chǎn)生，說明N 原子的存在對NO2-和NO3-的形成至關(guān)重要。放電功率和電壓主要決定羥基自由基的形成，Van 等[11]解釋了所有吸附的OH 自由基都會轉(zhuǎn)化為H2O2，在氣相中形成的H2O2也會被運輸?shù)教幚硪褐?，增加PAW中H2O2的濃度。另外，激活時間也會影響PAW 的理化性質(zhì)和RONS 種類，PAW 的pH 值會隨著活化時間的增加而降低，活化10～20 min 后，溶液的pH 值一般下降到2～3 左右[3，12]。但使用不同的工作氣體對pH 值有一定影響，研究證實等離子體造成的水溶液酸化主要與其產(chǎn)生的NO 衍生物NO2-、NO3-和ONOO-等含氮物質(zhì)有關(guān)[13]。而PAW的氧化還原電位（ORP）、電導率、H2O2值、NO2-和NO3-濃度在一定范圍內(nèi)都會隨著活化時間的延長而增加[14]。

3 低溫等離子體活化水的殺菌機理及效果

3.1 PAW 的殺菌機理

在等離子體活化水的過程中，會產(chǎn)生長壽命的RONS，如H2O2、NO2-和NO3-，也會產(chǎn)生一些短壽命的RONS，如·OH、HOO·、O2·-和ONOO-。等離子體暴露于水中后產(chǎn)生的RONS 被認為是PAW中破壞細菌的關(guān)鍵成分，其中主要的反應(yīng)性物種和形成機理如圖1所示?；钚匝跏侵富瘜W性質(zhì)活躍的含氧原子或原子團，包括·OH、H2O2、O3、單線態(tài)氧（1O2）和O2·-等。ROS 通常被認為是主要的殺菌劑，可以破壞肽聚糖的分子內(nèi)鍵，導致細胞壁破裂[4]，引起微生物細胞膜的氧化應(yīng)激，改變細菌的表面結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài)，然后進入細胞內(nèi)導致DNA分解、蛋白質(zhì)破壞及其它內(nèi)部成分的損傷[15]?；钚缘侵敢訬O 為中心的衍生物，包括NO2、NO2-和NO3-等，它們能在水溶液中形成HNO2、HNO3導致水溶液酸化，使微生物失活。RNS 對微生物的滅活作用主要是通過降低PAW 的pH 值。PAW 的臨界pH 值約為4.7，高于此pH 值則殺菌效果較弱，低于此pH 值則殺菌效果明顯變強。臨界pH 值可能來自超氧陰離子自由基（O2·-）與過氧化氫自由基（HOO·）之間平衡反應(yīng)的pKa，約為4.8[16]。

圖1 等離子體活化水產(chǎn)生過程中的主要反應(yīng)性物種和形成機理Fig.1 The main reactive species and formation mechanism in the process of plasma activated water production

基于ROS 和RNS 的物質(zhì)可能在PAW 的滅菌過程中起重要的協(xié)同作用。有研究表明，單獨的NOx 和H2O2都不能有效使溶液中的細菌失活[16]，純酸性環(huán)境也幾乎沒有降低孢子的生存能力[14]，只有NO2-和NO3-以及H2O2在酸性條件下的協(xié)同作用才能產(chǎn)生強大的殺菌活性，這種協(xié)同作用大概是由于過氧亞硝酸（ONOOH）、過氧亞硝酸鹽和相關(guān)的氮氧化物產(chǎn)物的形成[17]。ONOOH 是一種非常強的氧化劑，與活細胞膜存在脂質(zhì)反應(yīng)，有很多研究已經(jīng)證實了ONOOH 的抗菌活性，但由于壽命短和其它反應(yīng)性物質(zhì)的干擾目前很少有研究對它進行量化。最新的研究首次發(fā)現(xiàn)由于PAW 中ONOOH 濃度太低而無法實現(xiàn)完全殺菌作用。實際上，ONOOH 與H2O2進一步相互作用生成的過氧硝酸（O2NOOH），最終分解為O2·-和1O2，這兩種物質(zhì)大大增強了PAW 的殺菌作用[18]。這與Ikawa等[19]的研究結(jié)果一致，PAW 中具有殺菌作用的物質(zhì)不是ONOOH，也不是游離的反應(yīng)性氧，而是釋放O2·-的含氮原子的分子O2NOOH。

3.2 PAW 對食品中常見微生物的滅活效果

食品中常見的致病菌有沙門氏菌、大腸桿菌、單核增生李斯特菌和金黃色葡萄球菌等，它們能以浮游、附著以及生物膜的形式存在于各種食品及環(huán)境中。PAW 對多種微生物均具有良好的抗菌活性，包括細菌、真菌、孢子、細菌生物膜以及病毒[20]等。不同類型的微生物對PAW 的敏感性不同，酵母和真菌比細菌的耐受性更強[6]，因為原核細胞比真核細胞具有更高的表面積/體積比，從而增加了這些細胞中RONS 的濃度。G+比G-耐受性更強，可能是因為G+肽聚糖結(jié)構(gòu)相對致密，敏感性相對較低。表2總結(jié)了近年來文獻中PAW 對食品中常見致病菌的浮游細胞和黏附細胞滅活的效果。無論是浮游細胞還是附著細胞，PAW 都能有效地滅活[21]。其它條件一定時，貼壁細菌的滅活效果不如浮游細菌，這可能是因為細胞在黏附過程中性能有所改變。PAW 對貼壁細胞的滅活作用既依賴于菌株，也依賴于所黏附的固體基質(zhì)，還依賴于細胞對材料的初始黏附水平。表中PAW 對浮游細胞的滅活效果僅代表在純培養(yǎng)物的情況下，不能完全代表在實際生產(chǎn)中的滅活效果。在實際生產(chǎn)過程中，既要求殺滅環(huán)境和加工器械表面黏附的微生物，又要求保持材料表面的完整性。已有研究證明PAW 能有效滅活黏附于不銹鋼和高密度聚乙烯上的微生物，且不會對被污染材料表面造成任何影響[6]。因此，PAW 與使用刺激性化學消毒劑（如含氯化合物、過氧乙酸等）的常規(guī)消毒方法相比，不會造成有害物質(zhì)的殘留和器械表面的損害，對環(huán)境的影響小且對微生物細胞的損傷強，在食品工業(yè)中有替代傳統(tǒng)消毒方法的潛力。但目前來看，將PAW 應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境消毒的研究幾乎還沒有，對生產(chǎn)車間接觸面、空氣、地面、水體以及管道等的消毒也還未涉及。

考參獻文[22][23][24][25][26][27][28][29][14][30][31][32][33][34][21][35][36][37][38][39][40][41]-1）/lg （CFU·mL 率活滅-1）lg （CFU·g或5.30和，3.43 1.54 2.10～5.50 1.62～2.96、0.6 0.2 0.49 2.00 0.77 4.40和，3.79，2.16 1.02，3.98 3.75 4.20，4.88，＞5，＞5，＞5＞5＞5，2.32 3.70 4.13，0.58，＞2，4，3.6＞7 5.5，3.90，0.86，7.10，7.00，6.58 5.91，5.73，4.73，4.07/5.25，5.12，4.45，3.22/6.56，5.64，3.98，3.44，5.36 /，3.16 1.84，5.90，4.35 2.20＞6 3.53和，2.51 1.27 4.41 0.59，0.72＞5 4.8果效活滅的物生微見常中品食對PAW 2表Inactivation effect of PAW on common microorganisms in food Table 2 間時理處間時化活置裝生產(chǎn)PAW式形在存類種物生微6 min 90 s和，60 30 APPJ胞細游?。≒seudomonas deceptionensis菌 CM2胞單假）CM2 10 min 10 min和5 PMJ胞細游?。⊿taphylococcus aureus菌球萄葡色黃金60 min 60 s APPJ胞細游?。˙acillus cereus spores菌桿孢芽樣蠟，24 h 2 20 min SDBD胞細游浮）（Aspergillus flavus Spores子孢霉曲黃-120 s PMJ胞細游浮）（Saccharomyces cerevisiae母酵酒釀5 min 30 min 列陣體子離等微胞細游?。⊿hewanella putrefaciens）菌氏瓦希敗腐8 min 60 s APPJ胞細游?。篐7（Escherichia coli O157：H7 O157菌桿腸大-30 min和，20，10 5-胞細游?。‥scherichia coli菌桿腸大，30 min 10-APPJ胞細游浮）（Colletotrichum gloeosporioides菌疽炭孢球10，15，20 min 30 min-胞細游浮菌球萄葡色黃金，20 min，15 10 30 min胞細游浮菌桿腸大1 min 30 min胞細游?。≒seudomonas aeruginosa菌胞單假綠銅15 min 60 s APPJ胞細游浮菌球萄葡色黃、金：H7 O157菌桿腸大1 min-電放弧電動滑胞細游?。↙isteria monocy-菌特斯O157：H7、李菌桿腸大togenes）15 min 20 min PMJ胞細游浮、菌桿腸）、大（Streptococcus mutans菌球鏈形變）（Candida albicans菌珠念色、白菌球萄葡色黃金1 h 5 min APPJ 胞細游浮黃（Listeria innocua）、金菌特斯李害、無菌桿腸大（Aeromonas hy-菌胞單氣水、嗜菌球萄葡色（Pseudomonas fluo-菌胞單假光drophila）、熒菌氏瓦希敗rescens）、腐10 min 5 min 電放弧電動滑/黏鋼銹不于附/黏胞細游浮膜（Hafnia alvei）、腸菌亞尼夫哈房、蜂母酵酒釀（HDPE）烯乙聚度密高于附萄葡皮（Leuconostoc mesenteroides）、表菌珠串明（Staphylococcus epidermidis）菌球30 min和，20 10 5 min電放弧電動滑于附黏/鋼銹不于附黏菌亞尼夫哈房蜂HDPE 15 s—DBD鋼銹不于附黏）（Clostridium difficile菌梭難艱15 min 10 min和，7 3 APPJ果堅于附黏）（Klebsiella pneumoniae菌伯雷克炎肺20 min 60 s APPJ殼蛋于附黏）（Salmonella菌氏門沙30，60 min 60 s APPJ 稻水于附黏菌桿孢芽樣蠟5 s 15 s DBD上手于附黏菌桿腸大30 min 60 min列陣體子離等微膜物生菌球萄葡色黃金

4 低溫等離子體活化水在食品保鮮中的應(yīng)用

4.1 在果蔬保鮮中的應(yīng)用

為了確保微生物安全，并對處理食品的感官和營養(yǎng)品質(zhì)的負面影響降到最低，許多研究都集中在非熱技術(shù)上，如高壓、脈沖電場、超聲波和非熱等離子體技術(shù)等[3]。PAW 是目前一種相對較新穎的生鮮食品保鮮方法，從表3可以看出，通過PAW 浸泡、漂洗或噴灑果蔬，能有效殺滅果蔬表面微生物，保持果蔬硬度，延緩腐敗變質(zhì)，且對果蔬的顏色和可溶性固形物含量等理化品質(zhì)造成的負面影響較小。同時，鮮切果蔬由于切割加工后組織內(nèi)的酶與底物的區(qū)域化結(jié)構(gòu)被破壞，極易褐變影響品質(zhì)，Liu 等[42]的研究表明PAW 處理可減少鮮切蘋果的淺褐色，在PAW 處理組和對照組之間也沒有觀察到抗氧化劑含量和自由基清除活性的顯著變化。Zhao 等[43]的研究也表明PAW 處理增強了鮮切獼猴桃中抗氧化酶的活性，提高了細胞內(nèi)ROS 的清除能力，有助于控制氧化損傷和脂質(zhì)過氧化，延長鮮切獼猴桃的貨架期。PAW 不僅能保鮮果蔬，還能在一定程度上降低農(nóng)作物中的霉菌毒素和農(nóng)藥殘留，如發(fā)芽大麥中鐮刀菌產(chǎn)生的脫氧雪腐烯醇[44]和葡萄中的辛硫磷殘留[45]，因為PAW 的酸性環(huán)境（pH＜3）和高氧化能力（ORP＞500 mV）有利于辛硫磷的減少。因此，PAW 有希望成為一種綠色的果蔬保鮮劑或清洗劑，但同時也應(yīng)考慮新鮮果蔬或鮮切果蔬被PAW 浸泡和漂洗后一些生理特性（如呼吸和后熟作用）和可溶性物質(zhì)的變化。

表3 PAW 在果蔬保鮮中的應(yīng)用Table 3 Application of PAW in the preservation of fruits and vegetables

4.2 在肉類保鮮中的應(yīng)用

PAW 在肉類中的應(yīng)用主要是肉類護色和肉類保鮮方面。肉類腌制通常會在新鮮的肉塊中添加NaNO2，起到發(fā)色、抑制脂質(zhì)過氧化、控制腐敗和病原微生物生長的作用。低溫等離子體可以與水發(fā)生反應(yīng)形成NO2、N2O3和N2O5等活性氮氧化物，這些活性物質(zhì)能與水分子結(jié)合成硝酸鹽或亞硝酸鹽，Jung 等[51]的研究表明空氣等離子體活化的鹽水溶液已經(jīng)含有足夠的亞硝酸鹽，可用作腌制的亞硝酸源，腌制的效果與添加亞硝酸鹽的處理組類似且脂質(zhì)過氧化值無明顯差異，但前者亞硝酸鹽殘留量更低。這與Yong 等[52]的研究結(jié)果一致，等離子體處理水可增加肉品紅度值，同時保持較低的殘余亞硝酸鹽含量和細菌總數(shù)，脂質(zhì)過氧化值也沒有明顯差異，且等離子體處理水制造的里昂火腿通過致突變試驗未顯示出遺傳毒性。Kim等[53]也對等離子處理水作為亞硝酸鹽源處理肉制品的安全性做了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子處理水生產(chǎn)的乳化液型香腸不存在致突變性和免疫毒性。因此，在不影響肉品質(zhì)量的情況下，PAW 可作為一種潛在的亞硝酸鹽替代品。

PAW 在肉類保鮮方面的應(yīng)用主要是抑制腐敗和病原微生物生長，Zhao 等[54]通過PAW 噴灑牛肉，發(fā)現(xiàn)鮮切牛肉表面的細菌在儲存24 d 時比對照少3.1 個對數(shù)值左右，并可以較好的保持鮮切牛肉的pH 值、揮發(fā)性鹽基氮值、硫代巴比妥酸值、彈性值和硬度，從而有效延長鮮牛肉的保質(zhì)期4～6 d。同時，PAW 也由于含有ROS 等強氧化性物質(zhì)會對肉類的顏色以及脂肪氧化產(chǎn)生不良影響。鮮牛肉經(jīng)過PAW 處理后a*值先增加后下降，這可能是由于脫氧肌紅蛋白氧化，在冷藏過程中轉(zhuǎn)化為鮮紅色的氧肌紅蛋白，而a*值的下降則是因為經(jīng)過PAW 處理后肉表面的pH 值顯著下降。Kang 等[55]發(fā)現(xiàn)PAW 處理雞肉后也會導致顏色變化，引起L*值升高、a*值和b*值降低，但硬度、彈性等質(zhì)構(gòu)特性無明顯變化，這與Royintarat 等[56]的研究結(jié)果一致。但用PAW 冰來保鮮海產(chǎn)品時，則可減輕對色澤的不利影響，Liao 等[57]用PAW 冰來保鮮蝦類產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)與自來水冰相比，PAW 冰在抑制微生物生長方面具有顯著優(yōu)勢，可延長貯藏時間4～8 d。經(jīng)PAW 冰處理的蝦在貯藏過程中pH值保持在7.7 以下，可以減緩L*值的降低和a*值峰值的出現(xiàn)，延遲蝦黑變病的發(fā)展和硬度的變化，使揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)量降低。焦湞等[58]通過研究PAW 冰對接種于三文魚表面單增李斯特菌的殺菌效果，發(fā)現(xiàn)PAW 冰可以有效抑制染菌三文魚片表面單增李斯特菌生長并減緩三文魚片揮發(fā)性鹽基氮值和pH 值上升。因此，PAW 冰有潛力作為未來海鮮保鮮的一種替代方法。目前，關(guān)于PAW 用于畜禽肉類產(chǎn)品保鮮中的研究還比較少，PAW 引起肉類顏色變化、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化等的機理也不夠清晰，如果想進一步將PAW 應(yīng)用于肉類保鮮，應(yīng)加大PAW 中影響肉類品質(zhì)物種的研究并尋找能夠減輕PAW 對肉類產(chǎn)生負面影響的方法。

表4 等離子體活化水在肉類護色與保鮮中的應(yīng)用Table 4 Application of plasma activated water in meat color preservation and preservation

5 結(jié)論

等離子體活化水相比于直接等離子體處理更加溫和，通過水為介質(zhì)避免了帶電粒子、紫外線和電子等特定物質(zhì)對脆弱的污染表面造成的直接等離子體損傷，同時它是以液體形式存在，使用更加方便靈活。它可以直接利用空氣作為工作氣體，蒸餾水作為活化液體產(chǎn)生，成本低廉，不會產(chǎn)生二次污染而在食品工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。PAW的殺菌作用來自于ROS 和RNS 的協(xié)同作用，其中O2NOOH 被認為是主要的殺菌物質(zhì)，最終可分解為O2·-和1O2從而大大增強殺菌效果。但主要活性物質(zhì)（O2·-和1O2）的壽命非常短，這可能成為PAW殺菌活性的主要限制。同時，水溶液的等離子體處理能產(chǎn)生H2O2，NO3-，NO2-和一些自由基等，這些化學物質(zhì)是否可能影響食品安全仍是一個需要探討的問題。另外，PAW 在肉及肉制品的殺菌保鮮，以及對肉制品感官品質(zhì)和理化品質(zhì)的影響方面研究甚少，僅有的幾篇文獻表明PAW 應(yīng)用于肉制品可能會對其色澤和脂肪產(chǎn)生不利的影響，但并未提及到減輕PAW 對肉類品質(zhì)影響的方法。

在未來的研究中，首先要進行PAW 的安全性評估，在充分利用這種消毒技術(shù)之前，有必要對PAW 中活性氧化劑的產(chǎn)生和其潛在的毒理學作用進行全面評估；其次應(yīng)對PAW 中短壽命活性物質(zhì)的降解動力學進行研究，為盡可能保持其活性和發(fā)揮最大抗菌作用提供依據(jù)；還應(yīng)優(yōu)化PAW 產(chǎn)生條件，比較不同裝置產(chǎn)生PAW 理化性質(zhì)的差異，開發(fā)更多種類的處理溶液，以獲得更好抗菌活性的PAW。同時，應(yīng)該推進PAW 在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究，一方面是生產(chǎn)環(huán)境消毒中的應(yīng)用，基于等離子體的氧化過程（POPs）可以進行廢水凈化和管路消毒，評價其對空氣、水體、管路等的殺菌效果。另一方面是在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，不少研究已經(jīng)證明了PAW 在種子萌發(fā)、促進植物生長、微生物誘變育種等方面的效果。但PAW 的低pH 值和高ORP 環(huán)境還具有降解農(nóng)藥的潛力，是否有可能在果蔬上市前通過噴灑PAW 降低表面農(nóng)殘或者開發(fā)PAW 作為果蔬的清洗劑是一個值得深入探究的問題。最后應(yīng)該加大PAW 引起肉類顏色變化、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化等的機理研究，考慮PAW 與其它非熱技術(shù)或者是物理因素等的結(jié)合，以提高殺菌效果并最大程度地減少對肉類等產(chǎn)品感官和營養(yǎng)品質(zhì)的負面影響。