杨新文 - 牛文俊 - 成军虎 - 王满生 -

(1. 安徽中储粮粮油质监中心，安徽 合肥 230041；2. 华南理工大学食品科学与工程学院，广东 广州 510640；3. 中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205)

1 低温等离子体技术

1.1 等离子体放电

目前，低温等离子体的产生主要是通过气体放电，在食品领域，较为常见的气体放电方式为介质阻挡放电和电晕放电。在放电过程中，高密度的电子通过气态介质在电场中被加速，使电子和气体中的原子及分子发生初次大量碰撞，这些碰撞会改变电子的方向和能量，但是由于质量差异，一些质量较大的粒子在碰撞过程中几乎无动量传递，能保持接近外界环境的温度[3]。对于在大气压下空气等离子，氧气和氮气经过电离、离解等反应生成基态或激发态的粒子等，它们具有比单分子之间碰撞更低的活化能，与电子发生二次碰撞，进一步生成大量的活性氧、活性氮物质。同时，伴随着电子跃迁，会产生大量的紫外线，在紫外线和这些活性成分的作用下，对微生物进行灭活。

1.2 等离子体诊断

在等离子体的产生过程中，有电子、离子、自由基和光子等多种物质参与，为了更好地理解和控制这一过程，人们使用不同的方法来检测和诊断等离子体。目前，诊断技术主要分为电学和光学两种方式，一般实时进行。电学诊断技术常用的有朗缪尔探针、等效电路模型以及干涉测量法。朗缪尔探针法是将电极探针放入产生的等离子体中，通过描绘电流电压特性曲线间接诊断等离子体的浓度[4]。一般来说，这种方法要求探头的直径短于电子的平均自由路径，德拜长度满足拉普拉斯极限定理。否则，外层护套结构和内部碰撞的干扰会影响电子密度、空间电位等参数的检测。等效电路模型适用于产生大气压等离子体的高压电源，电压的时间特性由高压探头测量，并用数字示波器记录电压的时间变化。对于高于500 V 的电压，通常会使用具有某些特性的分压器。干涉测量方法表主要表征和测量等离子体的折射率，通过计算沿等离子体源的激光路径长度与折射率的关系从而诊断出等离子体的密度[5]。等离子体能激发不同波长的电磁波、电场以及磁场。通过光学测量能够有效地诊断等离子体的温度、密度和化学组成。测量仪器主要由4部分组成：等离子体产生装置作为光源，透镜作为光导向器，衍射光栅作为光谱仪，感光片作为检测器。在红外区域，通过傅立叶变换光谱法能观察到分子旋转与振动之间的转变，具有高光谱分辨率和高信噪比。干涉仪通过移动光学路径创建时域干涉图，再将干涉图转换为频域频谱。图1展示了以Ar惰性气体为工作气体的射频型低温等离子体的原子发射光谱图。

1.3 等离子体活性成分

图1 Ar惰性气体的射频型低温等离子体的原子发射光谱图

2 低温等离子体处理对食品品质的影响

2.1 对淀粉结构的影响

食品中淀粉结构的修改和改性与淀粉的有效利用至关重要。Bunara等[9]通过低温等离子体处理玉米淀粉，发现经过低温等离子处理的玉米淀粉的水结合能力有所增加。形成的主要原因是等离子体处理过后的淀粉样品，其部分直链淀粉与支链淀粉被降解为麦芽糖和葡萄糖等小分子糖，而这些糖含量的增加，会提高淀粉整体的亲水性能。Pal等[10]研究认为，稻米经过等离子体处理后，米粒中直链淀粉与支链淀粉中链的支化程度增加，处理后淀粉的脱水收缩性也发生了改变。在被处理前的冷藏期间，谷物淀粉分子主要由淀粉链之间的分子缔合引起重组，导致脱水收缩，而经过低温等离子体技术处理后，谷物中淀粉分子间的糖苷键在等离子体的作用下裂解而解聚，进而发生脱水收缩，如图2所示。

2.2 对蛋白质结构的影响

等离子体中产生的活性成分可以较为显著地影响肉的色泽。其中，NO和CO都有可能与肌红蛋白血红素发生配位结合，使肌红蛋白显示出鲜艳的粉红色。同时，由于等离子体产生的氮氧化物会溶于肉表面的水分中，生成亚硝酸盐和硝酸盐，导致pH下降的同时也有可能与肌红蛋白发生相互作用，这也是研究者认为等离子体能够作为护色手段的原因。除了与肌红蛋白的血红素配位结合，肌红蛋白还可能与NO的非血红素结合，即与卟啉环外的氨基酸结合，生成N-亚硝化肌红蛋白，从而存在一定的健康风险。Yong等[11]发现，将溶于磷酸盐缓冲液中的肌红蛋白暴露于常压等离子体(APP)20 min后，a*值下降，b*值上升(P<0.05)。APP处理后，肌红蛋白溶液中产生亚硝酸盐，为高铁肌红蛋白的亚硝化(绿色)提供了一个积极的环境。然而，在肌红蛋白溶液中添加0.5%二硫代钠(一种强还原剂)导致了脱氧肌红蛋白的形成，经APP处理后，脱氧肌红蛋白被转化为亚硝基肌红蛋白，呈现出理想的红色。因此，APP诱导的肌红蛋白溶液中的绿色与亚硝化的高铁肌红蛋白的形成有关。Wang等[12]发现，将安乐死的罗非鱼暴露于NO气体中，暴露时间越长，肌红蛋白的血红素与NO结合越多。Wang等[13]还尝试将NO溶于水中处理罗非鱼肉，发现罗非鱼的色泽稳定性显著提高，货架期延长。同理，Mantilla等[14]采用CO处理罗非鱼肉，鱼肉的a*值上升且稳定性增加。也有研究[15]认为，气调包装中加入CO能保持牛肉的鲜红色泽。这些研究均表明，等离子体与肌红蛋白的配位结合是很可能发生的。Surowsky等[16]通过采用低温等离子体技术处理新鲜食品中的酶，发现对蛋白质结构稳定起重要作用的二级结构受到了明显的破坏损失。放电产生的等离子体如OH-等可以参与到对蛋白质肽链的切割以及可以氧化氨基酸侧链并形成蛋白质—蛋白质交联，使蛋白质原有的活性受到显著影响。而Deng等[17]也通过介质阻挡放电等离子体对蛋白质进行处理，证实被处理的蛋白质被降解为了小分子物质，蛋白质的结构受损较为显著。Ekezie等[18]探讨了以干燥空气为载气的RF等离子体活性物质产生的氧化效应对肌原纤维蛋白(MP)结构的修饰以及对其理化特性的影响。采用分光光度法、ANS荧光探针法探究了CP处理对MP的理化特性的影响，结果表明，与对照组相比，MP的溶解性下降，且在10 min处理后，达到最低值(54.8±6.76)%；同时浊度增加，起泡能力基本不发生变化。初步揭示了CP处理可以诱导MP分子构像的改变，为蛋白质等生物大分子的修饰提供了一定的参考；圆二色谱分析结果表明，随着处理时间的增加，α-螺旋不断下降，经过10 min处理后，α-螺旋结构基本消失，揭示了等离子体中的活性成分对蛋白质的二级结构产生了破坏作用；ANS荧光探针和荧光发射光谱法分析结果表明，随着处理时间的延长，MP分子表面的疏水性逐渐增加，经过10 min处理后，表面疏水值从(465.7±9.33)增加到(846.6±10.2)。同时，MP蛋白的最大荧光吸收波长发生了轻微的红移。紫外吸收光谱显示MP分子在280 nm处的吸收呈现逐渐增加的趋势，初步揭示了等离子体中的活性氧成分如OH-、H2O+等对氨基酸残基以及巯基的氧化作用，以及诱导MP蛋白分子展开，导致疏水氨基酸暴露，从而引起MP蛋白分子构像的改变。图3揭示了低温等离子体处理对蛋白质高级结构的影响过程。

表1 等离子体—液体各相活性物质

图2 等离子体处理对淀粉结构的影响

ROS. 活性氧化物 RNS. 活性氮化物

2.3 低温等离子体处理对食品中微生物的影响

近年来，冷等离子体在食品工业中的应用显示出独特的优势，可用于灭活食品表面的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、巴西曲霉、大肠杆菌、单核增生李斯特菌等微生物[19]，酵母[20]，枯草芽孢杆菌内生孢子[21]和枯草芽孢杆菌[22]，黄曲霉[23]和曲霉寄生黄曲霉孢子[24-27]。包装后的肉经等离子体处理也能保证肉的微生物下降超过2个对数级，同时包装未被损坏。并且，等离子体处理在有效灭菌的同时，不会降低肉的质量，包括质地等感官质量和脂肪氧化、蛋白氧化等理化特性[28]。Kuzminova等[29]的试验结果表明，随着低温等离子体处理的进行，被处理过的枯草芽孢杆菌孢子的外层组织遭到明显破坏，孢子的尺寸也明显减小，与孢子的原始尺寸相比，孢子几乎被完全侵蚀。低温等离子体处理后微生物的细胞结构受到破坏，膜功能如控制物质进出受到显著影响，进而表现为微生物及孢子被灭活效果明显。芽孢内DNA携带着与芽孢内新陈代谢相关的信息，一旦相关的DNA受损，芽孢就很有可能死亡。目前研究发现，低温等离子体能造成芽孢内的DNA损伤，且主要与激发气体产生的紫外线有关。Hertwig等[21]使用3组气体(Ar，Ar+0.135% O2，Ar+0.135% O2+0.2% N2)对枯草芽孢杆菌进行灭活，并对灭活过程中芽孢灭活率和DNA损伤进行动力学分析，不同气体条件下DNA损伤的动力学模型不同。对突变体芽孢(缺乏α/β型DNA酸可溶蛋白，缺乏核酸切除修复路径)进行低温等离子体处理的试验中发现，突变体对于在低温等离子体处理下的环境敏感性增加。Ma等[30-31]用大气压等离子体射流活化的等离子体活化水(PAW)处理接种过金黄色葡萄球菌的草莓，贮藏4 d后使草莓表面的金黄色葡萄球菌减少了2 lg CFU/g，并且对真菌生长也有一定的抑制作用。

图4 低温等离子体处理对微生物灭活机制

3 结束语

低温等离子体激发过程中会产生大量的ROS和RNS等活性物质，可以与食品体系中的有机大分子如淀粉和蛋白质发生化学变化，可以进行化学修饰、改性与功能性优化。同时，这些活性成分可以与食品微生物的细胞膜成分及遗传物质DNA相互作用，最终达到灭活的效果。文章主要探讨了部分国内外学者使用低温等离子体处理食品分子结构变化的研究成果，为低温等离子技术调控食品品质提供重要理论参考和新的技术手段。同时，在关于低温等离子体灭活芽孢类微生物的研究上，灭活效果明显，处理时间短，效率高，在未来应用上低温等离子体技术将会有更广阔的发展空间，为该技术的工程化应用提供理论支撑。