覃 思，范铠源，李 虎，王闰宁，黄时海

（1.广西大学 电气工程学院，南宁 530004；2.广西大学 生命科学与技术学院，南宁 530004）

0 引言

食品及食品包装的杀菌消毒是一直以来困扰人们的难题。尤其对于生鲜果蔬类食品而言，在包装前进行有效的杀菌消毒，不仅能够保持其营养、风味和性状，更能延长货架期，提高食品品质［1］。LAROUSSI等［2］率先使用常压冷等离子体实现细菌灭活，为杀菌消毒提供了新的思路与技术方法。低温等离子体在灭菌作用、安全性、药物残留和灭菌时间等关键因素方面具有特殊的优势，从而使得这项技术在食品加工等领域具有广阔的应用前景［3］。目前我国已经有研究团队利用介质阻挡放电产生的低温等离子体对食物进行相关的灭菌试验研究，且效果显著［4-5］。

大气压等离子体射流（Atmospheric Pressure Plasma Jet，简称APPJ）技术是近年来新兴的大气压气体放电技术，并且已经成为国内外等离子体科学与技术领域的研究热点［6］。大气压等离子体射流能够将产生的低温等离子体引入开放的空间中处理具有复杂结构的物体，使得被处理物体与高压电极分离，提高使用的安全性，且射流温度接近室温。迄今为止，有许多团队使用APPJ技术进行抗菌研究并探索相关的灭菌机制［7-8］。这些研究中所使用的等离子体射流装置均使用惰性气体作为工作气体，如氦气、氩气、惰性气体与少量空气的混合物等。然而这些工作气体并不能够脱离复杂的储气装置或高压气瓶，导致利用惰性气体为工作介质的等离子体射流装置结构复杂且成本高昂，限制在实际应用中的可行性和多功能性。同时目前对此类设备的合规性考评标准的研究也是困扰人们的难题［9］。

本文旨在开发一种手持便携式APPJ装置，以环境空气为工作介质，采用高频交流电源驱动，使用介质管中的高压电极与介质管外的环状电极配置以产生空气等离子体射流，用于在较短的工作时间内减少待处理物品表面的细菌数量。通过改变装置的外加电压来研究所开发设备的电气特性以及对等离子体射流的影响。通过对APPJ装置的运行温度与等离子体射流温度的测量，进行验证性灭菌试验，测量对酵母菌的灭活效果，评估装置的杀菌性能。

1 实验装置和方法

1.1 空气等离子体射流装置设计

设计并制作一种使用环境空气为工作介质，由高压交流电源驱动的手持等离子体射流装置，如图1（a）所示。装置由2部分组成：外壳和等离子体激发腔体。射流装置外壳采用绝缘性能较好的尼龙材料［10］，采用3D打印技术一体成形（整体尺寸长150 mm，宽60 mm，高100 mm）。等离子体激发腔体如图1（b）所示，采用针-环同轴电极结构的介质阻挡放电产生等离子体，激发腔体内部平均电场强度［11］：

图1 手持空气等离子体射流装置示意图Fig.1 Schematic diagram of hand-held air plasma jet device

式中 Eavg——激发腔体内平均电场强度，kV/mm；

Upp——外加电压峰-峰值（幅值），kV；

dc——介质管厚度，mm；

dg——气隙间距，mm。

由式（1）可知，为了使得激发腔体内部电场达到一定强度，内外电极的间距不宜过大。因此，由石英制成的介质管，内径为6 mm，外径为8 mm，长为120 mm。在介质管外镀有宽度为10 mm铜膜作为接地电极，距管口5 mm。在介质管的轴心位置装有直径为2 mm的钨棒作为高压电极。高压电极与介质管之间采用绝缘体连接，高压电极前端与介质管喷嘴之间的距离为5 mm，喷嘴直径为3 mm。高压电极与介质管之间的环形腔室作为气体通道，允许工作气体通过。通过电离高压电极与介质管之间的空气产生等离子体，在气流的作用下从介质管口喷出，形成等离子体射流。

1.2 APPJ处理系统的搭建

为了研究所开发器件的电气特性、装置稳定运行温度、等离子体射流温度并进行验证性灭菌试验，搭建一个APPJ处理系统，如图2所示。环境空气由D50H-42H型无刷隔膜气泵（成都海霖科技有限公司）通过硅胶管从与绝缘层相邻的管道注入激发腔体；采用MF5706-25型质量流量计（成都矽翔微机电系统有限公司）控制与计量气体流速，保证空气均匀进入介质管；使用电压探头（Tektronix P6015A）测量高压交流电源的输出电压，电流探头（Tektronix P6021A）测量输出电流，示波器（Tektronix TDS 2024C）记录实时电压和电流波形；等离子体射流装置稳定运行温度与射流温度使用UTi120S型热成像仪（优利德科技股份有限公司）和TES-1310型热电偶测温仪（台湾泰仕有限公司）进行热成像监测与温度测量；使用EOS 60D型数码相机（佳能公司）捕捉空气电离图像；装置放电功率利用Q-V Lissajous图形法测量［12］，直接用电流探头测量放电装置的电流信号，将所得电流信号对时间进行积分，从而得到转移的电荷量Q，最后得到Q-V Lissajous图形进行分析。

图2 APPJ处理系统示意图Fig.2 Schematic diagram of APPJ processing system

1.3 细胞培养与灭菌试验方法

利用酵母菌水溶液作为试验样本，进行验证性灭菌试验。按照1：2：2的质量配比将酵母粉、蛋白胨和葡萄糖混合，制作YPD（Yeast Peptone Dextrose）培养液，另将酵母粉、蛋白胨、葡萄糖和琼脂按照1：2：2：2的质量配比混合制作固体培养基。将制作好的YPD培养液置于25 ℃的恒温摇床中，以200 r/min的转数培养24 h。培养好的酵母菌溶液的平均含菌浓度为106～107CFU/mL。

在实际生产生活中，食品表面的细菌并不是单个存在，而是多个细菌聚集在一起形成的生物膜。为了最大程度还原真实应用场景，将培养好的酵母菌溶液不经过稀释，直接均匀涂于YPD固体培养基上，厚度约为1.5 mm；然后将其放置在距离射流管口10 mm的位置，分别在12，14 kV外加电压条件下进行10，20，30，40，50，60，90 s的灭菌试验，对照组为将涂有酵母菌溶液的固体培养基放置在距射流管口10 mm位置进行30 s无外加电压的空气气流处理，以上试验流速均为3.5 L/min。试验结束后将所有培养基置于30 ℃的恒温培养箱中静置培养24 h，APPJ装置的灭菌性能即可通过对比试验组和对照组培养基上的菌落区域来进行评估。

2 结果与分析

2.1 电气特性

图3为在外加电压幅值分别为10，12，14 kV，频率为13.3 kHz时，测量得到的电压电流波形和Q-V Lissajous图形。

图3 电压电流波形图和Q-V Lissajous图Fig.3 Voltage and current waveform diagram and Q-V Lissajous diagram

介质阻挡放电是一个放电、熄灭和重新放电的暂态过程，丝状放电回路随机分布在放电空间内且持续时间非常短暂［13］。电流波形为许多微小的快速脉冲，分别对应在放电空间出现的放电细丝，体现电荷在放电空间内的传输迁移。外加电压为10 kV时，放电电流峰-峰值为11 mA；当外加电压升高为12 kV时，为19.8 mA；当外加电压升高为14 kV时，则为28 mA。放电电流的峰-峰值随着外加电压的增大而升高，且每半个周期内电流脉冲数量呈递增趋势。电流方向（正或负）和幅度在升压和降压半周期内不同，可能是由石英管内外表面电子和离子迁移率的差异引起［14］。

通过使用Q-V Lissajous图形来确定装置所消耗的平均功率：

其中，P为放电功率；T为放电周期；U为外加电压；f为放电频率；A为Lissajous图形面积［15］。

由式（2）计算得到，在外加电压为10 kV时，设备的放电功率为5.3 W；当外加电压为14 kV时，为7.6 W。放电功率随着外加电压的增加而增大，这是因为自由电子在电场中获得的能量与外加电压成正比，外加电压的增大可以使电子获得更大的能量，从而增强等离子体激发区域的粒子碰撞。放电空间内的丝状放电通道增多、半径增大，从而提高装置的放电功率。

不同外加电压条件下测量得到的Lissajous图形表现出不同的特征。随着外加电压的增大，Lissajous图形的面积不断增大，同时图形形状逐渐表现为平行四边形，说明随着外加电压的增大，正负半周期的放电电流对称性越来越好［16］。

2.2 外加电压对于等离子体射流的影响

图4显示了外加不同等级电压时空气的电离图像。将拍摄得到的照片经过峰值对焦处理，可知在9 kV时，空气发生电离产生的等离子体在气流的作用下形成等离子体射流。随着外加电压的升高，放电区域的电场强度逐渐增加，空气电离程度逐渐上升，产生的等离子体射流长度和等离子体形成的蓝紫色光的亮度随着电压的增加而增强，并充满整个激发区域，形成的等离子体射流均一性较好。此现象与图3测量得到的电压电流波形图相符合。对产生的空气等离子体进行OES检测分析可知，射流的主要产物是O3，NO2，以及少量的N2O，HNO3和N2O5［17］。随着外加电压的增加，发射光谱的峰值更高，但是基本轮廓保持相似，即等离子体射流中的活性粒子种类基本上不变，浓度随着外加电压的升高而升高。外加电压的幅值是影响空气电离产生等离子体的重要因素，外加电压越高，空气电离程度越强，空气等离子体射流中的活性粒子含量越高。

图4 空气等离子体射流（F=3.5 L/min）Fig.4 Air plasma jet（F=3.5 L/min）

2.3 等离子体装置稳定运行温度分析

APPJ装置在稳定工作10 min后的热成像照片如图5所示。在温度变化区域之间的紫色部分为地电极的位置。地电极保持较低的温度，约为室温。当外加电压从10 kV增加至14 kV时，介质管中的温度逐渐升高，地电极上方温度逐渐分层且区域有所扩张。位于地电极下方的红色部分为高温区域，随着外加电压的增加，高温区域有所增大，这一现象与图4相符。高温区域中的白色部分为装置的最高温度区域，温度随着外加电压的增大而升高。装置的最高温度由10 kV时的37.9 ℃逐渐升高至14 kV时的85.4 ℃，但是远低于装置主要结构的熔点［18］，不会对装置的使用和安全造成影响。地电极下方高温区域的出现可能是因为射流装置的孔口较小（直径只有3 mm），电离空气产生的大量等离子体不能及时跟随气流流出而聚集形成。在外加电压分别为10，11 kV时，地电极下方的最高温度区域并不在中心位置，而是靠向介质管的右侧。随着外加电压的升高，最高温区域逐渐移动至中心位置，可能是因为高压电极没有完全放置在介质管的轴心位置，而是向右偏移导致。

图5 不同电压下的装置温度分布（F=3.5 L/min）Fig.5 Temperature distribution of the device under different voltages（F=3.5 L/min）

2.4 等离子体射流温度分析

等离子体射流的温度是等离子体应用中的一个重要因素，为避免对处理食品造成热损伤或破坏待处理食品的活性组织，处理温度一般不应超过45 ℃的阈值［19］。空气等离子体射流温度通过接触式热电偶测温仪沿轴向测量喷嘴外的射流而得到，分别在不同外加电压等级和不同空气流速下，将探针放置在距离介质管出口10，20 mm的2个位置，连续暴露于等离子体射流中30 s，以获得仪表的稳态读数。

等离子体射流温度变化曲线如图6所示。在空气流速和测量位置相同的情况下，等离子体射流温度随着外加电压的升高而升高。在距管口10 mm且外加电压为14 kV时，射流温度达到最大值39.6 ℃。在外加电压等级和测量位置相同的情况下，等离子体射流温度随着空气流速的增大而降低。同时等离子体射流温度和与管口的距离也有较大关系，距管口20 mm位置的等离子体射流温度在相同条件下普遍低于10 mm处。

图6 距管口10，20 mm等离子体射流温度Fig.6 Plasma jet temperature at a distance of 10 and 20 mm from the nozzle

使空气等离子体射流装置产生的等离子体射流与人体直接接触，仅感受到气体吹动，无任何电击或灼烧感，设备放电稳定。

2.5 灭菌结果及分析

为评估设备的灭菌性能，在不同处理条件下对酵母菌菌落膜的形成进行等离子体射流处理试验，结果如图7所示。对比试验组和对照组可知，每个样品中经过等离子体射流处理的区域均产生了酵母菌生长抑制区，而在对照组中则未发现。表明酵母菌被等离子体射流中的活性物质通过一系列化学和物理反应所杀灭，与XIAO等［20］所述结果相吻合。

图7 不同处理条件下的酵母菌生长抑制区面积Fig.7 Area of yeast growth inhibition zone under different treatment conditions

在相同电压强度下，生长抑制区面积随着等离子体射流处理时间的增加而增大。在外加电压为12 kV时，生长抑制区面积从61.7 mm2逐步增大至128.5 mm2；在外加电压为14 kV时，生长抑制区面积从68.3 mm2逐步增大至198.2 mm2。生长抑制区面积与电压强度呈现正相关。在经过相同时间的等离子体射流处理后，外加电压为14 kV所形成的酵母菌生长抑制区面积普遍大于外加电压为12 kV的面积。

无论外加电压为12 kV还是14 kV，在经过20 s的等离子体射流处理后，所形成的酵母菌生长抑制区面积均已远大于射流装置喷口的面积，表明等离子体射流中的活性粒子在气流的扩散作用下有所外溢，与ZHU等［21］所报告的研究结论相符。试验结果表明，等离子体射流中的活性粒子对酵母菌的杀灭快速有效，不仅能够作用于菌落膜的表面，更能深入酵母菌菌落膜基中，同时不会对待处理物品的理化性质造成影响，而传统抗菌技术不能做到，证明了使用大气压空气低温等离子体射流技术对食品及食品包装进行杀菌消毒的可行性。

3 结语

设计制作的空气APPJ装置结构简单合理、运行稳定、操作方便，可产生安全、稳定的低温等离子体射流，能够在短时间内对食品及食品包装进行有效的杀菌消毒，为杀菌消毒提供新的技术方法。不仅探讨设计制作的APPJ装置的各项性能参数，还有望为此类设备的合规性评价体系的制定做出一定贡献。

APPJ装置的重要参量（电压电流波形、放电功率、装置温度、等离子体射流温度、灭菌能力）之间存在一定的表征关系，在后续的研究中，应对运行参数进行进一步的研究，以提高灭菌效率。同时也应将装置与实际应用相结合，根据不同的工作环境，增加空气过滤装置等结构，完成符合规模化、商业化运行的以环境空气作为工作介质的APPJ处理系统，将大气压空气低温等离子体射流技术推广到实际的食品生产中。