低温等离子体杀菌技术研究现状

◎ 许童桐，党庆秋

（1.四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830；2.四川轻化工大学，四川 宜宾 644000）

过去食品的灭菌方法常用高热灭菌，此法会造成一些不利于食品品质的反应发生，如蛋白质凝固和核酸变性。甚至有些食品经进一步加温后会在高温作用下分解，发生颜色的改变，以及水分和维生素的流失。近代出现了巴斯德消毒法，但此法严格的保存方式和短暂的保存时间使其不能在食品中得到广泛运用。随着工业的发展，食品污染途径也在迅速增加，故而保持食品风味的同时做到高效率灭菌是现代食品企业进一步发展突破的机遇。近年来倡导的低温等离子体灭菌可能将成为下一个值得研究推广的灭菌方式。

1 等离子体概述

1.1 等离子体的概念

在人们的常识中物质有3 态，分别为气态、液态和固态。此外还有第四类不常为人熟知的物质状态，这一类物质状态被称为“等离子体”。它由正离子和游离电子构成，通常不带电但具有非常强的导电性，是一种新兴的杀菌介质。目前熟知的等离子体有太阳或者其他恒星表面的气层。因当强电流通过时，电磁作用会引发产生剧烈的收缩，所以，现如今人们通常通过电场和磁场来产生利用等离子体。

1.2 等离子体的分类

等离子体按照是否达到热平衡，可分为两类，一类是热平衡等离子体，另一类是非热平衡等离子体。利用其电子、离子和中性粒子相对温度的区别与不同点，当等离子体的电子、离子和中性粒子处于相等的温度，即上述的热平衡状态时，称它为高温等离子体。相反，当其电子有几千摄氏度的超高温，而粒子和中性粒子的温度远低于电子，有时候可以接近于日常室温，即上述非热平衡的等离子体，又称它为冷等离子体。因为在常温下可以利用，故低温等离子体灭菌在食品灭菌领域有极高的研究价值和未来前景。

1.3 低温等离子体杀菌

对低温等离子体建立起可以作为灭菌技术手段的认知，最初来源于1968 年Menashi 的报告。在这一次报告中使用到了等离子灭菌技术来消灭玻璃瓶上的细菌，而等离子体是用氩等离子体。在这以后，人们对等离子灭菌逐步了解，并逐步运用于现代轻工业、医疗业和食品工业中。

1.4 关于低温等离子体杀菌机理的几种假说

目前，学界还未能准确了解低温等离子体完整的杀菌机制。主要流行的3 种关于反应机制的假说[1-3]：①制造强磁场产生等离子体时产生的一些紫外线，会引起微生物细胞核中的基因组发生改变，而改变来源于DNA 的碱基。紫外线下碱基形成嘧啶二聚体，最后导致微生物死亡，达成灭菌。②自由基导致了微生物组分发生改变，并最后使得微生物死亡，而等离子体杀菌过程可以生成各类化学活性物质，即自由基。③产生等离子体时，产生的紫外光中有着相当含量的紫外光子，这些紫外光子可以使微生物中一些细胞分子的化学键断键，最终生成一些挥发性物质，例如一氧化碳（CO）、碳氢化合物（CHx）等。

2 低温等离子杀菌成分与辐照杀菌技术的区别与联系

由上述可以知道低温等离子杀菌的一些杀菌成分分别为紫外线、紫外光子、自由基和等离子产生带电粒子。有研究比较了电镜下低温等离子杀菌后的细菌与病毒，发现二者的电镜图像均呈现有许多击穿孔，研究者推论低温等离子灭菌离不开高动能的离子以及电子运动[4]。

青莉芳等指出辐照灭菌主要是利用电磁波，且主要有3 种不同辐照可以针对不同种类的食品进行灭菌[5]。它与低温等离子灭菌相比，相同之处是利用破坏化学键的方法使微生物失活，并且高效、无残留、无毒性。差别在于，辐照灭菌的方式单一，多利用射线产生的低于10 MeV 的电子束来进行辐照灭菌。

3 低温等离子体在食品杀菌中的应用

近年来，Dobrynin 等人研究可控制一氧化氮注入生物介质和活细胞，证明等离子体有助于食品保鲜[6]。马虹兵等也利用电场灭杀液体中的沙门氏菌以及大肠埃希氏菌，以此证明等离子体灭菌在液体食品灭菌中同样具有可行性[7]。以下研究者也从各个方面研究了低温等离子灭菌技术在食品中的应用。

（1）林向阳等人研究低温等离子灭菌技术在液体食品中的运用[8]。实验表明液体食品中含有的细菌可在常温情况下短时间内被低温等离子体灭杀，且实验结果显示，与作为对照组的低温杀菌以及高温杀菌等技术相比，低温等离子杀菌技术最优。与空白对照相比，实验组橙汁和牛奶含有细菌总数下降，产品的维生素C 氧化值极低，并且这项技术低能耗，相同分量下每毫升橙汁或者牛奶只消耗1 ～2 J 的能量。

（2）刘传林等人对分装式低温等离子体减压保鲜技术进行了研究[9]。实验表明，这项技术在常温下可以运用并且可以有效调节湿度有利于保藏，而等离子体的成分作用于食品内部和表面，梳理了不利于保藏的乙烯气体，也使得病原菌死亡，对农药残留也有调节降低作用。其作用后的果蔬类农产品保鲜期因为产品品种差异，可以达到90 ～150 d，而其检验运输后货架销售期为7 ～10 d。

（3）张志伟等人通过实验比较不同的电压、时间、极距对大气压下低温等离子体对鲜切胡萝卜表面的金黄色葡萄球菌灭菌效果的影响[10]。实验结果表明，低温等离子体杀菌的杀菌率与处理电压和处理时间成正比，但是与处理极距成反比，实验通过响应面法证明其所建立模型可以运用于实际生产杀菌。

（4）张建浩等人研究低温等离子体技术处理牛肉[11]。处理10 d 的牛肉重新检测表明，低温等离子杀菌技术能够明显延长鲜牛肉的货架销售期，低温等离子体技术有效抑制了有害微生物的繁殖。与气调包装组对比也说明处理后的牛肉不仅健康安全而且对色泽等感官影响微弱，说明在肉制品的食品灭菌领域低温等离子体灭菌也是一项值得探索研究的新技术。

4 低温等离子体杀菌的优点与问题

4.1 低温等离子体杀菌技术的优点

低温等离子体技术作为一项杀菌技术，在食品工业生产中有着巨大的优势和潜力，并且在国外相关企业的实际生产中也得到了很好的运用。技术的优势主要体现在：①可以在常温下运用，对于不便高温灭菌的食品提供了优良的灭菌技术。②利用等离子体灭菌，其气体循环也有利于带走灭菌废物和灭菌造成的生物残留。③由于等离子体被严格约束在密闭空间中，故而相较于高温灭菌，低温等离子体灭菌技术也较为安全。④灭菌速度快、灭菌效率高。⑤绿色无污染，高效环保。低温等离子体技术与诸多旧技术相比，弥补了很多的缺点与不足，非常值得研究推广。

4.2 低温等离子体杀菌技术目前存在的主要问题

现阶段，低温等离子体技术不能在我国食品灭菌领域普及推广的原因，一方面是新技术，企业需要更多研究依据从而研究论证其对生产者和消费者的安全性，另一方面是这项技术的工业机械化研究需要大量的资金和设备支持。最后另外，该技术虽然优点众多，但是其本身也有一定的局限性，张建浩等指出低温等离子灭菌中等离子体穿透性较低，加工中其他设备和加工环节也可能影响杀菌效果，如果采用低温等离子灭菌，诸多关联环节也需要改进、重新设计，这对其灭菌普及造成了相当大程度的影响[12]。而杨新文等人研究等离子技术灭菌后食品品质的变化，也表明了虽然等离子灭菌后的食品色泽稳定性较好，但蛋白质结构受损明显[13]。

5 结语

随着科技的不断发展，技术的不断推陈出新，低温等离子体灭菌技术一定可以因为其对食品感官风味和营养成分的优良保留特点凸显更大的实践价值。在此对这项技术未来的研究提出一些期待：①加大对其灭菌机制的研究，得到令大部分人信服的观点结论。②研究这项技术运用食品后对食用者健康的影响，为这项技术提供相关的安全性支持。③研究这项技术在食品工业中的设备改良和相关设备的设计。④研究这项灭菌技术中食品的厚薄通透性对灭菌效果的影响，为企业的利用效率和为实践指导方向。