康超娣,相啟森,劉 驍,栗俊廣,張 華,白艷紅

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450001)

近年來,大氣壓低溫等離子體技術(shù)日臻成熟,在食品非熱殺菌[1]、食品內(nèi)源酶失活[2]、農(nóng)藥殘留降解[3]等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-6]。然而由于食品原料形狀的不規(guī)則性,現(xiàn)有的大氣壓低溫等離子體技術(shù)在處理均勻性等方面還未達(dá)到理想的效果。目前,國內(nèi)外最新研究已將水作為大氣壓低溫等離子體的中間媒質(zhì)來對食品進(jìn)行處理。等離子體活化水(Plasma-activated water,PAW)也稱為等離子體處理水(Plasma-treated water,PTW),是指通過在水中或水表面進(jìn)行等離子體放電而得到的液體。研究證實,PAW具有良好的殺菌作用[7-8]。由于溶液具有良好的均勻性和流動性,PAW克服了大氣壓低溫等離子體技術(shù)作用不均勻等技術(shù)缺陷,其在食品生產(chǎn)和安全控制領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-8]。

本文綜合分析了PAW的制備方法及其在食品殺菌保鮮、生物被膜控制、肉制品保鮮護(hù)色、芽苗菜生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展,初步探討了PAW的作用機(jī)制,并討論了PAW研究中有待解決的問題和發(fā)展方向,對今后PAW技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究有一定指導(dǎo)作用。

1 PAW的制備方法和理化特性

1.1 PAW的制備方法

目前,PAW主要通過在水表面或水下進(jìn)行大氣壓氣體放電來制備。理論上講,能夠產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的方法均可用于PAW的制備?？紤]到制備量和安全性,在實際研究中使用較多的主要包括介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge,DBD)、表面介質(zhì)阻擋放電(Surface dielectric barrier discharge,SDBD)、大氣壓等離子體射流(Atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等[7-8](圖1)。如圖1a所示,DBD裝置包括兩個平行金屬電極,其中至少一個覆蓋絕緣介質(zhì)(作用是阻擋貫穿兩個電極的放電通道)。當(dāng)兩個電極上施加了足夠高的交流電壓時,電極間的氣體被激發(fā)而產(chǎn)生等離子體,形成的等離子體擴(kuò)散進(jìn)入蒸餾水中而得到PAW。SDBD 裝置與DBD裝置類似,主要特點是由多組電極組成(圖1b)。APPJ裝置是由一個圓柱體的金屬射頻(RF)電極和圓筒狀的金屬接地電極構(gòu)成。在高電壓作用下,氣體通過上述兩個共軸電極之間的縫隙時被電離而產(chǎn)生等離子體;在氣體壓力的推動作用下,產(chǎn)生的等離子體由噴口向外噴出并與蒸餾水接觸而得到PAW(圖1c)。

圖1 等離子體活化水產(chǎn)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the producing systems of plasma-activated water

1.2 PAW理化特性

在等離子體放電過程中,PAW中產(chǎn)生了大量的活性化學(xué)物質(zhì),并顯著影響其pH、氧化還原電位、電導(dǎo)率等理化指標(biāo)。

圖2 氣體等離子體與水溶液相互作用中產(chǎn)生的活性物質(zhì)和機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of some of the reactive species and mechanisms in the plasma-liquid interaction

1.2.3 氧化還原電位 氧化還原電位(Oxidation reduction potential,ORP)是表征水溶液氧化還原能力的重要指標(biāo),與其中含有的活性氧、活性氮等物質(zhì)有關(guān)。研究表明,等離子體處理能夠顯著升高水溶液的ORP,例如經(jīng)放電5 min和10 min所得PAW的ORP分別為350 mV和550 mV,均顯著高于對照組(約270 mV)[14-15]。

1.2.4 電導(dǎo)率 由于產(chǎn)生了大量的水溶性化學(xué)物質(zhì),PAW的電導(dǎo)率一般隨放電時間的延長而顯著升高[14-15]。

2 PAW在果蔬殺菌保鮮中的應(yīng)用

2.1 PAW對果蔬的殺菌保鮮作用

最新研究表明,PAW具有廣譜殺菌特性,能夠有效殺滅存在于環(huán)境和食品中的釀酒酵母、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等食品腐敗菌和食源性致病菌[15,17-21]。目前,對PAW在食品殺菌保鮮領(lǐng)域的研究多集中于果蔬產(chǎn)品,尚無應(yīng)用于肉制品、禽蛋制品等的研究報道。Guo等研究表明,PAW浸泡處理能夠有效殺滅葡萄、草莓、雙孢蘑菇等表面的微生物并顯著延長產(chǎn)品的儲藏期,而對果蔬產(chǎn)品的色澤、硬度、pH和抗氧化能力等理化指標(biāo)無顯著影響[15,20-21](見表1)。上述文獻(xiàn)中的研究結(jié)果表明,PAW處理既能有效殺滅消除生鮮食品上的微生物,又能抑制并延緩生鮮食品腐敗變質(zhì),在食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 PAW在食品殺菌保鮮的應(yīng)用Table 1 Applications of PAW in the sterilization and preservation of foods

2.2 PAW殺菌機(jī)制

國內(nèi)外學(xué)者對PAW殺菌機(jī)理進(jìn)行了大量實驗研究,并提出了若干不同的觀點。研究證實,PAW含有的H2O2等活性物質(zhì)能夠穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,通過損傷DNA、蛋白質(zhì)等引發(fā)氧化應(yīng)激等途徑而殺死微生物[3]。此外,等離子體處理引發(fā)的溶液酸化(pH降低)和ORP升高也可能是PAW發(fā)揮殺菌作用的重要機(jī)制之一[1]。例如,pH是影響氫過氧自由基(HOO·)解離平衡的重要因素。當(dāng)pH低于HOO·的酸解離常數(shù)(4.88)時,將促進(jìn)HOO·的形成;HOO·具有很強(qiáng)的氧化性并能繼續(xù)反應(yīng)生成H2O2,能夠引發(fā)細(xì)胞發(fā)生氧化損傷[14,22-23]。

式(1)

式(2)

目前國內(nèi)外學(xué)者對PAW殺菌機(jī)理尚未得到統(tǒng)一的觀點,甚至存在較大的爭論。例如Chen等發(fā)現(xiàn)在以空氣為載氣進(jìn)行放電所制備的PAW中銅離子和鋅離子濃度隨放電時間的延長而顯著升高;考慮到銅離子和鋅離子均具有一定的殺菌作用,因此作者推測電極腐蝕釋放到PAW中的金屬離子可能在其殺菌過程中發(fā)揮了一定的作用[24]。

3 PAW對細(xì)菌生物被膜的失活作用

細(xì)菌生物被膜(Bacterial biofilm)是自然條件下細(xì)菌細(xì)胞包裹在自身產(chǎn)生的多聚物基質(zhì)內(nèi)并粘附于惰性的或者生物物體表面,形成的具有一定結(jié)構(gòu)性的細(xì)菌群體[25-26]。在食品工業(yè)中,食源性病原菌和腐敗菌能夠在食品、食品加工設(shè)備、輸送管道、不銹鋼等表面形成生物被膜,成為食品生物性危害的潛在污染源[27]。研究結(jié)果表明,除顯著殺滅浮游生長的微生物以外,PAW也能夠有效清除多種細(xì)菌的生物被膜[24,28-31]。Chen等報道,PAW能夠通過裂解細(xì)胞膜等途徑有效殺滅大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物被膜,但對其生物量無顯著影響[28]。與Chen等[28]研究結(jié)果類似,Pan等發(fā)現(xiàn)經(jīng)PAW處理5 min后,第5 d形成的糞腸球菌(E.faecalis)成熟生物被膜被完全失活,其作用機(jī)制可能與其含有的活性氧/活性氮有關(guān)[31]。與漂白粉、過氧乙酸、二氧化氯等傳統(tǒng)化學(xué)消毒劑和殺菌劑相比,PAW具有無化學(xué)殘留、安全高效等優(yōu)點,有望應(yīng)用于食品設(shè)備、輸送管道等食品接觸面中細(xì)菌生物被膜的清除和控制。

4 PAW對肉制品的保鮮和護(hù)色作用

N2+e→N+N+e

式(3)

N+O2→NO+H

式(4)

NO+O3→NO2+O2

式(5)

式(6)

式(7)

研究證實,在乳化型香腸、肉糜等中添加PAW能夠發(fā)揮良好的保鮮和護(hù)色作用[8,32-33]。在真空包裝和80 ℃水浴加熱30 min后,PAW處理組豬肉糜(PAW添加量約為20%,W/W)的亮度(L*)和黃度(b*值)與亞硝酸鈉處理組(添加量約為1.2%,W/W)和空白組無顯著性差異,但其紅度(a*)顯著低于亞硝酸鈉處理組并顯著高于空白組(p<0.05)[32]。Jung等報道,在乳化型香腸制備過程中添加9%(W/W)的PAW并于4 ℃儲藏28 d后,PAW處理組總需氧菌數(shù)與亞硝酸鈉處理組類似,均顯著低于空白組(p<0.05);4 ℃儲藏28 d后,與亞硝酸鈉處理組相比,PAW處理組香腸的亮度(L*)顯著升高,而紅度(a*)、黃度(b*值)和亞硝酸鈉殘留量均顯著降低(p<0.05),而色澤、風(fēng)味、彈性、總接受性等感官得分均高于亞硝酸鈉處理組(p>0.05)[8]。綜上所述,作為一種亞硝酸鹽的替代品,PAW在肉制品加工和安全控制方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景,但其安全性、穩(wěn)定性等問題仍需深入研究[34]。

5 PAW在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

芽苗菜以豆類或谷類種子所儲存的營養(yǎng)物質(zhì)為基礎(chǔ),浸泡一定時間然后定期淋澆,使種子萌發(fā)然后生長到一定長度所獲得的幼苗,具有風(fēng)味獨特、口感脆嫩、生育周期短、經(jīng)濟(jì)價值較高等優(yōu)點。研究證實,適當(dāng)?shù)牡蜏氐入x子處理或PAW均能夠促進(jìn)大豆、綠豆、蘿卜、黑麥等種子的萌發(fā)和生長[35-39]。Zhang等發(fā)發(fā)現(xiàn),在處理時間為2 min時,電壓為17.3 kV的DBD等離子體處理能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長,但繼續(xù)升高電壓至22.1 kV,黃豆芽的生長反而受到抑制;在電壓為22.1 kV 時,DBD等離子體處理12～60 s能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長,但當(dāng)處理時間超過2 min時黃豆芽的生長則受到顯著抑制,表明等離子體處理對種子的生長具有雙重作用[35]。Naumova等研究表明,PAW能夠促進(jìn)黑麥的萌發(fā)和生長,放電5 min所制備的PAW處理組黑麥發(fā)芽率、根和胚芽鞘長度約分別是自來水處理組黑麥種子的1.5倍、2倍和1.5倍[38]。與Naumova等研究結(jié)果類似,Kim等采用DBD放電5 min制備的PAW來生產(chǎn)黃豆芽,發(fā)現(xiàn)與自來水相比,PAW處理能夠顯著促進(jìn)黃豆芽的生長并抑制其表面微生物數(shù)量;與自來水處理組相比,PAW處理組豆芽子葉、下胚軸和根中維生素C含量分別提高了5.5%(p<0.05)、11.0%(p<0.05)和9.2%(p>0.05),同時其子葉、下胚軸和根部中γ-氨基丁酸、天冬酰胺、絲氨酸等氨基酸含量也均顯著高于自來水處理組(p<0.05)[39]。類似于電解水,PAW促進(jìn)植物種子萌發(fā)和生長,可能與其含有的活性氧和活性氮等物質(zhì)有關(guān)[35,40]。

綜上所述,適當(dāng)?shù)腜AW能夠促進(jìn)種子的發(fā)芽和生長,有效降低芽苗菜表面微生物數(shù)量并顯著升高維生素C、γ-氨基丁酸等營養(yǎng)成分含量,在芽苗菜生產(chǎn)和安全控制方面具有較大的應(yīng)用前景。

6 前景與展望

目前,作為一種新型的環(huán)境友好型處理技術(shù),PAW具有處理范圍廣、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,在果蔬殺菌保鮮、肉制品保鮮護(hù)色、芽苗菜生產(chǎn)等食品生產(chǎn)與安全控制領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。目前,PAW相關(guān)研究存在作用機(jī)制不明確、多集中于實驗室研究等問題。在今后的工作中,一方面應(yīng)該加強(qiáng)PAW活性組分生成機(jī)制及影響因素、作用機(jī)理等方面的基礎(chǔ)研究,同時還應(yīng)系統(tǒng)地評價PAW的安全性;另一方面應(yīng)該加強(qiáng)PAW在食品原料殺菌保鮮、食品接觸面消毒等領(lǐng)域的應(yīng)用研究并評價其對食品感官品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的影響,從而推動PAW在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

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