章建浩, 黃明明, 王佳媚,2, 趙見營(yíng)

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心/國家肉品質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心/食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210095;2.海南大學(xué)食品學(xué)院,海南?？?570228)

食品冷殺菌保鮮包裝技術(shù)的是國際食品科學(xué)技術(shù)的最新研究方向之一,低溫等離子體冷殺菌技術(shù)(cold plasma cold sterilization,CPCS)是一種可用于食品貯藏保鮮的冷殺菌技術(shù),利用食品周圍介質(zhì)產(chǎn)生光電子、離子和活性自由基團(tuán)與微生物表面接觸導(dǎo)致細(xì)胞破壞從而達(dá)到殺菌目的。目前,對(duì)于生鮮肉、新鮮果蔬及鮮切蔬菜等熱敏食品采用的冷藏、氣調(diào)包裝等殺菌保鮮包裝技術(shù),存在殺菌不徹底及產(chǎn)生二次污染的問題。為提高生鮮食品安全及延長(zhǎng)貨架保鮮期,開發(fā)高效冷殺菌保鮮包裝技術(shù)已經(jīng)成為食品保鮮行業(yè)的必然趨勢(shì)。

1 低溫等離子體概述

等離子體(plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài),廣泛存在于宇宙中,被稱為是物質(zhì)除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四狀態(tài),也被稱為“等離子態(tài)”;它可以由中性氣體在高電壓作用下激發(fā)誘導(dǎo)產(chǎn)生,如圖1[1],按照粒子(電子、離子、中性粒子)溫度差異可以分為熱等離子體“熱平衡等離子體”和低溫等離子體“非平衡等離子體”[2]。早期的低溫等離子體只有在低于大氣壓條件下才可以調(diào)控產(chǎn)生,隨著等離子物理和工程學(xué)的深入研究使得低溫等離子體可以在大氣壓條件下產(chǎn)生,使低溫等離子體具有很好的商業(yè)開發(fā)價(jià)值[3]。

圖1 低溫等離子體形成機(jī)理Fig.1 Cold plasma generation-ionization processing

2 CPCS殺菌機(jī)理

低溫等離子體冷殺菌技術(shù)可以產(chǎn)生多種具有殺菌性能的物質(zhì),如活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)、帶電粒子、紫外光子等。不同的殺菌物質(zhì)作用于細(xì)胞的不同部位造成細(xì)胞破壞或者生物體死亡,見圖2[4]。CPCS的殺菌機(jī)理可從對(duì)細(xì)胞的蝕刻作用、細(xì)胞膜穿孔與靜電干擾、大分子氧化三個(gè)方面解釋。

2.1 蝕刻作用

圖2 低溫等離子體殺菌示意圖Fig.2 Schematic overview of cold plasma-related inactivation mechanisms

蝕刻作用是指微生物在CPCS的作用下,某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂,最終產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì),如CO2和CxHy等。CPCS產(chǎn)生的紫外線和活性氧自由基被認(rèn)為是發(fā)生蝕刻作用的主因。在波長(zhǎng)200～300 nm范圍的紫外線,還可以誘導(dǎo)遺傳物質(zhì)中胸腺嘧啶二聚物的形成從而影響DNA的復(fù)制[5-7]。但在大氣壓條件下,紫外線可以迅速與活性氧反應(yīng)造成紫外線能量的下降(＜50μW/cm2),使其在殺菌過程中殺菌效果的降低[6]?；钚匝踝杂苫缌u基自由基和氮氧自由基可以直接轟擊生物體表面的細(xì)胞膜,并與環(huán)境中的氧分子共同作用,在細(xì)胞膜表面“緩慢燃燒”最終生成CO2和H2O等揮發(fā)性物質(zhì)[8-9]。

2.2 細(xì)胞膜穿孔與靜電干擾

CPCS產(chǎn)生的高能電子作用于微生物表面,造成細(xì)胞膜局部腐蝕及磷脂等物質(zhì)化學(xué)鍵的破壞。同時(shí)高能電子還可以與活性氧等物質(zhì)協(xié)同作用,氧化細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)和脂質(zhì),細(xì)胞膜局部的變形造成細(xì)胞膜表面小孔形成[10-11]。CPCS產(chǎn)生的電子和離子在細(xì)胞膜表面富集,使微生物表面局部發(fā)生不規(guī)則性的異樣曲率引發(fā)靜電干擾,使微生物細(xì)胞膜的總電張力超過了膜的總抗拉強(qiáng)度,從而造成細(xì)胞膜表面小孔形成[12]。

2.3 細(xì)胞內(nèi)的大分子氧化

CPCS產(chǎn)生的ROS、RNS可以與細(xì)胞大分子物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。ROS的生物靶點(diǎn)包括DNA、蛋白質(zhì)和脂類[13]。尤其是細(xì)胞膜表面的脂質(zhì)是ROS的主要攻擊靶點(diǎn)。ROS攻擊細(xì)胞膜中多不飽和脂肪酸,引起脂質(zhì)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[14]。

CPCS產(chǎn)生的氫過氧自由基、超氧陰離子自由基、單線態(tài)氧和臭氧都可以導(dǎo)致脂質(zhì)的氧化,它們可以與不飽和脂肪酸發(fā)生脫氫反應(yīng),形成脂質(zhì)自由基,脂質(zhì)自由基與氧分子反應(yīng)生成脂質(zhì)過氧化氫自由基,脂質(zhì)過氧化氫自由基具有很強(qiáng)的氧化性,它們可以與周圍不飽和脂肪酸發(fā)生氧化反應(yīng)形成脂肪酸過氧化物,從而引發(fā)脂質(zhì)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。細(xì)胞膜中脂質(zhì)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)造成細(xì)胞膜內(nèi)旋性的改變,細(xì)胞膜的選擇透過性破壞,細(xì)胞內(nèi)外滲透壓失衡,最終導(dǎo)致細(xì)胞的裂解[15]。

ROS還可以攻擊蛋白質(zhì)造成氨基酸側(cè)鏈的修飾和蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。這些改變可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的功能變化,從而擾亂細(xì)胞新陳代謝及正常生理機(jī)能[16]。如某些蛋白質(zhì)中的Fe-S簇對(duì)超氧化物自由基的攻擊特別敏感,多數(shù)酶類的活性金屬結(jié)合部位對(duì)ROS的攻擊也特別敏感[17]。同時(shí)蛋白質(zhì)的氧化導(dǎo)致氧化蛋白在體內(nèi)的積累,當(dāng)細(xì)胞體內(nèi)存在過量的氧化蛋白時(shí)會(huì)抑制蛋白酶的活性[18]。

ROS的另一個(gè)反應(yīng)目標(biāo)是DNA,它與DNA的堿基和糖基反應(yīng),造成脫氧核糖核酸的多種類型的氧化損傷。羥基自由基可以與DNA中的糖基反應(yīng),造成DNA鏈的斷裂,一般認(rèn)為羥基自由基并不具備穿過細(xì)胞膜的性質(zhì),所以CPCS造成的DNA鏈斷裂可能是由于過氧化氫與細(xì)胞內(nèi)的金屬離子發(fā)生Fenton反應(yīng),產(chǎn)生的羥基自由基直接作用臨近的DNA造成的[19]。ROS的反應(yīng)產(chǎn)物也可以與DNA反應(yīng)。如脂質(zhì)過氧化氫自由基可與DNA中的嘌呤反應(yīng)造成嘌呤聚合物的產(chǎn)生[20]。同時(shí)脂質(zhì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的某些醛類也可以與DNA反應(yīng)造成堿基的烷基化和DNA鏈內(nèi)或鏈間的交聯(lián)[21]。

3 食品中CPCS技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 生鮮果蔬CPCS技術(shù)應(yīng)用

CPCS具有作用時(shí)間短、殺菌溫度低等優(yōu)勢(shì)。在過去幾年中,等離子體在食品領(lǐng)域的應(yīng)用已有大量研究。Critzer等[22]第一次發(fā)表了CPCS對(duì)鮮切果蔬的殺菌效果,在果蔬表面接種7 lg(CFU/g)的大腸桿菌O157、單核增生性李斯特菌和沙門氏菌,采用CPCS處理1min使各菌菌落數(shù)含量下降1.0、1.0、2.0 lg(CFU/g)。CPCS處理芒果得到類似的殺菌效果,經(jīng)過1min處理,造成芒果中單核增生性李斯特菌和大腸桿菌O157菌落數(shù)含量下降2.5 lg(CFU/g)[23]。隨著進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),CPCS處理不同微生物,會(huì)造成不同程度的影響。Perni等[9]采用CPCS處理哈密瓜表面的釀酒酵母和葡萄糖醋酸菌發(fā)現(xiàn),經(jīng)等離子體處理后釀酒酵母菌對(duì)CPCS具有更強(qiáng)的抗性。采用CPCS處理芒果和檸檬果皮上大腸桿菌、釀酒酵母菌和葡萄糖醋酸菌發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果,CPCS對(duì)釀酒酵母菌的殺菌效果顯著低于對(duì)大腸桿菌和葡萄糖醋酸菌的殺菌效果。CPCS設(shè)備的不同也會(huì)帶來對(duì)殺菌效果的影響,經(jīng)滑動(dòng)電弧等離子設(shè)備處理果皮表面的沙門氏菌和大腸桿菌O157,分別造成2.93和3.4 lg(CFU/g)的下降[24]。研究發(fā)現(xiàn),CPCS對(duì)抗逆性較強(qiáng)的菌膜中的微生物也有很好的殺滅效果,CPCS處理可顯著降低生菜表面菌膜中氣單胞菌菌落含量(5 lg(CFU/g))[25]。除新鮮果蔬外,CPCS還可以有效的殺滅果汁中的微生物。研究表明經(jīng)過12、8和25s的CPCS處理,可以使鮮榨橙汁中的金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和大腸桿菌下降5 lg(CFU/mL)[26]。CPCS還可以很好地殺滅果汁中的某些耐酸菌,如弗氏檸檬酸桿菌。經(jīng)過480s處理可以使蘋果汁中的弗氏檸檬酸桿菌含量下降5 lg(CFU/mL)。研究發(fā)現(xiàn),CPCS處理對(duì)橙汁的色澤、pH值、抗氧化能力以及總酚含量并沒有帶來顯著的影響,但過長(zhǎng)的處理時(shí)間對(duì)果汁的色澤影響高于其他因素。研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的CPCS處理可以增加石榴汁中的花青素含量,但過長(zhǎng)的處理時(shí)間可能造成櫻桃汁中花青素含量的下降[27]。CPCS對(duì)水分含量較低的干果和香辛料類食品也具有很好地殺菌作用。利用CPCS處理胡椒粉30 min,可以使其中的沙門氏菌、枯草芽孢桿菌孢子以及萎縮芽孢桿菌孢子分別下降4.1、2.4、2.8 lg(CFU/g),并且對(duì)胡椒粉的色澤、風(fēng)味無顯著影響[28]。Bermúdez-Aguirre等[29]在用CPCS處理生菜、胡蘿卜和西紅柿?xí)r發(fā)現(xiàn),微生物菌落濃度也是影響CPCS殺菌性能的因素之一,相比于高菌落濃度,在低菌落濃度時(shí)低溫等離子體的殺菌效果更佳。

3.2 禽肉制品CPCS技術(shù)應(yīng)用

在冷鏈運(yùn)輸或冷藏條件下,某些嗜冷菌還會(huì)生長(zhǎng)繁殖造成肉制品的腐敗變質(zhì)。采用噴射型CPCS裝置,以He+O2作為誘導(dǎo)氣體可以有效地殺滅雞肉表面的微生物,并且隨著處理時(shí)間的增加殺菌效果逐步增強(qiáng)[30]。CPCS中誘導(dǎo)氣體和樣品本身的差異帶來不同的殺菌效果。分別采用He和Ar為誘導(dǎo)氣體處理豬肉,使豬肉表面菌落總數(shù)分別下降1.0 lg(CFU/g)和2.5 lg(CFU/g)。在相同的設(shè)備條件下處理牛肉,使牛肉表面菌落總數(shù)分別下降2.0和0.5 lg(CFU/g)[31]。采用介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge,DBD)類型的CPCS分別處理豬肉和牛肉中的單核增生性李斯特菌,造成3.86和4.01 lg(CFU/g)的下降量(p＜0.05),但當(dāng)此設(shè)備處理豬肉和牛肉中的大腸桿菌時(shí),兩者的殺菌效果差異不顯著(分別下降3.41和3.30 lg(CFU/g)),這表明菌種的差異對(duì)CPCS的殺菌效果也具有一定的影響[32]。CPCS處理禽肉表皮上的空腸彎曲桿菌和沙門氏菌,當(dāng)菌液濃度分別為2.0、3.0、4.0 lg(CFU/g)時(shí),CPCS的殺菌效果分別為1.42、1.87、2.45 lg(CFU/g)和1.25、1.08、1.31 lg(CFU/g)。 在此設(shè)備條件下處理雞胸脯肉,其空腸彎曲桿菌和沙門氏菌分別下降了 1.65、2.45、3.11 lg(CFU/g)和1.85、2.61、2.54 lg(CFU/g)[33]。 這表明相對(duì)于粗糙的表面,CPCS對(duì)光滑的樣品表面具有更好地殺菌效果,并且初始菌落總數(shù)越高,CPCS的殺菌效率越低。采用He為誘導(dǎo)氣體的DBD型CPCS處理豬背最長(zhǎng)肌,可使其中的單核增生性李斯特菌和大腸桿菌分別下降0.43、0.34 lg(CFU/g),采用He+O2為誘導(dǎo)氣體的此設(shè)備同樣處理以上兩種菌,其下降量分別增加到0.59、0.55 lg(CFU/g)[34]。一般認(rèn)為活性氧為CPCS的主要?dú)⒕?其殺菌作用顯著高于其他等離子體物質(zhì),誘導(dǎo)氣體中氧氣含量對(duì)CPCS產(chǎn)生的活性氧量具有顯著影響,在一定范圍內(nèi)高的氧氣含量產(chǎn)生高的活性氧含量,因而其殺菌效果更強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)CPCS應(yīng)用于禽肉制品殺菌的同時(shí),也會(huì)對(duì)肉品的品質(zhì)帶來某些影響。Kim等[35]發(fā)現(xiàn),CPCS處理造成豬背最長(zhǎng)肌pH值和亮度下降,但對(duì)其脂質(zhì)氧化程度影響并不顯著。Sara等[36]發(fā)現(xiàn)雖然CPCS處理會(huì)造成牛肉干中脂質(zhì)氧化程度的提高,但并沒有超過硫代巴比妥酸值的閾值(0.4 mg/kg)。

國內(nèi)從事CPCS殺菌保鮮包裝技術(shù)應(yīng)用研究的單位相對(duì)較少。章建浩等[37]公開了一種生鮮肉高壓電場(chǎng)等離子體協(xié)同納米光催化殺菌保鮮方法,其用于氣調(diào)包裝(modified atmosphere packaging,MAP)之后的生鮮肉的冷殺菌處理,可以延長(zhǎng)生鮮肉的保鮮期。王佳媚[1]發(fā)現(xiàn)生鮮雞肉用CPCS處理后在4℃條件下可保藏至少14 d,等離子體處理有效抑制了雞肉中嗜溫菌、嗜冷菌和假單胞菌的生長(zhǎng),同時(shí)有效維持了雞肉的良好感官品質(zhì)。本課題組對(duì)CPCS處理鮮牛肉的保鮮期進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)CPCS可以有效延長(zhǎng)牛肉貨架期,并且與非CPCS處理組相比,貯藏期間牛肉的揮發(fā)性鹽基氮含量和生物胺含量顯著低于對(duì)照組。

3.3 CPCS對(duì)食品中酶及毒素和農(nóng)藥降解的作用

CPCS對(duì)溶菌酶[38]、多酚氧化酶和過氧化物酶[39]等酶類都具有很強(qiáng)的至畸失活作用[40-42]。酶失活水平上的差異主要?dú)w因于酶自身、等離子處理?xiàng)l件、使用的酶介質(zhì)以及等離子設(shè)備類型的差異。過氧化物酶 (peroxidase,POD)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)是果蔬中普遍存在的重要酶。PPO催化酚類氧化為醌類,而這一催化反應(yīng)往往會(huì)造成對(duì)食品不利的改變,如脂質(zhì)和酚類的氧化帶來對(duì)食品風(fēng)味的改變和食品表面的褐變。Pankaj等[43]對(duì)番茄粗提取物中POD在低溫等離子體作用下的快速失活進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),處理時(shí)間和電壓對(duì)酶的失活水平有顯著影響。Surowsky等[44]研究不同誘導(dǎo)氣體下CPCS對(duì)POD及PPO活性的影響,通過圓二色譜法對(duì)比分析處理前后酶結(jié)構(gòu)的差異,發(fā)現(xiàn)處理后酶結(jié)構(gòu)中α-螺旋的數(shù)量顯著減少,從而造成酶活性的喪失。通過熒光光譜分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)過CPCS處理的蛋白質(zhì)中色氨酸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)一步證實(shí)了低溫等離子體對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)修飾。Ehlbeck等[45]用微波型CPCS處理鮮切蘋果和馬鈴薯10 min,發(fā)現(xiàn)處理后鮮切蘋果和馬鈴薯中的PPO活性下降了62%和77%,POD活性下降了65%和89%。一般認(rèn)為PPO活性的下降導(dǎo)致植物新陳代謝的降低,從而達(dá)到抑制果蔬表面褐變的目的。Tappi等[46]采用DBD型CPCS處理蘋果后發(fā)現(xiàn),鮮切蘋果中果膠酶活性隨著處理時(shí)間的增加而逐步下降,從而可以達(dá)到延緩果蔬成熟變軟的作用。研究發(fā)現(xiàn)CPCS除了可以直接作用于酶外,還可以通過間接作用達(dá)到抑制酶活的目的,Ali等[47]研究發(fā)現(xiàn),CPCS處理丁子香酚衍生物,其反應(yīng)產(chǎn)物可以作用于酪氨酸酶造成酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。CPCS對(duì)酶除了抑制活性外,在特殊情況下還具有增強(qiáng)酶活的作用,Li等[48]發(fā)現(xiàn)CPCS處理增加了脂肪酶的活性。Chen等[49]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低溫等離子體處理的糙米其發(fā)芽率增加了162%,這可能是通過增加糙米中α-淀粉酶活性引起的。Puac等[50]研究發(fā)現(xiàn)CPCS處理會(huì)導(dǎo)致胡蘿卜體內(nèi)超氧化物歧化酶和過氧化物酶酶活性的增加,超氧化物歧化酶可以降解超氧陰離子為過氧化氫和氧氣,過氧化物酶進(jìn)一步降解過氧化氫為水和氧氣。

天然和合成毒素在我們的生態(tài)環(huán)境中無所不在,如胰蛋白酶抑制劑、皂甙、凝集素等有毒化合物可能存在于各種食品中。其他毒素,如殺蟲劑、內(nèi)分泌干擾劑、霉菌毒素等的存在引起了消費(fèi)者對(duì)食品安全的關(guān)注。目前,應(yīng)用于食品領(lǐng)域降解有毒化合物的非熱技術(shù)非常有限。CPCS具有降解食品中霉菌毒素的能力[51-52]。目前研究人員通過優(yōu)化CPCS工藝參數(shù),以達(dá)到提高霉菌毒素降解效率的目的,并深入研究CPCS對(duì)霉菌毒素的降解機(jī)理[51,53]。雖然已將CPCS作為一種可行的替代方法呈現(xiàn),但還需要進(jìn)一步研究,以了解CPCS產(chǎn)生的不同活性物質(zhì)與霉菌毒素的反應(yīng)機(jī)制以及毒性降解通路。殺蟲劑是一種常用的農(nóng)作物試劑,它大大降低了昆蟲造成的農(nóng)作物損失,從而有效提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。但是,殺蟲劑在殺蟲的同時(shí),其在果蔬中的殘留對(duì)人類也是有害的,因此必須嚴(yán)格管制所有食品中的農(nóng)藥殘留。CPCS已被證實(shí)具有降解殺蟲劑的功能[54-55]。CPCS對(duì)農(nóng)藥的降解主要?dú)w因于其產(chǎn)生的多種活性物質(zhì),如離子 (H3O+,O+,O-,N+2)、分子(O3,H2O2) 和自由基 (O·,OH·,NO·)。

4 等離子體活性水的研究進(jìn)展

CPCS產(chǎn)生的活性自由基可以被水吸收,在水中產(chǎn)生諸如ROS、RNS以及H2O2、O3等物質(zhì),極大地提高了水的氧化還原電位,被定義為等離子體活性水(plasma active water,PAW)。PAW目前已經(jīng)被證明對(duì)不同的食源性致病菌和生物膜菌等均有較好的清除作用[56-57]。Ma等[58]研究PAW對(duì)草莓表面微生物的殺菌效果,研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)過20min處理,造成草莓菌落總數(shù)下降3.5 lg(CFU/g)。經(jīng)過0～4 d的貯藏,PAW處理并未對(duì)草莓的L值、a值和b值造成顯著影響,在貯藏期第4天,a值升高但與空白對(duì)照組相比差異不顯著。有研究表明,相比CPCS直接處理,PAW 的殺菌效果更強(qiáng),Fernández等[59]采用CPCS直接處理草莓僅造成1.72 lg(CFU/g)的下降,而PAW的殺菌效果顯著高于CPCS直接處理。這可能是由于草莓表面的凹槽和小孔限制了CPCS的殺菌范圍,而PAW處理采用完全浸泡的方式,從而增大了殺菌物質(zhì)與微生物的接觸面積達(dá)到更好的殺菌效果。隨后研究人員研究了活性水對(duì)中國小紅莓的保鮮作用,發(fā)現(xiàn)PAW處理能顯著延長(zhǎng)小紅莓的保鮮期[60],同時(shí)在7d的貯藏期內(nèi),PAW處理組和空白對(duì)照組的顏色差異不顯著。Alshraiedeh等[61]研究海藻酸鈉PAW對(duì)不同致病菌的抑制作用。結(jié)果表明,海藻酸鈉PAW溶液對(duì)大腸桿菌有較強(qiáng)的致死作用。

5 CPCS核心技術(shù)裝備研發(fā)進(jìn)展

5.1 CPCS核心技術(shù)裝備

CPCS的激發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多種形式,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)對(duì)其形成等離子體具有顯著的影響。介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)(dielectric barrier discharge,DBD)被認(rèn)為是最有效的等離子體冷殺菌激發(fā)系統(tǒng),其組成結(jié)構(gòu)示意圖見圖3[62]。DBD系統(tǒng)激發(fā)裝置的電極材料和介質(zhì)阻擋絕緣板對(duì)殺菌效能特性具有決定作用。

圖3 高壓電場(chǎng)低溫等離子體激發(fā)系統(tǒng)Fig.3 Cold plasma excitation system

目前,國際上研究使用的DBD型CPCS都是以簡(jiǎn)單組裝為主,也有工廠化殺菌的DBD等離子體激發(fā)系統(tǒng)設(shè)備的研究報(bào)道。歐盟于2016年開啟了一項(xiàng)SAFE-BAG項(xiàng)目,旨在結(jié)合多種DBD類型的等離子體通過間接處理的方式作用于食品流水線。Misra等[63]研發(fā)了一種隧道式等離子體激發(fā)裝置,如圖4。這是利用幾個(gè)并行獨(dú)立的DBD系統(tǒng)共同組建成一個(gè)隧道模式,等離子體在隧道的洞腔內(nèi)產(chǎn)生,這種設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,殺菌全面的優(yōu)勢(shì),并且可以根據(jù)食品材料的不同隨意調(diào)節(jié)流水線速度。

圖4 隧道式CPCS流水線裝置Fig.4 CPCSof tunnel like structure

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家肉品質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心食品保鮮包裝研究所從2012年開始與美國農(nóng)業(yè)部-農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局的肉類研究中心(USDAARS,QSARU)合作進(jìn)行CPCS關(guān)鍵技術(shù)研究,2015年借助江蘇省國際合作和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助,在國內(nèi)建立了第一套CPCS實(shí)驗(yàn)裝置,見圖5,啟動(dòng)了我國低溫等離子體冷殺菌關(guān)鍵技術(shù)和裝備的系統(tǒng)研究開發(fā),包括CPCS殺菌動(dòng)力學(xué)分析、殺菌作用機(jī)理和調(diào)控機(jī)制及生鮮調(diào)理肉冷殺菌保鮮包裝技術(shù)等方面的系統(tǒng)研究。在此裝備研究基礎(chǔ)上,目前CPCS自動(dòng)化生產(chǎn)線也正在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中。

圖5 CPCS實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.5 CPCSequipment

5.2 CPCS-MAP冷殺菌保鮮包裝關(guān)鍵技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線研發(fā)

與目前廣泛采用的熱源殺菌技術(shù)比較,CPCS與氣調(diào)包裝(modified atmosphere packaging,MAP)保鮮技術(shù)完美結(jié)合。產(chǎn)生殺菌作用的等離子體來源于包裝內(nèi)部氣體,對(duì)包裝產(chǎn)品進(jìn)行殺菌處理不會(huì)產(chǎn)生二次污染、不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)殘留,安全性高;盡管使用的電壓非常高,但電流微小、殺菌處理過程很短,不會(huì)產(chǎn)生熱量、沒有溫升,且能耗低、操作簡(jiǎn)便。因此,CPCS-MAP技術(shù)是食品冷殺菌保鮮包裝技術(shù)的重要突破;為此,筆者課題組通過產(chǎn)學(xué)研緊密合作,正在致力于CPCS-MAP冷殺菌保鮮包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線的研發(fā)。

6 CPCS關(guān)鍵技術(shù)裝備研究展望

在過去5年中,CPCS在食品新技術(shù)研究領(lǐng)域引起了很大的關(guān)注,目前研究顯示CPCS在食品冷殺菌保鮮包裝應(yīng)用中還存在某些局限性。由于低溫等離子體的滲透深度低,造成食品內(nèi)部的微生物難以殺滅;細(xì)菌遷移到食品組織和粗糙食物表面形成的難以殺滅的生物膜也為CPCS提出了一個(gè)提高殺菌效能的問題;某些食品成分,如抗氧化劑和其他營(yíng)養(yǎng)素可能會(huì)影響CPCS殺菌效率,這些問題表明未來使用CPCS技術(shù)時(shí)需要對(duì)某些特定產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化處理。此外,CPCS對(duì)食品品質(zhì)的影響研究相對(duì)較少,除了對(duì)食品pH值、脂肪氧化、感官色澤等因素的影響外,還需要研究其對(duì)食品中微生物、酶等的影響機(jī)理和調(diào)控機(jī)制。這是食品科學(xué)一個(gè)新的研究領(lǐng)域,需要科研人員廣泛深入的研究探索。

生鮮調(diào)理食品符合現(xiàn)代食品“特色美味、方便營(yíng)養(yǎng)”的消費(fèi)理念,必定成為今后食品消費(fèi)的主流,冷殺菌保鮮包裝技術(shù)是制約其發(fā)展的瓶頸。為此,生鮮調(diào)理食品安全品質(zhì)控制和冷殺菌保鮮包裝關(guān)鍵技術(shù)是“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域,也是“十三五”國家重大研發(fā)項(xiàng)目的熱點(diǎn)主題。由于CPCS-MAP生產(chǎn)線具備智能高效自動(dòng)化、冷殺菌無殘留、低碳綠色等優(yōu)勢(shì),因此它特別適用于對(duì)生鮮類及熱敏性食品(如生鮮畜禽魚類肉制品及調(diào)理產(chǎn)品、新鮮果蔬及鮮切菜等)的大規(guī)模生產(chǎn)包裝,具有關(guān)鍵的技術(shù)突破、巨大的開發(fā)空間和良好的應(yīng)用前景。