◎ 楊雙喜，侯紅軍，戴瑜鵬，張小東，畢文奇，馬 海

（中央儲(chǔ)備糧中寧直屬庫(kù)有限公司，寧夏回族自治區(qū) 中衛(wèi) 755000）

非熱殺菌技術(shù)指利用非加熱的方式使殺菌對(duì)象達(dá)到無(wú)菌狀態(tài)的技術(shù)[1]。其相比熱殺菌技術(shù)具有殺菌效果好、污染小、易操作、環(huán)保節(jié)約、自動(dòng)化程度高，能夠很好地保存谷類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味成分，防止熱敏性成分損失等優(yōu)勢(shì)。目前，常用的非熱殺菌主要包括超聲滅菌、輻照滅菌、高靜水壓滅菌、超高壓滅菌和等離子體滅菌。其中超聲滅菌技術(shù)在規(guī)模化工業(yè)中的應(yīng)用存在較多問(wèn)題，且食品安全方面存在較大爭(zhēng)議；輻照滅菌技術(shù)易產(chǎn)生·OH、·H等自由基，與谷類(lèi)中蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)破壞空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致谷類(lèi)脂肪酸含量減少，產(chǎn)生難聞氣味[2]；高靜水壓滅菌技術(shù)對(duì)環(huán)境、設(shè)備尺寸、承受容器和材料耐受性要求嚴(yán)格；超高壓滅菌技術(shù)設(shè)備昂貴，存在間歇式滅菌、無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)等問(wèn)題；等離子體滅菌技術(shù)作為一種綠色、新型處理技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單方便、安全、能耗低、效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以保持谷物整體質(zhì)量、感官屬性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。為此，本文主要從等離子體的概念、分類(lèi)、滅菌原理進(jìn)行介紹，重點(diǎn)探討經(jīng)等離子處理后對(duì)谷物酶的活性、淀粉含量、酚類(lèi)含量和風(fēng)味物質(zhì)的影響，以期為等離子技術(shù)在谷類(lèi)加工和貯藏領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，推動(dòng)等離子技術(shù)在谷物領(lǐng)域中工業(yè)化應(yīng)用。

1 等離子體的概述

1.1 等離子體的概念

等離子體是一種游離于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等以外的一種新的物態(tài)體系，簡(jiǎn)稱(chēng)等離子態(tài)。等離子體通常由原子、分子、微料等中性離子以及帶電的電子和離子組成，其在電離過(guò)程中正負(fù)離子通常成對(duì)出現(xiàn)且數(shù)值相等，整體呈現(xiàn)準(zhǔn)中性，因此被稱(chēng)為等離子體。

1.2 等離子體的分類(lèi)

1.2.1 按照系統(tǒng)溫度分類(lèi)

（1）熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)電子和離子溫度達(dá)到106～108 K時(shí)稱(chēng)為高溫等離子體。

（2）非熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)離子溫度低于電子溫度時(shí)稱(chēng)為低溫等離子體。

1.2.2 按照放電方式分類(lèi)

目前，按照放電方式一般可分為氣體放電、電暈放電、輝光放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電及微波放電6種。其中，氣體放電和射頻放電適用于化工生產(chǎn)；輝光放電適用于紡織業(yè)生產(chǎn)；電暈放電適用于靜電除塵和半導(dǎo)體生產(chǎn)的靜電控制等方面；微波放電適用于電氣方面；介質(zhì)阻擋放電適用于食品領(lǐng)域。

1.3 等離子體滅菌的基本原理

1.3.1 高速粒子的穿透效應(yīng)

指采用等離子體裝置產(chǎn)生高濃度的陰陽(yáng)離子轟擊微生物，促使微生物表面產(chǎn)生的剪切力大于其表面細(xì)胞膜的張力，從而使微生物內(nèi)部的核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子遭到破壞，最終導(dǎo)致微生物死亡。

1.3.2 電場(chǎng)效應(yīng)

指等離子體會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，當(dāng)強(qiáng)度大于臨界值時(shí)其會(huì)穿透細(xì)菌細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

1.3.3 紫外光作用

指等離子體作業(yè)時(shí)將由輝光放電產(chǎn)生3.3～3.6 eV紫外線(xiàn)強(qiáng)度，在該強(qiáng)度下易破壞細(xì)菌的DNA和RNA，同時(shí)，使其蛋白質(zhì)氨基酸結(jié)構(gòu)和菌體糖結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而起到殺菌作用。

1.3.4 溫度作用

指等離子體作用條件下將產(chǎn)生高強(qiáng)度電子，該電子溫度相比氣體溫度較高，可促進(jìn)活性基團(tuán)和紫外線(xiàn)殺菌效果。

1.3.5 活性物質(zhì)的作用

指等離子作用下將產(chǎn)生大量的原子氧和自由基等活性基團(tuán)，該基團(tuán)可參與微生物內(nèi)部核酸、蛋白等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

2 等離子體滅菌對(duì)谷物微生物的影響

2.1 等離子體對(duì)細(xì)菌的影響

Agata等[3]以谷物為研究對(duì)象，利用等離子體進(jìn)行處理，探究與谷物相關(guān)細(xì)菌安全問(wèn)題。結(jié)果表明，處理時(shí)間大于5 min時(shí)，谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌和乳酸菌數(shù)量越少。Lee等[4]采用等離子體技術(shù)對(duì)全谷物糙米表面進(jìn)行處理。結(jié)果表明，當(dāng)處理時(shí)間大于20 min時(shí)樣品表面大約減少2.30 lg CFU/g大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌?？梢?jiàn)，采用等離子體處理有利于減少和控制谷物中細(xì)菌數(shù)量，起到延長(zhǎng)貨架期的作用。

2.2 等離子體對(duì)細(xì)菌芽孢的影響

Li等[5]采用等離子體對(duì)小麥進(jìn)行處理，探究其對(duì)小麥理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，等離子處理后能有效降低小麥粉中的總平板計(jì)數(shù)、酵母、霉菌和芽孢桿菌數(shù)量。Butscher等[6]以小麥為研究對(duì)象，嗜熱硬脂地桿菌內(nèi)生孢子為模型生物，對(duì)小麥顆粒和聚丙烯模型基質(zhì)進(jìn)行人工污染，最后利用等離子技術(shù)以不同的處理時(shí)間、脈沖電壓和頻率組合對(duì)樣品進(jìn)行處理。結(jié)果表明，處理時(shí)間越長(zhǎng)、脈沖頻率越快或脈沖電壓越高，對(duì)微生物產(chǎn)生的孢子滅活效率越高。

2.3 等離子體處理對(duì)霉菌的影響

李帥[7]以玉米為研究對(duì)象，采用等離子體對(duì)玉米進(jìn)行預(yù)處理，探究等離子體對(duì)玉米黃曲霉和寄生曲霉菌落的影響。結(jié)果表明，等離子體預(yù)處理功率的增大或處理時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)玉米籽粒儲(chǔ)藏期間霉菌生長(zhǎng)量無(wú)顯著性影響。Suhem等[8]為抑制黃曲霉在瓊脂培養(yǎng)基和糙米谷物棒上的生長(zhǎng)，采用等離子設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行處理。結(jié)果表明，等離子處理功率為40 W、時(shí)間25 min時(shí)，對(duì)黃曲霉在瓊脂培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)抑制效果最好。

3 等離子處理對(duì)谷物品質(zhì)的影響

3.1 等離子處理對(duì)谷物酶活性的影響

3.1.1 脂肪酶

脂肪酶與脂肪酸接觸將產(chǎn)生氫過(guò)氧化油酸，加速油脂過(guò)氧化值升高，破壞谷物貯藏時(shí)期的穩(wěn)定性與品質(zhì)。張琛等[9]在電場(chǎng)強(qiáng)度12.5 kV·cm-1、脈沖頻率316 Hz、脈沖寬度4 μs、處理時(shí)間315 s，以及麥粒水分含量295 g·kg-1條件下，得到小麥脂肪酶活性抑制率超過(guò)50%。許強(qiáng)等[10]利用不同電場(chǎng)強(qiáng)度處理小麥脂肪酶5 min，探究在第1 d和第10 d電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)脂肪酶紫外光譜的影響。結(jié)果表明，電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.0、2.0、4.0和6.0 kV/cm時(shí)，第1 d 的紫外光譜的變化幅度強(qiáng)于第10 d的變化幅度；電場(chǎng)強(qiáng)度為3.0和5.0 kV/cm時(shí)，第1 d 的變化幅度弱于第10 d的變化幅度。表明等離子體處理技術(shù)可以抑制谷物脂肪酶活性，并且抑制程度受貯藏時(shí)間影響，時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)其抑制程度越弱。

3.1.2 脂氧合酶

脂氧合酶易催化脂質(zhì)氧化促使谷物貯藏過(guò)程中產(chǎn)生陳化現(xiàn)象，導(dǎo)致谷物貯藏穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)褪色和陳化氣味現(xiàn)象，嚴(yán)重影響谷物的外觀和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。Haniye等[11]采用氬氣和氮?dú)饫涞入x子體對(duì)小麥胚芽進(jìn)行處理，探究輸入不同氣體對(duì)脂解酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)以氬氣為等離子體氣體，30 min后脂氧合酶的殘余活力分別下降至42.50%和87.72%；切換等離子體輸入氣體至氮?dú)?，常壓冷等離子體處理相同時(shí)間后，脂肪酶和脂氧合酶的殘余活性分別為77.50%和92.52%。表明等離子氣體可以鈍化和抑制脂氧合酶活性，并且輸入的氣體和處理時(shí)間不同，對(duì)其抑制效果存在顯著性差異。

3.2 等離子體處理對(duì)谷物淀粉的影響

淀粉在谷粒中約占70%，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉構(gòu)成。其中，直鏈淀粉占比20%～25%，支鏈淀粉占比75%～80%，兩者含量和自身性質(zhì)的變化將直接影響谷物的品質(zhì)。例如，谷物在貯藏過(guò)程中淀粉含量將略有減少，從而導(dǎo)致谷物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)降低。目前，有關(guān)研究表明，等離子技術(shù)產(chǎn)生的高能粒子能夠?qū)Φ矸垲w粒進(jìn)行轟擊、刻蝕和解聚等效應(yīng)，從而促進(jìn)淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變。李瑞紅等[12]采用介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)，研究在不同處理電流下等離子體中兩種淀粉結(jié)構(gòu)和理化功能性質(zhì)的變化。結(jié)果表明，等離子體處理對(duì)蠟質(zhì)玉米淀粉改性效率優(yōu)于高直鏈玉米淀粉，且改性過(guò)程中主要改變玉米淀粉的長(zhǎng)程晶體結(jié)構(gòu)，而對(duì)短程雙螺旋結(jié)構(gòu)的影響較小?？梢?jiàn)，等離子技術(shù)在淀粉改性方面應(yīng)用廣泛，具有低成本、高效率、適應(yīng)強(qiáng)、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，可廣泛促進(jìn)淀粉在不同食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3 等離子體處理對(duì)谷物酚類(lèi)物質(zhì)的影響

酚類(lèi)物質(zhì)主要是一種或多種含有羥基的芳香環(huán)化合物，具有抗氧化、抗炎、抗高血壓和預(yù)防癌癥的作用。采用等離子體對(duì)大米和玉米麩皮進(jìn)行處理，結(jié)果表明，處理后玉米糠（4 -羥基苯甲醛、對(duì)香豆素、芥子酸和阿魏酸）和米糠（香草醛、阿魏酸、芥子酸和綠原酸）中個(gè)別多酚含量顯著提高，并且總酚含量、總黃酮和抗氧化活性也相對(duì)顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，大米經(jīng)等離子處理后，樣品中酚類(lèi)物質(zhì)含量顯著提升，功率增加到40 W，處理時(shí)間縮短至10 min時(shí)，可獲得酚類(lèi)物質(zhì)含量為0.44 mg GAE/100 g。表明等離子體處理技術(shù)在促進(jìn)全谷物糧食食品開(kāi)發(fā)中具有重要作用。

3.4 等離子體處理對(duì)谷物風(fēng)味物質(zhì)的影響

谷物的風(fēng)味主要由醛、酮、醇、雜環(huán)類(lèi)等化合物構(gòu)成。孟寧[13]研究發(fā)現(xiàn)，等離子處理后可使糙米飯中醛類(lèi)、萜類(lèi)物質(zhì)增加，可為糙米飯?zhí)峁┣嗖菹愫凸銡馕?，但?duì)醇類(lèi)和醇類(lèi)化合物影響較小。采用介質(zhì)阻擋放電冷等離子體對(duì)糙米進(jìn)行非熱處理，結(jié)果表明，處理后樣品中游離脂肪酸和己醛含量顯著下降，儲(chǔ)藏期間色澤更加穩(wěn)定，且具有苯甲醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、(E)-2-壬烯醛、己醛和壬基氯甲酸鹽等獨(dú)特的揮發(fā)性化合物。等離子處理?xiàng)l件下促使酶的活性發(fā)生改變，產(chǎn)生酶促反應(yīng)，促進(jìn)活性物質(zhì)、底物和酶等從細(xì)胞中釋放出來(lái)，從而產(chǎn)生各種風(fēng)味物質(zhì)。

4 結(jié)論與展望

采用等離子技術(shù)對(duì)谷物進(jìn)行處理，對(duì)谷物的微生物和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面的作用較顯著。對(duì)于谷物微生物方面，等離子體可以破壞微生物細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)，促使谷物中大腸桿菌、芽孢桿菌、乳酸菌和蠟樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等數(shù)量減少，抑制附著在谷類(lèi)表面的真菌曲霉和青霉數(shù)量。對(duì)于谷類(lèi)酶活性方面，等離子體可以破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，促使酶與底物結(jié)合的活性位點(diǎn)或酶的輔基發(fā)生改變，促使脂肪酶和脂氧合酶的活性發(fā)生改變。對(duì)于谷物淀粉，經(jīng)過(guò)等離子處理后對(duì)淀粉顆粒進(jìn)行轟擊、刻蝕和解聚，促使淀粉分子改性效率提高；產(chǎn)生交聯(lián)，提高儲(chǔ)能模量，降低損耗模量；降低相對(duì)結(jié)晶度和短程有序性，提高淀粉糊的凝膠強(qiáng)度。對(duì)于谷物酚類(lèi)和風(fēng)味物質(zhì)方面，提高其酚類(lèi)物質(zhì)含量和抗氧化能力、保留獨(dú)特風(fēng)味物質(zhì)，降低游離脂肪酸和己醛化合物含量，保證谷物色澤穩(wěn)定、品質(zhì)良好。近年，等離子體在谷物方面研究相對(duì)較少，本文主要探討國(guó)內(nèi)外等離子體在谷物部分理化性質(zhì)和微生物方面的研究，為等離子體在谷物方面的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。