冷等离子体灭菌技术在乳制品中的应用研究进展

冷等离子体灭菌技术在乳制品中的应用研究进展

牛乳中含有多种重要的营养物质。一般通过热加工（巴氏杀菌和灭菌）、发酵和制成乳制品（奶酪等）保证牛乳的食用安全性，同时也延长了保质期。热处理一直是乳制品加工中不可或缺的一部分。为了满足消费者对新鲜和更少加工乳及乳制品的需求，越来多的食品生产企业开始采用新型的食品保存技术，包括高静水压力、脉冲电场、超声波和大气压冷等离子体。冷等离子体灭菌技术利用高浓度的反应性介质（如电子、离子、自由基和激发分子）组成等离子体，实现对微生物的快速杀灭，同时较大程度保留食品品质。

内蒙古大学生命科学学院的齐格其、旭日花*和内蒙古大学物理科学与技术学院的朱俊等对冷等离子体灭菌技术在乳制品中的应用研究进展进行总结，旨在为冷等离子体灭菌技术在乳制品灭菌工艺中的应用提供理论支持。

冷等离子体灭菌技术的概述

等离子体的典型分类

等离子体是一种准中性气体，是固体、液体和气体之后的第4种物态，在宇宙中的物质占比超过99%。它是一种带电气体，由电子、正负离子、自由基、气态原子和激发态离子等多种不同种类的粒子组成。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体两类。高温等离子体指电子、离子和中性粒子都处于热平衡状态。低温等离子体则分为热等离子体和非热等离子体。热等离子体也被称为准平衡等离子体，处于局部热平衡状态。非热等离子体也被称为非热平衡等离子体或冷等离子体，在非热平衡等离子体中，自由电子仅有少量能量会转移给周围粒子，产生极高的电子温度，形成非热力学平衡状态。冷等离子体的离子温度低于电子温度且整个体系宏观上表现为常温。等离子体典型分类如表1所示。

冷等离子体是指大部分耦合电能主要传递给等离子体的电子组分，从而产生具有动能的电子而非加热整个气体流；同时，等离子体中的离子和中性组分仍然保持或接近室温。由于离子和中性组分的温度相对较低，这种特性为使用冷等离子体处理热敏感材料和生物组织提供了可能性。

不同类型的等离子体在杀菌机制和应用上会有所不同。冷等离子体主要通过激发和离子化空气中的分子和原子产生活性介质（如氧自由基、等离子体电子等），从而对微生物产生杀菌作用。这种杀菌方式可以在相对低温条件下进行，减少热敏食品的质量损失。热等离子体则是在高温条件下产生的等离子体，它产生的高温能够直接对微生物造成热杀伤，有效灭活细菌、真菌和病毒。因此，不同类型的等离子体在杀菌机制和应用上有着各自的特点，对于不同类型的食品，选择适当的等离子体处理方式很重要。

冷等离子体的杀菌机制

低温等离子体放电会产生大量活性氧（ROS）、活性氮（RNS）等活性成分，这些活性成分对细菌、真菌和孢子均有一定灭活作用，可应用于食品杀菌、农业育种和污染治理等领域。等离子体处理过程中产生的多种作用物主要包括自由基和化学产物，如原子氧、臭氧（O3）、羟基、ROS、RNS、紫外辐射、可见和红外光谱范围内的辐射、带电粒子、交变电场以及物理化学刻蚀等过程。病原菌几乎不可能对这些等离子体胁迫因子产生抗性。其中ROS和RNS在杀菌过程中发挥主要作用，其产生的杀菌物质及对乳制品的潜在影响如表2所示。冷等离子体灭菌首先通过电离气体（如氩气、氧气等）产生活性物质，通过与微生物细胞接触，可以触发以下3 种杀死细胞的基本机制：等离子体产生过程中形成活性物质诱导的细胞表面刻蚀、化合物和紫外线光子的内在光脱附以及对遗传物质的破坏。冷等离子体可以导致微生物细胞膜的破坏，进而抑制微生物形成生物膜。通过紫外线光子杀死微生物细胞可以有效对抗对抗生素耐受的微生物，使其DNA和RNA分解，在微生物产生多种耐药性的情况下仍然保持高效的杀菌效果。冷等离子体的杀菌机理如图1所示。

冷等离子体技术的应用

等离子体设备用于处理食品的方式有很多，包括等离子体射流、DBD、电晕放电、微波放电等。目前处理乳制品最常见的两种等离子体处理方式是DBD和电晕放电。DBD设备由两个电极和至少一个电介质屏障组成（主要用于避免向电弧转移）。在电晕放电的过程中电子被加速并获得能量，从而导致气体分子电离并产生离子、电子和活性化学物质，这些化学物质可以用于化学反应和表面处理等。

目前，在冷等离子体材料加工领域（如等离子体薄膜沉积、刻蚀、材料表面改性等）广泛应用的等离子体源一般在低气压条件下产生。在低气压条件下比较容易产生大面积、均匀的辉光放电等离子体，并且处于高度非平衡状态（即电子温度远高于重粒子温度）。与传统的低气压气体放电等离子体材料加工相比，大气压非平衡放电等离子体材料加工过程摆脱了真空腔的限制，大大降低了设备的建造和维护成本，同时解决了实际应用中受真空腔体积限制的问题，并且能够在放电气体温度较低的情况下（通常在25～300 ℃之间）产生大量的活性基。近年来在不同领域应用的等离子体设备如表3所示。几种比较常见的等离子体灭菌器如图2所示。

在真空室中很容易获得非热等离子体，因为电子、离子和中性分子之间的碰撞在低压条件下很少发生。近年来对低压等离子系统的研究也集中在医疗器械的去污和灭菌方面。Awakowicz等利用低气压等离子体处理医疗器械，当使用由RF电源激发的13.56 MHz功率产生电感耦合等离子体时，可以高效、快速灭菌；使用Ar/O 2 /N 2 三元混合物比Ar/N 2 或O 2 /N 2 的消毒效果好；当Ar/O 2 /N 2 的比例控制在7.5∶1∶4时，其灭菌效率高，这种方法还可以实现对生物大分子的快速破坏和蚀刻。虽然低压等离子体可以产生具有均匀发光等离子体的高浓度活性物质，但由于需要真空系统，维护成本很高，因此是否适用于食品工业生产还需进一步研究。

以上为冷等离子体直接处理物体表面的方式，此外还有另一种用等离子体处理溶液间接处理样品的方式，例如等离子体活化水、等离子体活化介质、等离子处理的水等。这些溶液中的成分与样品发生反应并充当消毒剂或抗癌剂发挥作用。

冷等离子体杀灭食源性致病菌的研究

近年来，研究者开始探索使用冷等离子体杀灭食源性致病菌的效果。研究表明，处理后的食品相比于对照组在硬度、颜色、pH值和可溶性固形物含量等品质方面无显著差异。冷等离子体技术具有杀菌快、无化学残留等优点，因此有望在食品工业中得到广泛应用。很多学者将低温等离子体杀菌技术应用于肉类、果蔬类、谷类、禽蛋等食品，均表现出良好的杀菌效果。冷等离子体对不同食品中致病菌的杀菌效果见表4。

冷等离子体主要通过产生的RNS、ROS对肉品杀菌并降低内源酶活性，从而达到肉品保藏的目的，RNS可作为肉制品中亚硝酸盐的替代物，但活性粒子对肉品成分尤其是对蛋白质和脂肪的影响不容忽视，过度氧化最终导致肉品品质劣变。

冷等离子体在乳制品中的应用

利用等离子体处理乳制品的研究涉及奶酪切片、全脂牛乳、半脱脂牛乳、脱脂UHT牛乳等。所有研究都证实了低温等离子体灭活牛乳和乳制品中有害微生物的潜力。表5总结了冷等离子体技术在牛乳和乳制品中的应用进展。经过处理后乳制品颜色发生变化（美拉德褐变）、出现异味、营养价值损失的情况相对较少，因此低温等离子体可以成为传统巴氏杀菌方法的潜在替代方法。

冷等离子体对乳制品物理性质的影响

冷等离子体对乳制品黏度的影响

牛乳黏度取决于其组成成分和加工条件。有研究表明，黏度随着温度和水分含量的增加而降低，随着脂肪、乳糖、蛋白质和矿物质含量的增加而增加，黏度由于成分差异（例如脂肪含量和蛋白质含量）以及处理条件（杀菌温度、时间和压力）差异而变化。有研究表明，生牛乳直接接触流速分别为3.0、6.0 mL/min等离子体后，黏度从1.62 mPa·s分别降至1.60、1.57 mPa·s。但是，这些黏度差异在牛乳加工中可以忽略不计。在冷等离子体处理过程中观察到黏度降低现象被证明是由蛋白质和脂质氧化导致。

冷等离子体对乳制品颜色的影响

牛乳颜色是一种重要的感官特性，与乳制品的质量有着密切的关系。颜色由L*、a*、b* 3 个主要坐标的三维颜色空间定义，其中L值表示亮度，a值表示红色或绿色，b值表示黄色或蓝色。总色差（ΔE）与人类对两种感知颜色之间差异的视觉判断相关。将冷等离子体技术应用于奶酪中，会导致奶酪颜色发生变化，由于ΔE较低（＜1.5），肉眼无法察觉。Yong等利用DBD等离子体系统（15 kHz）处理干酪切片，其L值显著降低、a值增加，这可能是由于处理时间较长（10 min）导致。另一项应用于奶酪的研究发现在干燥空气和MA65（65% O 2 、30% CO 2 、5% N 2 ）混合气体中处理对样品颜色无显著影响，总色差（ΔE＜1.5）较低，肉眼无法察觉。Wang Shuangshuang等利用冷等离子体灭活生绵羊奶的微生物，发现a值从－1.74降至－1.98（P＜0.05），随着处理时间的延长，ΔE和L值无明显变化（P＞0.05）。若乳制品色泽变化不大，建议处理时间控制在5 min以下。由于较高的b值预示着牛乳非酶促反应的发生，为了避免脂肪和蛋白质的氧化，工作气体中的氧气浓度应该控制在低水平。

冷等离子体对乳制品粒径分布的影响

粒径（尤其是脂肪球粒径）对牛乳的风味、口感和乳化稳定性影响较大。因此，粒径是评价牛乳质量的重要因素之一。Coutinho等利用冷等离子体处理巧克力牛乳5 min，使其产生具有较高表面积和较小体积直径的牛乳颗粒，该处理导致小粒径颗粒（10～100 μm）粒径增大，大粒径颗粒（100～1 000 μm）体积增大。冷等离子体处理过程中产生的ROS可导致蛋白质轻度氧化、羰基和表面疏水性增加、游离SH基团减少，SH基团的减少意味着蛋白质分子内或分子间形成二硫键以及蛋白质聚集。相比之下，更严格的处理条件会导致颗粒表面积增大、颗粒变小（约10 μm），这是较大颗粒（1 000 μm）的数量减少、细胞破裂、细胞碎片形成以及黏度和稠度升高所致。

综上，冷等离子体处理超过5 min会导致蛋白质氧化，并随之产生较大的粒径。较高的气体流速（30 mL/min）导致更小的粒径。

冷等离子体对乳制品营养成分的影响

乳制品中的蛋白质

乳蛋白是乳制品中的重要成分（32～38 g/L），可以影响乳制品的物理、化学和感官特性。乳蛋白在牛乳中由酪蛋白（80%）和乳清蛋白（20%）组成。其中酪蛋白含有丰富的谷氨酸和缬氨酸，这些氨基酸有助于肌肉合成；乳清蛋白含有丰富的必需氨基酸，尤其是支链氨基酸如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，这些氨基酸对肌肉合成和修复也起着重要作用。

大气压冷等离子体产生的ROS如羟自由基通常会与含硫氨基酸侧链如半胱氨酸发生交联反应，从而导致蛋白质聚集。此外，研究表明等离子体处理的持续时间（120 s）比此前的研究要短得多。

冷等离子体的作用效果取决于施加的条件。如果使用氮气作为处理条件，则由于没有ROS可能不会造成显著影响。但是，如果使用高电压和空气处理较长时间（超过30 min），则产生的ROS浓度较高，可能会导致轻微氧化或蛋白质显著聚合。因此，为了最大程度地减少蛋白质的变化，需要根据具体情况定制最佳的处理条件。

乳制品中的乳脂

乳脂主要以乳脂球的形式存在，乳脂球外被一层薄而致密的膜所包围，这层致密的薄膜被称为乳脂球膜。Kim等研究发现DBD等离子体处理后牛乳的脂肪酸与对照组相比，仅丁酸质量浓度在处理10 min后由0.7 g/L降至0.6 g/L。冷等离子体处理过程中产生的羟自由基等与不饱和脂肪酸反应，导致自由基分解，从而造成细胞损伤；经过等离子体处理后牛乳的硫代巴比妥酸反应物质值没有显著变化。牛乳中不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸）的双键特别容易受到臭氧的攻击。

研究人员利用恒定低压（16 Pa）产生等离子体对石英管中流动的牛奶进行处理，发现等离子体处理后脂肪含量减少，这可能因为使用的是非均质新鲜牛乳。在低流速条件下，无均质牛乳的脂肪会黏附在管道上，脂肪分子也会黏在一起。均质化的牛乳脂肪球会被机械力分散为较小的颗粒，使它们均匀地悬浮在整个牛乳中，从而防止黏连。

较高水平的ROS会导致脂肪氧化加剧。因此，通过调整等离子体处理的操作参数如降低电压、缩短处理时间（在10 min以下），可以降低ROS的浓度，从而减轻脂肪氧化的程度。此外，使用初始工作气体中含氧量较低的气体如纯氮，也可以减少脂肪氧化。操作过程中应设置合适的处理条件防止在等离子处理过程中食品的脂肪氧化过度。

冷等离子体的优缺点

等离子体处理的优势包括在低温下具有高微生物灭活效率，对产品基质影响小，可以精确生成适合预期用途的等离子体，灭菌过程中不会产生水、溶剂或残留物，是一种节能的技术。低温等离子体灭菌可以快速安全地对塑料瓶、盖子和薄膜等包装材料进行灭菌，而不会对材料的性能产生不利影响或留下任何残留物。相比于传统改性方法，冷等离子体技术是一种新兴的非热物理改性方法，具有操作温度低、无需外源化学试剂、节约成本等特点，能够最大限度保留蛋白质营养价值的同时改善其功能特性。

然而，利用等离子体处理一些灭菌体积较大和形状不规则的食品还有一定的困难。微生物灭活发生在食品表面，因此介质只能在有限程度上穿透食品。一些产品粗糙的表面为微生物提供了大量的附着位点，从而限制了灭菌效果。一些潜在的致病微生物对某些灭菌技术具有抵抗力。对于乳制品行业广泛采用冷等离子体技术还存在其他限制。热处理技术已经发展得很成熟，并为工业提供了很好的服务，任何用于替代热处理的新技术都必须在成本和产品质量方面具有明显优势，或者具有热处理无法实现的其他功能。此外，冷等离子体技术的操作条件还不够明确，这不利于跨研究比较和扩大工业规模。最后，处理产品的感官接受度和产生不良味道的问题尚未得到广泛研究。

考虑冷等离子体在食品工业中的适用性，需要评估新技术与热处理的经济成本。成本主要取决于设备投资、处理的能源成本和总生产成本。冷等离子体设备应具有价格低廉、可以连续高速加工、维护成本少、能够使用各种气体的特点。此外，使用线频率而不是RF电源运行的等离子体源可以实现成本管理。非热灭菌方法通常比热处理成本更高，但预计随着更多商业应用的不断推出，这些成本将会降低。此外，处理产品后能保持最佳感官和质量品质的优势可能会抵消相对较高的成本。

结 语

冷等离子体技术是一种新型抗菌方法，可用于灭活病原体和提高乳制品安全性。该技术符合生态标准，在低温条件下具有高微生物灭活效率，并且对产品质量的影响小。但是低温等离子体技术在乳制品的应用中存在某些局限性，例如加速脂质氧化，对加工产品的感官特性产生负面影响，需要进一步的研究阐明低温等离子体对乳制品质量参数的影响，包括感官特性、营养价值的保留和产品的储存稳定性。在此基础上还需要深入研究此技术在食品中的应用方式及设备开发，为等离子体灭菌技术大规模商业化提供可行性依据。

本文《冷等离子体灭菌技术在乳制品中的应用研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷11期314-322页. 作者：齐格其，朱俊，邓浩国，张海，旭日花. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230517-170. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。