辉光放电低温等离子体技术对食品的杀菌及其品质影响研究

李兆杰， 刘小菁， 杨丽君， 纪玉梅，房保海，郝 莹， 王 静， 张玉春， 魏 玮　(.威海出入境检验检疫局,山东威海 60;.威海职业技术学院,山东威海 60;.威海市市立医院,山东威海 600；.山东出入境检验检疫局，山东青岛 6600；.潍坊出入境检验检疫局，山东潍坊 60)



辉光放电低温等离子体技术对食品的杀菌及其品质影响研究

李兆杰1， 刘小菁2， 杨丽君1， 纪玉梅3，房保海4，郝 莹5， 王 静1， 张玉春1， 魏 玮1(1.威海出入境检验检疫局,山东威海 264205;2.威海职业技术学院,山东威海 264210;3.威海市市立医院,山东威海 264200；4.山东出入境检验检疫局，山东青岛 266002；5.潍坊出入境检验检疫局，山东潍坊 261041)

等离子体是气体受到外界高温、强电磁场、辐射等高能量作用时电离产生的一种高度电离的气体，主要由正负离子、基态原子、激发态原子、活性自由基、射线、活性自由基、电子等组成，整个体系呈电中性，因此成为等离子体。低温等离子体是指整个体系在宏观上表现为常温，但体系中电子的温度很高，达上千乃至上万摄氏度[1-2]。体系中的高能电子及各种活性离子具有很高的活性，可以对微生物进行快速杀灭[3-6]。

鉴于传统热力灭菌和化学灭菌在破坏食品色香味、化学残留等方面的诸多不足，应用低温等离子体技术进行杀菌研究逐步成为灭菌领域的研究热点。目前国内外正尝试将这一技术应用于包括食品加工在内的诸多领域[7]。其优点主要包括：较低的温度可用于不适于高温的食品杀菌，封闭的等离子体系统可防止地刺辐射外泄，杀菌快速且无毒，气体循环系统可将杀死的微生物或残留物带走。Marsili等采用高压脉冲放电，可以快速有效地杀灭食品中的大肠杆菌和沙门氏菌[8]。诺克斯威尔的田纳西州大学等离子体科学实验室成功开发出了大气压下辉光放电系统，该系统可在常压室温条件下利用射频激发空气等离子体，快速杀灭微生物菌体及孢子。刘传林等利用分装式低温等离子体减压保鲜技术贮藏果蔬，使叶菜类及瓜果类蔬菜保鲜期分别达到90和150 d，出库后货架期长达7～10 d[9]。

尽管如此，目前关于低温等离子体技术用于食品杀菌的系统研究还鲜有报道，比如对各种类型食品的杀菌效果等。此外，近年来，人们对食品的安全性和营养性关注度越来越高，低温等离子体技术作为一种新型杀菌技术，研究其对食品的品质影响对于该技术的推广应用确有必要。基于上述两点，笔者应用辉光放电低温等离子体技术，一方面，探讨低温等离子体技术对鱼肉、奶粉、牛奶、淀粉、橙汁5种不同类型食品的杀菌效果；另一方面，选择过氧化值、酸价、维生素C等指标，评价低温等离子体杀菌技术对食品的品质影响。这将为辉光放电低温等离子体杀菌技术广泛用于食品杀菌提供重要的方法依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1菌种。大肠杆菌(Escherichiacoli，E.coli)ATCC 10536、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，S.aureus)ATCC 12600、单核细胞增生李斯特氏菌(Listeriamonocytogenes，L.monocytogenes)ATCC 19114、宋内氏志贺氏菌(Shigellasonnei，S.sonnei)ATCC 25931，购自美国模式培养物集存库(ATCC)；肠炎沙门氏菌(Salmonellaenteritidis，S.enteritidis)CICC 21482，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)；白色念珠菌CGMCC 2.4159(Candidaalbicans，C.albicans)，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)。细菌从-70 ℃接种到营养肉汤中，36.5 ℃培养18～24 h，备用。C.albicans接种YPD培养基，28 ℃培养18～24 h，备用。

1.1.2试剂。计数琼脂、酵母浸出粉胨葡萄糖培养基(YPD)、孟加拉红琼脂培养基、营养肉汤，购自北京陆桥生物科技有限公司，按说明书配置。

1.1.3仪器与设备。辉光放电低温等离子体杀菌设备，自制，交流输出，0～10 kV，峰值功率120 W，工作频率30～40 kHz，通过在电路中加入限流电阻维持辉光放电； 核酸蛋白分析仪，美国Bio-rad公司；CR22G III离心机，日本日立公司；恒温恒湿培养箱、干燥箱，美国3M公司。

1.2方法

1.2.1辉光放电低温等离子体对食品的杀菌效果研究。

1.2.1.1菌悬液的制备。分别吸取E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis肉汤培养液1 ml于1.5 ml离心管中，4 000 r/min离心5 min，吸弃上清，加入1 ml无菌生理盐水悬浮洗涤混匀，用核酸蛋白分析仪测定菌液浓度，用生理盐水将菌液浓度稀释至×108CFU/ml。

吸取C.albicansYPD培养液1 ml于1.5 ml离心管中，2 000 r/min离心5 min，吸弃上清，加入1 ml无菌生理盐水悬浮洗涤混匀，用生理盐水将菌液浓度稀释至×106CFU/ml。

1.2.1.2阳性样品制备。鱼片阳性样品制备：向1 L生理盐水中分别添加108CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis各10 ml，得到106CFU/ml浓度的细菌混合液。称取100 g鱼片放入上述细菌混合液中，浸泡10 min后取出，沥干水分，分为70 g、30 g两组，一组用于杀菌试验，一组用作对照。

奶粉阳性样品制备：分别吸取10 μl 108CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis的菌液于同一离心管中，加入10 ml生理盐水混匀，得到105CFU/ml的细菌混合液。将上述菌液喷洒于100 g奶粉中，并充分搅拌，自然晾干，颠倒混匀。分为70 g、30 g两组，一组用于杀菌试验，一组用作对照。

橙汁饮料阳性样品制备：按上述方法制备得到1 ml 105CFU/ml的E.coli、S.aureus、L.monocytogenes、S.sonnei、S.enteritidis5种细菌混合液。将菌液加入100 ml橙汁中，并充分振荡混匀。均分70、30 ml两组，一组用于杀菌试验，一组用作对照。

牛奶阳性样品制备：制法同橙汁阳性样品。制备得到100 ml牛奶阳性样品。均分70、30 ml两组，一组用于杀菌试验，一组用作对照。

淀粉阳性样品制备：用接种环从孟加拉红琼脂平板上刮取C.albicansCGMCC 2.4159，放入盛有1 ml生理盐水的离心管中，用移液器充分吹打混匀，然后喷洒于100 g淀粉中，并充分搅拌，颠倒混匀。分为70、30 g两组，一组用于杀菌试验，一组用作对照。

1.2.1.3杀菌。打开气瓶阀门，调整气体流量，使放电气体氩气充满整个气体管路并将灭菌腔室中的空气排净。接通高压电源开始放电产生刷装低温等离子体射流。调整放电参数为：峰值电压10 kV，工作频率30～40 kHz，峰值功率120 W，气体流量2 L/min，气压为常压，温度为室温。待低温等离子体充满整个灭菌腔室后，鱼片均匀摆放于载物台上，奶粉置于培养皿中均匀铺开，厚度约3 mm，牛奶和橙汁饮料置于培养皿中，厚度约3 mm。灭菌处理时间分为3、5、8、10、12、15 min 6个时间段，每个时间段取灭菌样品10 g用于活菌计数试验。淀粉的处理时间为5、8、10、15、20 min 6个时间段。载物台高度距离放电端口6 cm。对照于室温放置同样时间。

1.2.1.4灭菌效果检测。将处理组和对照组样品分别加入9倍生理盐水，用拍击式均质器拍打1～2 min，充分混匀。制成1∶10和1∶100的样品匀液。吸取1 ml两个稀释度的样品匀液于无菌平皿中，每个稀释度做3个平皿。同时，分别吸取1 ml 空白稀释液加入3个无菌平皿内作空白对照。及时将15～20 ml 冷却至46 ℃的平板计数琼脂培养基倾注平皿，并转动平皿使其混合均匀。待平板凝固后，将平板翻转，(36±1)℃培养(48±2)h后，计数平板上的菌落数。真菌用孟加拉红琼脂培养基倾注平皿，28 ℃培养5 d。

1.2.2辉光放电低温等离子体杀菌技术对食品的品质影响。

1.2.2.1阳性样品制备。鱼片阳性样品、橙汁饮料阳性样品的制备同“1.2.1.2”。

1.2.2.2灭菌。将样品置于灭菌腔载物台上，调整低温等离子体杀菌装置参数，同“1.2.1.3”。灭菌时间5 min。同时设对照样品。

1.2.2.3鱼片中过氧化值、酸价的测定。灭菌鱼片及对照过氧化值、酸价的测定根据GB 5009.37-2003《食用植物油卫生标准的分析》进行。

1.2.2.4橙汁饮料中维生素C的测定。灭菌橙汁饮料及对照样品用1%草酸提取，然后用2，6-二氯酚靛粉将抗坏血酸氧化为顺式抗坏血酸，再与邻苯二胺结合生成一种荧光化合物。根据标准SN/T 0869-2000《进出口饮料中维生素C的测定方法》，用荧光分光光度及测定。

2结果与分析

2.1辉光放电低温等离子体对食品的杀菌效果辉光放电低温等离子体对鱼片、奶粉、牛奶、橙汁和淀粉的杀菌动力学曲线见图1。由图1可以看出，鱼片和奶粉的杀菌曲线相似，在3 min时，细菌数量有所减少，但数量级没变，在5 min时，细菌数量急剧下降，但8、10、12、15 min时，细菌数量没有明显变化，杀菌进入平台期。在3 min时，牛奶中的细菌数量没有明显变化，在5 min时，细菌数量急剧下降，降低了一个数量级，8 min后，杀菌进入平台期。在3 min时，橙汁中的细菌数量下降不明显，在5、8、10、12、15 min时，细菌数量呈现缓慢下降，未出现急剧下降情况。对淀粉的杀菌动力学曲线显示，在5 min时，细菌数量没有太多变化，在8、10、15 min时，细菌数量呈现缓慢下降，在20 min时，杀菌曲线进入平台期。

2.2辉光放电低温等离子体杀菌对食品的品质影响

2.2.1辉光放电低温等离子体杀菌对鱼片过氧化值、酸价的影响。过氧化值表示油脂和脂肪酸等被氧化程度的一种指标，用于说明样品是否因已被氧化而变质；酸价是脂肪中游离脂肪酸含量的标志，脂肪在长期保藏过程中，由于微生物、酶和热的作用发生缓慢水解，产生游离脂肪酸。而脂肪的质量与其中游离脂肪酸的含量有关。一般常用酸价作为衡量标准之一。在脂肪生产的条件下，酸价可作为水解程度的指标，在其保藏的条件下，则可作为酸败的指标。酸价越小，说明油脂质量越好，新鲜度和精炼程度越好。由表1可以看出，灭菌前后，鱼片过氧化值、酸价2个指标上没有明显变化。说明低温等离子体杀菌技术不会导致过氧化值和酸价升高，不会引起氧化变质或酸败。

表1　灭菌前后鱼片过氧化值、酸价比较

2.2.2辉光放电低温等离子体杀菌对橙汁饮料中维生素C的影响。 维生素C具有抗氧化作用，在氧化、加热条件下，维生素C极易被破坏。由表2可以看出，灭菌后，橙汁饮料维生素C有轻微下降，下降了9.5%。

表2　灭菌前后橙汁的维生素C比较

3讨论

该试验应用研制的低温等离子体杀菌装置，选择鱼片、奶粉、牛奶、橙汁饮料和淀粉5种食品，分为固体、粉末和液体3种形态，进行杀菌研究。由杀菌动力学曲线来看，辉光放电低温等离子体技术对食品都具有明显的杀菌作用，但不能将细菌全部杀灭。相比较而言，对鱼片和奶粉的杀菌效果最好，对橙汁的杀菌效果差一些，对淀粉中的真菌的杀菌效果最差。分析原因可能主要与食品基质的复杂性及低温等离子体的特点有关。一方面，食品中水分及食品基质的存在大大降低了低温等离子体的能量，因此衰减了低温等离子体的杀菌能力；另一方面，等离子体的穿透性较差，仅能对食品表面的细菌具有杀灭作用，对于食品内部的细菌，等离子体很难穿透并对其杀灭。但尽管如此，低温等离子体技术作为一种新的非热力杀菌方法已展示出它的强大生命力，对食品杀菌的优势和前景不可忽视。一种好的解决方案是将低温等离子体杀菌技术与其他杀菌技术结合使用，结合多种杀菌方法，解决食品杀菌中出现的各类问题。

对食品的杀菌，一方面要注重其杀菌效率，另一方面要重视杀菌对食品的品质影响和安全性。热力灭菌杀菌效果虽好，但对食品的品质影响和营养成分破坏较大。化学杀菌严重影响食品的原有风味，而且最大的问题是化学杀菌剂的残留对人体造成潜在危害。该研究对应用辉光放电低温等离子体杀菌前后的几项评价指标进行比较发现，橙汁中维生素C下降了9.5%，说明等离子体对橙汁中维生素C造成了轻微破坏。但是杀菌前后食品的过氧化值、酸价2个指标没有明显变化，说明低温等离子体杀菌方法不会使食品氧化，其低温特点也不会使油脂受热水解发生酸败。通过3个评价指标的比较，可以初步说明辉光放电低温等离子体技术用于食品杀菌的安全性。当然，判断低温等离子体杀菌技术对食品的品质评价，还需对更多指标进行测定。

参考文献

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摘要[目的]探讨辉光放电低温等离子体技术对不同类型食品的杀菌效果，同时对杀菌后的食品品质变化进行评价。[方法]应用辉光放电低温等离子体技术对鱼肉、奶粉、牛奶、淀粉、橙汁5种食品进行杀菌试验，对杀菌前后鱼片的过氧化值和酸价、橙汁饮料的维生素C含量进行比较分析。[结果]辉光放电低温等离子体技术对5种不同类型食品均具有明显的杀菌作用，但不能将细菌全部杀灭；对鱼片的过氧化值、酸价没有显著影响，对橙汁饮料中的维生素C略有影响。[结论]辉光放电低温等离子体技术对食品具有明显的杀菌效果，其优势是绿色、安全、环保。

关键词低温等离子体；辉光放电；食品；杀菌；品质

Sterilization of Several Foods by Glow Discharge Low Temperature Plasma and Its Effects on Food Quality

LI Zhao-Jie1，LIU Xiao-Jing2，YANG Li-Jun1et al(1.Weihai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Weihai，Shandong 264205; 2.Weihai Vocational College，Weihai，Shandong 264210)

Abstract[Objective] To discuss the sterilization effects of low temperature plasma by glow discharge on fish，milk powder，milk，amylum and orange juice，and to evaluate the differences of food quality after sterilization.[Method] Five kinds of foods were sterilized by low temperature plasma by glow discharge.Meanwhile，the parameters of the peroxide value and acid value of fish，the content of vitamine C before and after sterilization were compared statistically.[Result] After sterilization，bacteria in five different types of foods decreased obviously to a certain extent，but not completely.There were no significant differences in the peroxide value and acid value of fish before and after sterilization，and just a little decrease in vitamine C of orange juice.[Conclusion] Low temperature plasma by glow discharge is an effective tool of food sterilization，with the advantages of greenness，safety and environmental protection.

Key wordsLow temperature plasma; Glow discharge; Food; Sterillization; Quality

收稿日期2015-04-28

作者简介李兆杰(1981- )，男，山东安丘人，高级工程师，博士，从事食品检测方法研究。

基金项目国家质量监督检验检疫总局科研项目(2012IK179，2010IK151，2011IK221)；山东出入境检验检疫局科研项目(SK201217)。

中图分类号S-03

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)18-310-03