等离子体简介

等离子体（Plasma）是在外界高能量（如高温、磁场、辐射等）作用时产生高度电离面形成的一种状态，是一种由离子、电子及未电离的中性粒子集合组成的整体呈电中性的物质状态，因此被称作“等离子体”；其是除固态、液态、气态之外的第四状态，因此也被称为“等离子态” 。

其产生过程如下：中性气体（如O2、N2、CO2等）被施加足够高的能量后气体分子发生电离；当施加的能量超过气体的分子间作用力时，就会被激发产生自由电子，电子与周围的原子或分子发生碰撞，产生活性更高的激发态原子、离子以及自由电子。其形成机理图如图所示。

等离子体的产生过程中会发生能量传递，按照其电离能力及离子与电子间的温度平衡状态，可将其分为高温等离子体和低温等离子体。当离子温度低于电子温度时，等离子体发生轻度电离，其宏观上表现为常温，此时产生的等离子体称为“低温等离子体”或“冷源等离子体”

低温等离子体激发装置

等离子体的激发产生可通过加热、电场、高能射线等方式完成，其根据放电方式可分为常压辉光放电（Atmospheric Glow Discharge, AGD）、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）和电阻阻挡放电（Resistive Barrier Discharge, RBD）系统等。其中DBD为食品领域应用最广泛的等离子体产生方式。

（1）常压辉光放电

常压辉光放电(Atmospheric Glow Discharge, AGD)是一种在1个大气压下即可产生大量低温等离子体的激发系统，其通过使用一个很大的间隔作为阻挡介质，用N2作为激发气体。此系统中至少需要有一个电极被绝缘介质盖住。启动电源后，产生的带电粒子会聚集在绝缘体表面，在绝缘介质间形成电势差。

（2）介质阻挡放电

介质阻挡放电系统( Dielectric Barrier Discharge, DBD )是在两个平行金属电极之间的缝隙中插入至少一块绝缘介质，绝缘介质紧贴电极，阻挡贯穿缝隙的放电通道。在两电极上施加电压，激发绝缘介质间的气体形成等离子体。绝缘介质所在的缝隙区域相对开阔，等离子体成分容易四处扩散。

（3）电阻阻挡放电

电阻阻挡放电系统( Resistive Barrier Discharge, RBD )在介质阻挡放电系统的基础上改进而成。RBD与DBD的不同之处在于RBD用高电阻取代绝缘体介质来盖住至少一个电极，高电阻层能起到镇流器的作用，限制电流产生，因而阻止电弧放电的发生。与DBD系统相比，RBD的优点是可以使用直流电或低频交流电(50Hz)在低电压下产生等离子体。

低温等离子体杀菌机制

低温等离子体作为一种新兴的广谱杀菌技术，可通过产生活性氧、活性氮、带电粒子、紫外光子等多种成分起到杀菌作用。这些杀菌物质通过作用于微生物的不同部分导致其生物体死亡，但由于等离子体成分及微生物系统的复杂性，其杀菌机制尚不明确。目前研究较为深入的作用机理包括紫外线的光子蚀刻作用、自由基的氧化作用及带电粒子的静电干扰作用三种，其作用机制示意图如下。

（1）蚀刻作用

低温等离子体系统产生的紫外线是发生蚀刻作用的主要原因。微生物中的某些化学物质在蚀刻作用下发生化学键的断裂，最终形成挥发性物质，同时其还可以诱导微生物遗传物质中的胸腺嘧啶二聚物的形成从而影响DNA的复制，从而达到杀菌效果。

（2）自由基氧化作用

低温等离子系统产生的活性氧、活性氮可以与微生物中的大分子物质发生氧化反应，其主要作用生物靶点包括脂类、蛋白质及DNA。活性氧可以通过攻击细胞膜中多不饱和脂肪酸，引起脂质的链式反应，造成细胞膜内旋性的改变，细胞膜的选择透过性破坏，细胞内外渗透压失衡，最终导致细胞的裂解。同时其还可以攻击蛋白质造成氨基酸侧链的修饰和蛋白质三级结构的改变，从而导致蛋白质的功能变化，扰乱细胞新陈代谢及正常生理机能。活性氧的另一个反应目标是DNA，它与DNA的碱基和糖基反应，造成脱氧核糖核酸的多种类型的氧化损伤。

（3）静电干扰作用

带电粒子静电干扰是低温等离子体灭活微生物的主要机制之一。低温等离子体产生的高能电子作用于微生物表面，可以造成细胞膜局部腐蚀及磷脂等物质化学键的破坏；同时高能电子还可以与活性氧等物质协同作用，氧化细胞膜表面的蛋白质和脂质，细胞膜局部的变形造成细胞膜表面形成小孔，内容物发生泄漏从而最终导致微生物细胞死亡。

低温等离子体在生鲜鸡肉杀菌保鲜上的应用

低温等离子体技术作为一种新兴的广谱杀菌技术，能够有效杀灭多种类型的细菌细胞、真菌类病原菌、芽孢、病毒和酵母菌，且由于具有非热处理、高效、操作简单、无污染、无残留等优点，在食品杀菌保鲜领域具有很大的应用潜力。

生鲜鸡肉在冷链运输鸡冷藏条件下，常会由于嗜冷微生物的生长繁殖导致肉制品的腐败变质，通过低温等离子体杀菌系统的应用可以有效杀灭鸡肉表面的微生物，从而起到延长保质期的作用。大量研究聚焦于低温等离子体技术对鸡肉中微生物的杀灭作用，表1展示了使用不同等离子体源产生的低温等离子体对鸡肉中常见微生物的杀灭作用。

基于低温等离子的栅栏技术已经成为食品行业中抑制微生物生长的新型策略，通过将低温等离子体技术与其他抑制微生物生长的方式（如添加化学抑菌剂、超声杀菌技术、生物控制剂、纳米材料等）相结合，从而在杀灭微生物的过程中起到协同作用。

在包装内进行低温等离子体处理可以增强产品的微生物安全性，从而避免其在加工后造成污染。相关研究证实了在包装内通过DBD（70 kV）控制禽类相关病原体及沙门氏菌剂弯曲杆菌的潜力，并对其中的嗜冷菌生长起到抑制作用。生鲜肉高压电场等离子体协同纳米光催化杀菌保鲜技术用于气调包装之后的生鲜肉冷杀菌处理，可以延长生鲜肉的保鲜期。

低温等离子体杀菌系统装备研发进展

目前，国际上研究使用的DBD型等离子体杀菌系统都是以简单组装为主，也有工厂化杀菌的 DBD 等离子体激发系统设备的研究报道。目前已有的一种隧道式等离子体激发装置如图5所示，这是利用几个并行独立的DBD系统共同组建成一个隧道模式，等离子体在隧道的洞腔内产生，这种设计具有设计简单，杀菌全面的优势，并且可以根据食品材料的不同随意调节流水线速度

1. 脉冲光简介

脉冲光（pulsed light，PL）又称脉冲紫外光、高强度宽谱脉冲光、脉冲白光等，是一种广谱光。其具有和太阳光相似的波长光谱（200~1100 nm），包括紫外光区（200~400 nm）、可见光区（400~700 nm）、红外光区（700~1100 nm），其中紫外光区为最主要的光谱区，占脉冲光的70%左右。

2. 脉冲光设备

脉冲光以交流电为电源，主要包括动力单元、氙灯单元和冷却系统。动力单元主要提供高压直流电流，交流电经过变压器升压，对电容器充电，产生高压直流电流，直流电流通过强光发生器产生直流高压，经过系统触发器产生高压脉冲。两端氙灯电离产生PL，放电后，电压下降，等待下一次放电。

PL系统可设计为固定批次处理或连续流动操作。一个基本的PL对固体样品批次处理系统，将样品置于处理室，通过沿着位于腔室壁上的一个或多个灯发出PL进行处理（图7）；连续PL系统，需要固体样品和灯之间相对运动，设置样品通过PL的速率来实现所需处理时间。PL系统用于液体样品根据所需处理时间控制透明管内流量（图8）

3.脉冲光技术杀菌机制

脉冲光能量高，放电时间短，作为一种新型的非热杀菌技术，可以对包括食品及食品包装材料在内的物体表面进行杀菌。由于其波段广，因此杀菌时三波段协同作用，使杀菌更全面彻底，且破坏不可逆。脉冲光的杀菌机理主要包括光化学效应、光热效应和光物理效应。

（1）光化学效应

脉冲光的致死效应主要归因于光化学效应。UV波段通常被认为是PL发挥杀菌效应的主要区域，DNA变性是杀菌的主要原因。微生物在PL照射下DNA吸收UV波段波长(200~280 nm)，DNA逐渐开始裂解，结构改变，形成对DNA不利的胸腺嘧啶二聚体，阻碍DNA复制和细胞分裂，微生物自身的新陈代谢机能出现障碍，遗传性出现问题，导致细胞死亡或孢子钝化。UV光谱中对微生物的杀菌作用最重要的是UV-C波段(200~275 nm)。UV-C可引起DNA双链、单链断裂，诱导环丁烷嘧啶二聚体产生。

（2）光热效应

PL中的近红外光能辐射能量，使细胞表面局部温度升高至50~150℃，破坏细菌的细胞壁，使细胞液蒸发，彻底破坏细胞结构，导致死亡。PL产生的热效应与热处理不同，只使物体表面温度快速升高，而没有显著的体积、温度变化。有研究结果表明脉冲形式提供能量主要表现在脉冲次数和脉冲持续时间，在达到相等总能量的情况下，脉冲提供的功率较连续光辐照功率更大，每次脉冲的持续时间更短，峰值功率更大，具有更高的渗透能力。

（3）光物理作用

PL除具有光化、光热作用外，还存在光物理作用，PL的穿透性和瞬时冲击性损坏细胞壁和其他细胞成分，导致细胞死亡。PL系统中矩形波脉冲在周期一定的情况下，脉冲功率的峰值随着占空比的增大而增大，脉冲信号频率范围减小。脉冲信号频带作用范围扩大，脉冲信号功率谱频带范围越宽，信号的高频分量就越加丰富，对位移电流密度的影响较大，会引起器件的脉冲效应。

4. 脉冲光技术在生鲜鸡肉保鲜上的应用

脉冲光技术具有高效、无残留等优势，可以最小程度改变或不改变肉品的感官品质和营养特性，从而避免了其他杀菌方式影响生鲜鸡营养价值及感官品质的缺陷。脉冲光对食源性致病菌如大肠杆菌、沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌等都有显著的致死效应，在实际的生产应用中更加环保、高效。

（1）脉冲光技术与生鲜鸡肉防腐保鲜

脉冲光是肉品防腐保鲜的有效手段，它通过控制肉源性腐败菌的生长繁殖，进而延长肉及肉制品的货架期。脉冲光因处理时间短、占地面积小、易集成到生产线可在肉品生产链中包括包装前和包装后等多个工序中应用，对于畜禽胴体而言，脉冲光通过有效降低初始微生物数量，将其微 生物多样性和菌群结构保持在尽可能低的水平，防止交叉感染的同时延长货架期。例如中试规模的脉冲光系统有效减少了鸡胴体上大肠杆菌 K12 的数量，这说明脉冲光 对鸡胴体表面的初始微生物有较好的控制效果，同时脉冲光处理后的冰鲜鸡胸肉可在保持品质的前提下，将其货架期延长1-2天。有研究对PL处理对冷却分割鸡胸肉的品质影响，结果显示，冷却分割鸡胸肉的杀菌率在优化后的PL处理条件下达到90.03%，与未处理组相比，PL处理后的冷却鸡胸肉的货架期在0~4 °C的贮藏温度下延长了1~2 d，达到了预期目的。

（2）脉冲光技术与肉源性致病菌

脉冲光对肉源性致病菌具有良好的抑制作用，其杀菌效率与光谱透过率密切相关，研究发现透射率的差异导致微生物对脉冲光的敏感性不同；脉冲光对肉源性致病菌的灭活效率还主要取决于施加的脉冲剂量和时间。值得注意的是，脉冲光处理会诱导沙门氏菌等致病菌进入活的但不可培养（VBNC）状态，该状态细菌难以通过常规方法检出，但仍保留一定代谢活性，并在适宜条件下实现复苏，在脉冲应用时应该优化参数，尽可能的避免该类状态的形成。

（3）脉冲光技术与包装材料微生物

脉冲光对包装材料表面的微生物具有显著抑制作用，且对包装材料的性能如阻隔性能、力学性能、迁移潜力等没有明显影响，是对包装材料表面杀菌的一种有效手段。脉冲光杀菌效果主要与包装材料的表面特性相关，具体与包装材料的粗糙度、反射率成反比，与透射率成正比，这可能是因为高反射性会导致微生物细胞聚集，而粗糙度较高的材料会造成微生物遮蔽效应，两者都阻碍了脉冲光与微生物的接触，进而造成杀菌率的降低。因此，为达到预期杀菌效率，包装材料需尽可能满足低反射率、高透射率和不含防光辐射添加剂等要求。