冷等离子体的产生方式是通过在给定电压下使空气或介质电离产生活性氧、自由基和带电离子等活性物质[1]。近十年来，有关冷等离子体处理的研究较多，比如材料处理（包括食品材料）、合成新物质和环境治理方面，这些研究成果为工业发展提供了新技术、新方法和新工艺。
20 世纪90 年代末，为了降低食品中的有害菌、减少质量损失、促进食品保鲜、满足绿色安全等需要，有学者对冷等离子体处理在食品降菌保鲜中的应用进行初步的研究。冷等离子体处理在食品中的应用主要包括降菌、酶改性、真菌毒素降解[2]、种子萌发、食品护色[3]、食品保鲜、延长食品货架期和食品品质改性[4]，以提高食品的储存稳定性和安全性等。近年来，冷等离子体处理技术已经广泛应用于食品加工、生产等领域。本文综述冷等离子体处理技术对食品原料加工品质、食品品质、食品保质期的影响及其作用机理，旨在促进冷等离子体处理技术在食品生产领域的应用，同时也为提高食品的品质、安全和延长食品保质期提供一定的参考。
1 等离子体概述
1879 年，英国科学家克鲁克斯采用“物质第四态”[5]来描述气体放电管中的电离气体。1928 年，美国科学家朗缪尔首先引入等离子体这个名词，此时等离子体科学才正式问世。等离子体是由带电的正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等组成的集合体，在宏观上呈现电中性的电离态物质。
等离子体按其存在方式分为天然等离子体和人工等离子体。自然界中的闪电、太阳燃烧、星云等属于天然等离子体，射流等离子体、介质阻挡放电等属于人工等离子体。按热力学分类可分为完全热力学、局部热力学和非热力学平衡等离子体。完全热力学平衡等离子体也称高温等离子体，此类等离子体中电子温度（Te）、离子温度（Ti）及气体温度（Tg）完全一致，如太阳内部、核聚变等；局部热力学平衡也称热等离子体（Te=Ti=Tg=3 000～4 000 K）（1 K=-272.15 ℃），如电弧等离子体、高频等离子体；非热力学平衡等离子体也称为冷等离子体（clod plasma，CP）或者低温等离子体（low-temperature plasma，LTP），此类等离子体内部电阻温度很高，可达上万开尔文，而离子和气体温度接近常温，即Te＞Ti=Tg，从而形成热力学上的非平衡。等离子体具体分类方式见图1。
图1 等离子体的分类
Fig.1 Classification of plasma
目前实验室中常用的非热力学平衡等离子体主要包括电晕放电（corona discharge，CD）、辉光放电（glow discharge，GD）、火花放电（spark discharge，SD）、介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）、滑动弧光放电（sliding arc discharge，SAD）、微波等离子体（microwave plasma，MP）、射流等离子体（jet plasma，JP）、射频等离子体（radio-frequency discharge，RFD）等。本文主要以非热力学平衡等离子体（即冷等离子体）展开论述。
2 冷等离子体的降菌生效机制
冷等离子体从整体上看是一种导电流体，其中的带电粒子会受到电磁场的作用可能会产生能量传递和热量传递。冷等离子体一般通过大气压或低于大气压下介质中放电获得，此介质一般为气体或者气体和液体的混合物，液体介质一般为水，称为等离子活化水（plasma activated water，PAW）。
放电使介质电离，在正常情况下介质电离所组成的物种（分子、原子、电子、离子）以平衡状态存在，使得带电粒子的产生速率与复合速率相抵消，当上述几种介质暴露在电场中时，由于介质中存在少量的带电粒子和离子，会产生小电流。然而这种电流缺乏扰乱平衡和离子的能力，电子的跃迁率几乎是不变的[6-7]。外加电场的加强、电压的增强以及电流密度增加扰乱了电场中离子的平衡，导致离子和电子的传播。当达到足够大的电压（称为“击穿电压”）时，电流增加到介质发生击穿的程度，从而形成有活性的混合物。已经证实的有活性的混合物包括紫外线（ultraviolet ray，UV）、高能粒子、活性氧（reactive oxide species，ROS）、活性氮（reactive nitrogen species，RNS）等。其中活性氧包括短寿命的·OH、·O、·HO2、1O2（单线态氧）、·O2-等，长寿命的O3、H2O2 等。RNS 包括短寿命的NO·、NO2·、ONOO·等，长寿命的硝酸根离子（NO3-）、亚硝酸根离子（NO2-）等，这些活性物质对微生物的灭活起到关键作用。冷等离子体主要作用途径见图2。
图2 冷等离子体灭菌机制途径
Fig.2 Cold plasma sterilization mechanism pathway
3 冷等离子体在食品工业中的应用
3.1 冷等离子体处理在谷物及谷物制品中的应用
谷物在生长、收获、运输、储藏的过程中通常会受到微生物污染，从而带上大量不同种类的微生物，且腹沟也为微生物提供了藏匿的场所，这些微生物的存在既不利于谷物的储藏又会影响其加工制品的品质，甚至有些微生物及其产生的代谢产物会损害人体健康。因此，降低谷物籽粒及其制品的含菌量具有极大的意义。冷等离子体作为一种新兴的非热处理技术，在食品的降菌保鲜方面表现出巨大的潜力。
3.1.1 冷等离子体处理对谷物及谷物制品表面微生物的影响
谷物籽粒由皮层、胚乳、胚三部分组成。由于谷物籽粒皮层与自然环境直接接触，谷物的表面存在着大量的微生物以及加工过程中的污染，导致最终生产出的谷物制品也带有较高的带菌量。
谷物中的微生物包括细菌和真菌两大类。目前，减少谷物及其制品微生物常用的方法是热处理法和化学法。这两种方法都有其局限性，其中热处理法可能会改变谷物某些组分的变化，导致营养成分的流失；而化学法虽然对微生物的抑制效果显著，但是其化学残留不利于食品的安全，甚至会对人体产生危害。因此，寻找一种高效、方便、无污染、低成本的减少谷物籽粒表面微生物的方法显得尤为迫切。冷等离子体处理技术因其绿色安全、便捷高效等优点，被广泛应用于食品加工工业。冷等离子体可以电离产生许多的活性物质（UV、活性氧、活性氮、高能粒子等），能够有效地降低谷物表面的微生物数量，延长谷物的储藏期。冷等离子体处理对谷物及谷物制品表面微生物的灭活效果见表1。
表1 冷等离子体处理对谷物及谷物制品表面微生物的灭活效果
Table 1 Inactivation of microorganisms on the surface of cereals and cereal products by cold plasma treatment
微生物种类嗜热脂肪土芽孢杆菌萎缩双歧杆菌大肠杆菌淀粉芽孢杆菌孢子黄曲霉和寄生曲霉曲霉和青霉天然细菌和大肠杆菌存在形式黏附于小麦籽粒表面黏附于小麦籽粒表面黏附于谷物模型的生物膜上黏附于小麦籽粒表面黏附于玉米籽粒表面黏附于小麦和玉米籽粒表面大米制年糕表面CP 产生方式DBD DBD DBD耦合射频流化床等离子体低压冷等离子体DBD气体类型氩气空气空气氩气/氧气空气/氮气空气/六氟化硫空气处理条件8 kV 80 kV 80 kV 700 W 655 W 300 W 51.7 W处理时间10 min 20 min 5 min 30 s 5 min 15 min 29 min灭活率/[lg（CFU/g）]3.00 2.40 3.00＞2.00 5.48，5.20 3.00 3.10，2.30参考文献[8][9][10][11][12][13][14]
谢辉等[15]通过研究冷等离子体处理对粳稻表面4 种常见真菌的影响，发现经过冷等离子体处理的粳稻，其表面的草酸青霉、黑曲霉、亮白曲霉、米根霉具有明显的抑制效果。邢常瑞等[16]研究发现经过冷等离子体处理的小麦中的呕吐毒素降解效果显著。Guo 等[17]发现冷等离子体处理水稻显著抑制了黑曲霉、米根霉、疣状青霉和谷物镰刀菌的微生物活性，对呕吐毒素也有显著的降解效果，并且对水稻营养成分无明显影响。
综上所述，冷等离子体处理对谷物表面微生物具有明显的抑制效果，对谷物中常见的毒素也有明显的降解效果。并且，经冷等离子体处理后的谷物其营养物质损失较小，甚至对谷物的某些理化指标有促进效果。然而冷等离子体处理目前还处于实验室阶段，实现其工业化生产还需要进一步的研究。
3.1.2 冷等离子体处理对谷物种子萌芽的影响
谷物种子的萌芽阶段对谷物植株最终的成熟及其制品的营养和品质至关重要，冯金奎等[18]利用射频等离子体对玉米种子进行处理，处理功率为160～200 W，处理时间为10～20 s，发现射频等离子体处理对玉米种子萌发有明显促进效果。任棚等[19]通过研究射流等离子体处理对燕麦种子的影响，发现当电压为4 kV、总处理时间为40 s 和60 s、进行间隔时间处理（间隔时间为10 s）时，射流等离子体处理能够显著提高燕麦种子的发芽势，发芽势提高了27.16%。此外，间隔时间处理可以显著提高燕麦种子的亲水性，与持续处理相比，亲水性提高39.07%。邓敏等[20]研究发现冷等离子体处理小麦在铜离子胁迫下提高了种子萌发和生长，根苗和苗长分别提高46.2%和145.4%，活力指数提高了82.1%。Sohan 等[21]通过冷等离子体处理小麦，发现中等强度的DBD 冷等离子体对小麦种子萌发和幼苗生长具有积极影响。综上，适当的冷等离子体处理对谷物的种子萌发和幼苗生长具有积极作用。
3.1.3 冷等离子体处理对谷物的生物活性组分及酶活性的影响
采用适当冷等离子体处理谷物籽粒，会促进种子的萌发和幼苗的生长，这可能与冷等离子体处理谷物籽粒增强了谷物中淀粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶、抗氧化酶、裂解酶等相关酶系的活性有关。然而长时间的冷等离子处理则会有相反的结果，对谷物籽粒的发芽、生长和后续的产量指标均有不利影响，这可能与长时间的冷等离子体处理对谷物种子内部的DNA 有损伤使其表达不完整所致。Petˇková 等[22]用等离子体处理大麦，结果表明适当的等离子体处理会使其内部的相关酶系活性增加，可溶性糖和蛋白质含量也有所增加，而过度的冷等离子处理则会损害其DNA，并且，在不同的介质气体中，DNA 的损伤程度有所不同。过度的冷等离子处理在空气介质中对DNA 的损伤最大，在氧气中的损伤较小，在氮气中的损伤最小。张培茵等[23]通过冷等离子体处理糙米，研究其对糙米风味的影响，发现冷等离子体处理丰富了糙米的风味物质，且无不良风味的产生。
3.2 冷等离子体处理在果蔬及果蔬制品保鲜中的应用
水果和蔬菜是人们日常生活必不可少的食物组成。然而，大部分果蔬的储存时间比较短，腐败变质速度快。据估计，每年约有20%的果蔬因腐败变质而损失。从农田收获到果蔬批发市场再到消费者手中，会造成不必要的损失。并且，果蔬收获后经加工机械的损伤，会导致水果和蔬菜中的内源酶及其底物在细胞中脱位，导致酶褐变、质地破坏和异味等，会增强其呼吸作用和乙烯合成[24]，导致其腐败变质速度加快，影响果蔬品质。因此，果蔬的保鲜显得格外重要。相比于其他食物，果蔬的保鲜大多采用非热处理（冷藏、浸泡、超声波、冻干等）。冷等离子体处理作为一种新兴技术，因其节能环保，能最大限度地保留果蔬原有的色泽、风味和质地，近年来在果蔬保鲜中得到了广泛的应用。冷等离子体处理在果蔬保鲜中的应用见表2。
表2 冷等离子体处理在果蔬及果蔬制品保鲜中的应用
Table 2 Application of cold plasma treatment in the preservation of fruits and vegetables and their products
果蔬种类处理方式品质变化蓝莓等离子体产生方式JP 浸泡在PAW 中30 min降菌数/[lg（CFU/g）]1.09参考文献[25]草莓双孢蘑菇葡萄DBD JP JP浸泡在PAW 中10 min 储存8 d浸泡在PAW 中15 min浸泡在PAW 中30 min 2.81 1.50 0.53[26][27][28]生菜番茄DBD DBD用PAW 漂洗5 min洗涤20 min 1.15降低了蓝莓的腐烂率并且能够减缓蓝莓果实的软化，延长了蓝莓的储藏时间抑制草莓表面微生物生长，有效维持草莓品质，延长保质期可以延缓蘑菇软化，颜色、pH 值和抗氧化能力无明显变化抑制了葡萄表面微生物的生长，对葡萄表面颜色和总花青素含量无明显影响抑制多酚氧化酶活性，抑制L*值上升和总色差值下降在不降低产品质量的情况下，提高了洗涤过程中微生物安全性[29][30]
Zhou 等[31]研究发现，冷等离子体处理比臭氧水和UV 处理更有效地提高了蓝莓中的过氧化氢酶和氧化物酶的活性，并且冷等离子体处理使过氧化氢酶的活性在第2 天达到峰值，之后一直保持较高的活性。此外，经冷等离子体处理的果实硬度远高于UV 和臭氧水处理，这大概是由于冷等离子体处理能够抑制细胞壁水解酶的活性，抑制果胶、半纤维素、纤维素的水解和木质素的合成，延缓了果实硬度的老化。Bußler等[32]利用冷等离子体处理空气来减少新鲜苹果和马铃薯组织的有害褐变和营养损失。结果表明，冷等离子体处理能够抑制鲜切土豆和苹果的酚氧化酶和多酚氧化酶活性。经冷等离子体处理10 min 后，马铃薯和鲜切苹果的多酚氧化酶活性分别降低了77%和62%。
Farias 等[33]发现使用不同激发频率介质阻挡放电冷等离子体能够部分灭活导致褐变的酶，同时保持苹果块和果汁的质量和感官特性。张腾等[34]用等离子体活化水处理香蕉切片，发现经等离子活化水处理后，增强了香蕉切片在储藏期间的多酚氧化酶、过氧化氢酶的活力，改善了香蕉切片的硬度、色泽、水分含量等贮藏特性。香蕉切片在等离子体活化水处理30 s 时，具有较强的抗氧化活性和较好的贮藏品质，并且等离子体活化水处理对其风味物质和微观结构有较小的影响。Li 等[35]利用冷等离子体处理鲜切草莓发现，冷等离子体处理很好地保持了草莓的质地特性，抑制了草莓表面微生物的生长。此外，冷等离子体处理还通过提高苯丙酸关键酶和激活相关基因表达以及活性氧代谢，促进了总酚类物质、总黄酮和花青素的积累，对草莓抗氧化活性能力的增强有重要作用。
综上，冷等离子体处理对新鲜果蔬的抑菌效果显著，并且对果蔬本身的感官品质无明显影响。另一方面，冷等离子体处理对果蔬中的内源酶有显著的灭活效果，对于酶促褐变有明显的抑制作用，显著延长了果蔬的保质期。近年来，有学者已经发现冷等离子体可以降解果蔬表面的农药残留[36]，冷等离子体处理在果蔬中农药残留的降解也逐渐成为一个新的研究方向。
3.3 冷等离子体处理在水产品保鲜中的应用
水产品因其肉质鲜美，广泛受到人们的喜爱。无论是淡水产品还是海产品，在运输过程中如何改善其腐败变质问题一直是相关学者研究的热点。因此，如何延长水产品的保鲜期尤为重要，目前水产品的保鲜大多采用的是冷藏运输，而冷等离子体处理作为一种新兴技术，在水产品中的保鲜应用也越来越广泛。冷等离子体处理在水产品保鲜中的应用见表3。
表3 冷等离子体处理在水产品保鲜中的应用
Table 3 Application of cold plasma treatment in the preservation of aquatic products
水产品种类新鲜金鲳鱼片新鲜鲐鱼片鲱鱼鱼片鲭鱼鱼片凡纳缤对虾鲜虾CP 产生方式DBD DBD DBD CD JP DBD处理方式处理电压60、70、80 kV，处理时间1、2、3 min处理电压60、70 kV，处理时间1、3、5 min处理电压70、80 kV，处理时间5 min处理电压80 kV，处理时间5 min功率282 W，处理时间45、90、150 s功率30 W，处理时间10 min参考文献[37][38][39][40][41][42]带鱼DBD 处理电压50 kV 处理时间3 min处理结果鱼肉中菌落总数下降1.4 lg（CFU/g），改善鱼肉色泽，维持鱼肉含水量腐坏菌显著减少，色泽和pH 值没有显著变化，延长了保质期微生物载量显著下降，可以很好地保留关键质量因素脂肪酸组成和营养品质指标无显著变化最优是在90 s 条件下，减少不良变化，提高白对虾品质，延长货架期与常规水冰相比，等离子体活化水冰，延缓了颜色和硬度的恶化，延长了4～8 d 的保存时间在此条件下灭菌效果最好，灭菌率达99.49%，能够更好地保留带鱼的色泽和质地，延长保质期[43]
Kulawik 等[44]研究发现，虽然冷等离子体处理新鲜水产品会加速蛋白质和脂质的氧化，但这并不一定会导致最终产品的感官品质或保质期降低。对于新鲜水产品，等离子体活化水处理是减少最终产品微生物污染且不提高其氧化速率的有力工具。胡晓梦等[45]以中华管鞭虾为研究对象，通过研究冷等离子体处理对虾类保鲜的作用机理，发现未处理组的假单胞菌属和腐败瓦氏菌属为优势菌属，处理组的优势菌属为单胞菌属。与未处理组相比，处理组的弹性、咀嚼性均下降缓慢。在电子显微镜下观察发现，第4 天时未处理组的肌纤维空隙出现絮状结构，而处理组的肌肉微观结构与新鲜状态时无明显差异。因此冷等离子体处理可有效减缓因微生物作用导致的管鞭虾腐败，并显著保持其微观结构及宏观的肌肉组织，提高储运品质，为虾类的保鲜储藏提供很好的参考。因此，冷等离子体在水产品保鲜方面的应用具有广阔前景。
3.4 冷等离子体处理在肉制品保鲜中的应用
肉和肉制品是人类获取优质蛋白和部分微量元素（铁、锌、维生素B）的主要来源。然而，肉及肉制品在运输与储藏过程中很容易受到微生物的污染，如何更长时间的对肉制品进行保鲜，是人们需要解决的一个问题。冷等离子体处理作为一种新兴技术，在肉制品的保鲜上大有可为。冷等离子体处理主要是通过产生一些活性物质（活性氧、活性氮、紫外线、臭氧、超氧阴离子、过氧化氢等），对肉制品上的微生物进行灭活，从而实现延长肉制品货架期的目的。冷等离子体处理在肉制品中的应用见表4。
表4 冷等离子体处理在肉制品保鲜中的应用
Table 4 Application of cold plasma treatment in meat preservation
肉制品种类猪里脊肉CP 产生方式DBD处理方式处理电压50、60、70 kV，处理时间5 min参考文献[46]猪肉鸡肉CD JP处理电压4 kV，处理时间20 min处理电压15 kV，处理时间10 min[47][48]牛里脊肉鸡肉香肠猪肉香肠JP JP JP处理电压9.44 kV，处理时间1 min处理功率200、400 W，处理时间200、400 s等离子体磷酸盐溶液加入到香肠中处理结果促进猪肉肌原纤维蛋白氧化，改善肉的嫩度，促进猪肉肌原纤维蛋白的乳化特性猪肉中的微生物水平和总挥发结合氮值受到抑制，冷藏猪肉得到很好保鲜对鸡肉表面的大肠杆菌、空肠梭菌等具有很好的抑制作用，具有最小的不良肉类特征微生物降低了2 lg（CFU/g），不影响牛肉的功能特性有效减少了鸡肉香肠的微生物负载延长了鸡肉香肠的保质期与亚硝酸盐溶液相比，显著减少了亚硝酸盐的含量，是替代亚硝酸盐的潜在技术，延长香肠保质期[49][50][51]
Zhao 等[52]研究了氮气冷等离子体和空气冷等离子体对冷鲜鸡胸肉中微生物的灭活效果及保质期的影响。研究表明，空气冷等离子体和氮气冷等离子体都能有效灭活冷鲜鸡胸肉中微生物，且空气冷等离子体比氮气冷等离子体处理的冷鲜鸡胸肉的保质期更长。翟国臻等[53]用3 种不同气源（氩气、氮气、空气）的冷等离子体处理鲜猪肉，发现氮气和空气的冷等离子体处理加速了猪肉中脂质的氧化，而氩气冷等离子体处理可延缓猪肉中脂质的氧化。3 种不同气源对鲜猪肉的货架期都有不同程度延长，其中氩气冷等离子体处理的效果最好，延长货架期效果最好。Zhu 等[47]研究发现，冷等离子体处理对接种在新鲜猪肉表面的不同腐败微生物的控制效果不同，与其接种细菌的类型有关。冷等离子体处理后产生的活性氧、活性氮、臭氧和过氧化氢等对细胞壁具有破坏作用，细菌的形态变化和细胞渗漏证实了冷等离子体处理后的电穿孔效果。因此，冷等离子体处理是一种很有前途的食品降菌保鲜技术。
3.5 冷等离子体处理在乳制品保鲜中的应用
乳制品是优质蛋白质、脂肪酸和钙的良好来源，同时也富含维生素D、维生素B12 和磷。乳制品行业通常使用高温短时杀菌、低温灭菌、巴氏杀菌等热工艺来保持牛奶和奶制品的安全和保质期[54]。然而，在确保牛奶和奶制品安全的同时，热处理过程也会对牛奶和奶制品品质产生负面影响，包括蛋白质变性、非酶促褐变、维生素损失和风味变化。冷等离子体可以结合巴氏杀菌，确保牛奶和奶制品的安全及保质期，同时保证牛奶及奶制品的品质。
Wang 等[55]研究发现冷等离子体处理是一种相对有效的乳制品非热加工技术。经冷等离子体处理300 s 后，羊奶中的微生物总数最多减少94.2%。微生物的减少有利于羊奶货架期的延长，同时也保证羊奶的品质与安全。Coutinho 等[56-57]通过冷等离子体处理牛奶及牛奶巧克力饮品，发现冷等离子体处理在消除致病和腐败微生物方面表现出色，在大多数情况下，还保持了牛奶及牛奶巧克力饮品的营养功能和感官特性，进一步延长了牛奶和牛奶巧克力饮品的货架期。
Gong 等[58]通过介电阻挡放电冷等离子体修饰卵清蛋白，发现经冷等离子体处理的卵清蛋白，能形成粒径更小、稳定时间更长的乳液，改善了卵清蛋白的乳化特性。吸附动力学表明，与天然的卵清蛋白相比，改性后的卵清蛋白表现出更好的界面吸附能力。冷等离子体处理卵清蛋白显著提高了加工奶酪的硬度、附着力和耐嚼性，在一定程度上延长了基于卵清蛋白制品乳制品的货架期。Gurol 等[59]用冷等离子体处理牛奶，发现牛奶中的大肠杆菌数量显著降低，原料奶样的pH值和色泽没有明显的变化。综上所述，冷等离子体处理在乳制品的保鲜及延长保质期方面具有明显作用。
4 结语
冷等离子体处理在谷物及谷物制品、果蔬、水产品、肉制品和乳制品的降菌保鲜和品质改善方面具有巨大优势。通过冷等离子体产生的活性物质（UV、高能粒子、ROS、RNS、过氧化氢等），以微生物核酸物质的损伤、内源酶的灭活、蛋白质的改性、毒素降解等方式达到食品的降菌保鲜、延长食品的货架期的目的。然而，冷等离子体处理在食品工业的应用中任然面临很多挑战，相应也会有很多机遇，使其在食品领域得到更好的发展。1）处理过程中脂质的氧化。冷等离子体处理相较于传统热处理方式能够在很大程度上减少对食品加工质地及食品感官特性的破坏。然而冷等离子体产生的活性物质对食品中脂质的氧化在所难免，可能会产生令人不愉快的风味。如何避免处理过程中脂质的氧化，是今后需要研究的问题。2）食品安全问题。目前冷等离子体处理大多是表面处理，没有深入到食品内部，对食品作用后的安全问题尚不明确，需要对冷等离子体处理所产生的活性物质进行全面毒理学评估。这些活性物质的寿命长短不一，如何制定一个安全限量标准来确保人们的食用安全，需要进一步的研究，以更好地了解冷等离子体处理引起的品质变化的机制，并扩大冷等离子体在食品中的应用领域。3）可继续探究冷等离子体处理与其他处理方式的结合，以便于更好地应用于食品工业，为人们生活便利造福。
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