我国是一个人口大国，随着社会的高速发展，人们对食品品质的要求越来越高，需求越来越大，食品产业也逐渐走向规模化、产业化。在高效生产食品的同时，如何保证食品安全，成为食品生产者需要解决的问题；由于食品的营养物质较为丰富，容易被微生物污染，产生腐败、霉变等食品安全问题，防止食品在加工、运输、贮存过程中发生变质是食品行业亟需解决的问题；引起食品变质的主要原因是食品中存在微生物，目前食品杀菌的主要方式有加热杀菌、微波杀菌和超高压杀菌等[1]，但这些杀菌技术存在一些问题，例如杀菌不完全、影响食品品质、对食品运输方式要求过高以及生产成本增加等[2]，食品行业积极寻找新型杀菌方式来解决这一困境，在此背景下，低温等离子体技术逐渐被应用于食品杀菌领域[3]。
随着低温等离子体应用越来越广泛，人们发现低温等离子体不仅可以运用于食品杀菌领域，在降解真菌毒素和农药以及诱变菌藻来获得高附加值产物方面也有广阔的研究前景。等离子体具有较高的化学稳定性，对DNA 等遗传物质有破坏能力，诱变性状可稳定遗传。目前，低温等离子体技术在真菌、细菌及藻类诱变领域都有一定的应用。该文阐述低温等离子体在食品杀菌与贮存、降解真菌毒素与农药残留及菌藻诱变方面的应用，以期为低温等离子体技术在食品行业的广泛应用提供参考。
1 等离子体定义及分类
等离子体是存在于固态、液态、气态以外的第四种形式，是一种在对气体放电过程中产生的大量自由基、带正负电离子、电子和中性粒子组成的一种中性气体[4]。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体要求温度极高，在一般的实验室中难以达到高温要求，应用较少；低温等离子体分为热等离子体和冷等离子体两种，热等离子体温度较高，冷等离子体温度接近室温，通常冷等离子体也叫低温等离子体，大多实验室使用的为低温等离子体，由于低温等离子体发生器对温度要求不高，反应发生简单，应用越来越广泛[5]。等离子体分类如表1 所示[6]。
表1 等离子体分类
Table 1 Plasma classification
分类状态温度高温等离子体平衡状态电子温度很高，原子等重离子温度也很高，二者处于平衡状态低温等离子体热等离子体接近平衡状态电子和原子激发温度很高，温度相差不大，接近平衡举例核聚变核裂变滑动弧放电弧光放电冷等离子体不平衡状态电子温度很高，可达9 000 ℃，原子等重离子温度低至26～200 ℃，宏观温度较低，接近室温电晕放电介质阻挡放电
实验室常见的等离子类型主要有电晕放电（corona discharge，CD）、射频放电（radiofrequency discharge，RD）和介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）。
1.1 电晕放电（CD）
电晕放电是通过向正极施加高压而产生的，使正负极之间的气体被电离产生电子，静电放电，属于局部放电，设备简单，并且成本较低，加工难度小，对环境污染小，满足环保的基本要求，应用较为广泛[7]，例如在杀灭枯草芽孢杆菌[8]、种子处理[9]等方面均有应用。
1.2 射频放电（RD）
射频等离子体主要包括射频容性耦合放电、射频感性耦合放电等离子体以及螺旋波放电等离子体。这3 种方式都是通过射频电源提供能量，射频放电等离子体运用于工业领域较多，例如材料处理[10]、半导体工业等。
1.3 介质阻挡放电（DBD）
介质阻挡放电由高压电极、电介质阻挡层和接地电极组成，高压电极和接地电极紧密的接到电介质阻挡层的两侧，高压电极通常是金属条，接地电极通常是整个金属板[11]。介质阻挡放电示意图如图1 所示，介质阻挡放电中的介质可以更换，介质阻挡放电在农残去除[12]、淀粉改性[13]和食品杀菌方面应用较多。
图1 介质阻挡放电示意图
Fig.1 Schematic diagram of dielectric barrier discharge
因为低温等离子体杀菌效率较高、能较好保持食品的营养成分、操作简单安全以及有效降低食品生产成本等优点，在食品杀菌贮存、降解真菌毒素和农药残留、菌藻诱变方面被广泛应用。
2 低温等离子体在食品杀菌、贮存方面的应用
食品杀菌与贮存是食品生产加工过程中的重要步骤，传统的食品杀菌方式主要是通过高温高压的方式来杀灭食品中的微生物，杀菌效果明显，但会对食品的色泽、形状、营养物质造成一定的破坏；为了延长食品的货架期，通常在食品中添加苯甲酸、山梨酸等防腐剂来抑制微生物的生长与繁殖，过量添加防腐剂对人体健康有影响[14]；随着生活水平的提升，不影响食品品质的物理杀菌方式进一步发展，低温等离子体可以有效地杀灭细菌、霉菌等致病菌，逐渐出现在食品生产过程中。
2.1 低温等离子体在食品杀菌方面的应用
食品在加工储藏过程中极易被细菌等微生物污染，导致食品腐败变质，不仅增加了食品生产成本，严重的会危害人体健康，目前，常见的食品杀菌技术主要有高温高压、微波、紫外线杀菌等，这些杀菌技术对食品品质存在一定的影响，对杀菌技术和生产成本也有很高的要求[15]。
近年来，低温等离子体杀菌技术逐渐应用于食品产业，低温等离子体杀菌的优势主要表现在作用时间短、耗能少、杀菌效果好、对食品品质无明显影响。低温等离子体应用于食品杀菌作用如表2 所示，低温等离子体处理果蔬、肉类和饮品等食品时，可以有效杀灭食品中的各种致病菌，如肉类中的大肠杆菌和沙门氏杆菌等；此外，低温等离子体处理后水果中多酚、黄酮等营养物质增加，对饮品的色泽、品质和营养成分无明显影响。
表2 低温等离子体对食品杀菌作用
Table 2 Effect of low temperature plasma on food sterilization
作用种类果蔬肉类试验对象杨梅火龙果草莓猕猴桃蓝莓猪肉作用方式介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电处理参数6 A，3 min 60 kV，5 min 45 kV，1 min 50 kV，90 s 6、8、10 min 15 kHz，10 min作用结果表面橘青霉侵染病斑降低49%菌落总数显著低于对照组好氧菌菌落总数降低26%菌落总数降低24%细菌和真菌分别下降了93.0%和25.8%分别减低了2.04、2.54、2.68 lg（CFU/g）参考文献[16][17][18][19][20][21]牛肉介质阻挡放电240 s、300 s 分别降低了4.0、5.9 lg（CFU/g）[22]鸡肉介质阻挡放电40 ℃，60 min 分别减低0.46、0.33 lg（CFU/g）[23]饮品啤酒介质阻挡放电40 kV，10 s [24]去离子水10 kV，20 kHz，50 W [25]杜仲籽苹果汁牛奶草莓汁空气等离子体射流介质阻挡放电750 V，120 s作用对象桔青霉菌好氧菌菌落总数好氧菌菌落总数菌落总数细菌、真菌单增李斯特、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏杆菌大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏杆菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌落总数、酵母菌、大肠杆菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌落总数菌落总数和大肠杆菌杀菌率接近100%，酵母菌杀菌率97.5%大肠杆菌灭菌率97%、金黄色葡萄球菌杀菌率85.4%杀菌率100%[26]介质阻挡放电电晕放电80 V，120 s 20 kV，2 min菌落总数好氧细菌、酵母菌和霉菌杀菌率100%好氧菌减低2.09 lg CFU/g、酵母菌和霉菌降低1.83 lg CFU/g[27][28]
2.2 低温等离子体在食品贮存方面的应用
解决食品安全问题，在食品生产时保证食品不受微生物的污染只是第一步，防止其在运输、储存过程中不发生变质，也是需要解决的问题。低温等离子体可以杀灭食品中的微生物，甚至可以杀灭高温高压难以杀灭的孢子，防止杀菌过程中因孢子假死而导致变质这种现象的出现。此外，有研究表明，低温等离子体处理过食品的周围气体也存在杀菌作用，更利于食品的储存。
杜曼婷等[29]利用介质阻挡放电处理宰后羊双侧背最长肌，以肌节长度作为评价羊肉嫩度的指标，发现低温等离子体处理过后的羊肉肌节长度显著增加，羊肉的嫩度增加，为肉类储藏保鲜提供了新思路；黄现青等[30]利用低温等离子体对酱卤鸭腿进行处理，对其进行真空包装，发现处理组酱卤鸭腿中菌落总数远低于未处理组，符合国家标准，并对处理时间进行了优化，当处理时间为180 s 时，杀菌效果最好，对感官品质无明显影响，有效地延长了酱卤鸭腿货架期；低温等离子体对谷物贮存也有一定的作用。王唯等[31]对荞麦进行等离子体处理，随着处理时间的延长，荞麦中的菌落总数减少到2.5 lg（CFU/g），达到谷物储存的要求。
食品在销售过程中也容易发生氧化变质，出现食品安全问题，特别是脂质氧化。大量研究表明，低温等离子体对防止食品氧化特别是脂质氧化具有良好的效果。仇俊等[32]采用低温等离子体处理生鲜牛肉，处理后可有效降低其脂质氧化的速度，有效保持牛肉的亮度，延长货架期。
低温等离子体处理后果蔬中的总酚、黄酮等营养物质显著增加，有利于营养物质的累积，对肉类食品脂质氧化也有一定的抑制作用。低温等离子体可以在常温常压的情况下杀灭食品中的绝大多数微生物，工作时间短，作用效果明显，操作简单，能够降低食品生产过程中劳动力的投入，有效降低生产成本。
2.3 低温等离子体杀菌机理研究
关于低温等离子体机理杀菌机理的研究表明，等离子体发生器由高压电极和低压电极两部分组成，通电时两电极之间产生大量等离子体和活性颗粒，例如活性氧、活性氮等，等离子体的活化粒子具有一定的刻蚀作用，主要破坏细胞膜的完整性，直接攻击微生物结构，特别是DNA 和内膜，造成细胞内外的渗透差，使细胞死亡[33]。Gan 等[34]通过低温等离子体处理饮料中大肠杆菌和酿酒酵母，对其细胞膜进行观察，发现处理后其细胞膜破裂，细胞内组分坏死，对饮料起到杀菌作用，为低温等离子体作用机理主要是对细胞膜的破坏提供了一定依据。
此外，有研究表明，两电极之间产生大量等离子体的同时，也会产生带电粒子和紫外线，低温等离子体处理后样品的pH 值有所降低，带电离子和紫外线对细胞也存在一定的损伤作用，增强了低温等离子体的杀菌效果，pH 值的降低被认为有一定的杀菌协同作用[35]。Dezest 等[36]利用低温等离子体处理大肠杆菌，探究低温等离子体的灭菌机制，低温等离子体产生的电场会导致大肠杆菌细胞膜膜电位变化，离子通道数量发生变化，从而导致细胞成分流失，严重的导致细胞死亡，电场可以在不破坏细胞膜的情况下杀死细胞；紫外线对细胞的损伤机理是破坏DNA 和RNA 结构，产生嘧啶二聚体，容易导致DNA 变形，造成细胞死亡。
3 低温等离子体在毒素及农残降解领域的应用
3.1 低温等离子体对真菌毒素的降解作用
我国是一个农业生产大国，粮食年产量高，但每年面临着大量粮食被黄曲霉等真菌毒素污染，造成粮食损失，真菌毒素还会产生有毒的次生代谢产物，黄曲霉毒素次生代谢产物的毒性是氰化钾的10 倍，是砒霜的68 倍，严重威胁人及动物的生命安全[37]，真菌毒素去除的主要途径有物理吸附、微生物降解等，但这些方式存在降解成本高、降解率低等问题，近些年来，低温等离子体被认为是高效去除真菌毒素且廉价的方法之一[38]。张文乐等[39]利用低温等离子体处理被黄曲霉毒素B1 污染的巴旦木，处理5 min 时，黄曲霉毒素B1 降解率达95.03%，且未对巴旦木的品质产生不良影响；Devi 等[40]对被寄生曲霉和黄曲霉污染的花生进行低温等离子体处理，寄生曲霉和黄曲霉分别降低了97.9%和99.3%，利用电子显微镜观察真菌孢子，发现孢子细胞膜破裂，这可能是导致毒素有效降解的原因之一；低温等离子体不仅对黄曲霉毒素有降解作用，对T-2 毒素也有一定的降解作用，其主要污染玉米、燕麦等农作物，Ten Bosch 等[41]利用等离子体处理T-2 毒素，处理时间为60 s 时，降解率达100%。低温等离子体对真菌毒素降解率较高且操作简单，经济效益更高。
3.2 低温等离子体对农药残留的降解作用
低温等离子体不仅在真菌毒素降解领域有发展前景，在去除农药残留方面也有一定的应用，现代农业发展迅速，为了增加农产品的产量和提高其品质，农药的使用越来越广泛，然而过度使用农药会导致食品中农药残留过高，对生态环境造成破坏，严重的会对人类的健康造成威胁，需要寻找有效去除农药残留方法。低温等离子体技术高效、无污染等优点可以运用于农残去除领域[42]。
农药主要分为有机磷类、拟除虫菊酯类、新烟碱类等，按照农药类型分，采取不同处理方式的农残去除效果如表3 所示。
表3 低温等离子体对农药残留的降解作用
Table 3 Degradation effect of low temperature plasma on pesticide residues
农药类型新烟碱类有机磷类甲氧基丙烯酸酯类作用方式介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电介质阻挡放电处理参数34.8 W，10 min 80 kV，5 min 200 W，200 s 80 kV，500 s 120 W，120 s 80 kV，5 min处理效果降解率达到61.01%降解率达80.18%和75.62%降解率达到82.7%降解率达69.62%降解率达80%降解率达69%、45%、71%和46%参考文献[43][44][45][46][47][48]拟除虫菊酯滑动弧放电Ar 气体5 L/min，5 min试验对象吡虫啉啶酰菌胺、吡虫啉烯啶虫胺马拉硫磷敌敌畏嘧菌酯、嘧菌环胺、咯菌腈、吡丙醚氯氰菊酯降解率达62.9%[49]
由表3 可知，低温等离子体可以有效去除食品中的部分农药残留，Ali 等[50]在探究低温等离子体去番茄中苯胺类农残的同时，对番茄中总酚、黄酮等各项营养指标进行测定，发现低温等离子体在去除农残的同时对番茄中的营养物质无影响。经研究发现，低温等离子体降解毒素及农残的机理主要是低温等离子体产生的高能电子可以对农药残留分子进行分解，低温等离子体还可以产生大量活性物质和羟基自由基，破坏农药中的化学键，将农药分解成无害或危害较小的化合物，此外，低温等离子体发生过程中产生的紫外线也可增加农药降解的速率。与利用酶降解、物理吸附等传统降解农药的方式相比，低温等离子体不易产生二次污染且能量消耗较低。
4 低温等离子体在诱变领域的应用
常见的诱变方法主要有紫外线诱变、辐照诱变、化学药剂诱变等，诱变时间长、诱变率低和遗传不稳定是这些诱变方法常遇到的问题。低温等离子体诱变技术是近些年兴起的一种新型诱变技术[51]，相较于传统的化学、物理诱变方式，低温等离子体诱变的优势在于不需要使用大量的化学试剂，对人体无伤害和对环境污染较小，且突变率高。低温等离子体诱变是在低温状态下进行的，利用外加电压将气体分子击穿，产生包括电子、离子、原子和自由基在内的混合体，这些物质能与生物体内大分子发生相互作用，从而引起各种各样的变异。目前，低温等离子体广泛应用于诱变微生物和藻类等以提高生物量并产生高附加值产物。
4.1 低温等离子体对真菌的诱变作用
真菌广泛分布于全国各地，种类丰富，在食品生产、药品制造等方面都有应用，低温等离子体处理真菌来获得高产量目标产物成为新的发展方向，Li 等[52]通过低温等离子体对产香酵母菌进行诱变，在培养基中加入18% NaCl，成功培育出耐盐性产香酵母菌；Xu等[53]对酵母菌先进行低温等离子体处理45 s 后，对处理后的酵母菌利用2，4-二硝基苯酚进行筛选，获得了一系列具有高稳定性的还原型辅酶Ⅱ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADH）菌株，利用得到的酵母菌制作啤酒，酒精含量降低了53.7%，啤酒中不良气味等感官品质得到了明显改善；葡萄酒生产过程中酿酒酵母发挥重要作用，酿酒酵母的耐酸性和香气对葡萄酒的品质有一定的影响作用，Tian 等[54]通过低温等离子体处理酿酒酵母，以存活率、香气稳定和遗传稳定为指标，筛选出耐酸性强的酿酒酵母，发酵时间缩短70%，发酵香气增加52%；Wei 等[55]利用低温等离子体获得高产二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）菌株，得到突变株EPA 产量达0.48 g/L，总脂肪酸浓度为13.82 g/L，脂质代谢上升，试验究突变株高产的原因，发现突变株中参与EPA 生成过程中的酰基还原酶和羧基还原酶表达水平均高于原始菌株，猜测低温等离子体处理后遗传物质发生正向突变，导致一系列酶表达上调，致使细胞生长，利于EPA 累积。上述试验结果表明，低温等离子体对真菌进行诱变时，可以有效提高目标产物的产量，为诱变真菌得到更高营养物质提供新方法。
4.2 低温等离子体对细菌的诱变作用
细菌在食品生产过程中发挥十分重要的作用，各种风味食品都离不开细菌的作用，低温等离子体处理获得更具有耐性、环境适应能力更强的菌株成为细菌新发展方向。Nyabako 等[56]为了提高嗜酸乳杆菌的耐酸性，采用低温等离子体处理嗜酸乳杆菌，当处理时间为60 s 时，突变体可以产生更厚的生物膜来适应酸性环境；Huang 等[57]对比研究化学诱变剂、紫外线诱变、低温等离子体诱变对鼠伤寒沙门氏杆菌DNA 损伤程度，以生长因子（growth factor，G）和相对DNA 损伤修复机制诱导率（IR）值作为判断DNA 损伤的指标，低温等离子体诱变IR 最高可达11.42，而紫外线诱变的IR最高只能到8.4，IR 值越高表明突变引起DNA 损伤程度越高，表明低温等离子体对微生物DNA 损伤更严重；试验还以β-半乳糖苷酶活性作为不同诱变方法引起DNA 损伤水平和修复能力的指标，β-半乳糖苷酶活性与DNA 损伤修复成反比，发现低温等离子体处理组β-半乳糖苷酶活性远高于紫外线和化学诱变处理，表明低温等离子体诱变相较于其他诱变方法可以引起更强的DNA 损伤作用。Ma 等[58]利用等离子体处理乳杆菌，提高乳杆菌对大肠杆菌的抗菌活性，并对抗菌机理进行探究，低温等离子体处理后，利用高通量筛选技术成功筛选出一株对大肠杆菌具有抑菌活性的突变株，对突变株抑菌机理进行研究，发现突变株可以破坏大肠杆菌的细胞膜、影响其蛋白质和DNA 的表达、降低胞内酶的含量，最终杀死大肠杆菌。研究数据表明，低温等离子体诱变细菌时，诱变效果比紫外线更好，对DNA 等遗传物质的损伤能力更强，且对细胞膜有破坏能力，得到目标产物遗传稳定。
4.3 低温等离子对藻类的诱变作用
藻类的营养物质丰富、种类多样，藻类中蛋白质含量为6%～52%、油脂含量为7%～23%、多糖含量为5%～23%，此外，藻细胞中脂肪酸含量高，种类丰富，包含人体必需的亚油酸和α-亚麻酸等，且其占地面积小，生长速率快，近几年受到食品行业的广泛关注。低温等离子体诱变藻类的各项参数如表4 所示。
表4 低温等离子体对藻类的诱变作用
Table 4 Mutagenic effect of low temperature plasma on algae
处理对象湖泊红球藻作用方式介质阻挡放电参考文献[59]栅藻小新月菱形藻介质阻挡放电介质阻挡放电指标生物量虾青素油脂岩藻黄素作用结果生物量提高了41.2%虾青素提高了92.7%油脂含量提高了2.34 倍藻中岩藻黄素含量提高了75.1%[60][61]蓝藻介质阻挡放电处理参数240 W，150 s，400 W，120 s 120 V，1 A 120 W，16 s，120 W，20 s 58.5 W，45 min 短链脂肪酸、乙酸[62]小球藻介质阻挡放电100 W，120 s 油脂处理后蓝藻中短链脂肪酸和乙酸分别增加了3.0 倍和3.3 倍油脂提高3.5 倍[63]
由表4 可知，低温等离子体处理后，藻类的生长速率更快、高附加值产物累积的更多，表明低温等离子体处理有利于藻类积累更多的活性物质。
低温等离子体对真菌、细菌及藻类进行诱变时，可以有效提高诱变效率，更易获得目标产物，有效累积活性物质，性状稳定遗传，低温等离子体在微生物及藻类诱变领域有明显优势，可以有效提高菌藻在食品产业中的应用效果。关于低温等离子体诱变机理的研究发现，活性粒子、电场、紫外线等物理化学因素对生物体遗传物质有一定的作用，能够引起DNA、RNA 断裂，造成部分生物体死亡，少部分生物体基因组发生变异，通过定向或非定向方式从突变体中筛选得到优良性状的目标生物体，可以稳定遗传，实现产量最大化。
5 结论与展望
低温等离子体目前广泛应用在食品工业领域。低温等离子体运用于食品杀菌与贮存时，可以杀灭食品中绝大多致病菌，且对食品品质无较大影响，可以降低食品运输、贮存的成本，有效延长食品的货架期；运用于降解真菌毒素和农药残留时，可以有效降低降解中投入的人力和物力；低温等离子体运用于菌藻诱变领域时，可以提高诱变率，有利于生物体营养产物的累积，增加高附加值产物的产量。探究低温等离子杀菌及诱变机理发现，等离子体处理后会引起生物体遗传物质发生改变，同时，处理过程中产生紫外线等物理因素使等离子体杀菌和诱变效果增加。
等离子体处理在食品杀菌与贮存、降解真菌毒素与农药残留及菌藻诱变3 个方面存在较大的发展空间。然而，等离子体运用在食品工业生产中仍然面临很多挑战：1）等离子体设备在实验室应用居多，处理空间有限，大型智能化、自动化商用等离子体设备有待开发，以适应工厂产业化需求；2）等离子体杀菌及诱变的研究机理需要进一步探究，目前对于其机理的研究还没有形成统一的认知；3）目前等离子体杀菌往往使用单一的方式，需要进一步研究等离子体与其他杀菌方式结合以得到更好的杀菌效果；4）目前，等离子体处理食品时，可以杀灭食品表面绝大多数的微生物，但对食品杀菌后进行包装时，容易造成二次污染，如何进行包装也是食品行业需要解决的问题之一。
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