等离子体活化水对食源性致病菌的抗菌效能及生物相容性研究：有机质干扰与储存稳定性分析

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Effect of plasma-activated water against E. coli and S. aureus: Influence of organic matter and impact on skin cell viability

本研究针对食源性致病菌污染问题，系统评估了等离子体活化水（PAW）对大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。研究人员采用等离子体气泡反应器（PBR）生成PAW，发现其可有效灭活浮游态和生物被膜态细菌（20分钟内降至检测限以下），且对人工角质形成细胞（HaCaT）无显著细胞毒性（30分钟内）。值得注意的是，有机质（BSA）会显著降低PAW的抗菌效果，而4℃储存48小时后其活性也会下降。该研究为PAW在食品安全生产中的可持续应用提供了重要依据。

　　

食安新希望：等离子体活化水的抗菌革命

在当今全球化的食品供应链中，食源性疾病的阴影始终挥之不去。从农场到餐桌，每一个环节都可能成为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物的传播渠道。这些微生物不仅能在食品表面存活，更能形成顽固的生物被膜，对传统的热加工和化学消毒剂产生强劲的抵抗力。更令人担忧的是，食品加工环境中普遍存在的有机残留物（如蛋白质、脂肪）会大幅削弱常用消毒剂的效果，使得食品安全控制难上加霜。

面对这一挑战，科学家们将目光投向了等离子体活化水（Plasma-Activated Water, PAW）这一新兴技术。通过将低温大气等离子体作用于普通水体，PAW中会富集多种活性氧氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS），这些高活性物质能够破坏微生物的基本结构，从而实现高效、无化学残留的消毒效果。那么，这种听起来颇具未来感的技术，在实际的食品安全生产中究竟表现如何？其消毒效果是否会受到有机污染物的影响？处理后的水是否会对操作人员造成安全风险？为了回答这些问题，由Yelyzaveta Moiseienko、Hafiz Muhammad Shahbaz等研究人员组成团队在《Applied Microbiology and Biotechnology》上发表了他们的最新研究成果。

关键技术方法概览

本研究采用等离子体气泡反应器（Plasma Bubble Reactor, PBR），以无菌自来水为原料，在150V电压及1000 Hz或1500 Hz放电频率下生成PAW。研究人员系统分析了PAW储存于4℃条件下0、24、48小时后的理化性质（pH、电导率、H₂O₂、NO₂^-、NO₃^-浓度）。抗菌效能评估涵盖了对浮游态和生物被膜态的大肠杆菌O157:H7（NCTC 12900）及金黄色葡萄球菌（NCTC 12981）的灭活效果，并特别考察了不同浓度牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin, BSA）模拟的有机质干扰。此外，通过MTT法检测了PAW对人永生化角质形成细胞（HaCaT）的细胞毒性。

研究结果

PAW的理化性质及其储存稳定性

研究发现，等离子体活化后，水的pH值从7.37显著降至约6.1，电导率升高，并检测到较高浓度的H₂O₂（26.51 mg/L）、NO₂^-（35.78 mg/L）和NO₃^-（37.21 mg/L）。在4℃下储存48小时，pH和电导率保持稳定，但RONS浓度随储存时间延长而显著下降，尤其是NO₂^-和NO₃^-。

PAW对浮游态细菌的抗菌活性

PAW对浮游态的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出强大的抗菌活性。处理时间越长，灭活效果越强。1500 Hz放电频率下产生的PAW抗菌效果优于1000 Hz。处理20分钟后，两种病原菌的存活数均降至检测限（1 log CFU/mL）以下。

有机质对PAW抗菌活性的影响（浮游态）

有机质的存在显著削弱了PAW的抗菌效果。即使最低浓度的BSA（0.001 g/L）也能使细菌存活数显著升高，且这种削弱效应随BSA浓度增加而增强。在相同有机质浓度下，PAW对金黄色葡萄球菌的灭活效果弱于大肠杆菌。

PAW对生物被膜的抗菌活性

PAW同样能有效灭活两种病原菌形成的生物被膜。20分钟的PAW处理能使生物被膜中的活菌数降至检测限以下，但其灭活速率略低于对浮游态细菌的处理，表明生物被膜结构提供了一定的保护作用。

有机质对PAW抗菌活性的影响（生物被膜态）

与浮游态实验结果相似，有机质的存在也显著降低了PAW对生物被膜的灭活效果。

储存后PAW的抗菌活性

储存24小时的PAW仍保持较强的抗菌活性，但储存48小时后，其活性显著下降。有机质的存在进一步加剧了储存PAW活性的衰减。

PAW对人工角质形成细胞（HaCaT）的细胞毒性

cytotoxicity assay）结果显示，PAW处理15分钟和30分钟对HaCaT细胞活力无显著影响。即使处理时间延长至45分钟，细胞死亡率约为21%，仍高于通常认为的安全阈值（细胞活力 >70%），表明PAW在合理使用时间内具有较好的生物相容性。

结论与展望

本研究证实，利用等离子体气泡反应器（PBR）和自来水生成的PAW，是一种对抗食源性致病菌（包括顽固的生物被膜）的高效、安全的消毒剂。其抗菌效力主要归因于RONS诱导的氧化应激，而非酸性环境。研究也明确了PAW在实际应用中面临的两个主要挑战：有机质的干扰和活性随储存时间衰减。因此，在食品工业中应用PAW时，可能需要结合预处理（清除大量有机污物）或与其他技术联用，并建议现制现用以保证最佳效果。

这项工作的意义在于，它没有停留在理想条件下的原理验证，而是深入探究了PAW在接近真实世界场景（如使用自来水、考虑有机质干扰、评估储存稳定性及生物安全性）中的表现，为PAW作为一种绿色、可持续的消毒策略在未来农业食品领域的规模化应用提供了坚实的数据支持和前景展望。