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该综述聚焦冷等离子体技术与生物基材料（如壳聚糖、纤维素等）在肉类包装中的应用，探讨其通过提升抗菌性能、pH 响应性等实现肉品质量安全实时监测，分析优势、挑战及未来方向，为智能包装发展提供参考。
1. 引言
等离子体作为物质第四态，含电子、离子等粒子，非热等离子体在不同温度下无需热平衡即可运作，具节能特性，契合全球可持续食品技术需求。生物基材料源于植物、藻类等生物资源，可降解，虽目前成本较高但利于可持续发展。常见生物基材料如壳聚糖、纤维素、淀粉等，虽为传统塑料包装的可再生替代品，但存在机械和阻隔性能较差的问题。冷等离子体（CP）技术则成为提升生物高聚物包装材料功能的有效方法，其与生物基材料集成用于食品包装优势显著，可增强生物高聚物的功能和界面性能，包括表面性能、机械强度和热稳定性等，还能使材料表面更粗糙，改善油墨附着力和印刷适性，促进交联反应，提升拉伸强度和断裂伸长率，允许聚合物与抗菌剂混合用于活性包装。然而，当前肉类包装缺乏将冷等离子体抗菌优势与生物基传感器实时监测协同的可扩展系统，存在传感器可靠性、监管空白和消费者质疑等挑战。因此，该综述对冷等离子体与生物基材料的集成进行批判性评估，分析微生物灭活机制、等离子体增强的传感器功能（如 pH 响应性）和实际应用，旨在指导未来向可持续、智能肉类包装创新。
2. 冷等离子体技术
2.1 冷等离子体的工作原理
冷等离子体是部分电离的气体，包含电子、离子、自由基和紫外（UV）光子等反应性物种，在接近环境温度（30 - 60°C）下产生。与热等离子体不同，其维持热力学非平衡状态，可在不发生热降解的情况下实现微生物灭活和材料改性。通常通过向气体（如空气、氩气、氦气）施加电场（如介质阻挡放电（DBD））产生，能电离气体形成活性氧和氮物种（ROS/RNS），如羟基自由基（OH）、臭氧（O?）和一氧化氮（NO），这些物种可破坏微生物细胞膜、氧化脂质和降解核酸，确保食品安全同时保持肉类品质。在包装应用中，冷等离子体通过交联聚合物链、接枝纳米颗粒和改善表面疏水性来增强生物基材料（如壳聚糖、纤维素），赋予其主动和智能功能。
2.2 冷等离子体产生方法
冷等离子体可在大气压或低压条件下产生，介质阻挡放电（DBD）是最广泛应用和有效的产生方法之一。此外，电晕放电、射流放电、电容耦合放电、电感耦合放电和微波放电等也是产生冷等离子体的方法，各有不同特性和用途。DBD 因与大气条件兼容且可扩展，在食品包装中备受青睐，与产生不均匀等离子体的电晕放电不同，其能确保生物基薄膜的均匀表面改性，例如可有效灭活肉类表面病原体同时保持感官属性，适用于猪肉和牛肉等固体食品应用。
2.3 冷等离子体在生物基材料功能化中的优势
冷等离子体技术通过利用臭氧、羟基自由基和一氧化氮等非热反应性物种修饰生物高聚物表面来改善功能，显著提升生物基材料性能，使其适用于智能肉类包装系统。例如，等离子体处理可增加纤维素和壳聚糖等材料的表面粗糙度和疏水性，使 pH 敏感染料（如花青素）和纳米颗粒（如银）更易粘附，用于实时腐败检测；表面活化还可增强抗菌功效，将抗菌剂接枝到生物基薄膜上，在不损害材料完整性的情况下实现病原体（如李斯特菌和沙门氏菌）数量显著减少。关键的是，冷等离子体在环境温度（25 - 40°C）下运行，避免淀粉糊化或木质素氧化等生物高聚物的热降解，在加工过程中保持肉类的颜色和质地等品质属性。其可扩展性也支持将其集成到可持续包装解决方案中，如 DBD 反应器系统与工业卷对卷加工兼容，能够大规模生产等离子体功能化的生物基薄膜，符合全球可持续发展目标，通过智能监测腐败标志物（如 pH 变化、生物胺）减少对合成塑料的依赖并延长肉类保质期。
3. 生物基材料与冷等离子体集成
3.1 材料类型和等离子体集成
- 壳聚糖：源于甲壳类动物外壳和真菌生物质，具抗菌、抗真菌、生物相容性和可降解性。冷等离子体技术通过等离子体接枝银纳米颗粒（AgNPs）等工艺增强其功能，显著提高病原体检测能力，等离子体诱导的表面功能化还可增加 pH 敏感染料（如花青素）的粘附效率，实现食品腐败实时监测，如等离子体处理的壳聚糖薄膜可通过检测微生物代谢物有效检测鸡肉中的沙门氏菌。
- 纤维素及其衍生物：来自木材纸浆和细菌纤维素等植物基材料，具高机械强度、透明度和可降解性。冷等离子体处理对其改性至关重要，如纤维素纳米晶体（CNC）的等离子体蚀刻可增加表面粗糙度，促进花青素在 pH 响应水凝胶中的保留；等离子体交联可增强细菌纤维素的热稳定性和氧气阻隔性能，适用于高级包装应用，如花青素掺杂的纤维素水凝胶可通过可见的比色 pH 变化监测牛肉腐败。
- 淀粉：从玉米、土豆和木薯中提取，因成膜能力、低成本和可降解性广泛应用。冷等离子体通过交联聚合物链改性淀粉基材料，提高机械强度并降低亲水性，还可嵌入氧化锌（ZnO）纳米颗粒，增强肉类包装中的水分控制，如淀粉 - ZnO 薄膜已被用于通过吸附腐败代谢物检测猪肉中的脂质氧化。
- 果胶 / 海藻酸盐：分别来自果皮和海藻，与蛋白质和多糖兼容性高，具 pH 响应行为。冷等离子体活化促进花青素与这些生物高聚物的共价键合，实现肉类包装中的 CO?传感，等离子体增强的氧化还原敏感纳米颗粒附着力使这些材料能够跟踪储存期间的抗氧化活性，例如果胶薄膜与等离子体固定的花青素可监测海鲜中的总挥发性碱性氮（TVBN）水平。
- 木质素：来自木材和农业废弃物等植物细胞壁，具紫外线屏蔽、抗氧化和疏水性能。冷等离子体氧化增加木质素的孔隙率，为嵌入检测脂质氧化的氧化还原敏感纳米颗粒创造空腔，等离子体功能化的木质素复合材料还可抑制加工肉类中的氧化酸败，如木质素基薄膜通过比色响应跟踪腌制肉类中的抗氧化剂消耗。
- 半纤维素：从硬木细胞壁提取，具水溶性、成膜能力和可降解性。冷等离子体交联改善半纤维素基材料的热稳定性和耐湿性，适用于家禽包装，如等离子体处理的半纤维素水凝胶可检测鸡肉中与腐败相关的水分活度变化。
3.2 生物基材料的优势
生物基材料是肉类产品传统塑料包装的环保替代品，这些可生物降解材料来自木材纸浆和海藻酸盐等可再生生物质，可回收并减少环境污染，可通过抗菌剂和疏水物质增强以提高食品保存能力。纤维素和聚乳酸（PLA）薄膜通过其阻隔和水分控制在肉类保存中具潜在应用，海藻酸钠薄膜特别适用于抑制肉类产品的质量损失、颜色和质地恶化。
4. 冷等离子体集成生物基材料用于肉类质量和安全监测
4.1 对肉类质量参数的影响
- 颜色和 pH：冷等离子体对肉类 pH 的影响因研究而异，反映实验条件差异。例如，用介质阻挡放电（DBD）冷等离子体（70kV）处理的猪肉样品 pH 从 5.61 降至 5.21，暴露于氩气或氧气等离子体的鸡肉样品在处理 3 分钟后 pH 水平同样降低；而其他研究报告等离子体处理的肉类 pH 变化极小或不显著，这可能归因于肌肉组织的固有缓冲能力和处理参数（如暴露时间、气体成分和肉类类型）的变化。例如，延长等离子体处理时间（如 5 分钟）可能耗尽蛋白质和磷酸盐等缓冲剂，导致 pH 下降，而较短处理时间则保持稳定性，这些差异凸显了优化等离子体方案（如功率、气体混合物）以平衡微生物安全与最小物理化学改变的重要性。
- 脂质氧化：等离子体处理使肉类样品中不饱和脂肪酸比例下降 5.45%，形成壬二酸、壬酸和 9 - 氧代壬酸等脂质氧化产物，这种氧化与异味相关，如用氧气等离子体处理的猪肉所示。而当亚油酸、山嵛酸和花生酸等少数脂肪酸用冷等离子体处理时，其组成仅观察到轻微变化。
4.2 微生物灭活机制
冷等离子体处理产生高反应性物种，通过氧气分子与大气氧的复杂相互作用产生单线态氧、羟基自由基、超氧阴离子、过氧化氢和臭氧，有效导致细菌灭活。冷等离子体通过肽聚糖层的 DNA 氧化灭活革兰氏阳性细菌（如李斯特菌），而革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）则因脂质过氧化导致膜裂解。对于革兰氏阳性细菌，自由基通过吸附渗透细胞膜，对 DNA 造成氧化损伤，但不影响细胞壁完整性；然而，革兰氏阴性细菌因不可逆氧化损伤而灭活，导致蛋白质、脂质和 DNA 等细胞内产物通过细胞壁泄漏，最终杀死细菌细胞。
4.3 用于肉类质量监测的基于生物基材料的指示剂
冷等离子体技术通过修饰生物基指示剂的表面以提高反应性和稳定性来增强其性能。例如，氩等离子体（5kV，3 分钟）功能化明胶薄膜，使姜黄素固定化，通过荧光猝灭检测家禽中的生物胺；介质阻挡放电（DBD）等离子体（15kV，10 分钟）蚀刻细菌纤维素膜，增加表面粗糙度以保留蓝莓果渣中的花青素，其在变质鸡肉中表现出 pH 响应的颜色变化；用氦等离子体（5kV，2 分钟）处理的等离子体活化海藻酸盐珠还可共价键合红球甘蓝提取物，通过明显的颜色转变视觉检测海鲜中的挥发性氨。通过调整气体成分和暴露时间等参数，冷等离子体集成进一步优化传感器性能，如用氧气等离子体（10kV，5 分钟）处理的等离子体交联纤维素纳米晶体水凝胶，证明花青素稳定性增强，用于牛肉包装中的 CO?检测，实现 95% 的新鲜度预测准确率，这些进展凸显了等离子体的非热反应性物种如何增强生物基材料功能，实现实时、环保的肉类质量监测，同时保持工业应用的可扩展性。
4.4 主动和智能包装中的传感器集成
包装应用可从使用生物基材料而非传统合成材料中显著受益，当天然添加剂被纳入食品包装配方时，食品基质中添加剂的使用需求将减少，因为它们可防止氧化酸败反应和微生物污染等各种因素。冷等离子体通过修饰材料表面以增强反应性和稳定性，实现生物基传感器的集成。例如，氩等离子体（5kV，5 分钟）功能化纤维素薄膜，为花青素的共价键合创造反应位点，这些等离子体处理的薄膜在检测牛肉中的氨和生物胺时表现出改善的比色准确性；等离子体接枝的壳聚糖 - 银复合材料通过表面增强拉曼散射（SERS）检测大肠杆菌代谢物。天然 pH 指示剂如花青素和姜黄素为众多水果、浆果、蔬菜和花卉提供颜色，展示出跨越几乎整个可见光谱的显著能力。近期研究探索了利用纤维素基薄膜和水凝胶开发智能包装材料的新方法，冷等离子体技术已成为一种高效、环保的纤维素薄膜处理方法，以增强其在食品包装中的阻隔性能和抗菌功能，纤维素纳米晶体（CNC）被证明可增强基于花青素的智能薄膜的物理化学特性和 pH 传感能力，冷等离子体还被用于创建具有控释和抑菌活性的双交联丙烯酸 / 甘蔗渣纤维素水凝胶。
4.5 生物基传感器的案例研究
生物基材料正被开发为创新指示剂和传感器，欧盟批准其用于增强肉类产品生产和监测的可持续性，在生物基指示剂的所有功能中，生物基传感器作为智能包装主要关注新鲜度，新鲜度指示剂提供有关食品产品中应发生的变化、消费者状态和食品质量衰退的数据。等离子体功能化的羧甲基纤维素薄膜展示出增强的传感性能，例如，氦等离子体（10kV，2 分钟）交联花青素掺杂的纤维素薄膜，提高其机械稳定性和储存期间的染料保留，这些薄膜以 95% 的准确率检测变质猪肉中的挥发性氨，优于非等离子体处理的对照，纤维素衍生的智能包装材料的这些进展为改善食品质量和监测安全提供了令人鼓舞的方法。壳聚糖和纤维素基传感器可实现实时 pH 检测，如用等离子体处理的壳聚糖薄膜包装的新鲜牛肉在 7 天内大肠杆菌减少 2.5 个对数，同时花青素掺杂的纤维素水凝胶显示从红色（pH 5.8，新鲜）到蓝色（pH 6.5，变质）的可见颜色变化，这证明了等离子体集成生物基包装在增强安全性（微生物减少）和实现实时新鲜度监测方面的双重功能。
5. 挑战和未来趋势
5.1 技术限制
近期研究凸显了集成等离子体处理的传感器和生物基材料在广泛应用中的潜力，等离子体处理可应用于天然纤维和可生物降解聚合物，以增强其在包装、生物医学设备和传感器中的性能。然而，这些技术的集成存在问题，等离子体诱导的传感器降解可能发生，影响花青素和银纳米颗粒等材料；材料的不相容性（如淀粉的渗透性）会影响性能；等离子体处理的传感器扩大到工业水平（特别是湿度控制）仍然是一个挑战。
5.2 监管和安全问题
用于食品包装的纳米颗粒传感器可实时检测污染，但存在纳米颗粒迁移到食品中的问题，关于纳米颗粒迁移、消费者接触限值和冷等离子体处理传感器的长期稳定性，监管空白依然存在，纳入食品包装的纳米颗粒对人类健康的潜在影响仍然是一个关键问题，导致监管方面的挑战，在集成系统中评估纳米颗粒迁移和毒性的统一方法的缺乏是监管方面的一个空白。
5.3 消费者接受度
消费者接受度是这些创新成功的必要条件，但在消费者对鲜肉保质期延长创新的认知方面存在显著的研究空白，比色指示剂是智能包装系统的一个有前途的类别，当暴露于外部刺激时会改变颜色，可以增强传统的日期标签，并有助于最大限度地减少食物浪费。消费者对最少加工、新鲜口味的肉类产品的需求与强大的保存方法的需求相冲突，需要平衡安全性和感官质量的等离子体技术，因此，关于冷等离子体产生的反应性物种与生物基包装材料之间的相互作用，特别是长期安全影响和监管接受度，存在大量的知识空白。
6. 结论
冷等离子体处理的生物包装是实时跟踪肉类的新解决方案，该综述表明，将冷等离子体与生物基材料（如壳聚糖、纤维素）集成可增强肉类安全和质量监测，例如，等离子体功能化的壳聚糖薄膜检测微生物代谢物（如生物胺），而花青素掺杂的纤维素水凝胶提供视觉 pH 指示剂。冷等离子体和生物基材料之间的协同作用在于它们的互补作用：等离子体修饰表面性质（如粗糙度、疏水性）以增强传感器附着力和反应性，而生物材料为实时监测提供可持续、可生物降解的平台，如细菌纤维素薄膜的等离子体蚀刻改善花青素染料保留，从而能够在牛肉包装中长时间检测腐败。未来研究应专注于优化等离子体参数，如放电功率（5 - 15kV）、气体成分（如 O?、Ar、He 混合物）和暴露时间，以最大限度地提高抗菌功效，同时保持传感器完整性，例如，5 分钟的氦等离子体可有效减少病原体，而不损害壳聚糖薄膜的响应性；开发结合等离子体诱导抗菌活性和电化学传感的多功能复合材料（如淀粉 - ZnO 薄膜）；为等离子体处理的生物传感器建立监管框架，特别是关于纳米颗粒迁移和消费者安全。此外，当与生物基材料结合时，冷等离子体为延长肉类产品的保质期和提高食品安全性提供了一种有前途的方法，冷等离子体功能化的生物包装通过实现实时、环保的监测、减少食物浪费和增强消费者信任，代表了肉类安全的范式转变，冷等离子体和生物基材料的融合代表了肉类包装的范式转变 —— 将被动保存转变为主动、智能系统，冷等离子体集成生物包装可以通过实现实时、智能监测、减少食物浪费和符合全球可持续发展目标来革新肉类安全，然而，监管标准化、传感器精度增强和消费者教育仍然是商业可行性的关键。
