《Journal of Stored Products Research》：Non-thermal sterilization of coconut water via double plasma ozonation: Inactivation kinetics and process design
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椰子水因富含电解质和抗氧化成分被视为功能性饮料，但易受微生物污染导致腐败。本研究采用双等离子体辅助臭氧处理，探究其对椰子水中耐热芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus、Bacillus cereus、Bacillus subtilis）的灭活动力学，测定D值与Z值，发现臭氧浓度与灭活效率呈负相关，优化后可实现9-log级微生物灭活，为非热加工技术工业化应用提供理论支持。
大卫·尤安蒂托（David Yudianto）|贝拉·梅利萨尼（Bella Mellisani）|哈纳菲（Hanafi）|亨尼·罗查尼（Henny Rochaeny）|努尔哈萨娜（Nurhasanah）|塞蒂利娜·梅拉蒂·西拉伊特（Septilina Melati Sirait）|阿尔维娜·努尔·阿伊尼（Alvina Nur Aini）|阿里亚·乌利拉尔巴布（Arya Ulilalbab）|安迪塔·萨耶克蒂（Andita Sayekti）|埃利亚斯·阿尔加·奈因戈兰（Ellyas Alga Nainggolan）|克拉拉·乌尔巴诺娃（Klara Urbanova）
印度尼西亚西爪哇省茂物市AKA理工学院，邮编16154，食品工业质量保证专业
引言
椰子水是椰子果实（Cocos nucifera L.）中的天然液状胚乳，长期以来被认为是一种具有显著营养和保健作用的功能性饮料。由于其清新的口感、高补水能力和天然甜味，尤其是在椰子资源丰富的热带地区，它在全球范围内广受欢迎（Segura-Badilla等人，2020年；Coulibaly等人，2023年）。椰子水的成分包含了独特的糖类、氨基酸、维生素和矿物质平衡，这些成分共同赋予了它促进健康的功效。研究表明，椰子水具有抗衰老、抗炎、抗菌、保护心脏和降低血脂的作用（Basak等人，2023年；Raj等人，2023年）。它在疲劳或体力消耗时能够补充电解质和恢复水分，进一步增强了其功能性价值（Halim等人，2023年）。根据Mahayothee等人（2016年）的研究，椰子水含有5-9%的总可溶性固体，主要由简单糖类组成，其中果糖占1.4%，葡萄糖占1.36%，蔗糖占0.06%（Kumar等人，2021年），这些成分可以立即提供能量。虽然这种成分在营养上非常有益，但如果处理不当，也容易受到微生物污染并迅速变质。
除了糖分外，椰子水还是必需矿物质、氨基酸、酶、有机酸和酚类化合物的极佳来源（Cunha等人，2020年）。矿物质占总成分的约0.4-1%，其中钾含量最高，其次是钠、钙、镁、磷和氯（Kumar等人，2021年；Raj等人，2023年）。这种矿物质组成与人体血浆非常相似，使椰子水能够作为天然的电解质溶液（Peixoto等人，2023年）。历史上，这种相似性使其被紧急用作静脉补液剂，以在重症监护期间恢复患者的渗透压平衡（Peixoto等人，2023年）。此外，椰子水中还含有多种维生素，如硫胺素（B1）、核黄素（B2）、泛酸（B5）和抗坏血酸，这些维生素有助于新陈代谢和抗氧化防御。锌、铁和锰等微量元素对细胞功能、酶活性和基因表达也有贡献（Alchoubassi等人，2021年）。椰子水中的酚类化合物，包括水杨酸、丁香酸、没食子酸和咖啡酸，以及黄酮类化合物如儿茶素和表没食子儿茶素没食子酸酯，具有天然抗氧化作用，有助于减轻氧化应激并降低慢性疾病的风险（Rajashri等人，2020年；Halim等人，2023年）。这些生物活性化合物和营养素的组合为其被归类为功能性饮料提供了科学依据。
然而，正是椰子水这种化学成分使其富含营养，同时也为微生物繁殖提供了理想的环境。可发酵的糖类和有机酸的存在为细菌和真菌的生长创造了有利条件，尤其是在典型的热带气候下25至35°C的温度范围内（Tan和Easa，2021年；Jacob等人，2023年）。新鲜椰子水的保质期很短，通常由于微生物活动、酶促褐变和风味变化而在24-48小时内变质。传统上采用热巴氏杀菌法来确保微生物安全并延长保质期（Chantakun等人，2022年）。虽然热处理能有效灭活微生物，但也会破坏对热敏感的维生素，并改变赋予椰子水清新香气的挥发性化合物（Bhalerao和Chakraborty，2021年）。研究表明，经过热处理的椰子水往往会带有焦糖化的气味和黄色色调，偏离其自然外观和风味（Naik等人，2020年）。这些缺点促使人们寻找能够在不损害营养和感官质量的前提下确保微生物安全的替代加工方法。因此，非热处理技术作为保持新鲜特性的有前景的方法应运而生（Basak等人，2023年）。
已经评估了几种用于椰子水稳定的非热处理技术，包括高压处理（HPP）、脉冲电场（PEF）、紫外线（UV）照射和臭氧处理（Naik等人，2020年）。其中，由于椰子水含水量高且氧气溶解度大，臭氧处理特别具有吸引力。尽管高压处理非常有效，但需要在高达1000 MPa的压力下进行，导致较高的资本和维护成本（Naveena和Nagaraju，2020年）。PEF和UV照射在减少微生物负荷方面取得了一定的成功，但在浑浊液体中的穿透力有限，从而降低了其效果（Li和Farid，2016年）。最近的基于UV的研究展示了动力学建模和保质期预测方法（Donsingha和Assatarakul，2018年），以及UV-尼辛处理过程中的质量变化（Ceballos等人，2024年）。这些工作强调了将微生物灭活研究与定量动力学建模相结合的重要性。相比之下，关于椰子水的臭氧处理或等离子辅助灭活的研究仍然较少，尤其是那些结合D值和Z值测定与工艺优化的研究。臭氧会自然分解为氧气，不会留下有害残留物（Shezi等人，2020年）。自1997年以来，美国FDA已将臭氧列为公认安全物质（GRAS），并批准其直接用于食品和饮料加工（Porto等人，2020年）。此外，臭氧可以氧化细胞膜、破坏微生物的酶系统并降解核酸，从而实现广谱抗菌效果（Prithviraj等人，2021年）。当使用等离子系统生成臭氧时，可以更有效地控制和维持臭氧浓度，使等离子辅助臭氧处理成为液体食品灭菌的新兴技术。
通过臭氧处理灭活微生物已在不同基质中得到广泛研究，主要集中在营养细胞和表面去污方面。例如，Jeong等人（2021年）报道使用过氧化氢、臭氧和脉冲光组合在非织造聚丙烯表面上成功灭活了Geobacillus stearothermophilus孢子。同样，Kim等人（2022年）使用介电屏障放电等离子臭氧处理在红辣椒粉中有效减少了Bacillus cereus孢子。以强环境耐受性著称的Bacillus subtilis孢子也通过臭氧和次氯酸钠处理在不锈钢和聚合物表面上被灭活（Romanovski等人，2024年）。然而，这些产孢细菌在椰子水等液体基质中的行为尚未得到充分研究，因为在这些基质中，臭氧必须穿过介质才能接触微生物细胞（Kawaguchi等人，2023年）。本研究采用了一种定制的双等离子（电晕放电和介电屏障放电臭氧）系统，旨在提高臭氧生成和气体-液体传输效率，相比传统的单DBD装置有所改进。虽然等离子辅助臭氧处理已应用于多种饮料，但针对椰子水的混合双DBD配置的性能尚未得到研究，也没有基于该反应器的动力学工艺设计模型。
尽管关于臭氧消毒的文献越来越多，但很少有研究定量描述了臭氧处理过程中的细菌灭活动力学，尤其是在食品系统中。动力学评估提供了在特定处理条件下微生物减少速率和程度的关键信息（Jin，2024年）。确定十倍减少时间（D值），即达到微生物数量减少1个对数单位（90%）所需的暴露时间，有助于工艺工程师估算所需的处理时间（Mustapha等人，2020年；Yudianto等人，2024年）。此外，评估Z值（表示改变D值一个对数单位所需的臭氧浓度变化）可以了解微生物的敏感性和工艺的稳健性。这些参数是设计平衡微生物安全和最小化产品降解的灭菌协议的关键工具。基于动力学的方法确保臭氧参数（如浓度、暴露时间和气体流速）得到科学优化，而不仅仅是凭经验确定。这些数据的可用性对于将实验室结果放大到工业应用至关重要，特别是在连续臭氧处理系统中，处理时间和气体-液体相互作用动态至关重要（Casado等人，2023年）。
鉴于这些考虑，本研究旨在阐明使用双等离子机器对椰子水进行臭氧处理时Geobacillus stearothermophilus、Bacillus cereus和Bacillus subtilis的灭活动力学。选择这些细菌是因为它们已知具有环境耐受性，并且在食品灭菌研究中具有代表性。研究旨在（1）确定不同臭氧浓度下的D值和Z值，（2）确定它们对氧化应激的相对敏感性，（3）开发用于工艺优化的预测模型。实验设置涉及通过不同气流速率（1-4 L min?1）生成不同的臭氧浓度，从而评估浓度依赖的灭活行为。结果随后被用于设计一个优化的臭氧处理过程，以实现至少9个对数的细菌负荷减少，符合饮料安全的灭菌标准。最终，这些发现为等离子辅助臭氧处理及其在可持续、非热灭菌液体食品中的应用提供了理论和实践见解。
部分摘录
材料
从印度尼西亚西爪哇省茂物的当地传统市场采购了成熟度均匀的年轻绿椰子（Cocos nucifera L.），大约6-7个月大。虽然无法确认单一的商业品种，但根据果实大小、成熟度和无物理缺陷的原则进行了选择，以提高成分的均匀性。采购后立即将椰子置于实验室室温下，并在2小时内进行处理，以尽量减少生物化学和酶促反应。
臭氧浓度
双等离子系统在1、2、3和4 L min?1的气流速率下产生的臭氧浓度分别为720、360、240和209 mg L?1（图2）。这些结果表明气流速率与臭氧浓度之间存在反比关系，即在最高气流速率下观察到最高的臭氧产量。这一趋势可以归因于较高气流速率下空气分子在等离子放电区的停留时间减少，导致氧气作用效果降低。
结论
本研究表明，双等离子辅助臭氧处理能有效灭活椰子水中的Geobacillus stearothermophilus、Bacillus cereus和Bacillus subtilis，遵循一级动力学。获得的动力学参数为工艺建模提供了框架；然而，这些参数代表的是营养细胞的反应，而不是真正的孢子灭活，因此不能作为灭菌过程的验证。结果显示臭氧浓度与灭活效果之间存在明显的反比关系。
CRediT作者贡献声明
大卫·尤安蒂托（David Yudianto）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，概念化。贝拉·梅利萨尼（Bella Mellisani）：撰写 – 审稿与编辑，调查，形式分析。哈纳菲（Hanafi）：撰写 – 审稿与编辑，调查，形式分析。亨尼·罗查尼（Henny Rochaeny）：撰写 – 审稿与编辑，调查，形式分析。努尔哈萨娜（Nurhasanah）：撰写 – 审稿与编辑，调查，形式分析。塞蒂利娜·梅拉蒂·西拉伊特（Septilina Melati Sirait）：撰写 – 审稿与
写作过程中生成AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了Quillbot工具来检查拼写和语法。使用Quillbot后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对内容负全责。
资金
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了印度尼西亚工业部人力资源发展机构和AKA茂物理工学院在财务支持和实验室设施方面的支持，从而完成了这项研究。
