介质阻挡放电冷等离子体处理蔓越莓汁对生物活性化合物与理化性质保留的影响

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Cold plasma processing of cranberry juice for the retention of bioactive compounds and physicochemical properties

　　

： 本研究考察了介质阻挡放电（DBD）冷等离子体对未稀释蔓越莓汁的生物活性化合物、理化性质、微生物灭活及抗氧化活性的影响。研究人员将果汁以100 mL min?1的流速循环通过一个大气压DBD反应器，该反应器采用氩-氧（98:2，v/v）混合工作气体，在峰峰值电压10 kV、驱动频率20 kHz条件下运行。对蔓越莓汁分别施加0、5、10、15和20 min的处理时间，其中处理时间零代表未处理果汁。结果表明，冷等离子体处理显著降低了蔓越莓汁的微生物负荷，其中15 min处理（DBD-15）实现了最大1.88 log CFU/mL的降低幅度，而其对照料、生物活性和理化性质的影响则取决于处理时长。确实，5 min和10 min处理（DBD-5和DBD-10）导致总花青素、总酚含量（TPC）和抗氧化活性显著下降，而DBD-10处理使总类胡萝卜素含量增加，这可能是由于等离子体诱导的细胞膜破裂从而改善了生物活性化合物的提取。经15 min冷等离子体处理（DBD-15）的样品获得了更好的结果，表现为宏量矿物质（Ca、K、Mg）的减少有限、颜色稳定性得以维持以及A型原花青素的保留，同时具有较高的抗菌效率。对传递至液体的活性物种的直接评估显示，每个处理样品中溶解臭氧浓度为2.78 ± 0.01 mg/L，而未处理对照中未检出，各处理时间之间无差异（p = 0.144），同时过氧化氢含量上升了八至十倍，水氢键网络逐渐增强，且未检测到含氮产物，这与无氮工作气体的预期一致。该研究观察到，冷等离子体处理能够促进微生物安全性并维持蔓越莓汁的生物活性化合物品质。

论文解读文章：

一、研究背景与意义

蔓越莓汁以其鲜艳的红色和独特的酸味著称，富含抗氧化剂、维生素C以及类黄酮、有机酸和原花青素等生物活性化合物，被认为有助于改善泌尿系统健康、预防细菌感染并促进心血管健康。然而，传统热巴氏杀菌会破坏对热敏感的花青素和抗坏血酸，因此需要寻求非热替代技术。冷等离子体作为物质的第四态，是一种非热保鲜方法，可延长食品货架期并保留有益植物化学物质。介质阻挡放电（DBD）冷等离子体处理果汁是一种创新的非热加工技术，利用电离气体改变果汁的理化和微生物特性。

目前该领域存在三个亟待解决的问题：一是剂量-反应关系具有强烈的基质依赖性；二是将实际传递至液体的活性物种与观察到的品质变化相关联的机制证据有限；三是将实验室批次原型转化为连续工业化操作的难度较大。蔓越莓汁因其极高的原花青素和花青素含量而成为商业生产中自由基清除能力最强的食品基质之一，这些化合物会与微生物细胞竞争放电产生的活性物种，因此能否在不牺牲支撑蔓越莓抗粘附健康声称的A型原花青素的前提下，施加足以灭活微生物的等离子体剂量，是一个悬而未决的问题，无法通过苹果汁、橙汁或番茄汁的数据外推来解决。据研究人员所知，此前尚无关于DBD等离子体处理未稀释蔓越莓汁的报道，也未有研究追踪任何果汁经等离子体处理后A型和B型原花青素的变化。因此，本研究的主要目标是评估非热冷等离子体加工对蔓越莓汁微生物安全性、营养价值和生物活性化合物保留的影响。

二、研究方法概述

研究人员从加拿大魁北克省Salaberry-de-Valleyfield的Super C超市购得冷冻蔓越莓，经清洗、解冻后用食品加工机制汁，过滤去除果肉后真空过滤，所得果汁于?18 °C冷冻保存备用。实验采用大气压DBD非热等离子体装置，该系统位于加拿大蒙特利尔麦吉尔大学Macdonald校区，包含两个铜电极、玻璃管介电屏障（内间隙3 mm）及高压发生器。以氩氧混合气（98%:2%）为工作气体，在峰峰值电压10 kV、频率20 kHz条件下，将100 mL蔓越莓汁以100 mL min^?1流速循环通过放电间隙，分别处理5、10、15和20 min，对应命名为DBD-5、DBD-10、DBD-15和DBD-20，未处理果汁作为对照。电压、频率、气体组成和流速在所有实验中保持恒定，仅处理时间为唯一变量。该反应器的放电特性已在前期工作中通过高压探头和电流探头在双通道数字示波器上表征，确认其为均匀辉光-丝状放电而非电弧。气相FTIR分析识别出O₃的特征吸收峰。实际传递至液体的活性物种通过紫外吸收、H₂O₂测定和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）在液体中直接评估。质量参数评估包括：使用数字折光仪测定总可溶性固形物（TSS），使用pH计测定pH值，使用色度计以L、a、b*值测定颜色变化并计算总色差ΔE；总酚含量（TPC）采用Folin-Ciocalteu法；总黄酮含量（TFC）采用氯化铝比色法；总花青素含量（TAC）采用pH示差法；抗氧化活性采用铁离子还原抗氧化能力（FRAP）法和2,2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）自由基清除法测定。

三、研究结果

3.1 微生物灭活效果

冷等离子体处理显著降低了蔓越莓汁的微生物负荷，其中15 min处理（DBD-15）实现了最大1.88 log CFU/mL的降低幅度，表明该处理时长在微生物安全性方面具有最优效果。

3.2 生物活性化合物变化

5 min和10 min处理（DBD-5和DBD-10）导致总花青素、总酚含量（TPC）和抗氧化活性显著下降，说明较短处理时间对生物活性化合物产生不利影响。而DBD-10处理使总类胡萝卜素含量增加，研究人员推测这可能是由于等离子体诱导的细胞膜破裂从而改善了生物活性化合物的提取效率。

3.3 DBD-15处理的综合表现

经15 min冷等离子体处理（DBD-15）的样品获得了更好的综合结果：宏量矿物质（Ca、K、Mg）的减少有限，颜色稳定性得以维持，A型原花青素得到保留，同时具有较高的抗菌效率。这表明DBD-15处理在微生物安全性和生物活性化合物保留之间达到了较优平衡。

3.4 活性物种传递评估

对传递至液体的活性物种的直接评估显示，每个处理样品中溶解臭氧浓度均为2.78 ± 0.01 mg/L，未处理对照中未检出，各处理时间之间无统计学差异（p = 0.144）。同时，过氧化氢含量上升了八至十倍，水氢键网络逐渐增强。由于采用无氮工作气体，未检测到任何含氮产物，这符合预期，也意味着该处理不会向食品中引入亚硝酸盐或硝酸盐。

四、结论与讨论

该研究观察到，冷等离子体处理能够促进微生物安全性并维持蔓越莓汁的生物活性化合物品质。研究结果证实了DBD冷等离子体作为蔓越莓汁非热加工技术的可行性，特别是15 min处理时长在微生物灭活与营养保留之间实现了最佳平衡。选择氩气-氧气（98:2）工作气体的策略性优势在于将反应化学限制在氧衍生物种范围内，排除了空气馈送等离子体活化水中的氮化学酸化效应，这对于pH约2.6的果汁尤为重要。研究还首次追踪了A型和B型原花青素通过任何果汁等离子体处理的变化，填补了该领域的空白。DBD几何结构可实现为围绕流动液体的窄环形间隙，使全部果汁体积而非仅自由表面暴露于放电中，这是最直接可扩展至连续工业化流动的原型之一。该研究为蔓越莓汁的冷等离子体加工提供了系统的科学依据，对果汁工业的非热保鲜技术发展具有重要参考价值。