冷等离子体活化水（CPAW）在食品加工中的应用：过程工程、作用机制与可持续性展望

《Foods》：Cold Plasma-Activated Water in Food Processing: Process Engineering, Mechanistic Insights, and Sustainability Perspectives

　　

摘要专业翻译 对安全、可持续且最小化加工食品的需求日益增长，使得新兴非热保鲜技术受到越来越多的关注，这些技术能够在降低环境影响的同时保持食品的营养和感官品质。在这些技术中，冷等离子体活化水（CPAW）作为一种生态高效且多功能的食品加工介质受到广泛关注。CPAW是通过等离子体诱导产生的活性氧氮物种（RONS）在水中溶解而形成的，产生具有抗菌、氧化和酶调节特性的化学活性溶液。根据其活性物种组成和储存条件，CPAW可保持活性以供延迟应用，相较于直接等离子体处理具有更大的操作灵活性。基于已建立的等离子体-液体在水净化中的应用，本综述批判性地审视了CPAW的生成、理化特性及其作用机制的相关知识，重点关注其与微生物、食品大分子和酶的相互作用。本综述还涵盖了分析表征、应用策略、安全性评估和可持续性考量方面的最新进展，讨论了等离子体操作条件、气体组成和储存参数如何影响CPAW的稳定性和性能。综述强调了基于处理时间进行报告的局限性，以及建立标准化理化剂量描述符以提高可重复性和跨研究比较的必要性。尽管CPAW作为一种低残留技术具有潜在的可持续性优势，但与机理理解、规模化、工艺标准化、法规认可和消费者接受度相关的挑战仍是其工业应用的重要障碍。通过跨学科研究和技术优化来解决这些局限性，将是CPAW成功整合到下一代可持续食品加工系统中的必要条件。

论文主体内容专业总结

1. 引言

食品加工行业正朝着生态友好、可持续和非热加工技术方向转型。传统保鲜方法如化学防腐剂、热杀菌和合成添加剂虽然有效，但其对品质、营养和环境可持续性的不利影响日益受到批评。化学防腐剂（次氯酸钠、二氧化氯、季铵化合物等）会产生有毒化学残留，导致水体化学污染，并带来职业安全挑战。更为关键的是，反复或亚致死性接触某些消毒剂可能筛选或共筛选耐受性微生物种群，并与抗菌素耐药性产生潜在关联。冷等离子体（CP）因其高抗菌效力和无需显著热量输入即可改变食品功能特性的能力而受到关注。CPAW作为CP的间接应用形式，通过将等离子体产生的活性物种溶解于水中而生成，具有改善活性物种组成控制、理化稳定性、浓度和灵活性的特点。与直接冷等离子体处理不同，CPAW将等离子体生成与应用分离，可提前制备、运输并在需要时应用，这有助于整合到现有加工操作中，但可靠的工业放大仍面临RONS稳定性、处理均匀性、反应器设计和过程控制等方面的挑战。

2. 冷等离子体与CPAW

2.1 基本原理

冷等离子体（CP）又称非热等离子体，由部分电离气体组成，包含高能电子、离子、紫外光子和活性氧氮物种（RONS），可在接近室温条件下驱动化学转化。与热等离子体不同，冷等离子体系统可在大气压、近大气压或低压下运行，产生具有低体相气体温度的高能电子，适合处理温度敏感食品材料。放电构型（包括介质阻挡放电（DBD）、电晕放电、冷等离子体炬或射流、滑动弧放电）以及工作气体（如空气、氧气、氮气或氩气）影响等离子体化学和转移至水中的活性物种。当冷等离子体与水相互作用时，产生H₂O₂、O₃、•OH、NO、NO₂^?和NO₃^?等活性物种。CPAW相较于直接等离子体处理的主要优势在于其与标准食品处理程序（如浸渍、喷洒和清洗）的兼容性，无需将高压等离子体反应器置于食品附近。CPAW还提供更均匀的暴露，减少直接等离子体应用中固有的几何遮蔽效应。

2.2 CPAW的理化性质与表征

CPAW的性能主要取决于其关键理化性质，如pH、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）和活性物种组成。CPAW通常表现出酸性pH值，这是由硝酸和亚硝酸形成所致，酸性环境增强抗菌活性并有助于酶抑制。ORP在等离子体活化期间升高，主要与H₂O₂、硝酸盐和亚硝酸盐等相对稳定的活性物种相关。EC的增加反映等离子体产生的离子物种在CPAW中的积累。短寿命物种如臭氧和羟基自由基衰减迅速，而硝酸盐和亚硝酸盐等长寿命物种可持久存在。不同CPAW处理条件下报告的理化范围差异凸显了根本性的可重复性问题，需要标准化报告框架以改善可重复性和跨研究比较。

2.3 CPAW对微生物和生物分子的作用机制

CPAW的微生物灭活主要通过氧化应激驱动。RONS与微生物细胞相互作用引起脂质过氧化，导致细胞膜结构破坏、跨膜电位紊乱和膜通透性增加。膜完整性受损后，细胞内大分子（蛋白质、酶和DNA）易受氧化攻击，导致酶失活、代谢紊乱和DNA损伤。长寿命活性物种如H₂O₂、亚硝酸盐和硝酸盐在活性等离子体处理结束后仍持续发挥抗菌作用。CPAW的抗菌作用应被视为多物种且条件依赖的过程，而非单一主导氧化剂的效果。微生物对CPAW的敏感性因细胞壁结构而异，革兰氏阴性菌通常因肽聚糖层较薄而更易受影响，但细胞壁分类并不能完全解释CPAW敏感性差异。在亚致死浓度下，RONS可能作为信号分子而非纯氧化剂发挥作用，可触发Ca²⁺内流，激活抗氧化防御、苯丙烷代谢和细胞壁重塑等钙依赖性信号通路。在酶失活方面，多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）和脂氧合酶（LOX）等酶暴露于RONS时发生氧化修饰，活性物种与催化活性所必需的巯基和芳香族氨基酸残基相互作用，导致蛋白质去折叠、活性位点完整性丧失和不可逆酶失活。食品生物聚合物如淀粉和蛋白质也易受CPAW产生的活性物种的结构修饰。

2.4 CPAW在食品加工中的应用

CPAW的理化特性使其适用于多种现代食品加工系统，尤其适合高价值和热敏性食品。在微生物净化方面，CPAW在生鲜农产品中实现>1 log减少，在肉禽系统中对沙门氏菌和大肠杆菌实现>3 log减少，在水产品中也观察到类似效果。在酶失活方面，CPAW可抑制多种果蔬中PPO和POD活性的40–70%。在货架期延长和品质保持方面，CPAW处理过的草莓、甜椒和蘑菇等产品通常表现出更好的硬度、颜色稳定性和更低的脂质氧化。在功能性成分改性方面，处理可改善淀粉、蛋白质和多糖的吸水能力、溶解度、凝胶强度和热稳定性。在生物膜控制和设备卫生方面，CPAW在食品接触表面和加工设备微生物控制方面具有潜在应用。在农业促生长和信号效应方面，CPAW中的硝酸盐和亚硝酸盐可作为生物可利用氮源，低水平氧化应激可作为信号刺激而非造成细胞损伤。

2.5 CPAW与其他非热消毒技术的比较评估

CPAW通过RONS、降低的pH和升高的氧化还原电位的联合作用灭活微生物，可在非热条件下更好地保留营养成分、颜色和质地。与其他非热技术相比，UV-C照射依赖胸腺嘧啶二聚体形成损伤微生物DNA，但穿透力有限且遮蔽效应降低不规则形状农产品上的有效性；臭氧提供广谱微生物的强氧化作用，但过量可能影响食品香气或风味；脉冲电场（PEF）通过电穿孔为液体食品提供优异品质保持，但仅限于导电液体基质；高压加工（HPP）保持新鲜样属性同时破坏微生物膜，但设备成本高且在多孔食品中效率降低；超声波结合温和热处理通过空化剪切力灭活微生物，但单独应用时效果往往较低。CPAW与温和热处理、超声波、精油或有机酸结合时通常产生协同抗菌效果。CPAW通过多重氧化和亚硝化应激作用于膜、蛋白质和核酸，可能降低通过单一靶点特异性机制产生耐药性的可能性，但关于重复亚致死暴露后CPAW诱导耐受性、交叉保护或抗菌敏感性变化的证据仍有限且具有系统依赖性。

2.6 CPAW在食品加工中的可持续性、安全性与法规考量

从环境角度看，CPAW有潜力减少对传统化学消毒剂和能源密集型热保鲜过程的依赖，但其整体环境性能取决于反应器构型、能源效率、进料气体要求、水消耗和再利用、设备制造、处理条件以及残留反应产物的形成或处置。定量能量测量仅适用于部分PAW反应器构型，反应器级测量不等同于完整生命周期评估。在食品安全方面，CPAW处理后溶液中残留RONS的稳定性、浓度和毒理学意义需要进一步表征。现有毒理学研究在特定实验条件下未发现重大不良效应，但关于慢性暴露、遗传毒性、致敏性和基质特异性反应产物形成的证据基础仍有限。在法规方面，美国、欧盟、中国和日本虽存在既定食品安全框架，但未必构成对CPAW的特定授权。监管评估应针对具体管辖区和应用场景，考虑抗菌效力、化学表征、毒理学安全性及与相关食品安全要求的符合性。

2.7 当前挑战、研究空白与未来方向

CPAW研究面临机制不确定性、标准化和规模化、食品基质相互作用、法规批准和公众认知等多方面挑战。需要区分已确立的观察结果、提出的机制和研究假设。机制方面，RONS在复杂食品体系中的精确行为、次级副产物的形成以及RONS与蛋白质、脂质和多酚的相互作用需要进一步研究。标准化方面，缺乏CPAW生成、处理条件和性能评估的标准化方案，许多研究仅报告名义处理时间而未报告CPAW实际递送的化学剂量。规模化方面，虽有初步中试和连续系统报道，但在持续商业相关产量下的证据仍然有限。未来研究应加强食品技术专家、等离子体物理学家、材料科学家和毒理学家之间的跨学科合作，推进等离子体工程以定制RONS的组成、浓度和寿命，并将CPAW与生物传感器或在线监测工具等智能技术集成。

3. 结论

CPAW是一种有前景的非热方法，可用于微生物控制、酶调节和食品组分改性。然而，处理结果取决于加工条件、活化水组成和受处理食品的性质。尽管实验研究显示了潜在益处，但这些发现不应被解释为已确立的工业就绪性或跨食品系统的一致性能。CPAW商业化面临的主要障碍不再是证明抗菌活性，而是在等离子体操作条件、可测量的化学剂量、食品基质相互作用、微生物或酶响应、产品质量、安全和工艺经济性之间建立可重复的关系。未来研究应从基于处理时间的报告转向标准化的理化剂量描述符，并在现实加工条件下进行中试验证。在获得可比较的生命周期、毒理学和技术经济数据之前，关于CPAW相对于既有消毒技术优越性和可持续性的主张应保持应用特异性。