《Scientific Reports》：Cold plasma treatment as a way to sanitize bovine milk while maintaining full nutritional value, stability, toxicological and microbiological safety
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本研究针对传统热加工方法（如巴氏杀菌与灭菌）可能影响牛乳营养品质的问题，探索了冷等离子体（Cold Plasma）处理作为新型非热杀菌技术的潜力。研究人员系统比较了冷等离子体（以氮气或空气为工作气体，处理5-20分钟）与传统热处理方法对牛乳的毒理学安全性、微生物安全性、营养成分、理化特性及胶体稳定性的影响。结果表明，冷等离子体处理可在保持牛乳温度低于36°C的条件下，实现有效的微生物杀灭，且处理后牛乳的毒理学安全性良好，维生素（B1, B2, B3, B5, B6, B9, B12）与矿物质（Ca, Zn, Se）保留率高于热处理样品，其理化性质与新鲜牛乳相近。该研究为乳制品工业开发既能保障安全又能最大程度保留营养的非热加工技术提供了重要实验依据。
牛奶是人们日常饮食中重要的营养来源，富含蛋白质、钙和多种维生素。然而，生鲜牛乳也是微生物滋生的良好培养基，可能含有致病菌，直接饮用存在安全隐患。因此，在消费前对牛乳进行杀菌处理是必不可少的环节。目前，工业上普遍采用热加工技术，如巴氏杀菌（Pasteurization，例如72°C处理15秒）和超高温灭菌（Sterilization，例如135-150°C处理数秒），利用高温有效杀灭微生物。但这些热处理过程如同一把“双刃剑”，在保障安全的同时，也可能导致热敏性营养素（如部分B族维生素）的损失，甚至引起蛋白质变性、美拉德反应（Maillard Reaction）等，从而改变牛乳的风味、色泽和营养价值。消费者对“更少加工”、“更天然”食品的追求，与确保食品绝对安全的行业标准之间，似乎存在着难以调和的矛盾。那么，是否存在一种技术，能够在不显著加热的情况下，实现对牛乳的有效杀菌，并最大限度地保留其天然的营养和感官品质呢？
近年来，冷等离子体（Cold Plasma）技术作为一种新兴的非热物理杀菌技术，进入了食品科学家的视野。所谓冷等离子体，是气体在电场作用下被电离产生的包含电子、离子、活性原子和分子（如臭氧、一氧化氮、羟基自由基等）的准中性导电流体，其整体温度接近室温，却富含高能活性粒子。这些活性粒子能破坏微生物的细胞膜、DNA和蛋白质，从而达到杀菌效果，同时由于处理温度低，有望减少对食品热敏成分的破坏。尽管该技术在果蔬、肉类表面杀菌中展现出潜力，但其应用于成分复杂、呈液态乳状液的牛乳中，效果如何？其杀菌效能能否与传统热处理媲美？处理后牛乳的营养价值、安全性和稳定性会发生怎样的变化？这些问题亟待系统的科学研究来解答。
为了全面评估冷等离子体处理牛乳的可行性，一项发表在《Scientific Reports》上的研究就此展开。研究人员设定了一个严谨的对照实验，将生鲜牛乳分别进行三种处理：传统的低温长时间巴氏杀菌（65°C，30分钟）、高压蒸汽灭菌（110°C，30分钟）以及冷等离子体处理。冷等离子体处理在一个滑移弧（Gliding Arc）反应器中进行，分别使用氮气（N2）或空气作为工作气体，处理时间设置为5、10和20分钟，并严格控制处理过程中牛乳的温度始终低于36°C，以确保其“非热”特性。研究团队随后从多个维度对处理后的牛乳样品进行了系统分析。
为开展此项综合性研究，作者主要应用了以下几类关键技术方法：首先，利用滑移弧放电反应器产生冷等离子体，并控制工作气体（氮气/空气）和处理时间（5-20分钟）作为关键变量。其次，在安全性评估方面，采用了斑马鱼（Danio rerio）胚胎/幼虫模型进行毒理学测试，并通过标准平板计数法检测需氧嗜温菌、酵母和霉菌以评估微生物安全性。在营养与成分分析上，应用了高效液相色谱（HPLC）测定多种B族维生素（B1, B2, B3, B5, B6, B9, B12），原子吸收光谱法测定矿物质（Ca, Zn, Se），并利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在分子水平分析化学结构变化。此外，还测量了pH值、电导率、颗粒粒径、色度等理化指标，并通过浊度法评估了牛乳的胶体稳定性。
研究结果通过一系列对比清晰地呈现出来：
毒理学安全性与微生物安全性
在毒理学方面，所有经过冷等离子体处理的牛乳样品，在斑马鱼幼虫模型中均未表现出急性毒性，表明该处理方式是毒理学安全的。在微生物安全性上，结果更为显著：与未处理的生鲜牛乳相比，所有冷等离子体处理组（无论使用何种气体或处理时间）的需氧嗜温菌、酵母和霉菌数量均显著降低。特别值得注意的是，使用空气作为工作气体处理20分钟的样品，其微生物计数甚至低于经过巴氏杀菌的样品，显示出优异的杀菌潜力。这表明冷等离子体处理能够在不加热的情况下，有效提升牛乳的微生物安全性。
营养属性的保留
这是本研究的一大亮点。分析显示，与传统热处理相比，冷等离子体处理在保留牛乳关键营养素方面优势明显。经过巴氏杀菌和灭菌的牛乳，其多种B族维生素的含量出现下降，这是热加工的典型负面影响。然而，冷等离子体处理后的牛乳样品，其维生素B1（硫胺素）、B2（核黄素）、B3（烟酸）、B5（泛酸）、B6（吡哆醇）、B9（叶酸）和B12（钴胺素）的浓度保留率显著更高。同样，矿物质元素如钙（Ca）、锌（Zn）和硒（Se）的保留情况也优于热处理组。这意味着，从营养保留的角度看，冷等离子体技术比传统热加工更为“温和”和高效。
理化特性与胶体稳定性
牛乳的许多感官和加工特性与其理化性质息息相关。研究测量发现，冷等离子体处理对牛乳的pH值和电导率影响很小，其数值与新鲜牛乳非常接近，而热处理则会引起这些参数更明显的变化。在颜色和颗粒粒径方面，等离子体处理样品也与新鲜牛乳更为相似。通过浊度法评估的胶体稳定性结果显示，冷等离子体处理没有对牛乳的乳状液稳定性造成负面影响，其稳定性与新鲜样品相当。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析进一步从分子层面证实，冷等离子体处理没有引起牛乳主要成分（如蛋白质、脂肪）发生明显的化学结构变化。
综合讨论与结论
综合以上结果，本研究得出明确结论：利用滑移弧反应器产生的冷等离子体对牛乳进行杀菌处理，是一种可行且极具前景的非热加工技术。其主要优势体现在三个方面：有效性、安全性和营养保持性。该技术能在保持牛乳温度低于36°C的“冷”条件下，实现有效的微生物灭活，其效果可与传统巴氏杀菌相媲美甚至更优。毒理学评估证实了其安全性。最关键的是，它能最大限度地保留牛乳中热敏性的维生素和矿物质，同时维持牛乳与新鲜状态相近的理化特性和胶体稳定性。
这项研究的意义重大。它不仅为冷等离子体技术在液态食品，特别是成分复杂的乳制品中的应用提供了扎实的科学数据支持，更重要的是，它为乳制品加工业指明了一条可能替代或补充传统热加工的新路径。面对消费者对“清洁标签”、高营养保留食品日益增长的需求，冷等离子体技术展示出解决“杀菌”与“保营养”这一行业核心矛盾的潜力。论文最后强调，研究所用的滑移弧反应器设计对于该技术未来的工业化放大应用具有重要意义，为开发新型的、节能且高效的乳品加工设备奠定了基础。当然，该技术在实际大规模应用前，仍需对其处理均匀性、长期储存效果、感官接受度以及成本效益进行更深入的研究。但毫无疑问，这项研究为未来更安全、更营养的乳制品生产打开了崭新的大门。
