等离子体活化水联合超声的新型物理栅栏技术用于长期贮藏的香菇

《Ultrasonics Sonochemistry》：A novel physical hurdle technology by combining plasma-activated water and ultrasound for long-term stored shiitake mushrooms

　　

香菇在贮藏过程中因微生物侵染和水分流失而易腐。本研究探讨了等离子体活化水（plasma-activated water, PAW）联合超声（ultrasound, US）处理对香菇微生物及采后品质的影响。对于联合处理，新鲜香菇在PAW中浸泡10分钟，同时分别以110、220或330 W的功率超声处理10分钟（分别标记为PAW-US110、PAW-US220和PAW-US330）。结果表明，PAW联合US（PAW-US）处理在贮藏14天时显著减少了约0.85–1.09个对数（log）的天然微生物。结果显示，PAW-US处理有助于抑制呼吸速率、抑制软化和褐变、增强抗氧化能力以及维持膜完整性。在所有组别中，PAW-US220处理效果最为显著，凸显了该栅栏技术在香菇采后保鲜方面的潜力。

**论文解读：等离子体活化水联合超声对香菇采后保鲜的效果与机制**

**1. 研究背景**
香菇（*Lentinus edodes*）因缺乏保护性角质层且含水量高，采后易受机械损伤、微生物侵染和水分流失影响，导致褐变、软化、腐烂和风味损失，显著缩短货架期。现有保鲜技术如干燥、冷藏、气调包装、辐照、脉冲电场及化学处理（如抗菌剂、臭氧、可食用涂层）虽有一定效果，但存在营养损失、异味、成本高或化学残留等局限性。等离子体活化水（plasma-activated water, PAW）作为一种间接冷等离子体处理技术，可通过水介质传递活性氧和活性氮（reactive oxygen and nitrogen species, RONS），避免直接等离子体对食品表面造成损伤，同时其酸性环境能抑制褐变相关酶活性。然而，PAW的抗菌效果受限于生物膜和细菌高浓度对活性物种扩散的阻碍。超声（ultrasound, US）处理通过空化效应和微射流可破坏微生物结构、增强传质，有望促进PAW中RONS的渗透和抗菌能力。因此，研究人员提出将PAW与US结合的栅栏技术，以协同提升香菇采后保鲜效果，并探究其最优功率参数及作用机制。

**2. 研究概述**
研究人员利用介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）系统制备PAW（放电功率126 W，空气为工作气体，活化25 min），将新鲜香菇（来源于山东齐河生物科技有限公司）分别浸泡于PAW中同时施以110、220或330 W超声处理10 min（记为PAW-US110、PAW-US220、PAW-US330），并与单纯PAW浸泡、单纯US处理、蒸馏水浸泡及未处理对照组比较。在4±1°C、相对湿度90±5%条件下贮藏14天，系统检测微生物菌落总数、褐变指数、呼吸速率、硬度、失重率、可溶性固形物、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）与过氧化氢酶（catalase, CAT）活性、细胞膜透性、丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量、多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）与过氧化物酶（peroxidase, POD）活性、总酚含量及DPPH自由基清除活性。结论：PAW-US220处理效果最显著，能有效抑制微生物生长、降低呼吸速率、延缓软化和褐变、增强抗氧化防御、维持膜完整性，显著延长香菇货架期。该论文发表在《Ultrasonics Sonochemistry》，为采后非热处理技术提供了新策略。

**3. 关键技术方法**
研究人员采用DBD系统（同轴石英管反应器，高压电极内置，铜网接地电极，放电间隙12 cm，峰值电压13.9 kV，频率15.6 kHz）以空气为工作气体（4 L min^?1）经25 min活化去离子水制备PAW。测定PAW的pH、电导率、氧化还原电位（oxidation–reduction potential, ORP）及NO₃^?、NO₂^?、H₂O₂、O₃浓度。处理组设置包括Control、Water、US（40 kHz，220 W）、PAW、PAW-US110、PAW-US220、PAW-US330，每组约280个样品，处理10 min后擦干、密封，于4°C、90%相对湿度下避光贮藏14天，每2天取样分析。微生物计数采用平板计数法，色泽用色差计测L^*、a^*、b^*计算褐变指数，呼吸速率用CO₂分析仪测定，硬度用质构仪压缩40%测试，可溶性固形物用手持折射仪，SOD用氮蓝四唑还原法，CAT用紫外吸收法，细胞膜透性用电导法，MDA用硫代巴比妥酸法，PPO和POD用分光光度法，总酚用Folin-Ciocalteu法，DPPH清除活性用比色法。数据采用SPSS 27.0进行Duncan多重比较（p<0.05）和Pearson相关分析。

**4. 研究结果**

**3.1 PAW的制备与理化特性**
通过发射光谱、电压电流波形及李萨如图形确认空气等离子体放电特性（主要为N₂第二正带及N₂⁺第一负带），放电功率126 W。随活化时间延长，PAW的pH降至~3.36，电导率增至51.40 μS cm^?1，ORP升至338.5 mV。NO₃^?浓度从0增至34.36 mg L^?1，NO₂^?在5 min内升至3.3 mg L^?1后趋于稳定，H₂O₂和O₃浓度亦随活化时间增加，但后期增速减缓，可能与温度升高及相互反应有关。

**3.2 香菇的好氧菌落总数**
贮藏14天内各处理组微生物量均上升，但PAW-US处理显著延缓细菌增殖（增幅0.55–0.79 log CFU g^?1 vs Control组1.64 log CFU g^?1），其中PAW-US220组增幅最小（0.55 log CFU g^?1）。结论：US空化效应破坏微生物表面结构，增强PAW中RONS渗透，协同抑制微生物。

**3.3 褐变指数**
贮藏前4天褐变指数快速上升，后期趋缓。PAW-US处理组褐变指数低于Control和Water组，PAW-US220组降幅最大（较Control低17%）。结论：PAW-US通过抑制PPO/POD活性及微生物增殖，减少酶促褐变。

**3.4 呼吸速率**
贮藏前期各处理组呼吸速率随养分消耗而下降。PAW-US组（尤其PAW-US220）呼吸速率显著低于Control和Water组（第8天分别为20.99 vs 40.31 mg CO₂ kg^?1 h^?1）。结论：PAW-US通过增强RONS传质，维持组织完整性，降低代谢消耗。

**3.5 硬度、失重率与可溶性固形物**
PAW-US处理维持了较高硬度（第14天PAW-US220较Control高17%），降低失重率（PAW-US220仅6.25% vs Water组11.32%），且可溶性固形物含量更高（较Water组高99%）。结论：PAW-US抑制微生物降解、降低呼吸，减缓水分和养分损失。

**3.6 SOD与CAT活性**
SOD活性先升后降，PAW-US处理组（尤PAW-US220）在第8天较Control高28.6%，第14天仍高26.4%。CAT活性呈先升后降趋势，PAW-US220组第14天较Control高43%。结论：PAW-US可能诱导细胞内源性ROS积累，上调抗氧化酶以应对氧化应激。

**3.7 细胞膜透性与MDA含量**
PAW-US处理组细胞膜透性上升幅度低于Control和Water组（第14天PAW-US220组41% vs Control组56%）。MDA含量亦低于对照组（PAW-US220较Control低13%）。结论：PAW-US减轻膜脂过氧化，维护膜完整性。

**3.8 PPO与POD活性**
PAW-US处理延迟了PPO活性峰值出现（从第10天延至第12天），并抑制其活性（第10天PAW-US220组较Control低64%）。POD活性在PAW-US组中亦较低（第10天32.7 U g^?1 vs Control 58.2 U g^?1）。结论：PAW中ROS和US空化效应可能导致酶构象改变或失活，抑制褐变和细胞损伤。

**3.9 总酚含量**
第8天时PAW-US组总酚含量显著升高（PAW-US220较Control高58%），后期虽下降但仍保持优势。结论：PAW-US可能激活苯丙烷代谢途径，促进酚类物质合成。

**3.10 DPPH自由基清除活性**
贮藏期间DPPH清除活性逐渐下降，但PAW-US组下降较慢，第14天PAW-US220组活性较Control高126%。结论：高抗氧化酶活性及总酚含量共同增强了抗氧化能力。

**3.11 相关性分析**
对PAW-US220组数据做Pearson相关分析，菌落总数、褐变指数、失重率、细胞膜透性和MDA含量间呈高度正相关（r≥0.99），而硬度、可溶性固形物、DPPH活性与上述指标呈显著负相关（r≤?0.95）。SOD和CAT活性与MDA含量正相关（r=0.92–0.95），表明酶活性升高是应对氧化胁迫的防御反应。

**3.12 PAW组成与US处理对采后品质的影响**
PAW的酸性氧化环境（高ORP）结合US的物理效应（40 kHz、220 W）可降低传质阻力，促进RONS进入香菇表面及内部微结构，抑制PPO/POD活性、调控MDA与SOD/CAT平衡，实现温和氧化刺激而非过度损伤，从而维持组织质地。但H₂O₂等长寿命物种的具体调控机制仍需进一步研究。

**5. 总结与结论**
本研究系统比较了PAW与不同功率US（110、220、330 W）联合处理对香菇采后品质的影响，发现PAW-US220效果最优。US空化破坏病原菌膜结构，促进PAW中RONS深入渗透，显著抑制腐败菌增殖和呼吸代谢，同时升高胞内RONS浓度，进一步损伤微生物膜。此外，PAW-US220处理保持香菇硬度、水分含量、组织紧密性和细胞膜透性稳定，维持较高可溶性固形物（提示较好养分保留），可能激活苯丙烷代谢增加总酚含量，提升抗菌和抗氧化能力。PAW中RONS激发抗氧化酶活性，提高DPPH自由基清除活性，而US空化干扰PPO和POD活性，减少采后氧化损伤、褐变和软化。该高效非热联合处理为延长香菇货架期、维持采后品质提供了有前景的新途径。