综述：冷等离子体处理对食品生物活性化合物的影响

《Food, Nutrition and Health》：Effects of cold plasma treatment on food bioactive compounds

　　

冷等离子体技术已成为一种有前景的非热食品加工方法，因其能够在保持或改善营养和功能质量的同时增强食品安全性。本综述评估了冷等离子体在调控食品生物活性化合物方面的最新进展，特别关注多酚、类胡萝卜素、维生素和天然色素。冷等离子体在热力学非平衡状态下运行，产生与食品基质通过复杂且依赖于基质的机制相互作用的活性氧（ROS）和活性氮（RNS）物种。证据表明存在双效应行为：在优化条件下，冷等离子体可破坏细胞结构、促进大分子解聚、灭活降解酶，并增强生物活性化合物的释放和生物可及性。相反，过度的处理强度或长时间暴露可能引发氧化降解，导致敏感成分的损失。近期文献强调了冷等离子体结果对加工参数、等离子体生成方法、气体组成和食品固有特性的强烈依赖性。除成分变化外，冷等离子体已被证明可影响抗氧化活性、色素稳定性和消化后生物可及性，突出其与功能性食品开发的相关性。尽管具有显著潜力，但在工艺标准化、可扩展性和监管接受方面仍存在挑战。总体而言，本综述指出了关键知识空白和未来研究方向，以促进冷等离子体技术在食品系统中安全有效的工业实施。

冷等离子体技术作为一种创新的非热加工技术，是传统热处理的可持续替代方案，后者常损害食品的营养和感官品质。等离子体被视为物质的第四态，冷等离子体通常在大气压和低温（通常<60°C）下生成，处于热力学非平衡状态，包含部分或完全电离的气体，含离子、自由电子、原子、光子、活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等活性组分。这些活性物种与食品基质相互作用，导致食品组成和生物活性化合物稳定性的有益或有害变化。冷等离子体的效果取决于食品基质、等离子体源及操作参数（如电压、处理时间和气体类型）。食品生物活性化合物主要来源于植物次生代谢，包括多酚、类胡萝卜素、硫代葡萄糖苷、维生素、植物甾醇、三萜类、生物碱、辣椒素、多糖、多不饱和脂肪酸和生物活性肽等，其中多酚和类胡萝卜素因其抗氧化、抗炎、抗菌和心脏保护活性而备受关注。冷等离子体与生物活性物的相互作用呈现“双效应”机制：低至中等强度暴露最初有利于化合物释放、再生或保护，而一旦超过基质特异性严重性阈值，相同活性环境将驱动净氧化、转化和损失。ROS/RNS可破坏细胞膜和色素储存细胞器，促进结合化合物释放，可能增加其含量和/或生物可及性；而过度的功率或长时间处理会引发氧化降解，降低这些有益分子的浓度。例如，大气冷等离子体在优化条件下可提高荞麦等谷物基质中的总酚和总黄酮含量及抗氧化活性，介电屏障放电（DBD）等离子体处理绿茶可增强酚类提取和抗氧化潜力。然而，研究结果高度可变，甚至矛盾，主要源于食品基质和等离子体参数的差异，这反映了缺乏标准化处理条件和对等离子体-食品分子相互作用的有限理解。本综述通过检索Web of Science、Scopus和Google Scholar等数据库，优先关注近五年同行评审文献，系统汇编了冷等离子体技术对多酚、类胡萝卜素、维生素和天然色素及其生物可及性和稳定性的影响，旨在识别最佳处理条件和关键知识空白，以促进冷等离子体从实验室研究向工业实施的转化。证据表明，冷等离子体的效果取决于处理严重性、气体组成、基质属性和化合物类型，这些共同决定化合物是释放、保存、再生还是降解。

冷等离子体技术的基本原理、生成方法及作用机制是理解其应用的基础。在基本原理方面，冷等离子体由部分电离气体组成，通过电放电在室温附近生成，其冷特性源于热力学非平衡态：电子质量远小于离子和中性粒子，达到高能级而重粒子保持低温，这种热解耦使宏观气体温度安全适用于热敏食品加工，防止敏感营养素的热降解。电离过程产生含自由电子、紫外光子及中性原子的复杂混合物，但食品科学中最重要的活性物种是ROS（如O、O₃、OH）和RNS（如NO、NO₂、NO_x），它们是食品生物活性成分化学修饰的主要驱动因素。这些物种的浓度和穿透深度受操作参数控制，如放电方法（如DBD）和载气（如环境空气、氩气或氦气），使用惰性气体（如氩）可产生更稳定的放电和不同反应路径，从而优化处理以平衡微生物净化与生物活性化合物的保留或增强。在生成方法方面，常见技术包括DBD、大气压等离子体射流、电晕放电、射频和微波放电，其中DBD因能在大气压下产生稳定、大体积放电而适用于工业规模处理固体食品或包装产品。关键操作参数包括进料气体组成（如惰性气体与分子气体的比例）、相对湿度（适度水分促进羟基自由基生成，但过高会猝灭活性物种并破坏放电稳定性）、介电屏障材料及电极间距，这些因素共同决定放电功率和等离子体-食品相互作用深度，需精确优化以最大化生物活性成分保留并实现所需微生物灭活。在作用机制方面，冷等离子体通过生成O₃、OH·、NO、NO₂等活性物种发挥作用，其化学复杂性和有效性取决于气体组成、流速、压力、设备配置、处理时间和操作条件。ROS/RNS对食品基质中生物活性物的影响表现为两种竞争效应：结构破坏促进结合化合物释放，以及氧化反应导致其降解。净变化反映增加过程（释放、生物合成或再生、酶灭活）与减少过程（氧化、化学转化、物理损失）之间的平衡。基于此框架，可识别四种一般趋势：第一，基质结合化合物常出现初始增加，因结构破坏在降解主导前增强释放；第二，自由溶解或高度不饱和化合物在较低处理强度下即减少，因其直接暴露于活性物种；第三，氧化性等离子体（尤其空气生成）比惰性气体系统更快促进降解；第四，活体组织可能因储存期间应激诱导生物合成而出现延迟增加，而非活体系统仅限于释放和降解过程。冷等离子体可诱导敏感分子降解和氧化，如O₃触发多酚氧化或芳香环裂解，但也可通过诱导细胞壁“蚀刻”释放结合酚类，并通过灭活降解酶增强其保存。需注意，测量值的增加不应直接解释为新化合物形成或化学稳定性增强，而常源于可提取性改善、水分相关浓缩效应、解聚为更易检测形式或细胞区室释放；真正增加更可能与活体组织中应激诱导的生物合成或化学再生过程相关。

冷等离子体诱导的食品生物活性化合物变化是综述的核心，具体讨论了多酚及抗氧化活性、类胡萝卜素、维生素C和天然色素。在多酚及抗氧化活性方面，冷等离子体对多酚的影响受活性物种与食品基质结构特性的复杂相互作用调控，优化处理可增强酚类化合物的可提取性、生物可及性和抗氧化活性，而过度处理则促进氧化降解。例如，中度冷等离子体处理常通过增强可提取性和基质结构破坏增加总酚含量和抗氧化活性，而更强烈处理可能促进氧化降解；表观不一致性可归因于处理严重性和基质结构的差异，这些决定增强可提取性与氧化降解之间的平衡。此外，等离子体诱导的解聚可生成具有高抗氧化活性的小分子酚类，暂时补偿其他部分的损失。一个重要机制涉及等离子体诱导的基质结构修饰：冷等离子体处理可促进酚类大分子氧化或解聚为更小的生物活性亚基，如处理西农黑穗全麦粉导致咖啡酸和对香豆酸增加，增强抗氧化和抗癌活性；在谷物基质（如紫薯粉）中，冷等离子体诱导颗粒破碎和淀粉结晶度变化，同时影响功能特性和生物活性化合物可用性。类似趋势在奇亚籽（高压下总多酚增至64.98 mg GAE/g）和巴西莓果肉（特定频率下增加38.8%）中观察到。冷等离子体预处理还通过结构破坏和改善传质增强海洋生物质（如褐藻中褐藻多酚）的提取效率。此外，冷等离子体可作为一种生物刺激剂，激活苯丙氨酸解氨酶（PAL）等酚类生物合成相关酶，促进储存期间酚类合成和抗氧化能力增强，如处理杏果激活ROS清除途径并促进酚类和抗坏血酸合成，处理鲜切芒果提高总酚和总黄酮同时抑制多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）从而延缓酶促褐变。处理时间和强度是关键因素，如香蕉片总酚含量随处理时间增加（从35秒的26.85 mg/100 g FW增至155秒的46.71 mg/100 g FW），伴随抗氧化活性（如DPPH、FRAP、ABTS）增强。冷等离子体还改善酚类化合物的胃肠生物可及性，如辉光等离子体处理食用迷你玫瑰增强消化过程中酚类释放，处理后消化抗氧化活性更高；处理巴西莓果肉（50 Hz，10 min）显著增加主要酚类（如表儿茶素、咖啡酸、儿茶素）在模拟消化后的生物可及性。结合脉冲电场等其他非热技术可进一步提高植物副产物中多酚的稳定性和生物可及性。然而，某些条件下也观察到总酚含量降低，这些不一致凸显冷等离子体效果对处理参数和基质特性的强烈依赖性。最近研究采用响应面法和人工智能建模优化等离子体条件，以最大化酚类保留和抗氧化活性。总体而言，酚类化合物的响应受等离子体诱导的结构破坏与氧化降解之间的平衡控制，固相基质（如谷物、种子）因细胞壁破坏而增加可提取性，液态基质更易受ROS驱动的降解；血浆强度、暴露时间和气体组成影响ROS/RNS相对丰度，决定酚类释放或氧化降解的主导地位。分子层面，酚类化合物的化学结构（如羟基化程度、聚合度和芳香环共轭）影响其稳定性，决定等离子体处理促进解聚为小分子酚酸还是氧化裂解芳香结构。因此，短期低能条件下，等离子体处理通过细胞壁破坏、大分子解聚和降解酶抑制增强酚类可提取性；而长期高能条件加速氧化反应，降低酚类结构和抗氧化能力，这解释了研究间的变异性。

在类胡萝卜素方面，这些亲脂性色素因分子结构中含有共轭双键而对ROS、低pH和光暴露高度敏感。冷等离子体处理的效果高度依赖于工艺参数和食品基质性质，中度等离子体暴露常改善色素保留或可提取性，而更强处理加速氧化降解。类胡萝卜素比许多酚类更易氧化降解，因此增加更可能发生在等离子体处理主要增强其从基质中释放时（如破坏类胡萝卜素-蛋白质或果胶相互作用），而降解在活性物种暴露超过基质保护能力时占主导。例如，鲜切芒果中冷等离子体处理促进储存期间类胡萝卜素保留率更高；而在预干燥处理的果实（如tucum?）中，冷等离子体应用导致类胡萝卜素水平降低，归因于等离子体激发的自由基与表面类胡萝卜素相互作用。胡萝卜汁中DBD冷等离子体（70 kV，4 min）显著增加总类胡萝卜素，推测因活性物种降解果胶和晶体复合物，增强色素可提取性。冷等离子体还成功应用于从植物材料和加工副产物中提取类胡萝卜素，通过结构破坏释放色素并提高提取效率。然而，在番茄等基质中，因氧化自由基作用导致类胡萝卜素减少。对胡萝卜汁颜色和类胡萝卜素谱的研究表明，低电压（8 kV）冷等离子体有效限制颜色变化，而12 kV处理导致总色差（ΔE）与传统热加工相当，类胡萝卜素损失12%-28%，中间电压水平降解最严重；热加工对类胡萝卜素含量影响可忽略。在鲜切芒果中，DBD冷等离子体（75 kV，3 min）在储存期间保持类胡萝卜素含量优于对照，延缓初始降解速率。在鳄梨果肉中，短时间（10 min）低气体流速（10 mL/min）处理导致类胡萝卜素含量显著增加，提示短时间暴露可能限制自由基生成。大气冷等离子体可调节采后番茄中类胡萝卜素积累，80 kV处理可能触发储存期间类胡萝卜素生物合成作为生理反应以中和ROS。总体而言，类胡萝卜素响应受基质和过程依赖性平衡控制，优化条件下可保留或改善类胡萝卜素和视觉质量，但不当处理强度加速氧化损失，其高化学反应性（共轭双键系统）使氧化降解在高能等离子体或保护有限的基质中占主导。

在维生素C方面，冷等离子体在果汁中显示出显著益处，如腰果苹果汁经大气冷等离子体处理（700 Hz）后维生素C含量从637.97 mg/L增至825.74 mg/L，主要归因于等离子体生成的活性物种激活脱氢抗坏血酸还原酶，促进脱氢抗坏血酸还原为抗坏血酸；低流速下酶促再生快于降解。高频处理（700 Hz）还显著增强维生素C生物可及性（从67.56%增至78.25%）。动力学研究显示，胡萝卜汁中8 kV冷等离子体处理维持初始抗坏血酸水平（约3.8 mg/100 mL）并显著优于热加工样品。这些发现表明冷等离子体是促进维生素C保留和再生的有效策略，但维生素C的响应可能发生在窄处理范围内，短期或温和处理通过减少脱氢抗坏血酸和酶降解增加可测量抗坏血酸，而更强烈或长时间处理促进不可逆氧化损失。

在天然色素方面，冷等离子体效果高度可变，取决于处理条件和色素化学性质。花青素属于水溶性黄酮类色素，对pH、温度和光暴露敏感。冷等离子体通过两种对立机制影响花青素：增强可提取性和氧化降解。增强归因于组织结构破坏，如液泡膜和细胞壁受损促进细胞内花青素释放，增加可提取性和测量浓度，如射流等离子体处理石榴汁（4 W，2.5 kV，3-7 min）使总花青素增加21%-35%，DBD等离子体处理蓝莓（12 kV，5 kHz，90 s）增加约45%。相反，高能活性物种（如ROS和O₃）可引发花青素结构氧化裂解，如卡姆卡姆果汁中DBD等离子体（24 kV，960 Hz，15 min）导致大量花青素损失。此外，辉光放电等离子体处理迷你玫瑰（合成空气，80 kV，20 min）显著增加天竺葵素-3,5-二葡萄糖苷浓度（392.73 μg/g），提示可能选择性增强特定衍生物。总体而言，花青素响应呈双效应和基质依赖性，需精确控制等离子体参数。叶绿素是光合作用主要绿色色素，化学不稳定，易受光、热、氧和酸性环境降解。冷等离子体效果强烈依赖于气体组成、能量密度和暴露时间：高氧化性空气等离子体系统促进叶绿素降解，如表面微放电冷大气压等离子体（SMD-CAPP）处理螺旋藻粉（空气，10-15 mW/cm²，5 min）使叶绿素a从3126 μg/g降至1142-1381 μg/g，归因于ROS；而氮气等离子体下降解较少。相反，氮气或氩气下短时间处理可增强叶绿素含量，如微DBD等离子体处理人参幼苗（氮气，2 L/min，55 mW/cm²，3-10 min）使总叶绿素增加62%，归因于刺激生理代谢过程促进生物合成；氩气DBD等离子体处理葫芦巴种子（3.5-4.0 kV，13 kHz，0.5-5 min，30 s最佳）使总叶绿素增加49%。这些对比表明，惰性气体和短时间处理有利于保留或增加叶绿素。甜菜红素（包括红紫色甜菜红苷和黄色甜菜黄质）是含氮水溶性色素，对冷等离子体诱导的化学变化敏感，如大气冷等离子体处理甜菜根汁导致总甜菜红素减少，主要归因于pH波动和局部温度升高，其甜菜酸骨架对氧化物种高度敏感，高强度等离子体应用受限。总体而言，天然色素对冷等离子体的响应遵循与色素化学相关的模式：花青素和叶绿素位于细胞区室（液泡和叶绿体），可能从等离子体诱导的膜破坏中获益，增强可提取性；而类胡萝卜素和甜菜红素的发色系统高度易氧化，在活性物种浓度高时易降解，这凸显了色素定位、分子结构和抗氧化环境在决定稳定性中的重要性。

结论、局限性和未来展望部分指出，冷等离子体技术是一种新兴的非热加工方法，能够对生物活性成分产生双重的、产品特异性的影响。在优化条件下（如低功率输入、短处理时间和适当气体气氛），冷等离子体可保留营养质量，有时增强生物活性化合物的生物可及性和抗氧化活性，并通过灭活降解酶（如PPO）改善某些品质属性的稳定性，延长热敏产品的保质期。然而，实践中需谨慎平衡，因为过度暴露会引发氧化降解。没有通用处理条件，必须针对每种食品基质精心优化参数。总体而言，基质结合化合物在温和处理下更可能增加，而高可及性或易氧化化合物在更严重条件下减少。关键挑战是识别每种化合物-基质系统中增强向降解转变的阈值。未来工作应系统报告和整合关键变量（如等离子体严重性、气体组成、基质属性和化合物可及性），并量化基质特异性严重性阈值，建立活性物种谱（如ROS/RNS比）与化合物稳定性之间的预测关系，确定结构特征（如定位、结合状态和分子组成）如何影响对等离子体诱导反应的敏感性。此外，监管批准和生物安全性仍存在重要挑战，特别是等离子体处理食品的长期潜在过敏性、毒性和遗传毒性副产物，缺乏明确监管框架限制了从实验室规模向工业规模的转化。实验室规模研究（如鲜切芒果、胡萝卜汁、浆果汁的微生物灭活和品质保持）鲜有进展到中试规模验证，DBD系统处理谷物粉和水果基质面临反应器设计、能效和非均匀食品表面均匀处理等挑战。未来研究可能受益于集成智能技术和多组学分析方法，如采用人工智能和机器学习实时监测和动态调整等离子体参数，维持最佳处理窗口；等离子体活化水作为液相处理可能实现复杂食品表面的均匀处理；代谢组学和蛋白质组学有助于阐明分子水平反应并为监管评估提供安全性数据；将冷等离子体与其他非热栅栏技术结合可能有助于开发更可持续、节能的加工策略，同时维持食品营养品质。