冷大气等离子体处理对食品接触材料上细菌的灭活效果及影响因素

《Plasma》：Inactivation Effect and Influencing Factors of Cold Atmospheric Plasma Treatment with Bacteria on Food Contact Materials

　　

该研究调查了冷大气等离子体（Cold Atmospheric Plasma, CAP）处理对鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）在三种食品接触材料（Food Contact Materials, FCMs）——牛皮纸、304不锈钢和玻璃上的灭活效果及影响因素。CAP以大气氦等离子体射流（15 kV，10.24 kHz，He 4 L/m）产生，实验结果表明，其对两种细菌的灭活效果随等离子体处理时间（0、1、2、3、4和5 min）的增加而逐渐增强。采用三种经典灭菌动力学模型（Log-linear、Weibull和Log-linear + Shoulder + Tail）来评估等离子体对FCMs上细菌的灭活效率。结合决定系数（R²）、准确因子（Accuracy factor, Af）和偏差因子（Bias factor, Bf）以及均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE），可以得出结论：Log-linear + Shoulder + Tail模型在三种灭菌动力学模型中拟合度最高。鼠伤寒沙门氏菌对相同CAP处理的抵抗力弱于金黄色葡萄球菌。在相同条件下，CAP对玻璃表面细菌的杀灭作用最强，其次为304不锈钢表面，对牛皮纸表面细菌的杀灭作用最弱，这可能与FCMs的表面亲水性和粗糙度有关。上述结果表明，CAP的灭活效果可能受微生物种类以及FCMs表面特性的影响。该研究为未来CAP在提升食品安全方面的应用提供了有用信息。

食品接触材料（Food Contact Materials, FCMs）在食品加工、包装和储存过程中易滋生多种病原微生物，传统灭菌方法（如化学消毒剂、高温处理、超声波清洗、紫外发光二极管等）存在残留气味、毒性残留、处理时间长、能耗高或成本高等缺陷。冷大气等离子体（Cold Atmospheric Plasma, CAP）作为一种新型非热灭菌技术，可在常温常压下产生丰富的活性物种，灭菌效率高且无有害残留，在食品工业中具有广阔应用前景。然而，针对CAP处理FCMs表面病原菌的灭菌效果、影响因素及灭菌动力学的研究仍不充分。因此，研究人员选取三种常用FCMs（牛皮纸、304不锈钢和玻璃）及两种典型食源性病原菌——鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium，革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，革兰氏阳性菌），系统评估CAP的灭活效果，揭示菌种和材料表面特性对灭菌效率的影响，并建立灭菌动力学模型。该研究发表于《Plasma》期刊。

研究人员采用大气氦等离子体射流装置（石英管、铜电极，电源频率10.24 kHz，电压14 kV，氦气流量4 L/min），以固定距离（10 mm）处理接种在三种FCMs表面的细菌（初始浓度约10⁸ CFU/mL），处理时间分别为0、1、2、3、4、5 min。存活菌通过平板计数法检测。利用三种灭菌动力学模型（Log-linear、Weibull、Log-linear + Shoulder + Tail）拟合灭活曲线，结合决定系数（R²）、准确因子（Af）、偏差因子（Bf）和均方根误差（RMSE）评估拟合优度。同时，通过自动接触角测量仪和共聚焦激光扫描显微镜分别测定FCMs的水接触角（Water Contact Angle, WCA）和表面平均粗糙度。菌株来源：鼠伤寒沙门氏菌（CICC 21484）和金黄色葡萄球菌（ATCC 6538）分别购自中国工业微生物菌种保藏管理中心和美国典型培养物保藏中心。

**3.1 Inactivation Effect of CAP Treatment on Bacteria**：通过对比不同处理时间（0–5 min）下两种细菌在三种FCMs上的存活数量，发现随CAP处理时间延长，两种细菌数量均逐渐下降。在相同处理时间（如5 min）下，鼠伤寒沙门氏菌的减少量（如玻璃上减少2.501 log₁₀ CFU/mL）大于金黄色葡萄球菌（同条件下减少2.207 log₁₀ CFU/mL），表明革兰氏阴性菌对CAP更敏感。

**3.2 Kinetics Model Analysis**：采用三种模型分别拟合灭活数据，比较R²、Af、Bf、RMSE值。Log-linear模型的R²值较低（部分低于0.900），不适合描述CAP灭活过程；Weibull模型的所有R²均高于0.900，且形状参数n₁ > 1，曲线呈凸形；Log-linear + Shoulder + Tail模型的R²均超过0.995，且Af、Bf、RMSE值最优，故该模型拟合度最高。该模型的最大比灭活速率（k_max）显示，鼠伤寒沙门氏菌的平均k_max（1.071 min^?1）高于金黄色葡萄球菌（0.577 min^?1），且对同种细菌，k_max值按牛皮纸、304不锈钢、玻璃依次增大，表明CAP杀灭效果在玻璃上最强，不锈钢次之，牛皮纸最弱。

**3.3 Surface Characteristics of FCMs**：通过水接触角测量，牛皮纸为93.8°（疏水），304不锈钢为68.9°（疏水），玻璃为11.4°（亲水）。表面平均粗糙度分别为牛皮纸3.19 μm、304不锈钢1.27 μm、玻璃0.18 μm。因此，玻璃表面最平滑且亲水，细菌悬液易铺展，使更多细菌暴露于CAP活性物质；牛皮纸表面粗糙且疏水，细菌悬液易形成堆积结构，部分细菌被遮蔽，导致CAP灭菌效果最差。

讨论部分指出，CAP产生的活性物种（如OH、N₂正带、N₂⁺第一负带、H_α、O等）的强氧化作用是灭活关键。鼠伤寒沙门氏菌（革兰氏阴性）的肽聚糖层薄且具外膜，易被活性物种穿透，故抵抗力弱于金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性）。材料表面亲/疏水性和粗糙度影响细菌粘附与暴露程度，进而影响灭菌效果。Log-linear + Shoulder + Tail模型精确预测了灭活动力学，为实际应用提供了理论依据。研究结论翻译如下：总之，该研究结果表明CAP能有效灭活FCMs上的病原微生物，鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的灭活动力学可用三种数学模型准确预测。由于革兰氏阳性菌和阴性菌细胞壁差异，鼠伤寒沙门氏菌对CAP处理抵抗力弱于金黄色葡萄球菌。此外，CAP对同种细菌的杀灭效果在FCMs上顺序为：牛皮纸、304不锈钢、玻璃，这归因于三种FCMs不同的表面疏水性和粗糙度。然而，需要进一步研究以更好地理解细菌灭活机制及材料表面特性对CAP灭菌效果的影响。