《NFS Journal》：Cold plasma treatment in plant-based food processing: A non-thermal strategy for microbiological safety and quality preservation
编辑推荐：
冷等离子体（CP）技术已成为一种有前景的非热加工方法，用于改善植物基食品的安全性、质量和保质期。与传统的热处理方法不同，CP在接近环境温度下运行，能够有效进行微生物去污，同时保留感官和营养属性。该技术产生活性氧和氮物种（RONS）、紫外线光子、离子和带电粒子，
冷等离子体（CP）技术已成为一种有前景的非热加工方法，用于改善植物基食品的安全性、质量和保质期。与传统的热处理方法不同，CP在接近环境温度下运行，能够有效进行微生物去污，同时保留感官和营养属性。该技术产生活性氧和氮物种（RONS）、紫外线光子、离子和带电粒子，这些成分通过对细胞膜、蛋白质和核酸的氧化损伤共同促成微生物灭活。各种CP系统，包括介质阻挡放电（DBD）、大气压等离子体射流（APPJ）、电晕放电和等离子体活化水（PAW），已在水果、蔬菜、谷物、香料和植物衍生制品中证明对细菌、真菌、孢子、生物膜和病毒有效。CP的效果受到工艺参数（如电压、处理时间、气体组成、湿度和反应器设计）以及植物表面特性和食品基质组成的强烈影响。除了微生物控制外，CP可以修饰碳水化合物、蛋白质、脂质、维生素和生物活性化合物，可能增强功能特性和提取效率，同时保持产品质量。然而，过度暴露可能导致氧化降解、色素损失、营养恶化以及不良化合物（如脂质氧化产物和亚硝胺）的形成。等离子体活化水作为一种用于清洗和最小加工食品的间接消毒策略也受到关注。尽管具有巨大潜力，但工艺标准化、工业可扩展性、监管批准和长期安全性评估方面的挑战仍未解决。总体而言，CP代表了一种可持续且创新的技术，用于下一代植物基食品的加工和保藏。
**论文解读：冷等离子体技术在植物基食品加工中的应用——微生物安全与质量保藏的非热策略**
**研究背景与问题**
随着植物基食品市场的快速增长，如植物肉替代品、即食蔬菜沙拉等产品，消费者对微生物安全性和营养品质提出了更高要求。传统热加工虽能有效灭活微生物，但会破坏热敏性生物活性物质、改变感官特性，并增加能耗与碳足迹。非热技术如高压处理、超声波和脉冲电场虽能部分保留品质，但存在局限性。冷等离子体（CP）作为一种新兴非热技术，能在接近环境温度下产生高活性物种，实现微生物灭活的同时保留食品的感官和营养特性，成为解决上述问题的潜在策略。然而，其工艺标准化、工业可扩展性、长期安全性评估及监管批准等挑战仍待解决。本研究旨在系统分析CP技术在植物基食品加工中的作用，探讨其微生物安全机制、对营养品质的影响、工业应用现状及消费者接受度，为安全食品生产提供参考。该论文发表在《NFS Journal》。
**关键技术方法**
研究人员采用综合文献分析方法，聚焦于几类主要CP系统：介质阻挡放电（DBD）系统，通过电极间介电材料限制电流产生非热等离子体，适用于水果、蔬菜、谷物等表面去污；大气压等离子体射流（APPJ），可针对不规则形状表面进行局部处理；电晕放电系统，成本低且配置简单，用于表面灭菌和包装处理；等离子体活化水（PAW），将活性物种溶解于水中作为间接消毒策略，适用于清洗和浸泡。此外，文中还涉及CP与超声、脉冲电场、高压处理、天然抗菌剂等技术的协同应用，以及纳米材料结合策略。样本来源涵盖多种植物基食品类别，如水果、蔬菜、谷物、豆类、饮料及副产品，但未指定特定队列。
**研究结果**
*1. 冷等离子体技术基础*
研究表明，CP通过产生活性氧和氮物种（RONS）（包括臭氧、羟基自由基、过氧化氢、一氧化氮等）实现微生物灭活和表面改性。DBD、APPJ、电晕放电等系统各有特点，DBD便于大气压下操作，APPJ适合复杂几何表面，PAW则通过液体媒介延长活性物种作用时间。工艺参数（电压、处理时间、气体组成、湿度等）显著影响等离子体化学和活性物种生成，需优化平衡微生物安全与品质保持。
*2. 植物基食品中微生物灭活机制*
CP诱导的微生物灭活是多靶点过程：RONS引发脂质过氧化，破坏细胞膜通透性；氧化氨基酸残基导致酶失活；损伤DNA/RNA，抑制复制与转录。革兰氏阴性菌因肽聚糖层较薄而更易被灭活，革兰氏阳性菌、真菌、芽孢和病毒则需更高处理强度。孢子因低水分和代谢休眠具最强抗性，但适当优化等离子体条件可实现有效灭活。植物表面拓扑结构（如裂缝、绒毛、气孔）和生物膜可屏蔽微生物，降低处理效率；湿度可通过形成水相活性物种促进或稀释活性成分，起双重作用。
*3. 等离子体活化水（PAW）作为间接处理策略*
PAW通过将水暴露于冷等离子体产生RONS，伴随pH降低和氧化还原电位升高。其抗菌机制主要依赖活性物种的协同作用，对革兰氏阳性/阴性菌及生物膜相关细胞有效，但有机质会显著降低其抗菌效率。PAW适用于清洗、浸泡和最小加工食品，能均匀接触不规则表面并渗透裂缝，同时保留感官和营养属性。
*4. CP在植物基食品类别中的应用*
CP处理在不同食品中效果各异：对蓝莓处理可降低微生物负荷并提高糖、维生素C和花青素含量；对草莓处理无明显颜色或质地变化，但E. coli减少2.0–2.2 log??；对番茄汁则轻微增加褐变指数，但总酚和抗氧化能力略有下降。对谷物和淀粉，CP可改善功能特性（如吸水、溶胀、粘度），但过度处理可能导致淀粉解聚或色素降解。对豆类蛋白，CP可提高溶解度、乳化性和起泡性，降低致敏性。对食品副产品，CP可增强生物活性化合物提取效率（10–40%）。效果高度依赖处理条件和基质特性。
*5. 对质量和营养属性的影响*
CP对颜色和质地的影响取决于处理强度：草莓、苹果等产品颜色变化不显著，但番茄汁褐变指数升高；质地方面，CP处理可延缓鲜切果蔬软化，改善豆类蛋白的食品加工特性。感官上，部分处理可能产生异味，但改性蛋白可改善植物基面条的感官接受度。营养方面，CP处理可改变淀粉组成（增加快消化和抗性淀粉）、降低不饱和脂肪酸含量（增加饱和脂肪酸），并导致蛋白质结构展开。维生素C在蓝莓中增加1.5倍，但过度处理可能降解；总酚和类黄酮含量在姜黄中增加，但在番茄汁中轻微下降。
*6. CP与其他新兴保藏技术的结合*
CP与超声、脉冲电场、脉冲光、天然抗菌剂等结合可产生协同效应：超声辅助CP增强活性物种穿透；CP与纳米材料可完全灭活E. coli而不影响藏红花成分；CP与高静水压降低处理强度。这些混合系统优化了微生物去污和生物活性化合物保留，减少了合成添加剂依赖。
*7. 化学安全考虑*
CP产生的活性物种可能引发脂质氧化，形成氢过氧化物、醛类等次级产物，导致酸败和风味劣变。蛋白质氧化导致结构变化，影响消化率。此外，RNS与有机分子反应可能形成亚硝胺（潜在致癌物），还原糖与氨基酸在CP条件下可能促进丙烯酰胺形成。需优化处理参数以最小化有害化合物生成。
*8. 工业可扩展性与工艺集成*
CP处理在连续式和批次式模式下各有优劣。连续式适用于工业，但存在泄漏风险和高初始成本；批次式适合实验室研究。CP在谷物、饮料等产品中可降低能量消耗（比热法少用95%水），但需优化产品吞吐量、气体组成等参数。混合技术（如CP+超声）可进一步提高效率，但经济评估和试点工厂验证仍不足。
*9. 监管状况与消费者接受度*
CP处理食品的监管批准因产品类型和地区而异。美国FDA根据潜在化学残留评估；欧盟将CP视为新型食品，缺乏毒理学和副产品数据。消费者接受度受安全评估挑战影响，如不完全降解毒素、营养损失和脂质过氧化。但作为绿色技术，CP在保留营养和减少化学处理方面受到关注。
*10. 知识空白与未来研究方向*
主要空白包括：缺乏标准化处理参数，不同系统间不可比；基质特异性验证不足，复杂的植物基食品（如肉类似物）研究稀缺；长期储存稳定性和感官评价数据有限；混合系统协同机制尚不明确；工业规模的安全性评估（如亚硝胺、丙烯酰胺）和毒理学研究不足。未来应优先发展标准化协议、计算模型（计算流体动力学、机器学习）、全生命周期评估和监管框架。
**讨论与结论**
讨论部分强调，CP技术虽具潜力，但需克服工艺标准化、工业放大、安全评估和监管等核心挑战。研究人员指出，未来应通过多学科合作（包括食品科学、等离子体物理、毒理学等）推动商业化。研究结论部分翻译如下：冷等离子体（CP）已成为一种变革性的非热食品加工技术，具有显著潜力改善植物基食品的安全性、品质、功能性和保质期，同时保留其营养和感官特性。通过生成活性氧和氮物种（RONS），CP有效灭活广谱微生物（包括细菌、真菌、孢子、病毒），并修饰酶、淀粉、蛋白质等食品成分以增强功能特性。介质阻挡放电、大气压等离子体射流和等离子体活化水等技术在水果、蔬菜、谷物、豆类、饮料等产品中显示出广泛适用性，凸显CP作为传统热保藏方法可持续且环保的替代方案。然而，CP的效果受等离子体操作条件、处理时间、气体组成、反应器配置以及食品基质理化特性的强烈影响，因此需针对特定基质进行优化，因为通用条件无法确保一致的微生物灭活和品质保藏。尽管CP已证明可改善提取效率、增强生物活性化合物可用性、修饰淀粉和蛋白质功能并延长保质期，但过度暴露可能加速脂质氧化、营养降解、色素劣变以及不良化合物形成。因此，在微生物去污与营养、功能、感官品质保持之间实现最佳平衡是其成功应用的主要前提。CP与互补保藏技术（包括等离子体活化水、超声波、脉冲电场、高压处理、天然抗菌剂、可食用涂层和纳米技术递送系统）的集成，代表了增强抗菌效率同时最小化品质劣变的有前景策略。尽管如此，若干科学和技术挑战仍阻碍CP的商业化，包括有限穿透深度、等离子体生成系统变异性、缺乏工艺标准化、工业规模验证不足、对长期化学安全的不完全了解、不断演变的监管要求和消费者接受度。未来研究应优先建立标准化和基质特异性处理协议、优化等离子体反应器设计和操作条件、开发连续工业规模系统，以及进行全面的保质期、感官品质、营养稳定性和化学安全评估。特别应强调长期毒理学研究、等离子体诱导化学副产物评估、技术经济分析、生命周期评估和协调国际监管框架。此外，将计算建模、人工智能、预测过程控制和先进组学技术与等离子体科学相结合，将为更深入的机制理解和加速工艺优化及工业转化提供支持。总体而言，CP代表了下一代食品加工的一个高度有前景、可持续且节能的平台。通过多学科协作和技术创新克服剩余的科学、工程、监管和安全挑战，CP有望从实验室研究成功过渡到工业应用，成为一种商业可行的保藏技术，能够生产更安全、最小加工、营养更优且高质量的植物基食品，同时为更可持续和具有韧性的全球食品系统做出贡献。
