综述：结构重塑、氧化还原调控与代谢响应在冷等离子体预处理辅助食品干燥中的关键综述

《Foods》：Structural Remodeling, Redox Regulation, and Metabolic Responses in Cold Plasma Pretreatment-Assisted Drying of Foods: A Critical Review

　　

干燥被广泛用于稳定食品，但长时间加工和热暴露增加了能源需求，并可能损害颜色、质地、营养成分和风味。冷等离子体（CP）预处理作为一种非热策略，在保持产品质量的同时加速水分去除，已引起关注。本关键综述通过将结构重塑与氧化还原调控和代谢响应联系起来，考察了跨食品材料的CP预处理辅助干燥。当前证据表明，表面润湿性、角质层屏障、细胞壁和膜完整性以及孔隙连通性的变化可以促进水分迁移并缩短干燥时间。CP相关的褐变酶、氧化状态以及生物活性或风味相关代谢物的调节也可能影响颜色、抗氧化能力、营养保留和风味。然而，这些效应随放电模式、处理强度、气体组成、压力、温度和食品基质性质而变化。过度暴露反而可能加剧氧化并降低产品质量。当前的机制证据在植物性食品和食用菌中最强，在动物源性食品中仍然有限。总之，这些发现将等离子体产生的化学和物理因子与结构、生化和干燥响应联系起来。它们为定义材料特异性操作窗口以及开发可重复、安全且可扩展的CP预处理辅助干燥食品提供了基础。

2. 冷等离子体生成模式与放电系统：该部分介绍了四种主要放电配置。介质阻挡放电（DBD）通过电极间介电层产生瞬态微放电，可处理较大面积，但空间均匀性受电极形状、间隙、介电性质、样品负载和局部湿度影响。大气压冷等离子体射流（CPJ）在喷嘴附近产生等离子体并传输羽流至食品，可定向处理，但单喷嘴覆盖面积有限，缩放需扫描或多喷嘴阵列，且物种衰减和空气夹带改变剂量。低压辉光放电（LPGD）在减压腔室中产生稳定非平衡放电，但真空本身可去除水分、冷却或变形组织，需分离等离子体与真空效应。电晕放电在高压电极周围产生离子和活性物种，但在食品干燥中常主要作为电水动力学（EHD）干燥器，需区分离子风与活性氧氮物种（RONS）介导的机制。各配置在暴露位置、带电粒子与光子可达性、物种寿命、压力、气体流动和能量耦合方面存在差异，设备选择取决于预期的作用模式。

3. CP预处理辅助干燥中的结构重塑与水分迁移机制：该部分阐述了多尺度传质机制。表面改性：RONS、带电粒子和紫外光子接触食品表面，引起脂质、蜡质和细胞壁成分氧化，引入极性基团（如羟基-OH、羰基C=O、羧基-COOH），提高表面自由能，降低接触角，改善润湿性，促进水分向蒸发界面供应。内部组织重塑：CP可诱导孔隙开放、裂纹形成和孔隙网络重组，减少内部扩散阻力。在枸杞、枣片、苹果片等研究中观察到微孔形成和表面结构变化，但孔隙连通性比孔隙数量更重要。细胞水平调节：细胞壁多糖（如果胶）的氧化导致去酯化和链断裂，减弱中胶层，降低细胞间黏附；膜通透性改变促进细胞内水分释放。水分状态转变：部分 immobilized water 可能向更可移动的水状态转变，增加可运输水分比例。低场核磁共振（LF-NMR）和磁共振成像（MRI）可提供证据，但直接应用仍有限。干燥动力学改善：表面改性、微观结构重塑和水分状态转变共同降低传质阻力，提高有效水分扩散系数（D_eff），缩短干燥时间，降低活化能（E_a）。薄层干燥模型（如Page、Henderson-Pabis、Midilli-Kucuk等）用于定量评估。能量性能：缩短干燥时间可降低干燥阶段能耗，但总过程能耗需考虑等离子体生成、气体供应、真空、冷却等辅助负载。

4. 产品质量的氧化还原与代谢调控：颜色：CP可抑制酶促褐变（通过改变多酚氧化酶PPO和过氧化物酶POD活性）和非酶促褐变（通过缩短干燥时间减少美拉德反应和抗坏血酸降解）。但过度氧化可能导致色素（花青素、叶绿素、类胡萝卜素、甜菜红素）降解。颜色响应取决于基质抗氧化缓冲能力，且受放电频率、配置等因素影响。质地：CP通过缩短干燥时间和保持组织完整性，减少收缩和塌陷，改善硬度和复水性。在枸杞、枣片、苹果片等研究中观察到孔隙形成和表面改性有利于复水性，但过度氧化可能导致细胞壁多糖降解和软化。营养与生物活性化合物：CP可保留维生素C、多酚、黄酮、花青素等，通过缩短热暴露和诱导应激代谢（如苯丙烷代谢）。RONS（如H₂O₂、NO_x、O₃、^•OH、¹O₂、O₂^•?）可同时作为信号分子和氧化剂，需平衡暴露与抗氧化缓冲能力。激素效应仍是剂量依赖性假设而非已确立事实。风味：CP可影响挥发性化合物（酯类、醛类、醇类、萜烯类），通过氧化应激和代谢途径（如脂氧合酶LOX途径），但直接证据有限。在PAW处理的火箭菜中观察到己-1-醇和己-3-烯-1-醇升高，可能涉及LOX激活或ROS促进的亚油酸氧化。结构-氧化还原-代谢模型：整合上述机制，提出暴露依赖性序列，适度处理通过表面亲水化、孔隙开放、细胞壁/膜变化改善传质，调节PPO/POD活性和抗氧化防御，经H₂O₂和NO_x信号影响苯丙烷和抗坏血酸代谢，保留多酚、黄酮、风味前体等；过度处理则导致氧化损伤和结构破坏。

5. 协调干燥效率与质量的过程控制策略：放电能量输入：低输入可能无响应，高输入可能同时改变多种化学和物理暴露，导致加热、氧化或结构损伤。最佳处理窗口需实验确定，不能仅由功率或时间定义。气体组成与活性物种调控：气体组成影响放电行为，但需通过光学发射光谱（OES）、电子顺磁共振（EPR）或化学探针定量测量RONS浓度。短寿命物种（^•OH、原子氧）和长寿命物种（O₃、H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?）作用不同，目前尚无普遍有利的RONS组合。组织特性与过程适应：食品基质差异（几何形状、孔隙率、表面屏障、抗氧化能力）决定响应。多孔组织需较低暴露，致密组织需更深层重塑。植物性食品机制（如细胞壁机制）不能直接推广到动物源食品。多因素优化与精确控制：采用响应面法（RSM）优化多因素交互，机器学习（ML）可处理复杂非线性关系，预测干燥行为和产品质量。数字孪生技术可提供实时监控和模型预测控制，但应用仍处于前瞻阶段。

6. 材料依赖性机制与过程转化：传质增强与质量劣化的平衡：存在一个材料特异性处理窗口，窗口内表面活化和组织重塑改善传质，窗口外过度氧化或结构损伤抵消增益。从递送暴露到跨尺度响应：需通过实验区分直接、远程、PAW、EHD等不同暴露途径的贡献。追踪结构变化、水分再分布、氧化还原行为、代谢和最终质量在同一材料中的序列。材料感知过程设计与工业转化：缩放需保持暴露均匀性和传质优势，同时满足能源、产量、质量、安全、成本等要求。数据驱动工具（ML、数字孪生）可辅助设计，但需验证。混合系统（如CP与其他预处理结合）可拓宽可行操作区域。

7. 结论：总结关键观点，强调CP预处理辅助干燥的效果取决于暴露与基质的匹配，而非普遍最优条件。当前机制证据主要来自植物性食品和食用菌，扩展至动物源食品需直接评估其传质屏障和氧化敏感性。工业转化需实现可重复的操作窗口，在连续或中试条件下保持暴露均匀性和传质优势。