低溫等離子體殺菌原理及其在農業(yè)中的應用前景,食品安全論文

低溫等離子體殺菌原理及其在農業(yè)中的應用前景,食品安全論文所謂滅菌,就是用理化方式方法殺死一定物質中的微生物的微生物學基本技術。滅菌的徹底程度受滅菌時間與滅菌劑強度的制約。微生物對滅菌劑的抵抗力取決于原始存在的群體密度、菌種或環(huán)境賦予菌種的抵抗力。滅菌是獲得純培養(yǎng)的必要條件,也是食品工業(yè)和醫(yī)藥領域中必需的技術。當前,殺菌方式主要分為加熱殺菌和非熱殺菌兩種技術。加熱殺菌是高效、準確的殺菌方式方法,能夠準確控制殺菌的程度,并且能夠殺死各種微生物。高溫殺菌方式方法是當前應用最廣泛的殺菌方式方法,但是該方式方法會毀壞食品色、香、味、形,容易導致熱敏性成分分解和揮發(fā)性成分散失,能耗也較高。非熱殺菌技術能較好解決這些問題,其包括物理殺菌技術和化學殺菌技術。物理殺菌是運用物理手段,如機械作用、電磁場、高壓、電子和光等單一作用或兩種以上共同作用以到達殺菌的目的;而化學殺菌是指在殺菌對象中添加化學制品如化學防腐劑或生物代謝物等物質以殺死或抑制微生物的生長。非熱殺菌技術主要是指超高壓殺菌(Ultra-HighHydrostaticPressure,UHHP)、高壓脈沖電場殺菌(PulsedElectricField,PEF)、高壓二氧化碳殺菌(PressurizedCarbonDioxide)、脈沖強光殺菌(High-IntensityPulse)、微波殺菌(Microwave)、放射線殺菌(Irradia-tion)、紫外線殺菌(UVlight)及等離子體殺菌(Non-ThermalPlasma,NTP)等。低溫等離子體殺菌消毒實驗始于20世紀90年代,是以對熱敏感的材料為研究對象的新的殺菌技術,當前不斷應用于食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。低溫等離子技術滅菌時間短、操作溫度低,能夠廣泛應用于多種材料和物品的滅菌。等離子被封閉在一個系統(tǒng)內,不會對外造成輻射,不會對操作人員構成傷害;通過氣體循環(huán)系統(tǒng)可將殺滅的細菌和殘存余留物帶走。低溫等離子體消毒滅菌技術安全且能保持食品原有風味與營養(yǎng)成分,有望部分取代現有的食品熱殺菌方式。1、低溫等離子體定義與分類1.1低溫等離子體的定義等離子體是指一種電離氣體(電離度超過0.1%的氣體),是由離子、電子和中性粒子(原子或分子)組成的集合體,離子和電子所帶電荷數相等,整體呈電中性。它是一種由帶電粒子組成的電離狀態(tài),因而稱為繼固、液、氣三態(tài)以外的新的物質聚集態(tài),即物質的第四態(tài)。因華而不實的正電荷總數和負電荷總數在數值上總是相等,故稱其為等離子體。等離子體一詞源于希臘語,譯自Plasma,意為能夠成形的東西。這個名詞首先是由美國物理學家朗謬爾在1923年提出來的。他指出:在絕對溫度不為零的任何氣體中,都有一定數量的原子電離,即除中性粒子外還存在帶電粒子-電子和離子;但是只要在帶電粒子的密度到達其建立的空間電荷限制著本身運動時,帶電粒子才對氣體的性質產生顯著的影響。當密度足夠大時,正負帶電粒子之間的互相作用,使得在與氣體體積密度可相比較的體積內維持宏觀電中性。等離子體殺菌作為一種新興的廣譜滅菌技術,可殺死多種類型的抗性細菌細胞、真菌類病原菌、芽孢、病毒和酵母菌等,還可殺滅一些抗輻射細菌。其具有下面特點:滅菌所需時間短,一般只需幾秒至幾分鐘,對最頑固的芽孢也僅需要幾分鐘至十幾分鐘,且可不必進行通風循環(huán)。不產生有毒物質。產生等離子體的氣體能夠采用無毒氣體,對環(huán)境和操作人員安全,實現滅菌技術的綠色化滅菌溫度低。例如,低溫等離子體滅菌能夠控制放電室的溫度,使其在常溫下進行。滅菌全面、效率高。例如,高頻空間等離子體能夠對器皿的各個角度進行有效滅菌。研究表示清楚,等離子體能高效產生殺死或失活微生物的自由基及活性成分,有效地消滅細菌和病毒。操作簡單。全部滅菌經過可實現自動化。隨著研究的不斷深切進入,等離子體技術在實驗上獲得了很多進展,已廣泛應用于食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、空氣凈化、水體消毒、衛(wèi)生材料、紙張加工生產等多個領域。這項技術的應用必將對醫(yī)療、衛(wèi)生、食品以及生物工程技術的發(fā)展起到很大的推動作用。1.2低溫等離子體的構成等離子體是指不斷從外部對物質施加能量而使其離解成陰、陽電荷粒子的物質狀態(tài)。由于根據能級順序,物質狀態(tài)依次為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子體,因而等離子體習慣又稱為第四態(tài)。除存在于自然界外,等離子體也能通過人工方式獲得,通常是對氣體施加電場,使荷粒子加速。由于離子較重,所以被加速的都是電子,通過電子與較重粒子碰撞而引起電離,最終構成等離子體。在中低壓狀態(tài)下,作為等離子體質量主體的較重粒子(中性基團和離子),其溫度要比電子低至少一個數量級,因而這種等離子體稱之為低溫等離子體或冷等離子體。根據離子溫度與電子溫度能否到達熱平衡,可把等離子體分為平衡等離子體和非平衡等離子體。在平衡等離子體中,各種粒子的溫度幾乎相等。在非平衡等離子體中,電子溫度與離子溫度相差很大。通常把電離度小于0.1%的氣體稱弱電離氣體,也稱低溫等離子體;電離度大于0.1%的稱為強電離等離子體,也稱高溫等離子體。2、殺菌機理2.1作用原理關于低溫等離子的殺菌消毒機理,迄今為止人們還不能夠給出比擬圓滿的答案:。根據早期的試驗,相繼出現了各種有關機理的假講。縱觀各種假講,無論是從物理還是化學方面對殺菌消毒機理進行探尋求索,歸根到底不外乎下面3種:等離子體構成經過中產生的大量紫外線直接毀壞微生物的基因物質;紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化學鍵,最后生成揮發(fā)性的化合物,如CO、CHx;通過等離子的蝕刻作用,即等離子體中活性物質與微生物體內的電白和核酸發(fā)生化學反響,能夠摧毀微生物和擾亂微生物的生存功能。研究表示清楚,在單一氣體中,氣體對細菌孢子的殺滅作用不盡一樣,按殺菌效果強弱依次為O2、CO2、H2、Ar和N2;而利用混合氣體激發(fā)等離子體,其殺菌消毒效果往往比單一中性氣體好。過氧化氫分子構成等離子體,反響式為:H2O2HO+HO(HO為氫氧自由基)HO+H2O2H2O+HO2(HO2為過羥自由基)H2O2H2O2*(H2O2*為激發(fā)態(tài)過氧化氫分子)H2O2*H2O2+可見光/紫外線HO+HOH2O+O(O為活化氧原子)HO+OO2+H(H為活化氫原子)HO+HO2H2O+O22.2獲得等離子體的方式方法等離子體能夠通過外加電場或輻射的方式方法來獲得。華而不實,通過外加電場放電是實現等離子體的主要途徑。根據外加電場的頻率及采用的形式不同,可將放電分為輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電及微波放電等。輝光放電具有放電均勻、電子密度和能量高、活性物質豐富的優(yōu)點,在低溫等離子體應用研究中具有最廣泛的應用,十分是材料生成和外表處理及低溫滅菌等。輝光放電通常在低氣壓下實現,近年來怎樣在常壓下獲得輝光等離子體的研究得到了廣泛的開展并獲得了重要進展,為常壓輝光等離子體滅菌工作提供了技術基礎。電暈放電的特點是容易在常壓下實現,但其均勻性差、電子密度和能量低、活性物質相對較少,因而在處理經過中效率偏低,同時電暈放電還不容易獲得大體積的等離子體。介質阻擋放電則結合了前兩者的優(yōu)點,能夠在常壓下產生大面積的低溫等離子體。射頻放電和微波放電常用于無電極放電,可獲得純凈的等離子體。2.2.1電暈放電電暈放電是使用曲率半徑很小的電極(如針狀電極或細線狀電極),并在電極上加高電壓。由于電極的曲率半徑很小,而靠近電極區(qū)域的電場十分強,電子逸出陽極,發(fā)生非均勻放電,稱為電暈放電。電暈放電裝置是由高壓直流電源、1塊梳針狀電極板和1塊可兼放樣品的平板電極所組成,如此圖1所示。當梳針電極與電源的負極相連、平板電極與電源正極相連時,射向樣品的是以電子流為主,稱為負電暈;反之,則以正離子流為主,稱為正電暈。2.2.2介質阻擋放電典型的介質阻擋放電的裝置構造如此圖2所示。電極構造有平板形和圓管形兩種。從電介質的插入形式來看,有雙電介質層和單介質層兩種。介質能夠覆蓋在電極上,可以以懸掛在放電空間里。當在放電電極間施加一定頻率(50Hz~5MHz)足夠高的溝通電壓時,電極間的氣體就會被擊穿產生所謂的介質,阻擋氣體放電。2.2.3常壓等離子體噴射(APPJ)常壓等離子體噴射的特點是等離子體以一定的速度從狹縫中噴出,形如火焰,并具有較低的溫度,能夠通過RF或微波放電獲得。圖3為兩種常見的AP-PJ實驗裝置,均由兩個同軸電極組成,內電極接地,外電極與射頻功率源(13.5MHz)相連,原料氣體在兩電極間高速流動;射頻功率源加速自由電子,使自由電子獲得較高的能量。這些高能電子與原料氣體發(fā)生非彈性碰撞,產生各種活性種(激發(fā)態(tài)分子和原子、自由基)。這些化學活性種以高速從噴嘴噴出,撞擊到細菌外表并因而發(fā)生反響。大量研究實驗表示清楚,低溫等離子體能有效地在短時間內消滅細菌和病毒。利用暈光放電、電阻阻擋放電、微波輻射等方式產生的輝光低溫等離子體在不同氣壓下的滅菌實驗顯示,滅菌的效果與細菌的種類、細菌載物的材料、產生等離子體的氣體介質的種類、細菌芽孢的構成溫度及等離子體吸收的功率等有關。根據細菌種類的不同,低溫等離子體可在幾秒到十幾分鐘內將細菌滅殺。如常見的大腸桿菌在添加少量雙氧水的暈光等離子體中能于4.5s內被減少到原來的90%。實驗上用細菌數目減少到原來的90%時所需的滅菌時間長度來表征殺菌效果,稱為D值。根據滅菌的難易,各微生物的排序為細菌、芽孢、酵母、病毒。細菌最易消滅,而病毒則最為頑固。例如,常壓大氣等離子體下大腸桿菌D值約為10s,而噬菌體病毒的D值則在數分鐘以上。3、在工業(yè)和設施農業(yè)中的應用及瞻望3.1低溫等離子體的用處由于低溫等離子體殺菌具有低溫、高效、毀壞性小、不產生有害物質及無殘留等特點,被廣泛應用于工業(yè)殺菌。在醫(yī)學上,低溫等離子體滅菌器適用于大中小型醫(yī)院的供給室、手術室、牙科、肛腸科、美容科、急救中心、社區(qū)醫(yī)療及消毒供給中心等企事業(yè)單位。在食品工業(yè)中,已經用于食品外表、液體食品和包裝食品的殺菌消毒。3.2低溫等離子體在設施農業(yè)殺菌應用的瞻望當前有相關文獻證明,通過使用低溫等離子體成功殺滅了果汁和牛奶中的大腸埃希氏菌和沙門氏菌,將液體中的細菌總數降低5個對數值。這講明,在液體中應用低溫等離子體殺菌具有可行性。另外,已經有報道等離子體發(fā)生裝置用于畜禽舍的糞道消毒除臭系統(tǒng),利用等離子體與氣體、固體外表發(fā)生物理(離子轟擊)和化學反響,在霎時高速擊穿、蝕刻、氧化微生物中的蛋白質和核酸物質,使其滅活,進而到達滅菌的目的。低溫等離子體是通過氣體放電產生的,所以能否用該技術殺滅設施中基質(土壤)和營養(yǎng)液中微生物以到達滅菌的目的值得討論。當前,國內農業(yè)領域應用等離子體殺菌的技術和設備并不多。隨著對低溫等離子體研究的深切進入,該技術在設施農