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《Comprehensive Review: Chemical and Physical Changes Induced by Cold Plasma Treatment of Foods—A Critical Review》

作者信息与研究发表平台

本文由 Mohammad Bayati、Marianne N. Lund（分别隶属于哥本哈根大学食品科学系和生物医学科学系）、Brijesh K. Tiwari（Teagasc食品研究中心，爱尔兰）以及 Mahesha M. Poojary（哥本哈根大学食品科学系）联合撰写。文章发表在 Wiley Periodicals LLC 的期刊《Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety》上，其 DOI 为10.¹¹¹¹⁄₁₅₄₁-4337.13376，研究接收日期为2024年2月21日，修订日期为2024年5月13日，并于2024年5月17日获接受。

研究背景与文章主题

本文是一篇综述（review），旨在探讨冷等离子体（Cold Plasma）技术对食品成分的化学及物理性质的影响。冷等离子体是一项新兴技术，在食品加工和保存领域，引起了广泛关注。这种无热、环保技术可以在不添加化学物质的情况下灭活微生物和酶，因此被称为“清洁和绿色”技术。然而，该技术在实际应用中可能引发食品质量和安全挑战，主要体现在等离子体活性物质与食品成分间潜在的化学相互作用。

冷等离子体处理常见于从包装改性到种子萌发、微生物灭活及杀菌剂降解等多种农业及食品工业领域。综述尤其关注冷等离子体对食品的关键化学成分，如蛋白质、脂质、碳水化合物、多酚以及挥发性有机化合物性质的影响，并进一步分析其对食品颜色、质地、pH值及感官特性等重要物理参数的作用。通过评估目前已报道的数据，综述旨在为科学家设计实验提供参考，以优化冷等离子体技术的应用。

论文主要观点及内容阐释

本文集中探讨了冷等离子体技术在食品不同成分及特性上的影响，分为以下几部分进行详细论述：

一、冷等离子体的基础与形成化学特性

冷等离子体是物质的一种特殊状态，其由电子、正负离子、中性原子、分子基态和激发态粒子、自由基以及紫外光子等组成。根据等离子体中离子与粒子的热力学平衡，可以将其分为高温等离子体（High-Temperature Plasma）与低温等离子体（Low-Temperature Plasma）。

冷等离子体的核心化学过程包括两阶段：
1. 初始阶段中电子与空气（例如氧气和氮气）碰撞，形成活性化学物质，如超级氧自由基（•O2）、臭氧（O3）及其他反应氮种类（Reactive Nitrogen Species, RNS）。
2. 二次碰撞则进一步生成氧化氮与其他氮氧化物质。

各种工艺参数（如气体、多种电离模式）显著影响冷等离子响应物的种类，包括带电粒子、自由基、离子和其激发态。例如，当空气作为供气时，可生成丰富含氧和氮特种化合物，而对添加氦和氩气的系统，优先形成纯化物。

二、冷等离子体对主要食品成分的影响

1. 水及水基产品

冷等离子体通过形成过氧化氢（H2O2）、亚硝酸（NO2-）和硝酸（NO3-），显著降低水样品及饮品的pH值，例如“等离子活化水”在长时间处理下呈显著酸化趋势。此外，冷等离子体可能导致水溶液中金属离子的还原反应，从而生成金属纳米颗粒，例如银和锌氧化物。

2. 乳制品及植物奶

冷等离子体显著影响乳制品物理化学性质： - pH值变化：冷等离子体处理后牛奶的pH值会显著降低，源于亚硝酸及其他酸性物质的生成。 - 色泽影响：颜色变化多因蛋白质发生交联，脂质与酚类化合物经氧化而引起。 - 碳水化合物降解：乳糖糖分含量减少，例如，冷等离子体处理后植物奶总溶解固体含量（TSS）上升。 - 脂质氧化：如冷等离子体增加椰奶中的脂质氧化程度，饱和脂肪酸含量提高。 - 蛋白氧化：蛋白质与冷等离子体相互作用，氧化芳香族氨基酸及巯基，可能增加表面疏水性。

3. 肉类与肉制品

• 氧化反应：氧化作用导致蛋白质与脂肪显著变化，脂质氧化生成次生氧化产物（如醛类化合物）。
• 感官特性：冷等离子体处理的小型猪肉样品显示剪切力减小，柔嫩性增强。
• 色泽：冷等离子体通过氧化肌红蛋白（Myoglobin）在样本表面产生特定红、褐色变化。
• 蛋白质与氨基酸变化：结果显示增大蛋白碳基氧含量，硫氢基剧减，显著连接蛋白氧化的交联反应。

4. 水果、果汁及蔬菜

• 表面特性：低压等离子下的西红柿表层更粗糙且角质层被破坏。
• pH与风味：样品（如切片土豆）表面pH值下降，伴随感官品质降级。
• 次级代谢生成：冷等离子可能激活植物酚化合物合成途径，提高总酚含量；而另一方面，也可能因脂质过氧化副产物破坏多酚结构化学环。

5. 坚果类

冷等离子体处理对坚果的特殊性影响较小，但会显著降低其水分含量，增强质地，如花生与榛子的表面润湿性大幅增加。个别研究显示，冷等离子导致棕色素降解，影响坚果类色泽、感官。

6. 谷物

冷等离子显著调节谷物的釉质表面及黏附性，如小麦粉处理后粘弹性增强，糯米中多糖被部分裂解产生糊化效果。

三、论文的意义与价值

本文通过系统性整理了冷等离子技术在食品化学改性中的应用及研究进展： 1. 提供理论指导：为研发食品工业专用冷等离子设备及优化食品质地提供科学依据。 2. 强调局限性：综述全面揭示了冷等离子体可能降低食品营养价值的风险，如冷等离子对亚油酸、维生素C破坏性氧化。 3. 促技术创新：突破现状限制，文章详细说明多种冷等离子类型、实验设计灵活性。

本文不仅是冷等离子技术食品应用研究的重要文献，同时为探索食品安全与加工技术新方向提供宝贵参考。