等离子体射流与火花等离子体放电处理对鲜榨胡萝卜汁微生物安全性与营养品质的提升研究

《JOURNAL OF FOOD QUALITY》：Enhancing Microbial Safety and Nutritional Quality of Fresh Carrot Juice: Insights From Plasma Jet and Spark Plasma Discharge (SPD) Treatments

本文综述了脉冲火花放电（PSD/SPD）与等离子体射流两种非热等离子体技术对鲜榨胡萝卜汁的微生物灭活效果及营养品质影响。研究表明，两种处理方式均能有效降低胡萝卜汁中多种致病菌（如蜡样芽孢杆菌B. cereus孢子、大肠杆菌E. coli）和腐败微生物（如乳酸菌、霉菌酵母）的负载量，其中双电极SPD配置表现出最优的杀菌效率。在营养指标方面，短时处理（≤6分钟）可维持维生素C和β-胡萝卜素的稳定性，延长处理时间会导致轻微降解，但总酚含量显著提升。该技术为果汁工业提供了一种兼顾食品安全与营养保留的非热加工替代方案。

　　

1. 引言

新鲜蔬菜汁的微生物腐败是食品工业面临的严峻挑战，全球约25%的食物浪费源于此。胡萝卜汁作为弱酸性（pH～6.0）饮品，更易受微生物污染，其货架期通常不超过24小时。传统热加工技术虽能灭菌，但易导致营养成分损失和感官品质下降。冷等离子体技术作为一种非热加工手段，通过产生活性氧氮物种（RONS）、紫外线及带电粒子，可有效灭活微生物且对食品基质影响较小。本研究系统比较了等离子体射流与两种电极配置的火花等离子体放电（SPD 1：单电极接触液面；SPD 2：双电极悬空）对胡萝卜汁微生物安全性和关键营养成分（维生素C、β-胡萝卜素、糖类、酚类）的作用效果。

2. 材料与方法

2.1 实验设计

胡萝卜汁经提取后分为两组：一组接种蜡样芽孢杆菌（^{B. cereus}）孢子（7.78 log₁₀CFU/mL），另一组保留天然微生物群落。分别接受等离子体射流（氩气驱动，12 kHz，20 kV）、SPD 1和SPD 2处理（3、5、7、9分钟），检测微生物数量、维生素C（HPLC法）、β-胡萝卜素（C18柱）、糖分（蔗糖/果糖/葡萄糖）及总酚含量（Folin–Ciocalteu法）。颜色参数通过HunterLab色度仪测定（L^?亮度、a^?红绿值、b^?黄蓝值）。

2.2 微生物分析

采用选择性培养基定量检测总需氧菌、乳酸菌、霉菌酵母、大肠菌群、^{E. coli}和^{E. faecalis}。孢子悬液通过热激活（80°C）及离心纯化后用于接种实验。

3. 结果

3.1 微生物灭活效果

SPD 2处理9分钟可完全消除所有测试微生物（需氧菌、乳酸菌、霉菌酵母、大肠菌群、^{E. coli}、^{E. faecalis}）。SPD 1对蜡样芽孢杆菌孢子的灭活效果达4 log₁₀CFU/mL，显著优于等离子体射流（0.7 log₁₀reduction）。微生物灭活效率与电极配置密切相关，双电极悬空设计（SPD 2）通过增强RONS生成能力，表现出最优的杀菌动力学。

3.2 营养品质变化

维生素C在短时处理（≤6分钟）内保持稳定，但延长至9分钟时，等离子体射流、SPD 1和SPD 2分别导致8%、12%和14%的损失。β-胡萝卜素含量在7分钟内无显著变化，9分钟时出现轻微下降（SPD 2组降幅5.2%）。糖分（蔗糖、果糖、葡萄糖）在7分钟后开始减少，可能与自由基氧化反应有关。总酚含量随处理时间延长显著上升（SPD 2组增幅达9%），归因于等离子体诱导的糖苷键断裂释放游离酚类。

3.3 色泽稳定性

处理前后亮度（L^?）值无显著变化，但红度（a^?）值轻微降低，黄度（b^?）值升高，与β-胡萝卜素的降解趋势一致。颜色变化在视觉可接受范围内，未影响产品外观。

4. 讨论

冷等离子体的微生物灭活机制主要归因于RONS（如H₂O₂、ONOO^?）对细胞膜脂质、蛋白质及DNA的氧化损伤。SPD 2的双电极设计通过提升气相自由基溶出效率，强化了对孢子的穿透能力。营养组分的变化则体现了等离子体与食品基质的复杂相互作用：维生素C的降解与自由基攻击相关，而酚类增加源于聚合物解离。该技术能耗低（设备功率10 W）、无需添加化学试剂，具备工业化应用潜力。

5. 结论

火花等离子体放电（尤其SPD 2配置）可高效提升胡萝卜汁的微生物安全性，并在适度处理时间内维持核心营养成分。未来需优化等离子体参数（如气体组成、处理时间），以平衡灭菌效率与营养保留，推动该技术在果汁加工中的规模化应用。