《Trends in Food Science & Technology》：From synergy to superiority: Harnessing ultrasound and cold plasma for next-generation food safety and quality enhancement
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超声波与冷等离子体协同处理在食品非热加工中的应用，通过空化效应促进活性物种渗透，提升微生物灭活效率、保质期及营养保留，同时克服单一技术穿透力不足和氧化损伤等问题。
陈文清|马海乐|伊万·加里皮|维贾亚·拉加万|沈晨
长春大学食品科学与工程学院，中国长春，130022
摘要
背景
超声波和冷等离子体最近作为新兴的非热处理技术出现在食品加工领域，为传统热处理方法提供了高效、可持续且能保持食品质量的替代方案。超声波通过空化效应产生的机械和物理化学作用，促进了物质和能量的传递，改变了食品结构，并提高了生物活性化合物的提取效率。冷等离子体能够生成多种活性物质，在温和条件下实现快速杀菌、表面改性以及选择性生化反应的启动。当这两种技术结合使用时，可以产生协同效应，从而实现更全面和高效的加工效果。
研究范围与方法
尽管人们对这些技术的兴趣日益增加，但现有文献中专门探讨它们协同作用机制及其在多种食品基质中综合应用影响的综合性研究仍然有限。本文通过将基础物理化学原理与实际食品加工效果相结合，填补了这一空白。系统地分析了超声波-冷等离子体联合处理的当前应用及其作用机制，重点介绍了其在食品安全（杀菌、减少过敏原、延长保质期）和品质提升（干燥性能、生物活性化合物提取、蛋白质结构改性和营养成分保留）方面的作用。
结论
超声波与冷等离子体的结合为非热食品加工提供了一种有效策略。通过梳理复杂的相互作用机制并识别当前存在的瓶颈，本文构建了一个理论框架，将基础科学与工业应用联系起来。这些见解为未来研究提供了方向，有助于推动标准化协议的大规模应用，使这种协同方法的潜力得以更好地发挥。
引言
近年来，消费者对低加工、安全、营养丰富的食品需求不断增长，推动了新型非热处理技术的探索（Harikrishna等人，2023年）。虽然传统热处理方法能有效确保食品安全并延长保质期，但它们往往会导致热敏营养素的降解、食品成分的结构和功能改变以及感官品质的下降（Zhang等人，2025年）。这些限制可能影响食品的健康促进作用及其消费者接受度（Pankaj，2015年）。同时，饮食模式的转变、对超加工食品的担忧以及对环境可持续性的关注日益增强，促使食品行业采用更环保的加工方法（Xu等人，2025年）。在这种背景下，非热处理技术作为一种有效的解决方案应运而生，能够在保证食品安全的同时更好地保留食品的营养、功能和感官特性（Yudhistira等人，2023年）。
在各种非热处理技术中，超声波（US）和冷等离子体（CP）因其高处理效率和操作灵活性而受到广泛关注。高强度、低频的超声波会产生声空化现象，形成微射流和强烈的剪切力，从而增强物质传递并破坏细胞结构（Chen等人，2022年；Xu等人，2021年）。这些效应使得超声波在腌制、干燥强化、生物活性化合物提取和大分子功能改性等方面得到应用（Shen等人，2023b）。然而，作为一种独立技术，超声波的工业应用效果往往受到其缺乏直接化学杀灭能力的限制。虽然超声波可以物理上分离微生物，但其抗菌效果主要是间接的，并且高度依赖于声场的均匀性。在复杂或密集的食品基质中，单独使用超声波往往需要较高的功率或较长的处理时间才能实现完全杀菌，这可能导致局部加热和不良的质地变化。相比之下，冷等离子体通过生成活性氧和氮物种（RONS）发挥强大的抗菌作用，引起氧化应激和膜破坏（Shen等人，2023a）。尽管冷等离子体具有化学活性，但其局限性在于其作用范围主要局限于表面。等离子体物种的渗透能力较低，导致“阴影效应”，即隐藏在复杂食品结构深孔、裂缝或内部中的微生物未被有效杀死（Lin等人，2020年）。为克服这一问题，研究人员通常需要增加等离子体强度或暴露时间，但这可能过度氧化表面脂质和蛋白质，从而影响产品的感官和营养价值（Bezerra等人，2023年）。
因此，将超声波与冷等离子体结合使用不仅是一种战术性的补充，更是克服每种技术固有局限性的必要策略。如图1所示，这种协同策略已成为食品科学领域的重要研究方向（该图基于关键词共现分析由VOSviewer生成）。文献数据来自Web of Science核心集合，搜索使用了“ultrasound”和“cold plasma”这两个关键词，仅纳入了经过同行评审的英文文章和综述。排除了与食品应用或非热处理无关的出版物。去除重复记录后，将剩余数据导入VOSviewer进行关键词共现分析。在可视化之前，手动合并了同义和相关关键词以减少冗余。这种兴趣的兴起源于超声波和冷等离子体互补但相互制约的特性。当两者协同使用时，超声波可以增加食品基质的孔隙率和表面积，从而改善物质传递限制，使冷等离子体产生的活性物质能够更深入、更均匀地渗透。相反，冷等离子体引起的氧化改性可以稳定或增强超声波引发的结构重组，从而实现更可控的功能特性。这种双重处理策略直接解决了单一技术的局限性，特别是解决了超声波能量分布不均和冷等离子体作用范围有限的问题（Faria等人，2020年；Miraei Ashtiani等人，2022年）。随着现代对食品安全、产品质量和处理效率要求的提高，这种强大的框架变得越来越重要（Pan等人，2020年）。
近年来，关于超声波和冷等离子体联合处理的研究迅速发展，应用范围包括干燥强化（Namjoo等人，2022年）、农产品去污（Hu等人，2024a）、生物活性化合物提取（Christaki等人，2025年）、蛋白质结构改性（Zenasni等人，2025年）、过敏原减少（Zhong等人，2024年）和延长保质期等。然而，现有文献仍然分散且主要以应用为导向。大多数综述将超声波或冷等离子体视为独立技术进行讨论，而系统性和批判性的综合研究，特别是关于其协同作用机制和工业应用价值的探讨仍然较少。
该领域研究的快速扩展，加上目前缺乏统一的分析框架，迫切需要对超声波和冷等离子体联合处理进行严谨和及时的综合研究。本文旨在实现几个关键目标：首先，批判性地分析驱动超声波+冷等离子体协同效应的物理和化学机制；其次，系统评估这一双重处理策略在确保食品安全、提升产品质量和实现功能改性方面的最新进展；最后，识别当前面临的挑战和知识空白，为实验室研究与工业应用之间的差距提供战略方向。通过将这些分散的研究成果整合到一个连贯的框架中，本文旨在为研究人员和行业利益相关者提供基础参考，推动下一代非热处理技术的发展。
超声波-冷等离子体协同机制
通过阐明每种技术的基本原理，然后研究它们联合应用时的相互作用，可以更好地理解超声波与冷等离子体的协同机制。超声波主要通过声空化效应以及由此产生的机械、热和化学作用发挥作用，而冷等离子体则依靠生成活性颗粒、光子和带电粒子来引发表面改性和生化反应。
超声波与冷等离子体在食品保存和安全方面的应用
上述基本机制为这种技术的协同潜力提供了坚实的理论基础。然而，这些机制的真正价值在于其在食品系统中的实际效果。通过了解空化如何促进活性物质的渗透，我们可以更好地理解超声波+冷等离子体在减轻生物危害方面的优势。
超声波与冷等离子体在食品加工和品质提升方面的应用
虽然确保食品安全和延长保质期是食品保存的核心，但超声波+冷等离子体组合的用途远不止于去污。同样的结构改性和物质传递增强作用也可以用于提高食品加工效率。
超声波+冷等离子体在新兴食品加工技术中的地位
为了评估超声波+冷等离子体组合的工业可行性，需要将其性能与高压处理（HPP）、脉冲电场（PEF）、UV-C/臭氧和电阻加热等已有的和非热处理技术进行比较。每种技术都有其独特的应用领域，了解它们的相对优势对于战略实施至关重要。
挑战与限制
超声波与冷等离子体的协同结合为确保食品安全、提高食品加工效率和提升食品质量提供了一种创新的非热处理策略。尽管在实验室层面取得了令人满意的成果，但从概念到主流工业技术的转化仍面临诸多挑战。解决这些挑战将决定该领域未来的研究方向。
未来展望
识别上述限制是超声波+冷等离子体成为主流食品处理技术的前提。这些挑战而非障碍，为未来的研究和开发提供了战略方向。本节概述了未来展望和新兴趋势，指出了需要在学术研究与工业应用之间架起桥梁的关键领域。
结论
总之，超声波与冷等离子体的协同整合超越了传统单一技术的局限，为下一代食品加工建立了一个复杂的生物物理化学耦合框架。在机制层面，超声波诱导的声空化作用作为“动力驱动因素”，破坏了边界层阻力，创造了瞬态微通道，有效克服了冷等离子体产生的短寿命活性物质的传输限制。
CRediT作者贡献声明
陈文清：撰写初稿、进行形式分析和概念构建。马海乐：开展调查、提供资源和概念支持。伊万·加里皮：撰写综述和编辑。维贾亚·拉加万：进行概念构建。沈晨：撰写综述和编辑、监督项目、获取资金及项目管理。
致谢
我们感谢中国国家留学基金委（资助编号CSC 202308320418和CSC 202308320408）的财政支持。
