《Food Chemistry》：Cold plasma enhances brown rice storage stability: Discharge modes, uniformity, and energy deposition in air and argon atmospheres
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冷等离子体处理对比研究揭示了氩气等离子体在抑制糙米酶活性（降低酯酶37%、脂氧化酶36.3%、过氧化酶20.9%）和保持淀粉结构稳定性方面的优势，其均匀能量沉积减少氧化损伤，为非热加工保鲜提供新方案。
杨晓楠|马立新|李晓楠|白俊文|周瑞云|王晨|蔡建荣
江苏大学食品与生物工程学院，镇江212013，中国
摘要
本研究探讨了在不同操作参数下，空气和氩气中的介质阻挡放电（DBD）等离子体的放电特性，并比较了它们对糙米储存稳定性的影响。结果表明，空气等离子体在低剂量下会激活酶类，在高剂量下由于从丝状放电模式转变为辉光放电模式而导致过度氧化。相比之下，氩气等离子体能够提供更均匀的能量沉积，并保持稳定的辉光放电状态。以20 kV、80%占空比为基准，60秒的氩气处理使糙米的抗氧化能力得到保持，减缓了米粉结构的劣化及水分迁移，并分别降低了脂肪酶（LA）、脂氧合酶（LOX）和过氧化物酶（POD）的活性37.0%、36.3%和20.9%。这些发现强调了气体类型和放电模式在优化糙米冷等离子体处理中的关键作用，从而提高了糙米的商业价值。
引言
糙米（BR）是稻米加工过程中的第一种可食用形式，它保留了米糠层和胚芽，因此富含膳食纤维、维生素、矿物质和有益化合物（Yang等人，2024年）。与精米加工相比，糙米加工更为简单，这不仅减少了能源消耗，更重要的是，有助于减少因过度加工造成的食物浪费。先前的研究已经证实，长期单独食用精米与糖尿病、心血管疾病和营养不良有关（Wu等人，2023年）。随着消费者对健康饮食意识的提高，推广适度加工并回归全谷物（如糙米）已成为优化饮食结构和减少营养损失的关键策略。
然而，糙米的储存时间通常比精米短，这主要是由于米糠层和胚芽中含有较高的脂质和脂肪分解酶（Liu等人，2024年）。在储存过程中，这些脂质会被脂肪分解酶分解，引发氧化反应。这些过程的综合作用会产生游离脂肪酸，导致异味并加速糙米的劣化（Biao等人，2019年）。因此，失活这些酶对于延长糙米的保质期至关重要。最常见的失活方法是热处理：在80–120°C下蒸煮或烘烤以使脂肪酶和淀粉酶失活。然而，高温会破坏热敏感的营养物质；长时间或过高的热处理还会使米壳变硬，导致口感变差、局部变褐和整体品质下降（Wu等人，2024年）。此外，化学处理往往留下试剂残留物并损害品质。例如，酸处理残留物（有机酸）会带来酸涩味并破坏外层结构，导致煮熟后过软（Sirisoontaralak等人，2016年）。对于碱处理，低浓度的NaHCO?或Na?CO?可以抑制酶活性，但残留的碱会引发美拉德反应，导致褐变和颜色变化（Zhang等人，2018年）。天然酶抑制剂（如茶多酚、黄酮类）非常安全，但其特性可能会带来涩味和苦味（Ye等人，2022年）。因此，开发一种非热物理加工技术，能够在有效失活酶活性的同时保留营养成分并防止高温和化学试剂造成的品质下降，对于延长糙米的保质期和提高其产品价值至关重要。
近年来，冷等离子体因其安全、环保和非热物理加工特性而受到广泛关注。该技术是通过向气体施加能量使其电离形成等离子体实现的。在电极之间形成明亮而密集的丝状放电，伴随着一系列物理和化学效应（Yang等人，2025年）。这些效应中的活性物质主要来源于高能量放电过程中工作气体的解离和激发；常见的类型包括活性氧物种（O?、H?O?、OH?）和活性氮物种（NO、NO?、NO??、NO??）（Shanker等人，2023年）。物理效应包括冲击波、紫外线辐射和微射流，它们会在食品表面产生蚀刻作用，从而提高加工效率（Yang等人，2023年）。冷等离子体产生的带电粒子、自由基和活性物质可以与食品中的酶相互作用，改变这些酶的蛋白质结构。因此，冷等离子体技术被视为一种非常有前景的酶失活替代方法。在糙米和其他谷物基材料中，冷等离子体已被研究作为提高储存稳定性和减缓品质劣化的非热策略。Chen等人（2015年）报告称，低压等离子体处理可以延缓糙米在加速储存过程中的品质劣化，同时减缓脂肪酸度和关键内源酶（如α-淀粉酶和脂氧合酶）的变化。Liu等人（2021年）表明，介质阻挡放电冷等离子体通过抑制游离脂肪酸的积累和抑制典型的酸败相关挥发物（如己醛）来促进糙米的稳定。此外，水果和蔬菜的研究进一步支持了冷等离子体在品质保存中的广泛应用。Gu等人（2021年）研究了以空气为载气的冷等离子体（CP）处理对香蕉的介电特性和新鲜度的影响。结果表明，随着处理时间的延长，香蕉中的多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）活性显著下降。具体来说，PPO活性从271.43 U降至169.80 U，POD活性从368.36 U降至237.30 U。这项研究表明，CP处理增强了香蕉的介电特性，显著抑制了PPO和POD的活性，减少了褐变产物的形成，同时保持了香蕉的颜色。Kumar等人（2023年）报告称，在30 kV下进行10分钟的冷等离子体处理后，猕猴桃汁中的POD和PPO残留活性分别降低了28%和23%。与热处理相比，CP处理更有效地保留了果汁的营养成分并保持了其感官品质。类似的效果也在土豆（Kang等人，2019年）、菠萝汁（Pipliya等人，2022年）、山药（Shen等人，2023年）和全麦面粉（Chakraborty等人，2024年）中得到验证。总体而言，这些研究表明，冷等离子体技术在保持食品品质方面具有独特且不可替代的应用潜力。
值得注意的是，等离子体放电过程中载气类型的不同会显著影响酶失活效率。不同的载气（如空气、氩气、氮气）具有不同的分子结构、化学键能、化学反应性和组成特性；因此，在高能量放电下这些气体解离产生的活性物种类型和浓度也有很大差异（Sheng等人，2023年）。这种活性物种组成的差异可以通过原子发射光谱（OES）的特征原子峰谱清晰观察到。这种差异也直接影响酶失活效率和食品在储存过程中的品质劣化。然而，大多数现有研究都集中在特定食品材料中使用单一载气放电。不同气体放电对糙米储存过程中关键内源酶活性的影响，以及作用机制和工艺参数的优化，尚未得到解决。这一研究空白已成为阻碍冷等离子体在糙米加工中大规模应用的主要瓶颈。
针对这一背景，本研究使用了两种常见的载气——空气和氩气，并利用原子发射光谱比较了不同载气放电过程中活性粒子组成的差异。然后，进一步系统分析了冷等离子体处理对糙米储存过程中酶失活和淀粉物理化学性质的影响。本研究的结果有望为全谷物加工中冷等离子体技术的应用提供理论参考，并为工业实践中选择最佳的冷等离子体处理条件提供科学指导。
材料与试剂
新鲜稻米（品种Jijing 88），产自吉林省，从当地农民处购买。脱壳后去除杂质和受损颗粒，并在实验前将样品储存在4°C下。
Tris-HCl、4-硝基苯辛酸、亚油酸、磷酸一钠、KOH、NaOH、无水乙醇、酚酞、聚乙烯吡咯烷酮、邻甲氧基苯酚、甲醇、ABTS、DPPH等试剂由Macklin Inc.（中国上海）提供，除非另有说明。
等离子体反应系统
在本研究中，等离子体...
空气和氩气等离子体的形态特征及原子发射光谱分析
等离子体的放电特性直接决定了活性物种之间的能量沉积分布。不同的放电行为会导致系统采取不同的反应路径，从而影响加工效率和结果（Anuntagool等人，2023年）。如图2A所示，低占空率（50–70%）结合低电压（14–18 kV）会产生典型的丝状放电，空间均匀性较差，导致处理不足和结果波动较大。
结论
结果表明，气体来源和放电特性的变化会导致储存过程中处理后糙米品质的波动。特别是，空气等离子体从丝状放电转变为辉光放电，增强了其对介电常数和水合扰动的响应，导致局部能量积累和波动。这在低剂量下会提前激活糙米中的内源酶，而高剂量则会导致过度氧化和局部...
CRediT作者贡献声明
杨晓楠：撰写——原始草稿，可视化，资金获取，概念构思。马立新：软件，方法学，数据管理。李晓楠：方法学，数据管理。白俊文：验证，研究。周瑞云：方法学，资金获取，概念构思。王晨：软件，研究，概念构思。蔡建荣：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，数据管理。
未引用参考文献
Zhu等人，2025
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（编号：32301690）、中国农业研究系统专项基金（CARS-26）和江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX24_3993）的支持。作者感谢参与本研究的所有人员。
