0、 引言
所谓灭菌,就是用理化方法杀死一定物质中的微生物的微生物学基本技术。灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件,也是食品工业和医药领域中必需的技术。
目前,杀菌方式主要分为加热杀菌和非热杀菌两种技术。加热杀菌是高效、准确的杀菌方法,能够准确控制杀菌的程度,并且可以杀死各种微生物。高温杀菌方法是目前应用最广泛的杀菌方法,但是该方法会破坏食品色、香、味、形,容易导致热敏性成分分解和挥发性成分散失,能耗也较高。
非热杀菌技术能较好解决这些问题,其包括物理杀菌技术和化学杀菌技术。物理杀菌是运用物理手段,如机械作用、电磁场、高压、电子和光等单一作用或两种以上共同作用以达到杀菌的目的; 而化学杀菌是指在杀菌对象中添加化学制品如化学防腐剂或生物代谢物等物质以杀死或抑制微生物的生长。非热杀菌技术主要是指超高压杀菌(Ultra-High Hydrostatic Pressure,UHHP ) 、高压脉冲电场杀菌 (PulsedElectric Field,PEF ) 、高压二氧化碳杀菌 (PressurizedCarbon Dioxide ) 、脉冲强光杀菌 (High - IntensityPulse) 、微波杀菌 (Microwave ) 、放射线杀菌 (Irradia-tion) 、紫外线杀菌 (UV light) 及等离子体杀菌(Non -Thermal Plasma,NTP ) 等。
低温等离子体杀菌消毒实验始于 20 世纪 9 0 年代,是以对热敏感的材料为研究对象的新的杀菌技术,目前不断应用于食品加工和医疗卫生等领域。低温等离子技术灭菌时间短、操作温度低,能够广泛应用于多种材料和物品的灭菌。等离子被封闭在一个系统内,不会对外造成辐射,不会对操作人员构成伤害; 通过气体循环系统可将杀灭的细菌和残余物带走。低温等离子体消毒灭菌技术安全且能保持食品原有风味与营养成分,有望部分取代现有的食品热杀菌方式。
1、 低温等离子体定义与分类
1. 1 低温等离子体的定义
等离子体是指一种电离气体(电离度超过 0. 1%的气体) ,是由离子、电子和中性粒子(原子或分子)组成的集合体,离子和电子所带电荷数相等,整体呈电中性。它是一种由带电粒子组成的电离状态,因此称为继“固 、液 、气 ”三态以外的新的物质聚集态,即物质的第四态。因其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等,故称其为等离子体。
等离子体一词源于希腊语,译自 Plasma,意为能够成形的东西。这个名词首先是由美国物理学家朗谬尔在 1923 年提出来的。他指出: 在绝对温度不为零的任何气体中,都有一定数量的原子电离,即除中性粒子外还存在带电粒子-电子和离子; 但是只有在带电粒子的密度 达到其建立的空间电荷限制着自身运动时,带电粒子才对气体的性质产生显著的影响。
当密度足够大时,正负带电粒子之间的相互作用,使得在与气体体积密度可相比拟的体积内维持宏观电中性。
等离子体杀菌作为一种新兴的广谱灭菌技术,可杀死多种类型的抗性细菌细胞、真菌类病原菌、芽孢、病毒和酵母菌等,还可杀灭一些抗辐射细菌。其具有以下特点: 灭菌所需时间短,一般只需几秒至几分钟,对最顽固的芽孢也仅需要几分钟至十几分钟,且可不必进行通风循环。不产生有毒物质。产生等离子体的气体可以采用无毒气体,对环境和操作人员安全,实现灭菌技术的“绿色化”灭菌温度低。例如,低温等离子体灭菌可以控制放电室的温度,使其在常温下进行。灭菌全面、效率高。例如,高频空间等离子体可以对器皿的各个角度进行有效灭菌。
研究表明,等离子体能高效产生杀死或失活微生物的自由基及活性成分,有效地消灭细菌和病毒。操作简单。全部灭菌过程可实现自动化。随着研究的不断深入,等离子体技术在实验上取得了许多进展,已广泛应用于食品加工、医疗卫生、空气净化、水体消毒、卫生材料、纸张加工生产等多个领域。这项技术的应用必将对医疗、卫生、食品以及生物工程技术的发展起到很大的推动作用。
1. 2 低温等离子体的形成
等离子体是指不断从外部对物质施加能量而使其离解成阴、阳电荷粒子的物质状态。由于按照能级顺序,物质状态依次为固态、液态、气态、等离子体,因此等离子体习惯又称为第四态。除存在于自然界外,等离子体也能通过人工方式获得,通常是对气体施加电场,使荷粒子加速。由于离子较重,所以被加速的都是电子,通过电子与较重粒子碰撞而引起电离,最终形成等离子体。在中低压状态下,作为等离子体质量主体的较重粒子(中性基团和离子) ,其温度要比电子低至少一个数量级,因此这种等离子体称之为低温等离子体或冷等离子体。
根据离子温度与电子温度是否达到热平衡,可把等离子体分为平衡等离子体和非平衡等离子体。在平衡等离子体中,各种粒子的温度几乎相等。在非平衡等离子体中,电子温度与离子温度相差很大。通常把电离度小于 0. 1% 的气体称弱电离气体,也称低温等离子体; 电离度大于 0. 1% 的称为强电离等离子体,也称高温等离子体。
2、 杀菌机理
2. 1 作用原理
关于低温等离子的杀菌消毒机理,迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。根据早期的试验,相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说,无论是从物理还是化学方面对杀菌消毒机理进行探索,归根到底不外乎以下 3 种: 等离子体形成过程中产生的大量紫外线直接破坏微生物的基因物质; 紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键,最后生成挥发性的化合物,如 CO、CHx; 通过等离子的蚀刻作用,即等离子体中活性物质与微生物体内的电白和核酸发生化学反应,能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。研究表明,在单一气体中,气体对细菌孢子的杀灭作用不尽相同,按杀菌效果强弱依次为 O2、CO2、H2、Ar 和 N2; 而利用混合气体激发等离子体,其杀菌消毒效果往往比单一中性气体好。
过氧化氢分子形成等离子体,反应式为:H2O2→HO·+HO·(HO·为氢氧自由基)HO·+H2O2→H2O+HO2·(HO2·为过羟自由基)H2O2→H2O2* (H2O2* 为激发态过氧化氢分子)H2O2* →H2O2+可见光 / 紫外线HO·+HO→H2O+O·(O·为活化氧原子)HO·+O→O2+H·(H·为活化氢原子)HO·+HO2→H2O+O2
2. 2 获得等离子体的方法
等离子体可以通过外加电场或辐射的方法来获得。其中,通过外加电场放电是实现等离子体的主要途径。根据外加电场的频率及采用的形式不同,可将放电分为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。辉光放电具有放电均匀、电子密度和能量高、活性物质丰富的优点,在低温等离子体应用研究中具有最广泛的应用,特别是材料生成和表面处理及低温灭菌等。辉光放电通常在低气压下实现,近年来如何在常压下获得辉光等离子体的研究得到了广泛的开展并取得了重要进展,为常压辉光等离子体灭菌工作提供了技术基础。电晕放电的特点是容易在常压下实现,但其均匀性差、电子密度和能量低、活性物质相对较少,因此在处理过程中效率偏低,同时电晕放电还不容易获得大体积的等离子体。介质阻挡放电则结合了前两者的优点,可以在常压下产生大面积的低温等离子体。射频放电和微波放电常用于无电极放电,可获得纯净的等离子体。
2. 2. 1 电晕放电
电晕放电是使用曲率半径很小的电极(如针状电极或细线状电极) ,并在电极上加高电压。由于电极的曲率半径很小,而靠近电极区域的电场特别强,电子逸出阳极,发生非均匀放电,称为电晕放电。电晕放电装置是由高压直流电源、1 块梳针状电极板和 1块可兼放样品的平板电极所组成,如图 1 所示。当梳针电极与电源的负极相连、平板电极与电源正极相连时,射向样品的是以电子流为主,称为负电晕; 反之,则以正离子流为主,称为正电晕。
2. 2. 2 介质阻挡放电
典型的介质阻挡放电的装置结构如图 2 所示。
电极结构有平板形和圆管形两种。从电介质的插入形式来看,有双电介质层和单介质层两种。介质可以覆盖在电极上,也可以悬挂在放电空间里。当在放电电极间施加一定频率(50Hz ~5MHz) 足够高的交流电压时,电极间的气体就会被击穿产生所谓的介质,阻挡气体放电。
2. 2. 3 常压等离子体喷射(APPJ)
常压等离子体喷射的特点是等离子体以一定的速度从狭缝中喷出,形如火焰,并具有较低的温度,可以通过 RF 或微波放电获得。图 3 为两种常见的 AP-PJ 实验装置,均由两个同轴电极组成,内电极接地,外电极与射频功率源(13. 5MHz) 相连,原料气体在两电极间高速流动; 射频功率源加速自由电子,使自由电子获得较高的能量。这些高能电子与原料气体发生非弹性碰撞,产生各种活性种(激发态分子和原子、自由基) 。这些化学活性种以高速从喷嘴喷出,撞击到细菌表面并因此发生反应。
大量研究实验表明,低温等离子体能有效地在短时间内消灭细菌和病毒。利用晕光放电、电阻阻挡放电、微波辐射等方式产生的辉光低温等离子体在不同气压下的灭菌实验显示,灭菌的效果与细菌的种类、细菌载物的材料、产生等离子体的气体介质的种类、细菌芽孢的形成温度及等离子体吸收的功率等有关。
根据细菌种类的不同,低温等离子体可在几秒到十几分钟内将细菌灭杀。如常见的大肠杆菌在添加少量双氧水的晕光等离子体中能于 4. 5s 内被减少到原来的 90% 。实验上用细菌数目减少到原来的 90%时所需的灭菌时间长度来表征杀菌效果,称为 D 值。
根据灭菌的难易,各微生物的排序为细菌、芽孢、酵母、病毒。细菌最易消灭,而病毒则最为顽固。例如,常压大气等离子体下大肠杆菌 D 值约为 10s,而噬菌体病毒的 D 值则在数分钟以上。
3、 在工业和设施农业中的应用及展望
3. 1 低温等离子体的用途
由于低温等离子体杀菌具有低温、高效、破坏性小、不产生有害物质及无残留等特点,被广泛应用于工业杀菌。在医学上,低温等离子体灭菌器适用于大中小型医院的供应室、手术室、牙科、肛肠科、美容科、急救中心、社区医疗及消毒供应中心等企事业单位。
在食品工业中,已经用于食品表面、液体食品和包装食品的杀菌消毒。
3. 2 低温等离子体在设施农业杀菌应用的展望
目前有相关文献证明,通过使用低温等离子体成功杀灭了果汁和牛奶中的大肠埃希氏菌和沙门氏菌,将液体中的细菌总数降低 5 个对数值。这说明,在液体中应用低温等离子体杀菌具有可行性。另外,已经有报道等离子体发生装置用于畜禽舍的粪道消毒除臭系统,利用等离子体与气体、固体表面发生物理(离子轰击) 和化学反应,在瞬间高速击穿、蚀刻、氧化微生物中的蛋白质和核酸物质,使其灭活,从而达到灭菌的目的。
低温等离子体是通过气体放电产生的,所以能否用该技术杀灭设施中基质(土壤) 和营养液中微生物以达到灭菌的目的值得探讨。目前,国内农业领域应用等离子体杀菌的技术和设备并不多。随着对低温等离子体研究的深入,该技术在设施农业杀菌领域方面应用主要会在以下方面有所突破: 杀菌方面的研究,主要是在设施农业领域应用机理的探索; 研究等离子体和微波、红外等联合使用的优劣,以达到更好的使用效果; 杀菌设备和在农业环境下的应用,探讨等离子体灭菌的工艺参数,如何设计出高效、经济的等离子体设备在高温、高湿的动植物生长环境下正常使用,是将等离子体应用到农业杀菌领域的关键所在。
参考文献:
[1] 夏文水,钟秋平. 食品冷杀菌技术研究进展[J]. 中国食品卫生杂志,2003(6) : 539-544.
