颜心怡，李锦晶，李赤翎，等. 冷等离子体技术对食品组分的影响及其作用机制[J]. 食品工业科技，2023，44（12）：445−454. doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022070119
YAN Xinyi, LI Jinjing, LI Chiling, et al. Effect and Action Mechanism of Cold Plasma Technology on Food Components[J]. Science and  Technology  of  Food  Industry, 2023, 44(12): 445−454. (in  Chinese  with  English  abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022070119
· 专题综述 ·
冷等离子体技术对食品组分的影响及其
作用机制
颜心怡1，李锦晶2，李赤翎1，吴金鸿3，俞　健1，王发祥1,4，刘永乐1,4，李向红1,4,
*
（1.长沙理工大学食品与生物工程学院，湖南长沙 410114；2.湖南康宝莱蕾硕天然产物有限公司，湖南长沙 410100；
3.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；
4.湖南省水生资源食品加工工程技术研究中心，湖南长沙 410114）
摘　要：冷等离子体作为一种新型的非热加工技术，因其具有安全、绿、能耗低等优点，在食品加工领域受到广泛关注。冷等离子体使用的气体在电离过程中产生的紫外线、活性物质（如活性氧、活性氮、羟自由基和离子）等会通过辐射/修饰作用使生物大分子发生刻蚀及交联，或对食品组分（脂质、蛋白质、淀粉等）的表面结构和官能团进行修饰，使组分结构发生变化，从而影响食品的品质、功能特性等。本文综述了冷等离子体作用对食品主要组分（蛋白质、脂质、淀粉）、维生素和多酚的影响及其可能的作用机制，并讨论了该技术存在的问题和未来发展的方向，以期为冷等离子体在食品工业的应用提供参考。关键词：冷等离子体，蛋白质，脂质，淀粉
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中图分类号：TS203              文献标识码：A              文章编号：1002−0306（2023）12−0445−10DOI: 10.13386/j.issn1002-0306.2022070119
Effect and Action Mechanism of Cold Plasma Technology on Food
Components
YAN Xinyi 1，LI Jinjing 2，LI Chiling 1，WU Jinhong 3，YU Jian 1，WANG Faxiang 1,4，LIU Yongle
1,4，
LI Xianghong 1,4, *
（1.School of Food and Biological Engineering, Changsha University of Science and Technology,
Changsha 410114, China ；
2.Hunan Herbalife Natsource Natural Products Limited Company, Changsha 410100, China ；
3.School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China ；
4.Hunan Provincial Engineering Research Center for Food Processing of Aquatic Biotic Resources,
Changsha 410114, China ）
Abstract ：Cold plasma (CP) technology, an emerging non-thermal technology, has attracted widespread attentions in food fields  for  the  advantages  of  safety, no  needs  for  chemical  agents  and  low-energy-consumption. Cold  plasma  can  release ultraviolet rays and active substances (such as reactive oxygen radicals, reactive nitrogen radicals, hydroxyl radicals and ions) in the excitation pro
cess. The reactive species can induce etching and cross-linking of biomacromolecules, or modify the structure and functional groups of food components (such as lipids, proteins and starches), consequently affecting the sensory and flavor qualities of food. This paper summarizes the effects and action mechanism of CP on food components (protein, lipids, starch), victim, polyphenols. The present existing problems and future developments of CP technology are discussed and proposed. This paper would provide a theoretical guides for facilitating the application of CP technology in
收稿日期：2022−07−13
基金项目：国家自然科学基金项目（31972017，31972106，32072262）；湖南省自然科学基金项目（2020JJ4096）；湖南省重点研发计划项目（2022NK2032）。。作者简介：颜心怡（1999−），女，硕士研究生，研究方向：食品贮藏保鲜，E-mail ：*********************.edu 。* 通信作者：李向红（1979−），女，博士，教授，研究方向：农产品加工及贮藏工程，E-mail ：********************* 。
第 44 卷 第 12 期食品工业科技
Vol. 44  No. 12
2023 年 6 月
Science and Technology of Food Industry
Jun. 2023
food industry.
Key words：cold plasma；protein；lipid；starch
传统热加工技术是食品工业中常用的加工方法，具有灭菌效果显著、对酶活抑制程度高等优点。然而，高温条件会导致食品内部发生许多物理化学变化，对食品的感官特性产生负面影响[1]。为了保证食品的品质，非热加工技术应运而生，它不仅可以缩短加工时间、节约生产能源，还能减少有害物质的产生[2]；但已有的技术，如高压脉冲电场、超高压等的处理条件较为严苛且设备成本高。冷等离子体（Cold Plasma，CP）作为一种新型的非热加工技术，利用气体介质产生活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）、活性氮（Reactive Nitrogen Species，RNS）、自由基和离子等有效成分，对食品组分产生作用；因其具有绿环保、处理条件温和、经济效益高和操作简单等优点[3]被逐渐应用于食品杀菌[4]、肉制品护[5]、食品内源酶抑制[6]、食品包装材料改性[7]和农药残留控制[8]等领域。
蛋白质、脂质、淀粉作为食品中的主要组分，对食品风味、质地等方面起着重要的作用[9]。对食品进行处理，改变其组分的功能特性，可以在一定程度上提高食品的风味、改善食品品质[10]。随着CP技术的
发展，有研究发现CP对食品组分的结构和功能特性有一定的影响[11−12]。因此，本文综述了CP对食品组分的影响及其可能的作用机制，并讨论了该技术存在的问题和未来发展的方向，以期为CP在食品工业的应用提供参考。
1　冷等离子技术介绍
1.1　等离子体的概念及分类
等离子体（Plasma）是一种离子化状态气体，它不同于固体、气体和液体，被学者认为是宇宙中物质存在的第四态[11]，其产生是通过把热、电磁场或其他外加力作用于气体上，使气体内的电子结构得到激发，形成游离电子。因激发后物质内部系统呈现电中性，故被称为等离子体[13]。根据等离子体活性物质作用时间的不同，可将其分为长寿作用物质和短寿作用物质[14]（图1）。根据等离子体中带电粒子表观温度的不同，可以将其分为高温等离子体（High-temperature Plasma，HTP）和低温等离子体（Low-temperature Pla-sma，LTP）。带电粒子温度位于100~104 eV间的等离子体称为HTP；在1~10 eV间，则称为LTP[15]。根据粒子是否处于热平衡状态又可将LTP分为热等离子体和冷等离子体。离子温度与电子温度相当，处于热平衡状态，称为热等离子体；离子温度低于电子温度，在1 eV左右，处于非热平衡状态，则称为冷等离子体[16]，食品工业中应用较多的是冷等离子体技术。
1.2　冷等离子体的放电形式及其作用机制
根据放电所需的气压、电场力大小和电场的作用方式可将等离子体放电形式分为：辉光放电（Glow Discharges，GD）、滑动电弧放电（Glide Arc Disch-arge，GAD）、电晕放电（Corona Discharge，CD）、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）、射频放电（Radio Frequency Discharge，RFD）等[16−19]。
到目前为止，因等离子体放电形式的不同和食品基质的复杂性，其作用机制还未有一个具体的说法，但据相关文献描述，可概括为以下四点（图2）。其一，气体在电离过程中产生紫外线，紫外线使分子物质表面发生刻蚀及交联，从而改变其功能性质；其二，等离子体中粒子的高速运动对分子具有一定地击穿作用，使其表面结构发生改变[20]；其三，以氮气、氧气为放电气体的设备会产生离子（O2−、N2+）、自由基（HO·、HOO·、NO·）和其他活性物质（ROS、RNS 等）[21]。这些活性物质作用于化学键（CH-、CN-、NH-、-C=C-等）[22]或对氨基酸残基（半胱氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、氨酸等）进行修饰，导致不饱和脂肪酸的双键断裂或影响蛋白质结构，从而改变其功能性质[23]；其四，气体介质产生的NO、NO2、H2O2会与食物中的水作用，改变组分所在基质的环境，从而影响其构象[24]。
2　冷等离子处理对食品组分的影响
2.1　对食品中蛋白质的影响
CP处理对食品中蛋白质的影响主要体现在两个方面，改变蛋白含量及改变蛋白空间构象（表1）。
长寿作用物质: 作用时间以秒~小时计
短寿作用物质: 作用
时间以毫秒计
冷等离子体
放电装置
直接
作用UV
图 1    冷等离子体产生的活性物质种类
Fig.1    Active chemical substances produced by cold plasma
· 446 ·食品工业科技2023年 6 月
研究发现CP 直接处理食品不会影响食品中的蛋白质总含量，但会改变其内部不同蛋白组分的含量[25]。
Cvjetkovi 等[26]将CP 直接作用于小麦粉，发现处理组与对照组的蛋白总含量相差不大，但处理组的麦醇溶蛋白和谷蛋白含量明显降低。蛋白质的空间结构决定了其功能和生物学性质[27]，Zhang 等[28]利用大气压冷等离子体（ACP ）处理豌豆蛋白，发现处理后蛋白的三级结构部分展开，表面疏水性增加，促进蛋白质间形成聚集体；在加热过程中，蛋白聚集体通过氢键和疏水相互作用形成更稳定的三维凝胶网络，改善了蛋白的凝胶性质。Misra 等[29]研究发现，ACP 产生的臭氧促进谷蛋白亚基间二硫键的形成，从而提高了小麦粉面团的弹性。对于处理后蛋白质二级结构变化的研究有不同的发现。Dong 等[30]发现经ACP 处理后玉米醇溶蛋白的α-螺旋、β-转角含量增加，而
β-折叠和无规则卷曲含量降低；但Ji 等[31]和Ekezie 等[32]在处理花生分离蛋白和虾肌原纤维蛋白中得出相反的结论。产生该现象的原因可能是由于文献[30]的处理电压较高，且在CP 处理过后还对样品进行了干燥处理，使得蛋白质从无序结构向有序结构转变。
CP 产生的活性物质中，ROS 、RNS 是攻击/修饰蛋白质的主要物质[38]，二者会使蛋白质的空间结构部分打开，进一步作用还可分为：ROS 使半胱氨酸中的巯基氧化成二硫键，增加蛋白质的交联度或诱导蛋白质中C-H 、C-N 和N-H 分解为CO 2、NO 2和H 2O [39]，改变蛋白质的侧链结构；RNS 会使苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸等发生硝化和氧化反应[40]；ROS 、RNS 会使组氨酸和脯氨酸发生酰胺化反应、开环反应，或使蛋氨酸发生磺化反应等。Zhou 等[41]
表面结构变化
①与化学键作用，改变物质结构与官能团
②与氨基酸残基作用③抑制酶的活性④诱导脂质氧化
辐射
产生丙二醛
作用遗传物质，影响其表达
冷等离子体放电装置
粒子高速运动
击穿
使大分子物质表面发生刻蚀
溶于食物中水
改变基质pH
改变基质环境，影响其构象
图 2    冷等离子体作用机制Fig.2    Action mechanism of cold plasma
表 1    冷等离子体处理对食品中蛋白质结构及组成的影响Table 1    Effects of cold plasma on food protein structure and composition
样品放电方式放电气体处理条件
结果
参考文献花生蛋白DBD 空气电压35 V 、电流2 A 、功率70 W 、放电距离8 mm 处理 0、1、2、3、4、5 min α-螺旋和β-转角含量减少；β-折叠和无规则卷曲含量增加；2 min 处理效果最佳
[33]脱脂花生粉DBD 空气80 kV 处理15、30、45、60 min 蛋白条带无变化；脱脂花生粉抗原性降低43%；
reactive substance二级结构改变[34]豌豆蛋白粉
DBD 空气电压0~30 kV ；电流0~1 A ；
处理10 min ACP 处理组蛋白质游离巯基含量降低；三级结构
改变，表面疏水性增加[35]阿拉斯加鳕鱼肌原纤维蛋白（Myofibrillarproteins ，MPs ）
DBD 空气10、20、30、40、50、60 kV 处理10 min
随着处理电压的升高，MPs 游离巯基含量降低；
表面疏水性增加；热稳定性提高[35]鱿鱼片−−聚乙烯包装；50 kV 处理30 s ；
4 ℃贮藏处理组MPs 浓度及巯基含量的下降都较对照组慢，CP 处理可以较好地抑制肌肉蛋白发生交联、变性[36]鸡胸肉肌原纤维蛋白
ACP
低压空气
0.18 MPa 处理0、10、20、30、40 s ；
4 ℃保存
处理组MPs 的α-螺旋、β-折叠含量减少；表面疏水性
增加；游离巯基含量先增后降
[37]
第 44 卷 第 12 期
颜心怡 ，等： 冷等离子体技术对食品组分的影响及其作用机制· 447 ·
发现活性物质攻击的主要目标是芳香族氨基酸和含硫氨基酸，其次是五元杂环氨基酸和碱性氨基酸。通过这些反应，蛋白质的结构和表面官能团发生改变，二级、三级结构部分展开，内部疏水基团暴露，蛋白表面疏水性增加，促进蛋白质间形成聚集体，增强其凝胶特性与起泡稳定性。但蛋白质氧化程度过高可能会使肽键断裂，导致其分解（图3）。
上述研究都表明CP 处理会影响蛋白质结构，从而影响食品的功能特性；有研究表明蛋白质结构改变
会影响其与风味物质结合的能力[42]，CP 处理在这方面的研究还存在空白，今后可以朝着该方向进一步发展。
此外，内源酶作为食品中一类特殊的蛋白质，与其他蛋白对食品品质的作用不同[43−45]。内源酶主要包括：组织蛋白酶（cathepsin ）、脂肪酶（Lipase ，LPS ）、脂氧合酶（lipoxygenase ，LOX ）、多酚
氧化酶（Polyph-enol oxidase ，PPO ）、过氧化氢酶（Peroxidase, POD ）等[46−48]，它们的存在会使食品在贮藏过程中发生品质
轻微氧化轻微氧化
过度氧化
肽键断裂
活性物质作用
ROS 、RNS 诱导氧化
ROS 、RNS
诱导氧化
O O C
C
C
H-N-H
S H S S S
H
O-H C
O
C
S
S
C
N H
H
N
疏水残基亲水残基
蛋白质分子部分展开蛋白质-蛋白质交联进一步氧化
进一步氧化
通过促进蛋白间二硫键、疏水相互作用的形成，提高蛋白聚集体促进蛋白质链打开，增强蛋白起泡性、增强表面疏水性氨基酸侧链基团氧化，功能团改变，功能性质变
氨基酸侧链发生硝化、氧化、酰胺
化、磺化及开环反应
图 3    冷等离子体对食品中蛋白质的作用机制Fig.3    Action mechanism of cold plasma on food protein
表 2    冷等离子体处理对食品中内源酶的影响
Table 2    Effects of cold plasma on endogenous enzymes in food
样品
放电
方式放电气体处理条件
结果
参考文献
番茄及其提取物DBD ；GAD 空气；氦气DBD ：20 W 、10 kV 处理番茄提取物1~6 min GAD ：50 W 、14 kV 处理番茄片1~7 min 沸水3 min ；微波1 min ；蒸汽9 min DBD ：空气等离子体处理1 min 酶活即降低至5.67%；氦气等离子体处理6 min 才降低至10%以下；GAD ：空气等离子体处理7 min POD 酶
活逐渐降至7.32%；[44]荔枝POD 粗提取物
DBD 空气  1.5 A 、50 kV 处理0、2、4、6、8、10 min 荔枝POD 酶活性在4 min 内缓慢下降，
10 min 后降至45.66%[45]生菜叶DBD 空气35、55、75 kV ；5 min 处理水；活化水清洗
5 min ；4 ℃贮藏
处理组生菜中PPO 酶活被显著抑制[46]低筋小麦粉GD 氦气50 W 处理10、15、20 s
PPO 酶活降低；POD 酶活随着处理时间的
延长显著增强
[47]罗非鱼DBD 空气40、50、60 kV 处理1、2、3、4 min ；4 ℃贮藏随着处理电压、时间的增加，内源酶活性从232.76±1.83 μmol
Tyr/g protein 急剧降至105.44±1.01 μmol Tyr/g protein
[48]鱿鱼蛋白酶
DBD
空气60 kV 处理15、60、120、180、240、300 s 处理组酶活降低，且于240 s 处最低
[49]南美白对虾胰蛋白酶DBD
空气10、20、30、40、50 kV 处理1、2、3、4 min 处理组酶活降低约50%；α-螺旋、无规则卷曲含量下降，
而β-折叠、β-转角含量增加；表面疏水性增加[50]小米
DBD
空气
0、15、25、35 kV 处理0、2、4、8、12 min
LOX 和LPS 随着等离子体处理电压和时间的增加而降低，
LPS 下降程度更大
[51]
· 448 ·食品工业科技2023年 6 月
变化[49−51]。因此，不少研究人员对CP处理后内源酶的含量、结构进行了研究。研究发现，随着CP处理电压和时间的增加，内源酶的活性降低甚至完全失活（表2）。Tinello等[22]和成军虎等[43]推测CP中粒子的高速运动会对酶分子产生一定的撞击效果，导致其活性降低；其次，等离子体中的活性物质会破坏酶分子的聚集状态，将酶分子的活性位点暴露在活性物质中，使酶失去活性；活性物质还会氧化酶分子的氨基酸侧链，使其结构发生改变，从而导致酶的活性降低。因此，工业中可以通过适当的CP处理来抑制食品中的酶活性，以达到延长食品保鲜期的目的。
2.2　对脂质氧化的影响
脂质作为六大营养素之一，不仅供给人体能量，还可为食品提供风味；但脂质过度氧化不仅会导致食品内部营养流失，还会使食品的泽、风味发生变化，影响其食用价值。研究发现随着CP处理程度的增加，脂质氧化产物—丙二醛含量（以TBARs值计）也随之增加（表3）；金图男[52]研究发现CP处理会氧化鱿鱼体内的花生四烯酸、二十二碳六烯酸和二十碳五烯酸等不饱和脂肪酸，使其含量减少；Roberta 等[53]控制等离子体形成臭氧的浓度为300和800 ppm，以此处理开心果仁，研究结果表明处理组的脂质氧化产物，如酮、醛、醇等含量明显增加，开心果仁的风味更佳。等离子体中形成的活性物质ROS、RNS等可以攻击不饱和脂肪酸的双键使其形成氢过氧化物，氢过氧化物可进一步与HO·反应形成醛和短链脂肪酰基化合物等（图4）[54]，从而导致食品脂质氧化，在一定程度上可以促进风味物质的产生。
脂质氧化与CP产生的活性物质种类有很大关系，翟国臻等[55]分别采用空气、氮气和氩气作为放电介质研究CP对冷鲜猪肉脂肪氧化的影响，结果表明，三个处理组都能有效减少菌落总数，但前二者明显促进不饱和脂肪酸的氧化，而氩气组可延缓脂肪氧化，原因为前二者产生的活性物质主要为ROS、RNS，对不饱和双键有很强的攻击性，而后者主要产生高密度的电子与离子，对双键的作用能力较弱。对于脂质含量高的食品，本身易发生氧化，可采用氩气等惰性气体作为放电气体，延缓脂质氧化；而对于本身脂质含量低又想赋予更多风味的食品则可以采用空气、氮气等作为放电气体，促进不饱和脂肪酸氧化生成更多风味物质。除此之外，CP处理还可作为油脂氢化技术[56]，利用氢气和氮气作为放电介质，可以在常温常压且不使用催化剂的情况下将氢原子加至不饱和脂肪酸的双键上，使其达到饱和状态。油脂氢化将是CP技术今后延伸发展的方向之一。
2.3　对淀粉的影响
淀粉是食品工业最广泛使用的大分子物质之一，主要来源于玉米、木薯、大米等谷物类产品。然而天然淀粉的性质有限，无法满足食品工业的生产要求[57−60]，为增强天然淀粉的性质，不少研究人员对其进行物理、化学改性。CP被认为是淀粉改性的新方法。CP对淀粉改性的研究仍处于探索阶段，在已有研究中，主要涉及对淀粉的直链淀粉含量、螺旋结构、晶体结构、颗粒形貌及物理性质的影响（表4），对CP作用的具体位点尚不清楚。Ranjitha等[61]利用CP对芒果核淀粉进行处理，研究发现处理组淀粉颗粒的表面发生刻蚀，淀粉链解聚，直链淀粉含量从32.24%降低至27.24%。产生该现象的原因可能是CP
处理破坏了淀粉在分子水平上的氢键，从而导致直链淀粉的含量降低。Taslikh等[62]用CP（50 V处理5 min）对玉米淀粉进行前处理，研究结果发现处理后淀粉的溶胀度、交联比、粘度增加，CP处理使其结构有序性增加。闫溢哲等[63]利用等离子体活化水处理蜡质玉米淀粉和玉米淀粉，也发现处理组淀粉的结晶度、糊化晗、短程有序结构降低，淀粉糊的凝胶强度增加。CP产生的活性物质可作用于淀粉的醇羟基，使淀粉分子间脱一份子水而发生交联，如图5所示[64]。同时，ROS、RNS会对淀粉颗粒产生刻蚀作
表 3    冷等离子体的应用对富含脂质食品中脂肪氧化的影响
Table 3    Effects of cold plasma on lipid oxidation in lipid-rich food
样品放电方式放电气体处理条件结果参考文献
羊肉CAP空气
A：70 kV处理0~5 min；
B：40~80 kV下处理3 min；
C：70 kV处理0~4次，间歇处理，
累计处理时间为3 min；
D：70 kV处理3 min；
4 ℃放置
随着处理时间、电压的增加，TBARs值增加；
C组表明随着处理次数的增加，羊肉TBARs值降低；
所有处理组TBARs值均小于0.6 mg/kg
[57]
鲅鱼块DBD空气；CO2、O2、N2
A：空气密封包装；40、50、60、70、
80 kV处理3 min；
B：空气密封包装；70 kV处理0、1、2、3、4、5 min；
C：充CO
2
：O2：N2=8:1:1和5:1:4；70 kV处理
3 min；A~C隔板厚度为2 mm
D：空气密封包装；70 kV处理3 min；
介质隔板厚度为2、4、6、8、10 mm
A、B组：处理电压、时间的增加，使得形成的
氧化活性粒子增加，TBARs值增加；C组表明提高气体
中CO2的浓度，能减少活性物质的产生，从而减少
脂质氧化；D组：隔板厚度增加脂质氧化程度降低；
所有处理组TBARs值均小于5 mg/kg
[58]
干腌鲭鱼片DBD空气20 kV处理3、6、9、12 min；−20 ℃贮藏至检测TBARs值随处理时间的延长呈现先增后降的
趋势；过氧化值增加；不饱和脂肪酸含量降低[24]
鲑鱼寿司DBD空气70、80 kV分别处理1、3、5、10 min；4 ℃贮藏处理组TBARs含量增加；且80 kV组的TBARs
值超过限定阈值，而70 kV组无此现象[59]
第 44 卷第 12 期颜心怡，等：冷等离子体技术对食品组分的影响及其作用机制· 449 ·