全 文 ：城物杖术通银
技术与方法 召八g T E 乙阴叭笼刀心 Y B UJ 比 E Z 1N 2 (X 为 年 增 刊
低温等离子灭菌新技术及其应用
巴特 刘承初
(上海海洋大学食品学院 ,上海 20 13 肠)
摘 要: 千离子体足由自由电子 离子以及中性粗子等组成的电离气体 ,温度较低的等离子体称为低沮等离子体低沮
哥离子灭菌新技术已经应用于水 空气 医疗器械的灭菌本文详细介绍了低温等离子的概念 灭菌装1 以及采用低沮等离子
技术对医疗器械 食品等进行灭菌处理 ,从而提高水果 跪莱以及其他不适合采用传统的加热以及化学灭菌的食品的安全性
另外 ,本文也对低沮等离子灭菌断技术在治理水和空气等环境污染上的应用也进行了讨论
关. 询: 低滋等离子 灭菌 新技术 食品安全 环境污染
Innovati on T ec hno logl es of N on一th erm ai Plas幻以as Ste ri l七ation and
Its P ote nti al A PPl ication
B a T e Li u C h e n gch u
邝加嗜俪 Oc e, 刀九汤e妙, S杨叼诫 20130 6)
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cU比, ed .
K 6y we rds : N on一the rn 训 plas ~ ste司 tio n In o va ti on te chn ol o留 F ood Sa fe ty E nvi ro nm ent poluti on
由于传统的灭菌方法一高压锅灭菌不能应用
于耐热性较低的材料 ,医疗器械的灭菌已经引起很
大关注 ,虽然可以采用环氧乙烷等低温气体对医疗
器械进行灭菌 , 但是在器械表面会残留化学物质 ,
对环境以及人体健康造成潜在的威胁lI,2 ,, 射线具
有良好的灭菌效果 ,但是由于设备成本过高 ,不能
被消费者接受13 随着人们对食品质量与安全重视
程度的提高 ,既可以提高食品的安全性又不会降低
食品的营养 功能性以及感官品质的低温等离子灭
菌方法已经引起全世界的关注l]
等离子体是由自由电子 离子以及中性粒子等
组成的电离气体 IS] , 按照带电粒子温度的相对高
低 ,等离子体分为两类 :高温等离子体和低温等离
子体
低温等离子体技术是从 20 世纪 60 年代初才
发展起来的高科技新技术 ,最初的研究主要集中在
空间等离子体领域 ,从 80 年代和 o 年代起实现了
以材料为导向的研究领域大转变 , 以后在微电子
学 环境科学 能源与材料科学等学科领域也高速
发展 近年来 ,科学家发现低温等离子体技术不但
可以作为一种辅助加工手段被广泛用来制造各种
性能优良的新材料 研制新的化学物质和化学过
收稿 日期二2(X 为一以一2
基金项目:上海市离校高水平特色发展项 目一海洋生物资派与环境创新平台(68 703 的 )
作者简介 :巴特(1986一),男 ,内狡古赤峰人 ,硕士研究生 ,研究方向为海洋生物资源利用
通讯作者:刘承初(1% 5一),女 ,四川威远人 ,博士 ,教授 ,主要从事海洋生物资源利用 营养与食品安全领域的研究;E 一M ai卜
ch engchuli u@y ah o com
2 O( 为 年 增 刊 巴特等 :低温等离子灭菌新技术及其应用 12 7
程 加工改造和精制材料及其表面外 ,而且还发现
低温等离子体对致病菌具有很强的杀伤力 ,可应用
于医疗器械的灭菌 消除环境中的生物污染物等
本文将对低温等离子灭菌装置 灭菌效果 灭菌机
理 特点 影响因素 应用现状及其安全性进行阐
述
1 低温等离子体灭菌装t
等离子体的产生需要激发源 (交直流电场 高
频电源 激光或微波) 传输系统和灭菌腔体等必需
的设备 ,然后在特定的设备条件下 ,将气体引人作
用系统 ,在强电磁场作用下 ,引起碰撞解离 ,进而热
能离子与分子相互作用 , 部分电子进一步获得能
量 ,产生大量原子电离 ,从而形成等离子体l6] 低温
等离子灭菌装置根据激发源的种类而异 , 目前已经
有很多关于灭菌装置的专利发表 7一川,其 中主要有
以下三种类型 :
1.1 高频发生等离子体灭菌装里
采用高频电磁场作为激发源 利用这种装置产
生 等 离 子 体 过 程 是 先 将 灭 菌 腔 内 抽 真 空
0. 05 ~ H g , 通人气体 , 腔内压力保持 0.1一l ~ H g
(1.3k Pa ) ,然后施加能量 ,发生辉光放电 ,产生等离
子体 ,对腔内物品进行灭菌 ,装置示意图(图 l)
(图 2 )
圈2 徽波等离子灭菌装t
1.3 激光等 离子体灭菌装里
在激光能作用下所产生的等离子体称之为激
光等离子体 激光源发出的激光通过一个棱镜把激
光束折射 ,经过透镜聚焦在腔体内 ,激发气体放电
产生等离子体 ,对腔体内物品进行灭菌 ,装置示意
图(图 3 )
,万二卞
灭公腔
1 4 至
口 东
激
光
忽
圈 3 激光等离子灭蔺装t 示愈图
圈 , 离颇等离子灭菌装t 示愈圈
1.2 微波等离子体灭菌装!
微波等离子体是一种非平衡态低温等离子体
微波或微波与激光藕合等离子体是消毒灭菌应用
研究较多的类型 因为在这种等离子体中重粒子的
能量比电子的能量至少低 10 倍 ,所以 ,在电子撞击
这些粒子的时候不会使等离子体的温度升高太多 ,
这种等离子体能够通过持续的脉冲微波获得圈 微
波等离子体灭菌装置主要由微波源 传输系统 等
离子体灭菌腔 真空泵等四部分组成 ,装置示意图
2 低温等离子灭菌机理 特点以及影响因素
低温等离子灭菌技术可以有效杀死 G +细菌 G
e 细菌 酵母 真菌以及芽抱等lz, 3. 4j ,但关于低温
等离子体的灭菌机理 ,迄今为止人们还不能够给出
比较圆满的答案 根据早期的实验 ,相继出现了各
种有关机理的假说 ,但无论是从物理还是化学方面
对杀菌消毒机理进行探索 ,归根到底低温等离子灭
菌主要有以下三个过程 5, 6]:(l )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,
引起微生物亡 ;(2) 等离子体杀菌过程中会形成各
种化学活性物质 (自由基 ) , 特别是含氧活性物质
(自由基), 这些自由基会使微生物的组成成分发生
化学变化 ,使微生物失活 ;(3) 紫外光子固有的光解
作用打破微生物分子化学键 ,最后生成挥发性的化
12 8 健物技术通橄 刀勿翻几月诫 ,g梦 2 (X 为 年增 刊
合物如 CO CHx 等
低温等离子灭菌技术具有传统灭菌方法无法
比拟的优点 ,目前国内外已经把低温等离子体灭菌
技应用于医疗 食品加工 环境保护等领域 ,其特点
总结起来主要有以下几点I7, 8J:(l )等离子体可以在
常压下产生 ,并且等离子体放电室温度可以任意调
节 ,因此可对不适于高温高压消毒的材料物品以及
食品进行灭菌处理 ,而不会对载体造成损害 ;(2) 等
离子体被封闭在系统内 ,它可使所产生的电磁辐射
不外泄 ,通过气体循环系统可将杀死的微生物或残
余物带走 , 不会对操作人员构成伤害 , 安全可靠;
(3) 灭菌时间短且无毒性 , 通常在几十分钟内即可
完成灭菌消毒过程 ,克服了蒸汽 化学或核辐射等
方法使用中的不足 ;(4) 与高压蒸汽灭菌和干热灭
菌相比 ,灭菌时间短 ,杀灭效果好 操作简单 实用
经济 无环境污染
影响低温等离子灭菌效果的因素主要有放电
气体种类 载体表面性质及其暴露方式 微生物种
类 有机物等 放电气体对其产生的等离子灭菌的
效果影响很大 玫m uge 等 21分别以 02 0 2 和氢气
02 和 H2 C 02 02 和 C F4 作为放电气体 ,采用微波
等离子体反应器对枯草芽抱杆菌进行灭菌研究 ,结
果表明 , 在其他条件保持不变的情况下 , 通人 02
和 C F4 混合气体 ,且 02 与 CF4 体积比为 88: 12 时 ,
灭菌效果最好 此外 ,电极形式的不同也会对灭菌
效果产生一定的影响 ,王黎明等119 采用脉冲电场对
胡萝 卜汁中啤酒酵母和大肠杆菌进行了研究 ,结果
表明 ,平板电极产生的等离子体的处理效果优于同
轴电极 姜玉等侧研究了消毒物品表面性质 不同
暴露方式对大气压辉光放电等离子体消毒效果的
影响 ,结果表明:两种不同暴露方式之间杀菌效果
存在明显差异 ,直接暴露法杀菌效果明显好于间接
法 大气压等离子体杀灭不同表面细菌的杀灭效果
有很大差别 ,以玻璃表面的细菌最难杀灭 ,而滤纸
表面上细菌最容易杀灭 ,棉布表面居中 等离子体
在放电电极附近产生 ,活性粒子在反应器内有放电
电极向另一极运动 ,因此在表面灭菌中 ,背向放电
电极一侧的灭菌效果不是很好 ;此外 ,微生物种类
灭菌时间 有机物和无机物也会影响灭菌效果 由
于不同种类的微生物对外界的抵抗力不一样 ,所以
杀菌效果也会不同 一般来讲 ,细菌中 ,细菌芽胞的
抵抗力最强 ,结核分枝杆菌次之 ,细菌繁殖体最弱 ;
病毒中亲水性病毒的抵抗力强于亲脂性病毒 以
0 2 产生的等离子杀菌为例 , 嗜热脂肪芽胞杆菌芽
胞抵抗力最弱 ,枯草芽胞杆菌芽胞稍强 ,短小芽胞
杆菌芽胞 蜡样芽胞杆菌芽胞较强 张善端等l2] 用
大气压辉光放电等离子体对不同细菌杀灭效果的
研究表明 ,金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作用 45 ,平
均杀灭率达 9 .9 % ,作用 60 5杀灭率可达 10 % ;
白色念珠菌作用 1205 杀灭率为 9 .9 8 % , 作用
1805 ,杀灭率 10 % ;对枯草杆菌黑色变种芽抱作用
卯s ,杀灭率达到 99. 9 % ,作用 1205 可使杀灭率达
到 10 % A ifa 等圈研究了等离子体灭菌器对物体
载体的灭菌效果受有机物影响的情况,发现 10 % 的
血清和0. 65 % 的盐使杀灭效果减弱 H ole r等勺研
究结果表明 ,5 % 的血液对低温等离子体灭菌效果
无明显影响 ,但 10 % 的血液含量会降低灭菌效果
3 低温等离子灭菌技术的应用
低温等离子体消毒灭菌是一种新型的灭菌技
术 ,主要应用于医疗卫生 环境保护领域 ,近年来已
经逐渐应用于食品加工业中
3.1 医疗卫生中的应用
医疗卫生在为人类健康做出贡献的同时 ,也因
致病微生物在公众场所的集中性 易传播性为人类
的健康带来了潜在的安全隐患 传统的消毒和杀菌
方法因经常造成医疗机械的变钝变形 ,但是低温等
离子体灭菌过程不会对物品造成破坏因 ,因此人们
把目光投向低温等离子灭菌技术 目前低温等离子
灭菌技术在医疗卫生中的应用主要有以下几方面
3 .1.1 热敏性器械及金属器械的消毒灭菌 利
用射频电源激发空气或过氧化氢气体 ,形成的低温
等离子体能够对不耐高温高压的各类热敏性器械
进行杀菌消毒浏 由于整个过程的杀菌温度不超过
50 , 使得该技术能够应用于大部分的热敏性器
械 ,如玻璃器皿 , 由塑料 硅橡胶等高分子材料制成
的器械等 此外 ,采用低温等离子灭菌技术还可以
避免灼烧对金属器械造成的破坏阴
3.1.2 电子探头传感器的消毒灭菌 在医用 生化
监测和细胞培养中经常使用的电子探头传感器 ,必
须经过严格消毒灭菌才能使用 ,但电子探头的感应
2 X为 年 增 刊 巴特等 :低温等离子灭菌新技术及其应用 12 9
膜容易在杀菌过程中造成损坏而影响传感器的性
H e~ ~ 等闹对比了蒸汽 辐射以及低温等离子灭
菌技术对 pH 一IS PE T 传感器的杀菌效果 ,结果显示
采用低温等离子灭菌技术对此类传感器进行杀菌
消毒是最有效的方法
3.1.3 生物材料及高分子材料制 品的灭菌 由
于微波可产生低温等离子体 ,从而使一些不能用高
温高压或有毒气体灭菌的物品有了新的灭菌方法
心血管科和呼吸科的一些塑料 硅橡胶等高分子材
料制品都可以用等离子体进行灭菌浏 譬如 ,血液
氧合器这样形状复杂的设备 ,人工瓣膜 人工肾 假
关节 心脏起搏器等体内人工器官如用环氧乙烷或
甲醛气体灭菌 ,可能在仪器表面残留有毒性 ,但可
用等离子体进行灭菌 ,研究发现低温等离子体处理
15 即可彻底杀灭表面的 Es ch 币ch ia co1J , 处理 105
还可使脂多糖彻底失活, 仅需 lm in 即可彻底杀死
藤黄微球菌陈刹
3. 2 环境保护中的应用
传统的用于水和空气的消毒灭菌方法操作程
序复杂 ,并且容易造成环境污染 等离子体灭菌彻
底杀灭 2(X) m l 含有浓度为 10C FU /m l微生物的水
只需要 20 5 臭氧等离子体对水中的金黄色葡萄球
菌和大肠埃希菌 15mi n 杀灭率达 9 .9 % ,但其效果
受到有机物的影响浏 等离子体对空气中的微生物
也有很好的杀灭效果 ,臭氧等离子体对空气中的金
黄色葡萄球菌作用 lm in ,杀灭率达 9 .9 % ,作用
10m in 杀灭率达 10 % ;对白色念珠菌作用 6m in 可
全部杀灭 ; 对枯草芽胞杆菌黑色变种芽胞作用 15
m in ,杀灭率达 9 .0 % ,作用 30m in 可全部杀灭t3l]
3. 3 食品工业中的应用
随着生活水品的提高以及食品加工业的发展 ,
人们在关注食品安全的同时 ,对食品营养性的要求
也在不断提高 特别是常规的高温高压蒸汽灭菌造
成的各种营养元素的损失已经引起人们的普遍关
注 实践证明 ,应用低温等离子灭菌技术来杀灭食
品本身以及加工过程中产生的细菌 ,很少会影响到
产品的鲜度 风味和滋味阅
美国自 20 世纪 90 年代起 ,利用等离子体对食
品表面进行杀菌消毒就获得了美 国食品和药物管
理局(FDA) 的批准 ,并且很快应用于商业l3] Bas ~
l34] 和 M eral Se lc uk图等研究低温等离子对谷物 豆
类 以及坚果表面 的 A spergi llus spp. 和 Pe nieillum
sP p.的杀菌效果 ,结果表明 :低温等离子体灭菌技
术可以有效降低食品表面细菌的含量 由于低温等
离子体是通过气体放电产生的 ,所以能否用该技术
杀灭液体中的病原微生物就存在两个问题 :即在液
体中如何有效地产生活性粒子以及这些粒子能否
杀灭其中的微生物 马虹兵等阅研究发现 :低温等
离子体可以在常温下和极短的时间内杀死牛奶和
果汁中的大肠埃希氏菌和沙门氏菌
在果蔬食品保鲜方面 ,将贮藏果蔬食品的系统
导人低温等离子体 ,不仅可以杀灭和分解储藏物环
境和表面的病原微生物 农药及有害气体 ,同时某
些自由基的产物在低温环境下可以长期滞留在储
藏物内部 网 随时分解储藏物呼吸产生的有害气
体 , 应用该技术可排除和分解乙烯等有害气体 ,储
藏 10 天的果蔬腐烂率仅为 1% l38]
小包装食品在食品保质期内一般不会发生霉
变 ,但有时也会因包装材料的阻氧性能和透气性能
改变而引起的微生物污染 , 为确保产品的货架寿
命 ,提高产品的安全性 ,仍需要对已包装食品进行
杀菌消毒 尽管对于等离子体活性粒子(包括激发
原子 分子及紫外光子) 能否透过包装材料的问题
尚存在异议 ,但 Bi thel 国的研究表明利用射频激发
的氧等离子体能够对包装袋内的产品进行杀菌和
消毒 之后 ,相继有工作者利用过氧化氢等离子体
实现了对纸包装 塑料以及锡箔包装食品的杀菌消
毒I们,4,]
4 低温等离子灭菌对食品品质的影响
马虹兵等阅利用低温等离子灭菌技术对牛奶
与橙汁进行杀菌消毒 , 细菌总数下降了 5 个对数
值 ,但是混合空气等离子体处理后的橙汁维生素 C
含量仅有轻微的下降(约 10 % 一巧% ),如用氧等离子
体来处理 ,维生素 C 的损失甚至更少 ;牛奶经处理
后过氧化值改变甚微 可见 ,用低温等离子体对液
体食品杀菌消毒 ,对食品中的活性养分不会构成大
的损伤 ,为产品的新鲜度和营养性提供了一定的保
证
5 小结
低温等离子体技术为最近 30 年才发展起来的
130 位物技术透很习勿奴几肋城盯 B u肠时加 2 O( 为 年 增 刊
高科技新技术 ,对致病菌具有很强的杀伤力 ,已应
用于医疗器械的灭菌 消除环境中的生物污染物
等 但在农业和食品领域的研究才刚刚起步 如果
能将该项技术引人水产品健康养殖和食品安全加
工体系 ,将有极其重要的理论意义和广泛的应用前
景
随着市场竞争的日趋激烈 操作成本的不断提
高以及研究的不断深人 采用低能耗 低操作费用
以及对待杀菌物体低损伤的低温等离子体杀菌技
术将是食品行业发展的必然趋势 为了使低温等离
子体技术在工业化生产上得到普及 ,今后应深人研
究低温等离子体的杀菌机理 ,为其低温等离子杀菌
技术的广泛应用提供理论依据 ,开发低温等离子体
发生装置和处理设备 ,降低设备成本 ,加强低温等
离子体安全性的研究
今考文橄
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