《食品科学》：新疆农业大学刘雅娜博士等：非热杀菌新策略：低温等离子体在食品生物膜清除中的研究进展

生物膜是由微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）组成的结构化群落，能够保护微生物免受恶劣条件的伤害。生物膜具有强大的附着力和抗逆性，广泛存在于食品原料、食品加工设备以及包装材料等食品生产和加工各个环节中。生物膜对热、酸、碱和辐射等恶劣条件具有极强的抵抗力，同时也会增加微生物对抗生素和消毒剂的抗性，从而导致食品中持续交叉污染和潜在的食源性疾病风险。

低温等离子体（LTP）作为一种新兴的非热加工技术，在实现高效杀菌的同时能最大限度地保留食品固有品质，受到了食品科学领域的广泛关注。相较于传统高温杀菌方法，LTP处理温度低（≤60 ℃），不仅避免了食物中热敏性营养成分的损失，还具有处理时间短、环保无残留及成本低等优势，被认为是具有产业化潜力的绿色杀菌技术之一。

新疆农业大学食品科学与药学学院的吴小兰、王娟、刘雅娜*等系统综述食源性致病菌生物膜的形成机制、潜在危害及防控策略，总结LTP技术在生物膜控制领域的最新研究进展，重点探讨LTP产生的活性物质与紫外效应协同作用对生物膜的多靶点灭活机制，以期为食品加工体系中生物膜的防控提供参考方案，同时，为LTP技术在食品中工业化应用提供理论依据。

01

生物膜的概述

1.1 生物膜的形成

生物膜是由微生物（如细菌、真菌、藻类等）及其分泌的EPS组成的结构化群落，附着在生物或非生物表面。其中EPS是生物膜的重要成分，主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质组成，为生物膜提供机械强度，保护生物膜细胞免受剪切应力等因素的影响，同时促进了生物膜与物体表面的黏附。生物膜的形成主要由初始附着阶段、增殖成熟阶段和分散阶段3 个部分组成，如图1所示。

1.1.1 初始附着阶段

初始附着阶段可分为可逆附着和不可逆附着。在可逆附着阶段中，单个附着细胞仅产生少量的EPS，而未进入生物膜的菌体形成过程。很多菌体可以重新进入浮游状态，范德华力和静电相互作用为这一阶段的主要作用方式。因此，这时细菌的黏附是可逆的。细菌在经 过初始的附着黏附后，一些特定基因的表达与生物膜形成相关的基因被激活，细菌通过分泌大量EPS黏结在一起，这时细菌对生物或非生物表面的黏附更牢固，为不可逆附着阶段。

1.1.2 增殖成熟阶段

细菌与生物或非生物表面经过不可逆的黏附后，生物膜的形成逐渐进入成熟期，通过基因表达分泌出EPS使微生物附着更牢固从而形成生物膜基质，这时为成熟I阶段。EPS使生物膜具有一定的结构稳定性和黏弹性，维持生物膜中的水分和养分，同时限制外来抑菌剂的扩散。成熟的生物膜形成高度有组织的结构，具有运送养料、酶、代谢产物和排出废物等功能，随后完全成熟为微菌落，进入成熟II阶段。

1.1.3 分散阶段

生物膜成熟后会继续调控相关基因表达，膜内菌体开始凋亡、释放或脱落，膜结构坍塌，膜内开始脱落菌体，被释放出来的细菌重新变为浮游菌，它们可以在物体表面形成新的生物膜。离开生物膜的微生物，也可以扩散到其他区域，导致生物膜的扩散和对食物的持续污染，是传播疾病的重要阶段。

1.2 食品中生物膜的防控方法

1.2.1 初始附着阶段

热杀菌是通过高温处理使微生物的蛋白质、核酸等生物大分子发生变性，破坏微生物的酶系统和细胞结构，从而达到杀灭微生物的目的。热杀菌方法包括巴氏灭菌、超高温瞬时灭菌（UHT）、高温短时（HTST）杀菌及高压蒸汽杀菌（HPS）等。热杀菌虽然能够有效延长产品保质期，但较高的温度易导致食物营养成分损失以及颜色、风味和质构特性的劣变。Almatroudi等在干燥的聚碳酸酯试片上培养S. aureus生物膜，发现经过100 ℃干热处理60 min后的生物膜经培养后仍然具有阳性；即使经高压灭菌后（121 ℃、20 min）达到培养阴性，但干表面生物膜中仍有62%的细菌通过荧光染色证明其具有活性。因此，在食品复杂的体系中，短时的高温处理对于一些结构复杂、抗性较强的生物膜，可能无法达到完全灭菌的效果。传统技术存在明显局限，因此非热杀菌技术成为研究热点，其中LTP因独特优势备受关注。

1.2.2 增殖成熟阶段

非热杀菌是一种不采用高温处理，而利用其他物理或化学方法杀灭食品中的微生物，从而保证食品安全的杀菌技术。非热杀菌技术包括超高压（UHP）杀菌、超声波（US）杀菌、脉冲电场（PEF）杀菌、LTP等。非热杀菌主要通过破坏微生物结构（细胞壁或膜），导致胞内的内容物泄漏，从而实现杀菌作用。Ling Yuzhao等研究发现，采用UHP与臭氧水（OW）协同处理鲶鱼片，在OW 13.28 mg/L和高压200 MPa条件下处理10 min，菌落数减少了4.06（lg（CFU/g）），有效延长了鲶鱼片的货架期，降低了总挥发性盐基氮和硫代巴比妥酸反应物值，但缺点是UHP的设备维护成本高、处理时间较长。Niu Ben等研究发现，采用鼠李糖脂（rRLs）与US协同处理食品不锈钢表面形成的

B. cereus

生物膜，当使用32.0 mg/L RLs联合US处理20 min后，生物膜灭活率为62.54%；当增加RLs用量至256.0 mg/L，联合US处理60 min时，灭活率增至78.67%。US处理提高了生物膜的渗透性，抑制了细菌的代谢活性以及聚集和黏附能力。但US穿透能力有限，对于体积较大、较厚的食品，难以保证深层生物膜的有效灭活。Gao Fei等研究发现，采用PEF处理食品级不锈钢表面

Salmonella

，在处理距离30 mm、频率1 Hz条件下，联合次氯酸钠100 mg/L处理30 min时，

Salmonella

减少了1.4（lg（CFU/cm 2 ）），但PEF相对成本较高，需要高压脉冲电源，难以实现大规模商业化应用。Alkawareek等研究发现，采用常压非热等离子体技术清除不锈钢中产生的B. cereus生物膜，在20 kHz、6 kV条件下处理4 min后，

B. cereus

生物膜减少了4（lg（CFU/g））（99.99%）；使用激光共聚焦显微镜观察细菌活力时，发现处理4 min后

B. cereus

生物膜几乎完全被碘化丙啶染成红色，且生物膜厚度减少，表明绝大多数生物膜中菌体已经失活。由此可见，等离子体技术杀菌效率高，可广泛应用于食品接触表面上生物膜的灭活。表1展示了非热杀菌技术中LTP与热杀菌技术的对比。

02

等离子体技术

等离子体是气态、液态、固态以外的第4类物质状态。等离子体是由中性气体经电离形成的准电中性介质，包含自由电子、离子、激发态原子及光子等组分，其正负电荷总量保持动态平衡，因而呈现独特的“等离子态”特征。根据等离子体的电离程度与粒子能量分布特征，可将等离子体分为高温等离子体（HTP）和LTP，HTP需要在极高的功率下产生，温度可高达上千度，因此，常应用于航空航天和核聚变等特殊研究领域。LTP分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体两种，非热平衡等离子体中电子温度远高于离子温度，但离子和中性粒子温度可低至室温，大部分的能量集中在电子上，而不是加热整个气流，故等离子体系的宏观温度维持在30～60 ℃，并且在大气压和较低功率下即可获得。因此，非热平衡等离子体广泛应用于食品、纺织、医药等研究领域。

LTP根据放电类型不同，可分为介质阻挡放电（DBD）、辉光放电（GD）、电晕放电（CD）、射频放电（RFD）、滑动弧放电（GAD）、大气压等离子体射流（APPJ）和微波驱动放电（MW）等，如图2所示。不同放电形式等离子体在食品中的应用特点如表2所示。

其中DBD和CD等离子体在食品应用中较为广泛。DBD等离子体发生装置主要由气体混合室、等离子体生成室和气体循环模块共同组成放电系统，放电间隙之间用石英、玻璃、云母和陶瓷材料等介质材料隔开，两个金属电极（一个通电电极和一个接地电极），当电压足够高时，气体被击穿放电。放电过程中会产生大量活性物质，如ROS和RNS等，在杀菌过程中起到了主要作用。

DBD等离子体技术可在短时间内有效杀灭食品表面及部分内部的微生物，消耗能量较低，具有能在常温常压下稳定均匀地产生大面积等离子体的优点。DBD系统可应用于预包装内食品的处理，通过延长处理时间，提高反应物对微生物的杀灭效果，防止二次污染。目前DBD等离子体已应用于各种食品中微生物的灭活，例如新鲜果蔬、干制品和液体食品等。Wei Qiaoyun等研究发现，采用DBD等离子体处理干枣表面黑曲霉孢子（

Aspergillus niger

），70 kV处理15 min后孢子数从4.87（lg（CFU/g））降低至2.67（lg（CFU/g）），孢子细胞膜的完整性受损，细胞内容物泄漏。Cheng Jinfeng等 采用DBD等离子体（80 kV、60 s）处理枸杞表面的真菌和细菌，分别减少1.02（lg（CFU/g））和0.69（lg（CFU/g））。并且，在枸杞贮藏中枝孢属（

Cladosporium

）、线黑粉酵母属（

Filobasidium

）、金黄担子菌属（

Aureobasidium

）和根霉属（

Rhizopus

）的微生物相对丰度显著下降，有效延长了枸杞的贮藏期。

CD等离子体技术通过不对称的电极对产生，利用高压电极电离两个介质板之间的气体，形成局部放电的现象。其中相对较高的电压占据了一个电极区域，从而形成弱电离等离子体。CD等离子体技术在常温或低温下可产生大量ROS、RNS，达到高效杀菌的目的，但其在电离过程仅限于电极附近的局部区域，造成放电区域狭小且电场不均匀的现象。Zhu Fangzhou等研究发现，采用CD等离子体在20 kV、4 kHz、10 min条件下对冰鲜猪肉产生的成团泛菌（

Pantoea agglomerans

）、液化沙雷菌（

Serratia liquefaciens

）及库特氏菌（

Kurthia zopfii

）进行灭活，分别减少了2.77、2.41、1.36（lg（CFU/g）），有效抑制了猪肉的腐败变质。Kim等 研究发现，采用CD射流等离子体处理带壳鸡蛋，在300 s、相对湿度51%、69 mg/L CO、311 mg/L NO和26 mg/L NO 2 条件下，

E

coli

O157:H7、

S

typhimurium

S

aureus

分别减少4.01、3.65、3.31（lg（CFU/g）），有效清除了蛋壳表面的微生物，延长了货架期。

03

LTP对生物膜的清除机制

由于微生物和等离子体物种之间作用的复杂性和异质性，等离子体灭活微生物的确切机制仍在研究中。等离子体的杀菌机制可总结为生物氧化（活性物种）和物理损伤（紫外线和冲击波），如图3所示。

初始高能粒子和电子的轰击会引起细胞损伤；自由基、臭氧等活性物质会引起细胞强烈的氧化应激，导致细胞膜脂质过氧化、酶失活和DNA裂解，从而导致细胞的失活；除了活性物质外，紫外线光子也可以通过修饰DNA破坏正常复制。而生物膜是细菌的复杂聚集体，除包含微生物外，还有胞外多糖、蛋白质、核酸等多聚物充当三维支架，为生物膜提供黏度和稳定性。因此，等离子体对细菌生物膜的杀菌机制与细菌有所不同。

3.1 对细菌的作用

等离子体在形成过程中会激发气体中的原子和分子产生大量活性物质，如ROS、RNS等，可统称为RONS。RONS主要包括过氧化氢（H2O2）、硝酸根离子、亚硝酸根离子、臭氧（O3）以及羟自由基（·OH）、单线态氧（1O2）、一氧化氮（NO）、过亚硝酸根（ONOO-）、超氧化物等。这些活性物质破坏细菌肽聚糖的结构，造成细菌细胞壁和细胞膜的破裂，活性物质从破损缝隙处进入细胞内部对胞内蛋白质、核酸和脂质等物质进行氧化分解，其中，·OH、O3、NO、N2是具有高活性的关键活性物质。例如，ROS可导致游离氨基酸和蛋白质氧化、芳香族氨基酸侧链的羟基化和硝化、巯基亚硝基化以及蛋氨酸残基亚砜化；而RNS会导致苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的硝化和氧化。这种氧化也会引起多肽链的破裂和交联蛋白聚集物的形成，从而改变蛋白质的二级和三级结构，导致酶的功能受损，最终扰乱细胞正常代谢和生理机能。Liu Yana等研究发现，随着处理时间的延长，APPJ产生的RONS逐渐增多，同时对

B. cereus

芽孢内膜的脂质有显著的氧化作用，破坏了内膜的稳定性。Zhao Yijie等使用APPJ处理

Pseudomonas aeruginosa

，当胞内RONS含量增加并超过阈值时，细胞内抗氧化酶、ATP酶被破坏，细胞内外的离子平衡紊乱，导致细胞失去了自我调节能力。Han Yongxu等研究发现，APPJ可有效抑制或调控酶，·OH、H 2 O 2 的存在使辣根过氧化物酶（HRP）的血红素基团被氧化，使酶失活。Ke Zhigang等使用冷等离子体（CP）促进干腌黑鲤鱼风味，O 3 、NO 2 促进过氧化值、硫代巴比妥酸反应物水平升高，促进干腌黑鲤鱼脂质氧化，对细菌、霉菌和酵母菌在内的微生物污染减少了大于1（lg（CFU/mL））。

带电粒子可通过静电作用破坏细胞膜，或改变细胞膜上负责离子通道开启和闭合的蛋白质的三维结构，从而导致细胞膜的选择透过性功能丧失，这一过程又称蚀刻作用。蚀刻效应还会引起细胞膜穿孔，促进等离子体放电过程中生成的活性物质向细胞膜内的渗透，对DNA造成严重损伤。Croteau等研究发现，采用高压大气冷等离子体（ACP）技术处理不锈钢上荧光假单胞菌（

Pseudomonas fluorescens

）生物膜，在21 kHz、1.4 kV、4.4 mA条件下，P. fluorescens生物膜的蚀刻速率为2 μm/min。Gan Zhilin等研究发现，采用DBD等离子体处理野樱桃汁，产生的带电粒子吸附在细胞膜上会使细胞膜去极化，并使RONS更容易破坏细胞膜导致

E. coli

O157:H7、酿酒酵母（

Saccharomyces cerevisiae

）失活。

紫外线主要通过破坏遗传物质，使胸腺嘧啶和胞嘧啶生成嘧啶二聚体，导致DNA失去复制能力。紫外主要包括长波紫外线（UVA）（320～400 nm）、中波紫外线（UVB）（290～320 nm）、短波紫外线（UVC）（200～290 nm）以及真空紫外线（VUV）（200 nm以下）。Roth等发现等离子体中可以产生一定数量的UVC光，认为这是等离子体中具有杀菌活性的成分之一。但是，通过对低压氙气灯和LTP紫外光照射杀菌动力学的比较分析，Laroussi等认为，UV不是等离子体杀菌作用中最主要的因素。Kogelheid等也发现，等离子体中的UV发挥杀菌作用需要一定的条件，即适宜的波长（200～280 nm）和光照强度。如果等离子体激发过程中产生的紫外线不能同时满足上述条件，其对生物膜的杀菌作用不显著。

3.2 对EPS的作用

微生物在生物膜干质量中的占比不到10%，其余部分主要由EPS组成。这些EPS能够缓冲RONS，促进微生物的黏附和聚集、保持水分，赋予生物膜空间排列和结构，为细菌提供重要的保护屏障。EPS主要是由多糖、蛋白质、核酸和脂质等物质组成，不同种类生物膜成分和比重略有差异。eDNA是EPS的重要组成部分，有助于稳定生物膜的结构。许多研究已经证实等离子体使eDNA单链或双链断裂，从而增加RONS渗透到生物膜基质中的速率，增加细菌失活率。等离子体发挥氧化作用，通过诱导碳氢化合物中糖苷键断裂和磷脂氧化，降解胞外多糖和膜脂质，进而导致生物膜的EPS基质崩解，促进活性物质的扩散。林琳等研究发现，采用ACP技术处理葡萄、青提、圣女果、生菜4 种果蔬表面的

E. coli

O157:H7生物膜，可抑制EPS中多糖和蛋白质含量的合成与分泌，从而抑制

E. coli

O157:H7生物膜的形成，并且经ACP技术处理后4 种蔬菜表面

E. coli

O157:H7分别降低了（98.99±0.38）%、（99.92±0.20）%、（96.84±0.18）%、（99.80±0.23）%。有效延长了果蔬货架期，提高了果蔬的食用安全。

3.3 LTP清除生物膜的影响因素

3.3.1 气体组成对清除生物膜的影响

初 载气的组成和比例直接影响电离后等离子体ROS和RNS的种类和浓度。目前，常用于电离的气体有空气、氮气、氧气、二氧化碳和稀有气体等，产生的ROS如O2- 、O 3 、O等对生物膜具有蚀刻作用；产生的RNS如NO、 N + 等能 够通过激发紫外线产生光子，造成生物膜内DNA的损伤 。Liu Yana等 研究发现，Air-APPJ优于N2 、O2 ，在处理20 min（50 L/min、800 W、10 cm）时， B . cereus 芽孢减少超过 2（lg（CFU/g））。潘园园 发现，以空气、90% N 2 +10% O 2 和65% O 2 + 30% CO 2 + 5% N 2 作为气源，暴露30 s后，

E

coli

分别减少了3.4、2.8、6.6（lg（CFU/mL））。

3.3.2 装置功率和电压对清除生物膜的影响

细在一定条件下，随着等离子体发生装置功率和电压的升高，生物膜存活率降低。这是因为激发气体所产生的等离子体浓度特别是RNS的浓度，与装置的功率和电压呈正相关。在一定范围内，所使用的功率或电压越大，单位时间内电子的密度和能量越强，随之产生的等离子体浓度就越高，对生物膜内外结构的损伤就更严重。Deng Xutao等研究发现，在不同电压下（3.50、4.50、5.50、6.50 kV），使用大气压He/O2混合等离子体处理

B

cereus

10 min，随着电压的升高，生物膜减少量从1.80（lg（CFU/mL））增加到4（lg（CFU/mL））。APPJ处理黑胡椒中的

B

cereus

，在30 kV条件下处理3 min， B . cereus 的灭活率达到了1.63（lg（CFU/mL）） 。

3.3.3 环境湿度、接触样品对清除生物膜的影响

在电离潮湿空气时，有水分存在能产生更多的活性物质如·OH及NO、NOx等，提高灭活效率。Patil等研究发现，采用ACP处理密封包装内萎缩芽孢杆菌（

B. atrophaeus

），其相对湿度分别为3%、10%、30%、50%、70%，潮湿空气中的灭菌效果显著高于干燥空气，相对湿度为10%时

B. atrophaeus

减少6（lg（CFU/mL）），相对湿度超过10%时

B. atrophaeus

完全灭活。Los等使用DBD对亲水性和疏水性生物膜上的

B. atrophaeus

进行处理，发现亲水性的生物膜失活量最大，达到了4.40（lg（CFU/mL））。

生物膜附着材质不同，灭活作用效果也不同。Hertwig等发现，用RFD处理附着在玻璃培养皿上的

B. subtilis

时，减少了2.4～2.8（lg（CFU/mL））；处理附着在玻璃微珠上时，减少了3.9～4.6（lg（CFU/mL））。

04

LTP在食品生物膜清除中的应用

4.1 LTP在不同食品基质中的应用

LTP技术是一种新兴的非热加工技术，广泛应用于果蔬、肉品及水产品的保鲜加工中。新鲜农产品通常经过少量加工工序后即被食用，因此存在一定的细菌污染风险。果蔬中常见的生物膜形成菌有

B. cereus

L. monocytogenes

P. fluorescens

E. coli

等。Patange等研究发现，新鲜农产品中不仅存在单菌种生物膜还有混合菌种生物膜，并且混合菌种生物膜抗性更强。使用ACP技术（80 kV）处理的农产品表面单菌生物膜，120 s后降至无法检测水平。然而，要降低混合生物膜（

L. monocytogenes

P. fluorescens

）需要更长时间。新鲜肉及肉制品因其营养丰富、含水量高，在加工、贮藏和销售等环节极易污染细菌、酵母菌和霉菌等，导致食品腐败和食源性疾病的发生。肉品中常见的生物膜形成菌有

S. aureus

L. monocytogenes

E. coli

、空肠弯曲菌（

Campylobacter jejuni

）和沙门氏菌等。研究人员发现奥地利肉类加工环境中，9.3%的调查点存在多物种生物膜。动物皮毛上的微生物是加工过程中污染胴体的主要原因。其他病原体来源，如内脏中的肠道内容物泄漏，以及肉类加工生产线上残留的腐败菌，都会污染肉类。在液体食品中，乳品是微生物的理想培养基。从健康奶牛乳房中获取的牛奶几乎处于无菌状态，但在挤奶、运输、贮存和加工过程中会难以避免受到微生物的污染。消毒和清洁不彻底会导致污染物在牛奶加工设备中蓄积，进而形成生物膜，成为乳制品污染的重要原因。乳品工业中主要的生物膜形成菌种有芽孢杆菌（

Bacillus

）、假单胞菌（

Pseudomonas

L. monocytogenes

、乳杆菌（

Lactobacillus

）、葡萄球菌（

Staphylococcus

）、链球菌（

Streptococcus

）、鼠伤寒沙门氏菌（

S. typhimurium

）和坂崎肠杆菌（

Enterobacter sakazakii

）等。表3列举了LTP在清除不同食品基质中生物膜的应用。

食品成分主要由蛋白质、脂质和碳水化合物三大部分组成，为人体提供营养和能量。蛋白质是氨基酸通过肽键形成的高分子化合物，LTP产生的RONS会氧化氨基酸的侧链，导致蛋白质发生交联、集聚或降解，破坏蛋白质的二级、三级和四级结构。Luo Ji等研究发现，采用DBD处理干腌腊肉时，

-螺旋结构减少，而

-折叠和无规卷曲增加，在50～70 kV条件下，干腌腊肉的疏水性氨基酸含量均增加。Pérez-Andrés等发现，CP使蛋白质发生交联和聚集，蛋白质表面改性，降低血红蛋白、猪肉明胶和牛肺蛋白的溶解性。脂质的基本单位是脂肪酸，LTP产生的自由基会使脂质发生过氧化反应，产生氢过氧化物。孟婧怡等研究发现，LTP处理生鲜猪肉时会使猪肉中的脂质发生氧化，不适宜生鲜猪肉的贮藏。Korachi等发现，CAP处理牛奶20 min后，总醛的含量增加，这是由于牛奶中的不饱和脂肪酸降解和过氧化氢分解。除此之外，LTP产生的活性粒子同样会氧化食品中的碳水化合物，使其分子链断裂。Gao Shanshan等发现，使用DBD处理荞麦、高粱、小麦和藜麦时，淀粉的溶解度、相对结晶度和糊化温度均提高，溶胀能力和黏度下降。Okyere等研究发现，使用射频放电处理糯米、玉米和马铃薯会导致蜡质淀粉糊化加剧，淀粉黏度显著下降，结晶度下降5.5%。

食品感官品质是评价食品可接受性的关键指标，Liu Yana等研究发现，APPJ处理黑胡椒表面芽孢20 min后，黑胡椒色泽无显著变化，黑胡椒中挥发性风味物质单萜类化合物和萜烯氧化物的相对含量增加，未引起黑胡椒产生不良风味。Wang Ying等研究发现，CP处理苹果汁30 min，苹果汁的亮度、红度和黄度值均显著下降 （

a*

b*

值），苹果汁色泽变浅，但风味无显著变化。Shirani等发现，CP处理杏仁片5～20 min，杏仁片随着处理时间 的延长硬度增加，说明了杏仁片水分转化为其他化合物，使硬度增加。综上，LTP对食品成分和品质均有不同程度的影响，因此，在清除食品基质中生物膜时，应优化LTP的处理条件和参数，尽可能减小影响。

4.2 LTP在食品接触材料中的应用

食品加工环境中的交叉污染是生物膜最常见的传播途径。通过直接接触方式生物膜可以从食品接触表面转移到食品中。因此，研究人员更关注如何控制食品接触表面生物膜的污染。Yang Xianqin等调查了牛肉加工厂切块和边角料肉上

E

coli

的可能来源，发现这些菌株主要来自生产线上的传送带，这表明一些

E

coli

可能在日常清洁和消毒过程中存活下来，从而导致交叉污染。食品加工环境中常见的接触材料有不锈钢、玻璃、皮带以及橡胶类制品等 。食品工业中会使用各种化学消毒剂灭活食品接触表面的有害微生物，但清洁不当会引起化学试剂残留 。LTP处理可以消除食品包装材料表面的细菌、霉菌和病毒，降低微生物污染的风险，从而延长其使用寿命 。表4详细列举了LTP在食品接触表面生物膜清除中的应用。

05

LTP在食品应用中的安全性及局限

随着人们对LTP在食品中应用的兴趣日益浓厚，等离子体处理后食品的安全性的评估也得到了重视。Han等研究发现，CP处理过的可食用薄膜，对雌雄大鼠未产生急性毒性，对大鼠的肝脏进行切片，肝脏的颜色和质地均无明显变化，可以推测CP处理不会诱导有毒物质的产生。然而，Los等评估了经CP处理过的小麦，发现液态小麦制品具有一定细胞毒性，主要归因于等离子体中RNS与水反应生成的诸如过氧亚硝酸盐和过氧亚硝酸等具有细胞毒性化合物。因此，需要更多关于LTP中RONS与食品成分相互作用所产生的化合物的毒性研究，以准确评估LTP应用安全性。

目前，LTP技术还存在穿透性弱，仅对食品表面进行杀菌，对不规则、不平整的食品或粉末状食品难以实现均匀杀菌的局限，并且其产生的活性物质虽能够高效杀菌，但易产生臭氧及其他复杂成分影响食品品质。由于RONS的产生会引起高脂肪食品脂质变质和降解，不利于食品的贮藏，因此，LTP对高脂肪食品不适用。Kaur等研究发现，CP处理乳脂和牛肉等高脂肪食品时，会引起不饱和甘油三酯的双键被氧化，影响食品的营养品质和口感，缩短了货架期。LTP产生的活性粒子还会对食品中功能成分产生影响。Chutia等发现，DBD处理椰子水会导致谷胱甘肽还原酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性显著下降，对椰子水的色泽、风味和气味产生不良影响。Ali等研究发现，CP处理番茄汁后，番茄汁的色差、抗氧化能力、总黄酮类化合物和总酚含量均随处理时间延长而下降。虽然已有LTP工业化应用的案例，但LTP主要依赖于高压电源和气体控制系统，设备相对昂贵，初始投资和运营成本相对于传统热杀菌较高；并且稳定性不高，易受到食品基质特性、微生物种类和设置参数的影响，易于实验室小规模实现；能效较低，尚未形成行业标准与法规体系。

06

结 语

本文总结了食源性致病菌生物膜的形成机制、危害及其防控策略，重点探讨了LTP在生物膜控制中的应用进展。生物膜广泛存在于食品加工环境中，其强大的抗逆性使得传统热杀菌和化学消毒方法效果有限，并且可能对食品品质和环境造成负面影响。LTP作为一种新兴的非热加工技术，通过产生RONS、紫外线和带电粒子，对生物膜中细菌的细胞膜、遗传物质和酶系统进行多靶点破坏，表现出高效、低温、环保且无残留的杀菌优势。研究表明，LTP在多种食品基质（如果蔬、肉类、水产品和果汁）以及食品加工接触材料表面（不锈钢、包装材料、玻璃）的生物膜清除中具有应用潜力，能够在短时间内显著降低微生物数量，延长食品保质期并减少交叉污染风险。然而，LTP技术的工业化应用仍面临运行效率和处理规模等多方面的挑战。

LTP技术在食品生物膜灭活应用中已取得了显著效果，但该技术的进一步发展仍需要注意以下问题。1）优化技术参数：LTP技术的杀菌效果受到多种因素的影响，如放电类型、气体组成、处理时间和功率等。不同的参数决定了等离子体中活性物质种类和含量，关系到具体的杀菌效果。根据微生物种类和样品性质，探索合适的放电条件，有利于实现等离子体的杀菌效果最大化。2）明确杀菌机制：虽然等离子体中的活性物质、带电粒子和紫外线等成分对生物膜具有一定破坏作用，但其具体的作用机制尚未明确。需要结合分子生物学技术，深入探讨等离子体胁迫对微生物内部代谢调控以及微生物间的群体响应机制。3）开发智能化的LTP设备：集成传感器网络，实时监测等离子体的温度、密度和均匀性等参数，实现对处理过程的精准控制和实时监测。并且开发安全控制系统，确保设备在复杂环境下的稳定运行。4）与其他杀菌技术结合：LTP处理温度低，对于一些抗性较强微生物（细菌芽孢）的灭活效果不及高温处理。因此，可以将LTP技术与其他低温保鲜技术（如超高压、电解水、超声等）联合应用，协同实现更高效的杀菌效果，保留食品的风味品质。LTP技术具有良好的杀菌性能，使其能在食品工业商业化应用中发挥巨大潜力。

作者简介

第一作者：

吴小兰硕士研究生

新疆农业大学食品科学与药学学院

新疆农业大学食品科学与药学学院硕士研究生，研究方向农产品加工及贮藏。

通信作者：

刘雅娜 讲师

新疆农业大学食品科学与药学学院

刘雅娜，女，博士（中国农业大学农产品加工及贮藏工程专业），硕士生导师，新疆农业大学食品科学与药学学院讲师。主要从事畜产品加工与质量控制方面的研究，主持国家自然科学基金1 项，参与国家“十四五”重点研发计划、国家科技支撑计划、自治区科技成果转化示范专项、自治区重点研发专项等6 项科研项目，累计发表文章30余篇，其中以第一作者发表SCI一区5篇，《Food Production, Processing and Nutrition》青年编委，参与标准制定2 项，专利2 项。

引文格式：

吴小兰, 王娟, 门华清, 等. 非热杀菌新策略: 低温等离子体在食品生物膜清除中的研究进展[J]. 食品科学, 2025, 46(22): 341-352. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250527-193.

WU Xiaolan, WANG Juan, MEN Huaqing, et al. New non-thermal sterilization strategies: research progress on low temperature plasma in the removal of food biofilms[J]. Food Science, 2025, 46(22): 341-352. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250527-193.

实习编辑：李杭生；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、重庆三峡学院、西华大学、成都大学、四川旅游学院、西昌学院、北京联合大学协办的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。

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