低温等离子体杀菌机理与活性水杀菌作用研究

摘要

近几年，低温等离子体杀菌技术在很多领域都有应用，此项技术不但具有杀菌效率高，处理时间短，处理温度低等特点，还能够保持被处理食品的新鲜度和品质。因此，该技术在食品保鲜、食品安全和作物保护等领域具有很好的应用前景。
　　新鲜水果和蔬菜含有许多对人体有益的营养成分。但是这些成分在被加热后，会受到不同程度的破坏，使其营养价值下降。生食新鲜水果和蔬菜一直是广受消费者欢迎的健康饮食方法。因此，新鲜水果和蔬菜的保鲜和食品安全问题一直受到人们的广泛关注。许多食品安全问题的引发，大都是误食表面被致病微生物污染的水果和蔬菜导致的。传统的保鲜和杀菌方法有二氧化硫熏蒸，紫外线，臭氧处理等。但这些方法普遍存在成本高，化学物质残留，杀菌效果不够理想等缺点。在现代农业中，农药的使用能够稳定粮食的产量。但由农药的大量使用带来的环境问题和食品安全问题变得日益突出。因此，发展一种低化学物质残留或无残留，杀菌效率高的作物保护技术和食品保鲜杀菌方法一直是业界的热点研究领域。近年来的研究发现低温等离子体与水反应生成的低温等离子体活性水具有广谱杀菌特性。由于低温等离子体活性水自身具有高效、快速和无残留的特点，使其非常适合应用于作物保护、食品保鲜和加工领域。
　　本文利用微生物计量学、电子显微镜成像技术、荧光成像技术、原子光谱分析技术等领域的知识研究低温等离子体中各种杀菌成分与大肠杆菌的作用机理以及此技术在农产品加工、食品安全和作物保护领域的应用，并用色差法和pH示差法对低温等离子体处理的样品进行表观品质和理化特性进行了分析。
　　具体研究内容、结果和结论如下：
　　(1)研究了不同工作气体对大肠杆菌表面结构的影响。实验结果表明，采用空气作为工作气体产生低温等离子体对大肠杆菌细胞表面产生了明显破坏效果，大肠杆菌的细胞膜和细胞壁完全破裂。而采用氩气和氮气作为工作气体产生的低温等离子体对大肠杆菌表面形貌没有产生明显改变。
　　(2)研究了低温等离子体中产生的紫外线的杀菌作用。实验结果表明，通过对低温等离子体原子发射光谱的分析和单因素实验发现，紫外线在杀菌过程中所起的作用几乎可以忽略。但这个结论并不一定适用于其他低温等离子体实验系统，只适用于本次实验所搭建的直流电源低温等离子体发生系统。
　　(3)研究了低温等离子体中的带电粒子对大肠杆菌的杀菌作用机理。实验结果表明，仅对于直流电源等离子体系统而言，带电粒子的杀菌机理并不是通常认为的通过在革兰氏阴性菌凹凸不平的表面累积电荷，同性电荷之间的斥力增加，直到超过细胞膜和细胞壁的屈服极限，从而使细胞膜或细胞壁破裂造成细菌死亡，而是附着在细菌表面的带电粒子自身的电场使其附近的细胞膜的通透性发生了改变，造成细胞质溢出导致细胞死亡的。
　　(4)研究了低温等离子体中的活性成分对大肠杆菌的杀菌作用机理。实验结果表明，活性成分可以使大肠杆菌的细胞壁和细胞膜完全破裂。而且通过纯氮气激发低温等离子体杀菌实验发现，其杀菌效果明显弱于空气激发的低温等离子体并且大肠杆菌的细胞壁和细胞膜没有发生破裂。这说明氧元素在其中起到了关键作用。活性成分通过自身的强氧化性氧化了大肠杆菌细胞壁和细胞膜分子，从而造成细胞壁和细胞膜的损坏。
　　(5)研究了低温等离子体处理时间对水的温度、电导率ORP和pH值的影响。实验结果表明，随着低温等离子体与水的反应时间不断增加，温度、电导率和ORP值不断地增加，pH值不断地减小。反应结束后，在最初的30分钟里，就PAW60而言，ORP值在第15分钟上升到439.7 mV，而后在第30分钟减小到378.7 mV，在随后的两个小时内再缓慢增加到最大值(442 mV)，最后在随后的两天里缓慢下降到326 mV。而pH值则是在整个过程中一直缓慢上升，从最初的4.18，逐渐上升到5.0左右。
　　(6)研究了低温等离子活性水对酵母菌悬浮液和葡萄表面上的酵母菌(CICC1374)的杀灭能力。实验结果表明，微生物所处环境对低温等离子体活性水的杀菌效果有明显的影响。低温等离子体活性水对酵母菌悬浮液的杀菌能力能够达到2-3 log CFU/ml，而对葡萄表面上的酵母菌的杀菌能力只有0.51±0.11 log CFU/ml。同时，实验结果发现，酵母菌悬浮液的pH和化学成分也会对低温等离子体活性水的杀菌能力造成明显的影响。低温等离子体活性水对在磷酸盐缓冲液(pH7.4)的酵母菌几乎没有杀菌效果。
　　(7)研究了低温等离子体活性水对葡萄表面颜色和花青素含量的影响。实验结果表明，经过低温等离子体活性水处理30分钟后，处理组和对照组的葡萄的表面颜色和内部花青素的含量没有显著性差异(P＞0.05)。色差ΔE*为0.62±0.38。处理前花青素含量23.03±12.15mg/L，处理后花青素含量为22.11±11.98mg/L。方差分析结果表明对照组和处理组的花青素含量差异不显著(P＞0.05)。
　　(8)研究了低温等离子体活性水对禾谷镰孢菌的菌丝生长和孢子萌发的影响。实验结果表明，低温等离子体活性水对禾谷镰孢菌菌丝的生长有明显的抑制作用。抑制程度随着低温等离子体活性水生成时间的增加而增加。生成时间最长的PAW60抑制菌丝生长的效果也最好，能够完全抑制菌丝生长长达24 h-36 h之间;生成时间较长的PAW45抑制菌丝生长的效果较好，能够完全抑制菌丝生长的时长在12 h-24h之间;生成时间较短的PAW30抑制菌丝生长效果较差，能够完全抑制菌丝生长的时长在12 h左右;生成时间最短的PAW15抑制菌丝生长的效果最差，持续完全抑制菌丝生长的时长低于12 h。Fisher LSD检验结果表明，在前60 h的生长时间里，所有水平的处理组和对照组的菌落直径具有显著性差异(P＜0.05)。低温等离子体活性水对禾谷镰孢菌分生孢子的萌发率有显著影响，经过PAW15、PAW30、PAW45和PAW60处理的分生孢子萌发率分别为98.37±1.43％、96.52±1.32％、73.62±9.79％和57.87±7.80％。方差分析结果表明各个水平对照组和处理组萌发率平均值差异显著(P＜0.05)。

目录

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摘要

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英文缩略表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 食品加工技术现状

1．1．2 传统热力杀菌技术

1．1．3 非热杀菌技术的现状与发展

1．2 低温等离子体杀菌成分

1．2．1 紫外线

1．2．2 带电粒子

1．2．3 活性成分

1．3 低温等离子体杀菌技术存在的问题

1．3．1 杀菌机理不明确

1．3．2 杀菌作用不均匀

1．4 国内外同类研究存在问题总结及方法参考

1．5 本文研究的目标、研究的内容和技术路线

1．5．1 课题来源

1．5．2 本文研究目标和研究内容

1．5．3 技术路线

1．6 本章小结

第二章 低温等离子体装置的研制与诊断

2．1 引言

2．2 低温等离子体及其产生方法

2．3 低温等离子体杀菌处理系统

2．3．1 低温等离子体生成系统

2．3．2 光谱采集系统

2．3．3 电气参数检测系统

2．4 低温等离子体诊断

2．4．1 原子发射光谱与低温等离子体成分分析

2．4．2 玻尔兹曼图法

2．4．3 斯塔克展宽方法与低温等离子体电子密度

2．5 本章小结

第三章 低温等离子体各杀菌成分在杀菌过程中的机理研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 细菌的培养和计数

3．2．2 低温等离子体处理系统

3．2．3 低温等离子体处理

3．2．4 数据分析

3．2．5 荧光显微镜样本制备

3．2．6 电子显微镜样本制备

3．3 结果和讨论

3．3．1 低温等离子体杀菌效果

3．3．2 低温等离子体各个杀菌成分杀菌作用

3．3．3 活性成分和带电粒子杀菌机理研究

3．4 结论

3．5 本章小结

第四章 低温等离子体活性水杀灭水果表面酵母菌研究

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 酵母菌培养与计数

4．2．2 葡萄样品

4．2．3 低温等离子体活性水处理

4．2．4 低温等离子体活性水的物理化学性质

4．2．5 微生物分析

4．2．6 葡萄品质评估

4．2．7 统计分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 低温等离子体活性水

4．3．2 酵母菌失活

4．3．3 葡萄表面颜色

4．3．4 花青素

4．4 结论

4．5 本章小结

第五章 低温等离子体活性水对禾谷镰孢菌抑制作用研究

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 禾谷镰孢菌培养与产孢

5．2．2 低温等离子体活性水处理

5．2．3 统计分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 反应时间对低温等离子体活性水电导率的影响

5．3．2 低温等离子体活性水对禾谷镰孢菌菌丝生长速度的影响

5．3．3 低温等离子体活性水对分生孢子萌发率的影响

5．4 结论

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究内容总结

6．2 主要创新点

6．3 进一步研究与展望

参考文献

研究生期间主要成果