01 物質(zhì)的第四態(tài)：等離子體

等離子體是各種各樣的宏觀中性物質(zhì)中含有許多相互作用的自由電子和離子化的原子或分子，由于遠(yuǎn)距離的庫侖力而表現(xiàn)出集體行為的中性粒子團(tuán)。

大自然中常見的物質(zhì)形態(tài)有固體、液體和氣體，當(dāng)氣體被加熱到一定程度發(fā)生電離，原來呈中性的氣體分子變?yōu)榇罅康碾娮?，離子和中性原子，雖然還是中性狀態(tài)，但是與之前的狀態(tài)有明顯的區(qū)別，我們稱這種等離子狀態(tài)為物質(zhì)的第四態(tài)。

1928年美國的湯克斯等人第一次提出“等離子體”(plasma)，用來描述整體保持電中性的電離氣體在管中放電的物質(zhì)形態(tài)。等離子體可以從高能電子中獲得其反應(yīng)活性，而離子和中性物質(zhì)保持冷態(tài)，其成分和溫度可以通過輸入功率，氣體類型，氣體壓力和成分等類型參數(shù)在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

在大多數(shù)情況下，等離子技術(shù)通過分別向中性氣體或氣體混合物施加電場來產(chǎn)生應(yīng)用低溫等離子體的電離率較低，它們的電子溫度通常是幾個(gè)電子伏特，足以驅(qū)動許多反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)以修飾DNA，蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜，而它們的氣體溫度接近室溫，因此它們可以處理對溫度敏感的活體組織。

02 等離子體中的活性成分

等離子體放電過程中產(chǎn)生了大量的帶電粒子、激發(fā)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的粒子、活性氧 (ROS)和活性氮(RNS)粒子、以及少量的紫外線。這些活性粒子可以與細(xì)胞相互作用，使得微生物失去活性。這些活性粒子的含量和組成受放電氣體組成成分、電源工作參數(shù)和等離子體射流源自身構(gòu)造等多種因素的影響。

活性氮(RNS)和活性氧(ROS)

目前學(xué)術(shù)圈的主流觀點(diǎn)認(rèn)為低溫等離子體中的活性氧成分(ROS)，包含OH自由基、O原子、O3等在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是關(guān)鍵的活性粒子，扮演著重要的角色。有研究發(fā)現(xiàn)，ROS含量更高的等離子體會降低細(xì)胞活性，而RNS對細(xì)胞活性的影響要明顯少于ROS。

帶電粒子

由于直接放電時(shí)含有大量的帶電粒子，等離子體放電直接消毒的效果比間接消毒的效果更好，其殺菌原理主要是放電電荷會累積在病菌的細(xì)胞膜表面，造成病菌細(xì)胞膜破裂。

紫外線

低溫等離子體是由放電產(chǎn)生的，而放電過程中同樣會不可避免的產(chǎn)生紫外線。少量的紫外線照射可以促使人體合成維生素D，有益于骨骼對于鈣質(zhì)的吸收，防止佝僂病。但是過量的紫外線會傷害人體，造成曬紅、微血管擴(kuò)張、皮膚炎，并且引發(fā)癌癥。

但是，在低溫等離子體發(fā)生過程中，所產(chǎn)生紫外線很微弱，其強(qiáng)度尚未達(dá)到可以大量滅菌的程度，所以許多研究表明，在等離子體誘導(dǎo)的滅菌和癌細(xì)胞凋亡過程中，紫外的作用是很微弱的，可以忽略不計(jì)。

03 等離子體的優(yōu)勢

由于大氣壓常溫等離子體具有安全、高效、無毒、無副作用等優(yōu)點(diǎn)，因此可以用等離子體來取代或者輔助傳統(tǒng)藥物或治療方法來達(dá)到更好的治療效果。

等離子體在食品及生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在殺菌消毒、生物分子改性、降解毒素、口腔醫(yī)學(xué)、傷口處理、凝血、癌細(xì)胞處理、促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化等。

食品及包裝材料表面的殺菌

有研究發(fā)現(xiàn)大氣壓低溫等離子體處理涂有沙門氏菌的果蔬切片后，接種的沙門氏菌被顯著殺滅，但等離子體對果蔬的含水量、色澤、維生素C含量等都沒顯著影響。

也有學(xué)者采用介質(zhì)阻擋放電等離子體處理草莓，發(fā)現(xiàn)草莓表面原有微生物（細(xì)菌、真菌、霉菌）減少了2個(gè)Log值，且對草莓色澤、硬度沒有顯著影響。

生物大分子的改性

等離子體對食品生物大分子淀粉、蛋白質(zhì)、多糖等改性的研究也比較多。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，等離子體處理可以改善小麥粉的生面團(tuán)性能、空氣等離子體處理可以提高乳清分離蛋白的乳化性和起泡性、等離子體處理糙米能淀粉的親水性并減少蒸煮時(shí)間、DBD等離子體處理可以提高花生分離蛋白的溶解性、乳化性和持水能力。

等離子體美白

人體愈合的傷口表面可能會留下深色瘢痕，甚至臉部皮膚和其他部位也會有褐色斑點(diǎn)，對于追求時(shí)尚和美麗外表的人群來說，這些褐色瘢痕的存在極大的影響了美觀，所以當(dāng)前的醫(yī)療美容機(jī)構(gòu)會通過各種手段對皮膚進(jìn)行美白祛斑治療，而低溫等離子體技術(shù)就是其中常用的美白祛斑技術(shù)之一，該項(xiàng)技術(shù)在韓國、中國等具有巨大應(yīng)用需求。

等離子體對皮膚進(jìn)行美白的原理其實(shí)也是依賴于等離子體中多種活性粒子的高反應(yīng)性，氣相等離子體中的活性物質(zhì)通過與皮膚表面的角質(zhì)層以及真皮層下的色素分子發(fā)生反應(yīng)，使得瘢痕中累積的色素分子被氧化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)皮膚美白的目的。

等離子體降解農(nóng)藥殘留及毒素

等離子體在降解食品表面的農(nóng)藥殘留及各種毒素方面也有重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)玉米中的黃曲霉毒素能夠很快的被低溫等離子體所降解，在空氣濕度為40%的條件下，空氣等離子體可以在1 min內(nèi)將黃曲霉毒素降解62%。

低溫等離子體活性水（PAW）

低溫等離子體活性水是用低溫等離子體處理不同性質(zhì)水（如去離子水、磷酸鹽緩沖溶液、0.9%氯化鈉溶液等）的統(tǒng)稱。由于PAW的pH低，并以活性氧化物、活性氮化物為其主要活性成分，其對細(xì)菌、酵母、霉菌和病毒等微生物具有很強(qiáng)的殺滅效果。

研究表明，PAW不僅能有效地殺滅食品中的微生物，還能維持食品本身的品質(zhì)不受顯著性影響，并且具有操作簡單、處理時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

作者簡介：

Martin.Yu，食品科技工作者、營養(yǎng)師，長期負(fù)責(zé)特殊食品研發(fā)工作，主要方向?yàn)椋?/span>FSMP、益生菌、特膳食品。