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，由于遠距離的庫侖力而表現(xiàn)出集體行為的中性粒子團。

大自然中常見的物質(zhì)形態(tài)有固體、液體和氣體，當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)圈的主流觀點認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胞活性，而RNS對細胞活性的影響要明顯少于ROS。

帶電粒子

由于直接放電時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胞膜表面，造成病菌細胞膜破裂。

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，其強度尚未達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)的滅菌和癌細胞凋亡過程中，紫外的作用是很微弱的，可以忽略不計。

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，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、癌細胞處理、促進細胞增殖和分化等。

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（細菌、真菌、霉菌）減少了2個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，對于追求時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，所以當前的醫(yī)療美容機構(gòu)會通過各種手段對皮膚進行美白祛斑治療，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。

等離子體對皮膚進行美白的原理其實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，進而實現(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，其對細菌、酵母、霉菌和病毒等微生物具有很強的殺滅效果。

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、處理時間短、效率高等優(yōu)點。

作者簡介：

Martin.Yu，食品科技工作者、營養(yǎng)師，長期負責特殊食品研發(fā)工作，主要方向為：FSMP、益生菌、特膳食品。