摘 要 利用低温等离子体进行杀菌消毒能够替代常规杀菌消毒法。通过对该技术杀菌机理的分析, 说明该技术具备短时、低温、应用广泛以及安全无害等优点。着重介绍了低温等离子体在食品加工和医疗卫生方面的应用和发展现状。与传统技术相比, 该技术能够大大缓解食品杀菌消毒过程中各种营养物质的损耗, 提高产品鲜度、改善色泽和滋味; 能够有效地解决医疗器械不耐高温的问题及医用材料的生物相容性问题。
关键词 杀菌消毒, 低温等离子体, 食品加工, 医疗卫生
杀菌消毒是卫生防病的重要环节, 也是贯彻预防为主方针的重要组成部分。特别是在传染病控制中, 杀菌消毒已成为切断传播途径的关键手段之一[1 ] 。自1968 年Menashi[2 ] 首次使用氩等离子体杀灭玻璃瓶表面细菌以来, 利用离子化气体———等离子体的杀菌消毒技术正不断替代常规技术, 广泛应用于各个行业, 并展现出巨大的优势。本文针对食品加工和医疗卫生这两个在杀菌消毒方面要求较为严格的领域, 对目前等离子体杀菌消毒技术的应用加以介绍。
1 低温等离子体的生成与杀菌消毒机理
111 低温等离子体的生成机理
等离子体是指不断从外部对物质施加能量而使其离解成阴、阳电荷粒子的物质状态。由于按照能级顺序, 物质状态依次为固态、液态、气态、等离子体, 因此等离子体习惯上又称为第四态。除存在于自然界外, 等离子体也能通过人工方式获得。通常是对气体施加电场, 使荷电粒子加速。由于离子较重, 所以被加速的都是电子。通过电子与较重粒子碰撞而引起电离, 最终形成等离子体[3～6 ] 。
大多数气体放电过程中伴有发光现象, 因此又称辉光放电。由于在辉光区生成的部分粒子能够到达非电场区, 所以会产生等离子体余辉效应。实践证明,等离子体灭菌在放电区或余辉区都可以实现[4] 。
在中低压状态下, 作为等离子体质量主体的较重粒子(中性基团和离子) 其温度要比电子低至少一个数量级, 因此这种等离子体称之为低温等离子体或冷等离子体。当施加脉冲电场(如电晕放电、介质阻挡放电等) 时, 气体温度甚至可以低至室温[4 ,7 ] , 这使得等离子体杀菌消毒具有更为普遍的意义。
112 低温等离子体的杀菌消毒机理
关于低温等离子体的杀菌消毒机理, 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。纵观各种假说, 无论是从物理还是化学方面对杀菌消毒机理进行探索, 归根到底不外乎有以下三种[4 ] : 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; 紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键, 最后生成挥发性的化合物如CO、CHx ; 通过等离子体的蚀刻作用, 即等离子体中活性物质与微生物体内的蛋白质和核酸发生化学反应, 能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能[8 ] 。也有部分学者认为等离子体对细菌具有杀灭作用是上述作用合力的结果, 这从一些已被证实的细菌存活曲线图中可以观察到。
大多数气体都能够放电形成等离子体。20 世纪70 年代, 人们更多地采用惰性气体如氩、氦等来进行杀菌实验, 随后, 包括氯、溴、碘在内的一些卤素被添加到放电气体中用于增强杀菌消毒功效[9 ] 。随着20 世纪80 年代乙醛蒸气以及90 年代初过氧化氢的加入[10 ,11 ] , 逐步证实了单一气体和混合气体都可以激发等离子体用于杀菌消毒[12 ] 。研究表明, 在单一气体中, 气体对细菌孢子的杀灭作用不尽相同, 按杀菌效果强弱排序依次为O2 、CO2 、H2 、Ar 和N2[4 ] ; 而利用混合气体激发等离子体, 其杀菌消毒效果往往比单一中性气体好[13 ] 。
2 低温等离子体杀菌消毒技术的优势
低温等离子体杀菌消毒技术几乎具备了一种理想杀菌消毒法所应具备的全部条件: 与高压蒸汽灭菌、干热灭菌相比, 灭菌时间短; 与1 , 2 - 亚乙基氧为主体的化学灭菌相比, 操作温度低; 能够广泛应用于多种材料和物品的灭菌; 特别是在切断电源后, 产生的各种活性粒子能够在数毫秒内消失,所以无需通风, 不会对操作人员构成伤害, 安全可靠[4 ,8 ,14 ] 。目前国内外已将这一技术广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。
3 低温等离子体杀菌消毒技术的应用
311 在食品加工工业上的应用
随着食品加工业的大规模发展, 人们在期望食品安全性的同时, 对食品的营养性需求也在不断扩大。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。应用低温等离子体技术来杀灭食品本身以及加工过程中产生的细菌, 实践证明, 很少会影响到产品的鲜度、风味和滋味[15 ] 。
31111 用于食品表面的杀菌消毒
蔬菜、水果在种植、加工、运输过程中, 因与外界接触表面经常附着具有传染性的病原微生物,其中包括国际标准中严格限制的一项微生物指标———大肠埃希氏菌( E1 coli) , 此外, 喷洒的杀虫剂使得蔬果表面不可避免地残留有农药; 牲畜在屠宰场加工过程中, 会因周围环境而沾染上各类微生物, 致使肉类表面细菌指数超标; 粮食作物在散料储藏堆放期间, 特别容易受到霉菌的侵害; 一些脱水干燥调味料如茴香、八角、花椒等也易受到微生物的污染[7 ] 。
日本的Dambadarjaa 等[16 ] 利用微波激发氩等离子体, 证实了等离子体不仅能够杀灭物体表面的大肠埃希氏菌, 而且通过改变各个等离子体处理参数, 找到了影响该微生物杀灭率的条件。而美国自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[17 ] 。实践证明, 各类食品表面的大肠杆菌经空气等离子体20 s～90 min的处理, 细菌总数可下降2～7 个对数值[7 ] 。
诺克司维尔的田纳西州大学(U TK) 等离子体科学实验室开发的一个大气压下均匀辉光放电(OAU GDP) 系统, 能够在常压(1 atm) 、室温条件下, 利用射频激发空气等离子体, 并根据该技术研制了各类等离子体反应器。他们开发的MOD Ⅳ反应器[18 ]以及随后由日本学者开发的组合大气压下冷等离子体发生器[19 ] , 可将待杀菌消毒产品置于反应器腔体内, 使其表面直接受到活性粒子的轰击以达到杀菌消毒目的。如使用RER 反应器, 则可以使这些物料在远程等离子体(至少距等离子体发生中心20 cm) 的范围内被空气强制对流, 被迫沿着迂回的通道流经3 个或更多折板, 这使得杀菌消毒产品可以不与等离子体直接接触[20 ] , 在一定意义上克服了某些领域不能应用该技术的限制, 为该技术的应用开辟了更为广阔的前景。
31112 用于液体食品的杀菌消毒
液体食品属于一类特殊的食品。由于更多的液体食品属于混合物, 其复杂的物质条件为不同种类微生物提供了生长和繁殖的液态环境。将低温等离子体杀菌消毒技术应用于液相, 是一项颇为引人关注的课题。这是因为, 一般来说, 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。Hongbin Ma 等[21 ]通过向液体中鼓泡(通入空气和纯氧) , 同时将电场直接作用于液体与气体的混合态而成功地杀灭了大肠埃希氏菌和沙门氏菌。
基于这一原理设计出的低温等离子体反应器在实际生产操作中可以根据微生物指标要求采用串联方式用多个反应单元对产品进行杀菌消毒, 实验表明, 杀菌效果随着反应器数量的增加而提高。
利用该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。并且值得关注的是: 处理后的橙汁维生素C 含量仅有轻微的下降(约10 %～15 %) , 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。同时, 也为更多的液体食品如苹果酒、啤酒、去离子水、液态全蛋、番茄汁等的杀菌消毒[22 ]提供了新的思路。
31113 用于小包装食品的杀菌消毒
小包装食品在食品保质期内一般不会发生霉变, 但有时也不排除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Bithell[23 ] 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[24 ,25 ] 。
312 在医疗卫生中的应用
现代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、易传播性为人类带来了一定的隐患。在对抗病菌的战斗中, 传统的杀菌消毒法已经不能满足新型材质的各类医用产品的消毒需要, 因高温灼烧而致使的器械变钝变形使人们开始将目光转向其他新的杀菌消毒技术。低温等离子体杀菌消毒技术能够满足新的要求, 正广泛应用于该领域。
31211 用于热敏性器械的杀菌消毒
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[26 ] 。这类器械包括一些玻璃器皿如输液瓶, 一些由塑料、硅橡胶等高分子材料制成的器械等。将上述器械置于等离子体反应器的平行板电极之间, 使气体放电, 可以实现器械内外表面的杀菌消毒, 如果同时加入消毒剂利用微波使之气化, 则杀菌效果会更好。利用不同形状大小的反应腔还可以对大批量的器械进行杀菌消毒。由于整个过程温度不超过50 ℃, 使得该技术能够应用于大部分的热敏性器械。
31212 用于金属器械的杀菌消毒
在外科手术中, 需要对大量器械进行杀菌消毒, 如钢剪、环形锯、冲洗机等。在牙科诊所, 由于各种金属器械需直接接触病患的口腔, 需要经常清洗和消毒。为解决灼烧器械对器械造成的破坏,采用等离子体技术对这类金属器械杀菌消毒[27 ]是非常理想的。同时, 因该类器械多数形状不规则,有些不能置于等离子体反应器的平行板电极之间,采用远程等离子体技术有效地弥补了这一技术的不足, 它可以在对金属器械表面杀菌的同时, 避免因等离子体蚀刻作用而造成的器械表面损伤, 保证了金属器械的机械强度和韧性[20 ] 。
31213 用于电子探头传感器的杀菌消毒
在医用、生化监测和细胞培养中经常使用带有电子探头的各类传感器, 如妇科诊断中使用pH -ISPET 传感器、呼吸科室用的微型氧气传感器。一方面, 这类传感器必须经过严格杀菌消毒, 而另一方面, 由于电子探头这种灵敏元件在杀菌过程中可能会因其感应膜损坏而影响到传感器的功能。S1Herrmann 等[28 ]对比了蒸汽、辐射以及低温等离子体对pH - ISPET 传感器的杀菌效果。结果显示低温等离子体技术对于此类传感器的杀菌消毒是一种最为行之有效的方法。
31214 用于小型反复使用制品的快速灭菌
在小型医疗机构中, 一些医疗用品不可避免地需要反复使用, 这些用品包括易碎容器、绷带、用后易处置的塑料制品等。通常这些用品需要及时且快速地消毒, 才能满足诊疗要求。常压下辉光放电等离子体技术为此提供了可能性[7 ,18 ,20 ,27 ] 。该技术能够广泛地杀灭病原菌, 包括对抗菌素和化学消毒具有抵抗力的细菌、真菌和孢子。另外, 更为方便的是, 这些医疗制品可以密封在标准的医用杀菌袋内经等离子体轰击而达到杀菌消毒目的。
31215 用于医用生物材料的杀菌消毒
医用生物材料是指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。只有当它在植入生物体后不会引起凝血、毒性、过敏、致癌、免疫反应等, 并且与生物体协调且能够执行预期的功能, 这样的材料才具有生物相容性。低温等离子体技术通过对材料表面进行镀膜、聚合、修饰、改性, 可以改善生物材料的亲水性、透气性、血溶性, 以使人造血管、血液透析薄膜等医用生物材料得到广泛应用[29 ] 。通过等离子体照射医用生物材料, 往往可以将材料的前期处理和杀菌消毒一步实现, 为人工脏器移植[30 ,31 ] 、组织材料培养提供了新的方案。
4 展 望
低温等离子体杀菌消毒技术除了应用于食品加工和医疗卫生方面外, 在空气净化、水体消毒、卫生材料以及纸张[32 ]的加工生产等多个领域中也显示出了巨大的优势。随着这种技术在工业和商业上日益具备可行性, 今后的发展重点应放在以下几个方面:
(1) 进一步研究低温等离子体的杀菌消毒机理, 为各种假说找到具有说服力的理论依据, 也为后续研究提供可靠的理论基础;
(2) 通过等离子体处理参数对细菌杀灭率的研究, 因地制宜地选取适当的低温等离子体杀菌消毒工艺;
(3) 开发出具备应用潜质的等离子体反应装置, 比如相对安全、容易且经济的远程等离子体反应器目前就比较受欢迎;
(4) 进一步开发和扩展该技术的应用领域, 预计该技术可能会在未来的细菌战防御体系、制药和保健等多方面[7 ]做出新的贡献;
(5) 进行低温等离子体技术与其他杀菌消毒技术联合使用的研究, 以做到优势互补, 更好地解决杀菌消毒中出现的各类问题。 |
