一、简介
在过去的二十年中，非热加工技术受到了对温和有效工艺感兴趣的食品工业的广泛关注。这些替代技术可能会增加功能和保质期，减少对食品营养和天然风味的负面影响（Huang 等，2017）。一些最成功的非热方法是高压处理 (Kalagaturet al., 2018)、超声波 (Pinon ˜ et al., 2020)、脉冲电场 (Clemente et al., 2020; Schottroff et al., 2020) )、紫外线 (Corrˆeaet al., 2020)、高强度脉冲光 (Moraes and Moraru, 2018)、伽马辐射 (Deshmukh et al., 2020)，以及最近的冷等离子体 (CP) (Govaert et al. .，2020 年；Kim 等人，2020 年）。等离子体可被描述为含有活性氧（ROS：O、O2、臭氧 (O3) 和 OH）、活性氮（RNS：NO、NO2 和 NOx）、紫外线辐射 (UV)、自由基的电离气体和带电粒子（Bourke 等人，2018 年；L. Han 等人，2016a、2016b）。通常，当将电能施加到存在或在两个电极之间流动的气体时，会产生等离子体，该气体具有高电位差，由于自由电子与这些气体分子碰撞而导致气体电离（Mandal 等人，2018 年）。当电离气体由相对较低的能量（1-10 eV）和电子密度（高达 1010 cm− 3 ）形成时，称为 CP（Roualdes and Rouessac，2017）。在 CP 中，电子和重物质之间存在热力学非平衡。因此，它们之间的温度不同，因为电子比离子和中性分子轻得多，并且仅交换了总能量的一小部分（Misra 等，2018，2019b）。因此，离子和不带电分子的冷却比电子的能量转移更有效，并且气体保持低温（Misra 等，2016b）。 CP 的平均电子能量高达 10 eV，非常适合激发原子和分子物种并破坏化学键（Eliasson 和 Kogelschatz，1991）。所有具有类似电离能和离解能 3 到 6 eV 的有机分子都可以很容易地被等离子体破坏 (Suhr, 1983)。 CP 技术已用于许多制造行业，例如医疗器械、纺织、汽车、航空航天、电子和包装材料（Bermudez-Aguirre，2020；Olatunde 等，2019a）。最近，CP 已被纳入食品行业以减少微生物数量（Govaert 等，2020；Kim 等，2020；Mahnot 等，2019；Moutiq 等，2020；Olatunde 等，2019a； Zhao 等人，2020；Zhou 等人，2019 年），降解霉菌毒素（Puligundla 等人，2020 年；Sen 等人，2019 年），灭活酶（Chutia 等人，2019 年；Kang 等人，2019 年） ，增加生物活性化合物的浓度（Silveira et al., 2019），增强抗氧化活性（X. Li et al., 2019a, 2019b），并减少农药（Phan et al., 2018; Toyokawa et al., 2018）和
食品中的过敏原（Ekezie 等人，2019b；Venkataratnam 等人，2019 年）。然而，CP 治疗仍然是一个新兴过程，涉及食品中的不良反应（例如脂质氧化）、安全性评估和监管批准。在过去几年中，一些研究侧重于通过设计新的等离子体设备和在许多情况下测试不同的工艺变量来改善 CP 处理（Andrasch 等人，2017 年；Feizollahi 等人，2020 年；Misra 和 Jo，2017 年；Zhao 等人，2017 年）。 , 2020 年；Ziuzina 等人，2016 年）。越来越多的文献提出了许多评论，讨论 CP 应用于不同食物类型的后果（Ekezie 等人，2017a；Feizollahi 等人，2020 年；Gavahian 和 Khaneghah，2020 年；Muhammad 等人，2018b；Pan-kaj 等人。 , 2018)。然而，需要指出的是，目前还缺乏对影响CP产生的参数及其对食品加工的影响的综合评价，例如电极材料、系统几何形状和形状。因此，本综述全面分析了有关 CP 操作参数和食品领域应用的当前技术水平。介绍和讨论了影响血浆效率的主要机制和因素，包括它们在食品中 CP 效应最有启发性的研究中的关系。
2. 冷等离子体产生：机理和方法
2.1.汤森理论和帕申定律 气体击穿和电子雪崩是指将气体从非导电介质转变为电子导电介质的基本机制。正如汤森理论 (Xiao, 2016) 所描述的那样，在整个气体击穿过程中所谓的电子雪崩的形成和倍增是释放各种等离子体的标准。根据 Townsend 的理论，如图 1a 所示，(i) 当施加在两个电极之间的能量足够时，分子动能增加，并且电子从阴极表面与电场相反地释放。电流随着电压增加而增加，达到饱和，并且 (ii) 电流变得恒定。电子向阳极加速。在这些条件下，碰撞是弹性的（不改变内能），电子能量很少电离或激发其他分子。 (iii) 电子继续碰撞直到获得能量使原子电离，非弹性碰撞更有效地传递能量。 如果碰撞有足够的能量，它们可以使分子和原子解离，将它们转化为离子和电子.电子和离子的迁移形成电流。 (iv) 形成的电子在电场中被加速，与其他原子和分子碰撞并电离，产生许多正离子、电子和电子雪崩。由于质量较小且速度较高，电子 (105–106 m/s) 移动到雪崩头部，而正离子 (50–500 m/s) 则是尾部。离子从阴极表面提取新的电子，这将形成后续的雪崩。当发生足够强烈的电离时，气体会完全破裂并具有导电性（Bruggeman 等人，2017；Conrads 和 Schmidt，2000；Misra 等人，2016b；Xiao，2016）。辉光放电 (GD) 可在击穿后进入电极间隙的低压，如微放电。然而，在大气压力下可以产生具有丝状外观的流光放电，如图 1b 所示。这种类型的放电发生在 (v) 阳极捕获电子时，并在电极之间形成大量正离子（空间电荷）。离子与自由电子复合，释放出光子，引起附近的气体光电离，产生更多的电子。因此，形成了新的雪崩（二次雪崩）。 (vi) 当电子与其正离子复合时，次级雪崩加入主雪崩。 (vii) 一个连续而快速的过程发生，光子释放和新的雪崩形成创建一个高导电通道，称为流光放电（Bruggeman 等人，2017 年；Xiao，2016 年）。从 Townsend 的理论中，雪崩条件推导出了 Paschen 定律，该定律传统上用于预测气体分解（Garner 等，2020）。 Paschen 定律定义了点燃特定气体的两个电极之间的等离子体所需的电压取决于产品压力 (p) 和电极间隙距离 (d)。该电压导致电子产生之间的平衡，从而产生体积电子雪崩和二次电子发射过程，电子在表面上损失（Garner 等人，2020 年）。对于较低的乘积 pd 值，由于发生的碰撞很少，击穿电压较高，因此需要更多的能量来产生等离子体。对于高 pd 值，击穿电压也会因多次碰撞而升高，导致粒子快速失去能量，这对于增加提供的能量至关重要（Nehra 等人，2008 年）。不同气体的 p 与 d 曲线形状相似，最小 pd 值在 130-1300 Pa cm 范围内（Bruggeman 等人，2017）。2.2.适用于食品应用的 CP 源。等离子体的产生最常用于食品加工的方法分为介质阻挡放电 (DBD)、等离子射流 (PJ)、电晕放电 (CD)、射频 (RF) 和微波 (MW) (Bermudez-Aguirre, 2020)。下面给出并讨论了它们中的每一个的特性。
2.2.1.介质阻挡放电（DBD）
由于工业规模的低成本，DBD 的血浆生产变得越来越重要。该技术是最方便的等离子体生成形式之一，由于其配置以及电极形状和所用介电材料的灵活性，因此可提供多种应用（Misra 等人，2019b；Ziuzina 等人，2013 年）。DBD等离子体是通过在两个金属电极（通电电极和接地电极）之间施加的高电压产生的。一个或两个电极都覆盖有介电材料，例如聚合物、玻璃、石英或陶瓷，由 0.1 毫米到几厘米的可变间隙隔开（图 2a）（Becker 等人，2005 年；Kogelschatz， 2003）。 DBD 操作的典型参数范围是 (i) 1 × 104 和 1 × 106 Pa 之间的气压，(ii) 10 和 50 MHz 之间变化的频带，(iii) 交流电 (AC) 或脉冲直流电 (DC) )，电压幅度在 1 到 100 kVrms 之间振荡（Feizollahi 等人，2020 年）。为 DBD 系统开辟许多可能性的应用是包装内食品处理，在密封包装内产生 CP。该程序允许延长反应性物种对微生物的作用时间并防止后处理污染。一个例子是由 Ziuzina 等人开发的 DBD 反应器。 (2016) 用于食品生产的工业运营。该原型使用 ACP 对新鲜樱桃番茄进行连续包装内净化，评估大肠杆菌和无害李斯特菌的数量。等离子体系统由两个平行的 1 m 长电极组成，施加的输出电压为 0-100 kV，可调放电间隙可达 4.5 cm，最大消耗功率为 900 W，放电电流为 2.2-5.0 A。作者观察到，在处理 150 秒后，大肠杆菌和无害李斯特菌的数量分别减少了 5 log 和 3.5 log。赵等人提出了另一台中试规模的设备。 (2020);他们的 ACP-DBD 原型用于灭活杏表面的金黄色葡萄球菌。它由作为高压电极的铜网、作为电介质屏障的石英管和接地铜箔组成。脉冲直流电源驱动该设备。施加的电压、频率和电压脉冲宽度分别为 17 kV、1 kHz 和 3 μs。作者观察到在 15 秒的治疗中金黄色葡萄球菌减少了 1.57 log。
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