一种低温等离子体锁鲜工艺

工艺领域

本发明属于农产品的保鲜处理工艺领域，特别涉及一种低温等离子体锁鲜工艺。

背景工艺

许多果蔬含水量高，营养丰富，极易腐烂变质，因此果蔬采收后的保鲜就显得尤为重要了，若不在采后及时进行保鲜加工处理，产品就不能长时间的保持其新鲜的商品性状，会影响其销售与食用，果蔬采后贮藏保鲜工艺是农产品作为商品进入市场的关键环节。果蔬采收之后，来自土壤或母体的水分和养分供应中断，成为了利用自身储藏物质进行生命活动的个体，仍在进行着复杂的生命活动，包括休眠、呼吸作用等。果蔬新陈代谢是以糖酵解、三羧酸循环和电子传递链等系列酶反应的复杂过程，这些活动都与果蔬贮藏密切相关，制约和影响着果蔬的贮藏期。目前，农产品保鲜方法主要分为化学法和物理法两种，分别为控制水果腐烂的自身因素和外界因素。化学方法主要指保鲜剂保鲜。物理方法主要有低温储藏、气调储藏、减压储藏和电磁辐射储藏等。其中，较先进的保鲜技术主要有临界低温高湿保鲜、细胞间水结构化气调保鲜、臭氧气调保鲜、低剂量辐射预处理保鲜、高压保鲜、细胞膨压调控保鲜等。这些保鲜方法虽然效果显著，但是需要特殊的设备、操作复杂、成本高，不利于大范围推广使用。

等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态宏观体系，是物质存在的第四态。由于自由电子和正离子的数密度近似相等，等离子体对外整体上呈现电中性。目前等离子体工艺已经广泛地应用于工业、农业、国防、环境、通信等国民经济发展领域，是当今科技研究的前沿。与传统方法相比，低温等离子体技术应用在众多领域都具有十分显著的优点。在杀菌消毒方面具有安全性高、无药物残留、无环境污染等优点，其作为一种广谱灭菌技术，可以杀灭多种类型的微生物。现阶段利用等离子体进行农产品主要是对储藏环境进行气调从而实现保鲜功能，如马挺军在《一种低温等离子体用于果蔬保鲜的方法》中利用等离子体对储藏室中环境进行调节，其装置放电产物不可控，无法实现对农产品表面进行快速直接有效的处理；张平等在《等离子减压贮藏保鲜方法》中将等离子体结合到减压贮藏中去，但其也是对于仓储环境的调节，其等离子浓度较低，且等离子体放电产物亦不可控，无法实现对农产品表面进行快速直接有效的处理。

为此，本发明提供了一种能够根据待保鲜处理的农产品种类来调节等离子体发生装置的各个工作参数，以使等离子体发生装置产生与待保鲜处理的农产品相匹配的保鲜方法。主要利用介质阻挡放电与Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝杀菌纳米粒子原位耦合，构建了等离子体-纳米粒子消毒灭菌体系，组成了低温等离子体锁鲜仓，并对其实际消毒效果进行验证。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种低温等离子体锁鲜工艺，首先制备了Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒，然后在设备上设置了低温等离子体锁鲜仓。本发明所用装置由低温等离子锁鲜体仓、等离子体发生器、电压控制器和示波器四部分组成。所述低温等离子锁鲜体仓包括高压电极板、介质板、储物室和接地电极板；通过外部供给能源使电极间的气体电离形成低温等离子体。所述示波器测量放电电压和电流，并显示等离子体放电功率。具体操作步骤如下：

S1、制备Ag纳米粒子：称取0.5-0.8g的乙酰丙酮银溶于50ml的乙二醇中，加入0.5g的尿素，充分搅拌溶解之后，在180℃下反应18h，冷却至室温后，离心干燥既可获得Ag纳米粒子，该步骤中尿素的加入，充当缓冲剂，可以使得到的Ag纳米粒子与普鲁士蓝有更好的相容性；

S2、制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒：将4-6g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.1-0.3g K

S3、制备高压电极板：取5-8mm厚的铜板作为阴极浸泡在含有0.8-2.3M的Co(NO

S4、制备储物室：储物室材质由石英玻璃材质，底部用滴涂法涂敷有步骤S1制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒。该纳米粒子光催化效果极佳，高压设备工作时，伴随电压的持续升高，等离子体发光区域的体积会进一步扩展，能够弥散于整个低温等离子体锁鲜仓，激发纳米粒子的光催化活性，从而实现灭菌消毒的作用。

S5、构建低温等离子体锁鲜仓：选用步骤S1制备Co-Mo/Cu电极材料作为高压电极板、选用厚度为3-5mm的石英玻璃作为介质板、选用5-8mm厚的不锈钢板作为接地电极板、选用步骤S3制备的底部涂敷有Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒的石英容器作为储物室，共同构成了低温等离子体锁鲜仓。本发明当高压电极板和接地电极板两极间的电压被阻隔，就会产生微放电效应。

S6、将果蔬放入步骤S4制备的储物室中，使储物室与介质板之间的距离为5-8mm。处理时间为1-3min，处理电压为40-60kV，处理之后将果蔬密封保存，即可延长果蔬的贮存时间。

优选地：所述步骤S1选用的乙酰丙酮银为0.6g；

优选地：所述步骤S2选用的铜源为CuCl

优选地：所述步骤S4制备的储物室为圆柱形，其中外径为75mm、内径52mm、深度4.2mm、壁厚7.5mm；

优选地：所述步骤S3中通过电流密度为80mA cm

优选地：所述步骤S4制备的储物室为长方体形状，长为80mm、宽为48mm、高5mm、壁厚7.5mm；

优选地：所述步骤S5中介质板选用厚度为4mm的石英玻璃；

优选地：本发明所使用的高压电源购自于苏曼等离子科技有限公司；

本发明的有益之处：

1、本发明采用的低温等离子体具有杀菌效率高、操作简便、无残留、无污染的优点。

2、本发明提供的低温等离子保鲜工艺具有处理时间短、处理温度低，并且通过抑制酶活性的方式来实现保鲜目的。

3、本发明提供的低温等离子保鲜工艺既能达到良好的杀菌效果，又能保持食品的营养价值和感官品质。

4、本发明生成的低温等离子体电离程度强、适用范围广、生产能力强、操作简单方便。

5、本发明产生的低温等离子体的宏观温度较低，能保持食物低温状态，从而增强保鲜效果。

6、本发明制备的低温等离子体产生的活性物质破坏菌体细胞，影响微生物细胞膜的流动性与完整性，使菌体死亡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明设计的等离子体设备示意图。

图2为本发明实施例1-4制备的Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒与HUVEC细胞活力孵育18h后的细胞活力柱状图。

图3为本发明实施例1制备Ag纳米粒子的扫描电镜图。

图4为本发明实施例1制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒的透射电镜图。

图5为本发明实施例3和对比例4-6低温等离子体处理对鲜切哈密瓜中总酚含量柱状图。

图6为本发明实施例4制备高压电极板Co-Mo/Cu的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的工艺问题、工艺方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明内容，并不用于限定本发明专利。

实施例1

S1、制备Ag纳米粒子：称取0.5g的乙酰丙酮银溶于50ml的乙二醇中，加入0.5g的尿素，充分搅拌溶解之后，在180℃下反应18h，冷却至室温后，离心干燥既可获得Ag纳米粒子，该步骤中尿素的加入，充当缓冲剂，可以使得到的Ag纳米粒子与普鲁士蓝有更好的相容性；

S2、制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒：将4g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.1g K

S3、制备高压电极板：取5mm厚的铜板作为阴极浸泡在含有0.8M的Co(NO

S4、制备储物室：储物室材质由石英玻璃材质，底部用滴涂法涂敷有步骤S1制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒。该纳米粒子光催化效果极佳，高压设备工作时，伴随电压的持续升高，等离子体发光区域的体积会进一步扩展，能够弥散于整个低温等离子体锁鲜仓，激发纳米粒子的光催化活性，从而实现灭菌消毒的作用。

S5、构建低温等离子体锁鲜仓：选用步骤S1制备Co-Mo/Cu电极材料作为高压电极板、选用厚度为3mm的石英玻璃作为介质板、选用5mm厚的不锈钢板作为接地电极板、选用步骤S3制备的底部涂敷有Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒的石英容器作为储物室，共同构成了低温等离子体锁鲜仓。本发明当高压电极板和接地电极板两极间的电压被阻隔，就会产生微放电效应。

S6、将果蔬放入步骤S4制备的储物室中，使储物室与介质板之间的距离为5mm。处理时间为1min，处理电压为60kV，处理之后将果蔬密封保存，即可延长果蔬的贮存时间。

表1、Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒与HUVEC细胞活力孵育18h后的细胞存活率

普鲁士蓝作为一种临床用药具有非常高的生物安全性，但是经过Ag粒子包覆和Cu掺杂后，虽具有了更高的光吸收和更好的除菌效果，但是要应用于食品杀菌，材料本身具有高的生物安全性和自身无毒性是前提条件。因此，首先考察了本发明制备的Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒的毒性。选择人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)作为正常细胞模型，HUVEC细胞用RPMI-1640培养基(含12％胎牛血清和2％的双抗)培养。当细胞密度生长到接近覆盖细胞培养瓶或培养皿面积的80-90％，倒掉细胞原培养基，使用胰蛋白酶-EDTA消化液对其进行消化处理3-5min，在离心机转速为800rpm条件下离心5min进行细胞的收集，使用PBS对细胞进行洗涤，按1:5的比例进行传代培养。细胞培养过程所用到、RPMI-1640培养基、胎牛血清(fetal bovine serum，FBS)、双抗(青霉素和链霉素)、胰蛋白酶-EDTA消化液(0.25％)、磷酸盐缓冲液(PBS，pH＝7.4)均自于美国Gibco公司购。将HUVEC细胞分别与150mg/mL的实施例1-4制备的Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒共同孵育18h后，用CCK-8试剂盒测试细胞活力。图2为本发明实施例1-4制备的Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒与HUVEC细胞活力孵育18h后的细胞活力柱状图，结果显示在所有测试浓度范围内，细胞的存活率均在98％以上，说明纳米粒子基本无毒。将Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒用于低温等离子锁鲜工艺中，不会给所处理的食品带来毒性。

图3为本发明实施例1制备的Ag纳米粒子扫描图，从图中可以看出Ag纳米粒子大小为20nm左右，如此小的纳米颗粒分散在普鲁士蓝表面可以提供较大的比表面积，有助于提供更多的杀菌位点。

图4为本发明实施例1制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒的透射电镜图；从图中可以清楚的看出普鲁士蓝空心纳米笼结构中有黑色阴影，猜测是Cu元素成功掺杂进去了，而普鲁士蓝表面的细小颗粒为Ag纳米粒子。通过图2、3的透射和扫描图可以分析出本发明制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒为复合结构，并且比表面积较大，有利于更充分吸收等离子体产生过程中发出的光，实现光催化杀菌和低温等离子体杀菌的完美结合。两者共同作用，延长食品的保鲜期。

实施例2

S1、制备Ag纳米粒子：称取0.8g的乙酰丙酮银溶于50ml的乙二醇中，加入0.5g的尿素，充分搅拌溶解之后，在180℃下反应18h，冷却至室温后，离心干燥既可获得Ag纳米粒子，该步骤中尿素的加入，充当缓冲剂，可以使得到的Ag纳米粒子与普鲁士蓝有更好的相容性；

S2、制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒：将6g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.3g K

S3、制备高压电极板：取8mm厚的铜板作为阴极浸泡在含有2.3M的Co(NO

S4、制备储物室：储物室材质由石英玻璃材质，底部用滴涂法涂敷有步骤S1制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒。该纳米粒子光催化效果极佳，高压设备工作时，伴随电压的持续升高，等离子体发光区域的体积会进一步扩展，能够弥散于整个低温等离子体锁鲜仓，激发纳米粒子的光催化活性，从而实现灭菌消毒的作用。

S5、构建低温等离子体锁鲜仓：选用步骤S1制备Co-Mo/Cu电极材料作为高压电极板、选用厚度为5mm的石英玻璃作为介质板、选用8mm厚的不锈钢板作为接地电极板、选用步骤S3制备的底部涂敷有Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒的石英容器作为储物室，共同构成了低温等离子体锁鲜仓。本发明当高压电极板和接地电极板两极间的电压被阻隔，就会产生微放电效应。

S6、将果蔬放入步骤S4制备的储物室中，使储物室与介质板之间的距离为8mm。处理时间为3min，处理电压为40kV，处理之后将果蔬密封保存，即可延长果蔬的贮存时间。

对比例1：除步骤S2中不加入S1制备的Ag纳米粒子外，其余各个步骤均与实施例1相同，制备纳米材料为铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒。

对比例2：除步骤S2中不加入0.01g的CuCl

对比例3：除步骤S2中不加入S1制备的Ag纳米粒子和0.01g的CuCl

表2、E.coli细菌活力

革兰氏阴性大肠杆菌(E.coli)是威胁人类健康的最常见的细菌，本发明以E.coli作为代表研究了Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒对E.coli的影响。首先将细菌在LB液体培养基中37℃条件下培养过夜，直至细菌生长到10

实施例3

S1、制备Ag纳米粒子：称取0.6g的乙酰丙酮银溶于50ml的乙二醇中，加入0.5g的尿素，充分搅拌溶解之后，在180℃下反应18h，冷却至室温后，离心干燥既可获得Ag纳米粒子，该步骤中尿素的加入，充当缓冲剂，可以使得到的Ag纳米粒子与普鲁士蓝有更好的相容性；

S2、制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒：将5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.2g K

S3、制备高压电极板：取6mm厚的铜板作为阴极浸泡在含有1.2M的Co(NO

S4、制备储物室：储物室材质由石英玻璃材质，底部用滴涂法涂敷有步骤S1制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒。该纳米粒子光催化效果极佳，高压设备工作时，伴随电压的持续升高，等离子体发光区域的体积会进一步扩展，能够弥散于整个低温等离子体锁鲜仓，激发纳米粒子的光催化活性，从而实现灭菌消毒的作用。

S5、构建低温等离子体锁鲜仓：选用步骤S1制备Co-Mo/Cu电极材料作为高压电极板、选用厚度为4.2mm的石英玻璃作为介质板、选用7mm厚的不锈钢板作为接地电极板、选用步骤S3制备的底部涂敷有Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒的石英容器作为储物室，共同构成了低温等离子体锁鲜仓。本发明当高压电极板和接地电极板两极间的电压被阻隔，就会产生微放电效应。

S6、将鲜切哈密瓜放入步骤S4制备的储物室中，使储物室与介质板之间的距离为6mm。处理时间为2min，处理电压为55kV，处理之后将果蔬密封保存，即可延长果蔬的贮存时间。

对比例4：除步骤S3中不加入2.3M的Co(NO

对比例5：除步骤S3中不加入0.9M的H

对比例6：除步骤S5中用纯铜板代替Co-Mo/Cu电极外，其余各个步骤均与实施例3相同。

低温等离子体对新鲜哈密瓜中总酚含量的影响，酚类物质是一种天然抗氧化剂，能保护组织细胞免受自由基的损伤，具有降低血脂、强化血管壁、防止动脉硬化等生理功能。图5为本发明实施例3和对比例4-6低温等离子体处理对鲜切哈密瓜中总酚含量柱状图。分析结果可知选用不同的高压电极板，释放出的等离子体有所不同，导致鲜切哈密瓜中总酚含量不同。等离子体处理减少了酚类底物的消耗，较好地保留了酚类物质。实施例3比对比例4-6中酚类增加原因可能是由于电极板微观结构改变了等离子体放电效果，产生大量的化学活性物质、带电粒子和UV光子，这些活性化学成分具有较高的电能，能够破坏共价键和细胞膜，引发多种化学反应，从而促进酚类物质的释放，导致总酚含量增加。

实施例4

S1、制备Ag纳米粒子：称取0.71g的乙酰丙酮银溶于50ml的乙二醇中，加入0.5g的尿素，充分搅拌溶解之后，在180℃下反应18h，冷却至室温后，离心干燥既可获得Ag纳米粒子，该步骤中尿素的加入，充当缓冲剂，可以使得到的Ag纳米粒子与普鲁士蓝有更好的相容性；

S2、制备Ag粒子包覆的铜掺杂的普鲁士蓝纳米颗粒：将5.2g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.22g K

S3、制备高压电极板：取7mm厚的铜板作为阴极浸泡在含有2.1M的Co(NO

S4、制备储物室：储物室材质由石英玻璃材质，底部用滴涂法涂敷有步骤S1制备的Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒。该纳米粒子光催化效果极佳，高压设备工作时，伴随电压的持续升高，等离子体发光区域的体积会进一步扩展，能够弥散于整个低温等离子体锁鲜仓，激发纳米粒子的光催化活性，从而实现灭菌消毒的作用。

S5、构建低温等离子体锁鲜仓：选用步骤S1制备Co-Mo/Cu电极材料作为高压电极板、选用厚度为4mm的石英玻璃作为介质板、选用6mm厚的不锈钢板作为接地电极板、选用步骤S3制备的底部涂敷有Ag粒子包覆的铜掺杂普鲁士蓝纳米颗粒的石英容器作为储物室，共同构成了低温等离子体锁鲜仓。本发明当高压电极板和接地电极板两极间的电压被阻隔，就会产生微放电效应。

S6、将果蔬放入步骤S4制备的储物室中，使储物室与介质板之间的距离为7mm。处理时间为2.5min，处理电压为58kV，处理之后将果蔬密封保存，即可延长果蔬的贮存时间。

图6为本发明实施例4制备高压电极板Co-Mo/Cu的扫描电镜图，从图中可以看出Co-Mo/Cu的表面为格菱状，该形状有利于促进尖端放电，可以更好的匹配本发明的低温等离子体锁鲜工艺。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。