低溫等離子殺菌技術(shù)探究

1、低溫等離子殺菌技術(shù)探究本文摘要：常壓低溫等離子體的消毒滅菌作為一種新型的消毒方法,由于其具有安全、簡(jiǎn)便、低溫和快速等優(yōu)點(diǎn),正日益受到人們的重視和研究。本文簡(jiǎn)單介紹了低溫等離子體的產(chǎn)生方法，給出了低溫等離子體滅菌可能機(jī)理，介紹它在食品加工，醫(yī)療衛(wèi)生等方面的應(yīng)用并對(duì)該技術(shù)研究和應(yīng)用的前景進(jìn)行了簡(jiǎn)單的展望。關(guān)鍵詞：低溫等離子體 機(jī)理 應(yīng)用 前景引言：傳統(tǒng)的食品殺菌方法是加熱殺菌法，即通過對(duì)食品加熱升溫，并在高溫下保持一定的時(shí)間，使食品中的微生物達(dá)到熱力致死。加熱在殺菌的同時(shí)，往往會(huì)給食品的品質(zhì)和營養(yǎng)帶來不利的影響，如變色、變味、營養(yǎng)損失等。特別是對(duì)某些食品，如果蔬、飲料、牛奶等，加熱殺菌對(duì)品質(zhì)和營養(yǎng)

2、的影響更大。隨著食品加工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，人們?cè)谄谕称钒踩缘耐瑫r(shí)，對(duì)食品的營養(yǎng)性需求也在不斷擴(kuò)大。為了消除加熱殺菌的不利影響，開發(fā)和研究非加熱殺菌的技術(shù)日益受到人們的重視。實(shí)踐證明，應(yīng)用低溫等離子技術(shù)來殺滅食品本身以及加工過程中產(chǎn)生的細(xì)菌，對(duì)產(chǎn)品的鮮度、風(fēng)味和營養(yǎng)成分影響很小。而在醫(yī)療衛(wèi)生方面，隨著社會(huì)的發(fā)展,醫(yī)療事業(yè)發(fā)展迅速,醫(yī)療器械的滅菌消毒問題提到了緊要位置。傳統(tǒng)的滅菌消毒存在很多弊病1 ,如滅菌溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、存在化學(xué)殘留物、污染環(huán)境等。因此,需要研究新的滅菌技術(shù),能夠在短時(shí)間內(nèi)完成滅菌效果,同時(shí)又不損傷醫(yī)療器械,還要降低對(duì)人員及環(huán)境的損害,這就促使了低溫等離子滅菌消毒技術(shù)的產(chǎn)生。一

3、、低溫等離子體的基本概念、產(chǎn)生方法、可能機(jī)理：(一) 低溫等離子體的基本概念 溫度由低到高，物質(zhì)存在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三個(gè)眾所周知的狀態(tài)。當(dāng)氣體的溫度進(jìn)一步上升，則束縛在原子核外的電子將掙脫原子核對(duì)它的庫侖引力產(chǎn)生電離變成自由電子，從而在系統(tǒng)中產(chǎn)生帶正電的離子（原子核）和帶負(fù)電的電子。這種由大量的等數(shù)目的帶正、負(fù)電荷的粒子構(gòu)成的系統(tǒng)， 被稱為等離子體（plasmas）2。由于帶正、負(fù)電荷的粒子數(shù)目是等量的，因此等離子體是宏觀上不帶電的準(zhǔn)中性粒子系統(tǒng)。由于正、負(fù)電荷的存在，等離子體具有與其他物質(zhì)形態(tài)不同的特異性能（如集體行為），因此被認(rèn)為是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)后物質(zhì)的第四態(tài)3。(二) 低溫等離子體的

4、產(chǎn)生方法 等離子體除存在于自然界外，還可以通過人工方式獲得。通常是對(duì)氣體施加電場(chǎng)，使荷電粒子加速。由于離子較重，所以被加速的都是電子。通過電子與較重粒子碰撞而引起電離，最終形成等離子體4。它主要是由氣體放電產(chǎn)生的，所謂氣體放電是指通過某種機(jī)制，使一個(gè)或幾個(gè)電子從氣體原子或分子中電離出來，形成的氣體媒質(zhì)稱為電離氣體，如果電離氣體由外電場(chǎng)產(chǎn)生并形成傳導(dǎo)電流，這種現(xiàn)象稱為氣體放電。根據(jù)放電產(chǎn)生的機(jī)理、氣體的壓強(qiáng)范圍、電源性質(zhì)以及電極的幾何形狀，氣體放電等離子體可以分為輝光放電(Glow discharge)、電暈放電(Corona discharge)、介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barri

5、er discharge,DBD) 、射頻放電(Radio frequency discharge)及微波放電(Microwave discharge)等5。輝光放電通常在低氣壓下進(jìn)行，所需的放電電壓較低，電子的能量也較低；電暈放電可在常壓下進(jìn)行，但能量過于集中，很難獲得大體積的等離子體；介質(zhì)阻擋放電則結(jié)合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以在常壓下產(chǎn)生大面積的低溫等離子體；射頻放電和微波放電常用于無電極放電，可獲得純凈的等離子體6。(三) 低溫等離子體殺菌的可能機(jī)理關(guān)于低溫等離子體的殺菌消毒機(jī)理，迄今為止人們還不能夠給出比較圓滿的答案。根據(jù)早期的實(shí)驗(yàn)，相繼出現(xiàn)了各種有關(guān)機(jī)理的假說?？v觀各種假說，無論是從物理

6、還是化學(xué)方面對(duì)殺菌消毒機(jī)理進(jìn)行探索，歸根到底不外乎有以下三種7：等離子體形成過程中產(chǎn)生的大量紫外線直接破壞微生物的基因物質(zhì)；紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化學(xué)鍵，最后生成揮發(fā)性的化合物如CO、CHn;通過等離子體的蝕刻作用，即等離子體中活性物質(zhì)與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠摧毀微生物和擾亂微生物的生存功能8.二、低溫等離子體在食品加工，醫(yī)療衛(wèi)生等方面的應(yīng)用：(一) 低溫等離子體在食品加工中的應(yīng)用隨著食品加工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，人們?cè)谄谕称钒踩缘耐瑫r(shí)，對(duì)食品的營養(yǎng)性需求也在不斷擴(kuò)大。特別是常規(guī)的高溫高壓蒸汽滅菌造成的各種營養(yǎng)元素的損失已經(jīng)引起人們的普遍關(guān)注。應(yīng)用低溫等離子體

7、技術(shù)來殺滅食品本身以及加工過程中產(chǎn)生的細(xì)菌，實(shí)踐證明，很少會(huì)影響到產(chǎn)品的鮮度、風(fēng)味和滋味9。1.用于食品表面的殺菌消毒 日本的Darnbadarjaa等10利用微波激發(fā)氬等離子體，證實(shí)了等離子體不僅能夠殺滅物體表面的大腸埃希氏菌，而且通過改變各個(gè)等離子體處理參數(shù)，找到了影響該微生物殺滅率的條件。而美國自20世紀(jì)90年代起，利用等離子體對(duì)食品表面進(jìn)行殺菌消毒就獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn)，并且很快應(yīng)用于商業(yè)11。實(shí)踐證明，各類食品表面的大腸桿菌經(jīng)空氣等離子體20 s90 min的處理，細(xì)菌總數(shù)可下降27個(gè)對(duì)數(shù)值12。2.用于液體食品的殺菌消毒 將低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)應(yīng)用于液相，

8、是一項(xiàng)頗為引人關(guān)注的課題。這是因?yàn)椋话銇碚f，低溫等離子體是通過氣體放電產(chǎn)生的，所以能否用該技術(shù)殺滅液體中的病原微生物就存在兩個(gè)問題：即在液體中如何有效地產(chǎn)生活性粒子以及這些粒子能否殺滅其中的微生物。Hongbin Ma等13通過向液體中鼓泡(通入空氣和純氧)，同時(shí)將電場(chǎng)直接作用于液體與氣體的混合態(tài)而成功地殺滅了大腸埃希氏菌和沙門氏菌。3.用于小包裝食品的殺菌消毒盡管對(duì)于等離子體活性粒子(包括激發(fā)原子、分子及紫外光子)能否透過包裝材料的問題尚存在異議，但Bithell14的研究表明利用射頻激發(fā)的氧等離子體能夠?qū)Πb袋內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行殺菌和消毒。之后，相繼有工作者利用過氧化氫等離子體實(shí)現(xiàn)了對(duì)紙包裝、

9、塑料以及錫箔包裝食品的殺菌消毒。(二) 低溫等離子體在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用1. 用于熱敏性器械的殺菌消毒利用射頻電源激發(fā)空氣或過氧化氫氣體，形成的低溫等離子體能夠?qū)Σ荒透邷馗邏旱母黝悷崦粜云餍颠M(jìn)行殺菌消毒15。這類器械包括一些玻璃器皿如輸液瓶，一些由塑料、硅橡膠等高分子材料制成的器械等。將上述器械置于等離子體反應(yīng)器的平行板電極之間，使氣體放電，可以實(shí)現(xiàn)器械內(nèi)外表面的殺菌消毒，如果同時(shí)加入消毒劑利用微波使之氣化，則殺菌效果會(huì)更好。利用不同形狀大小的反應(yīng)腔還可以對(duì)大批量的器械進(jìn)行殺菌消毒。由于整個(gè)過程溫度不超過50 ，使得該技術(shù)能夠應(yīng)用于大部分的熱敏性器械。2. 用于金屬器械的殺菌消毒在外科手術(shù)中，需

10、要對(duì)大量器械進(jìn)行殺菌消毒，如鋼剪、環(huán)形鋸、沖洗機(jī)等。在牙科診所，由于各種金屬器械需直接接觸病患的口腔，需要經(jīng)常清洗和消毒。為解決灼燒器械對(duì)器械造成的破壞，采用等離子體技術(shù)對(duì)這類金屬器械殺菌消毒16是非常理想的。同時(shí)，因該類器械多數(shù)形狀不規(guī)則，有些不能置于等離子體反應(yīng)器的平行板電極之間，采用遠(yuǎn)程等離子體技術(shù)有效地彌補(bǔ)了這一技術(shù)的不足，它可以在對(duì)金屬器械表面殺菌的同時(shí)，避免因等離子體蝕刻作用而造成的器械表面損傷，保證了金屬器械的機(jī)械強(qiáng)度和韌性17。3. 用于電子探頭傳感器的殺菌消毒在醫(yī)用、生化監(jiān)測(cè)和細(xì)胞培養(yǎng)中經(jīng)常使用帶有電子探頭的各類傳感器，如婦科診斷中使用pHISPET傳感器、呼吸科室用的微型氧

11、氣傳感器。一方面，這類傳感器必須經(jīng)過嚴(yán)格殺菌消毒，而另一方面，由于電子探頭這種靈敏元件在殺菌過程中可能會(huì)因其感應(yīng)膜損壞而影響到傳感器的功能。SHerrmann等18對(duì)比了蒸汽、輻射以及低溫等離子體對(duì)pHISPET傳感器的殺菌效果。結(jié)果顯示低溫等離子體技術(shù)對(duì)于此類傳感器的殺菌消毒是一種最為行之有效的方法。4.用于小型反復(fù)使用制品的快速滅菌在小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，一些醫(yī)療用品不可避免地需要反復(fù)使用，這些用品包括易碎容器、繃帶、用后易處置的塑料制品等。通常這些用品需要及時(shí)且快速地消毒，才能滿足診療要求。常壓下輝光放電等離子體技術(shù)為此提供了可能性。該技術(shù)能夠廣泛地殺滅病原菌，包括對(duì)抗菌素和化學(xué)消毒具有抵抗力

12、的細(xì)菌、真菌和孢子。另外，更為方便的是，這些醫(yī)療制品可以密封在標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用殺菌袋內(nèi)經(jīng)等離子體轟擊而達(dá)到殺菌消毒目的。5. 用于醫(yī)用生物材料的殺菌消毒醫(yī)用生物材料是指用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。只有當(dāng)它在植入生物體后不會(huì)引起凝血、毒性、過敏、致癌、免疫反應(yīng)等，并且與生物體協(xié)調(diào)且能夠執(zhí)行預(yù)期的功能，這樣的材料才具有生物相容性。低溫等離子體技術(shù)通過對(duì)材料表面進(jìn)行鍍膜、聚合、修飾、改性，可以改善生物材料的親水性、透氣性、血溶性，以使人造血管、血液透析薄膜等醫(yī)用生物材料得到廣泛應(yīng)用19。通過等離子體照射醫(yī)用生物材料，往往可以將材料的前期處理和殺菌消毒一步實(shí)現(xiàn)，為人工臟器移植20，21、組織材料培

13、養(yǎng)提供了新的方案。三、低溫等離子殺菌的展望與前景：低溫等離子體殺菌消毒技術(shù)除了應(yīng)用于食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生方面外，在空氣凈化、水體消毒、衛(wèi)生材料以及紙張22的加工生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中也顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著這種技術(shù)在工業(yè)和商業(yè)上日益具備可行性，今后的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：(1)進(jìn)一步研究低溫等離子體的殺菌消毒機(jī)理，為各種假說找到具有說服力的理論依據(jù)，也為后續(xù)研究提供可靠的理論基礎(chǔ)；(2)通過等離子體處理參數(shù)對(duì)細(xì)菌殺滅率的研究，因地制宜地選取適當(dāng)?shù)牡蜏氐入x子體殺菌消毒工藝；(3)開發(fā)出具備應(yīng)用潛質(zhì)的等離子體反應(yīng)裝置，比如相對(duì)安全、容易且經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)程等離子體反應(yīng)器目前就比較受歡迎；(4)進(jìn)一步開發(fā)和

14、擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)該技術(shù)可能會(huì)在未來的細(xì)菌戰(zhàn)防御體系、制藥和保健等多方面做出新的貢獻(xiàn)；(5)進(jìn)行低溫等離子體技術(shù)與其他殺菌消毒技術(shù)聯(lián)合使用的研究，以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地解決殺菌消毒中出現(xiàn)的各類問題。作為消毒滅菌技術(shù)家族中的“后起之秀”,等離子體技術(shù)的優(yōu)越性獲得國內(nèi)行家確認(rèn)。日前,中華預(yù)防醫(yī)學(xué)會(huì)主持專題研討會(huì),來自中科院力學(xué)所、中國疾控中心等機(jī)構(gòu)學(xué)者表示,將等離子體技術(shù)用于室內(nèi)空氣消毒,不僅滅菌時(shí)間、效果、影響因素等優(yōu)于其他許多方法,還具有不損傷人體、物體等更大實(shí)用價(jià)值。由西安交通大學(xué)博士生導(dǎo)師、教授馮允平等領(lǐng)銜開發(fā)的相關(guān)裝置,是迄今國內(nèi)惟一獲衛(wèi)生部應(yīng)用許可的等離子體高新消毒技術(shù)產(chǎn)品。據(jù)

15、與會(huì)專家報(bào)告,該機(jī)開機(jī)120分鐘后,可使空氣中病原微生物消亡率達(dá)到部頒標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)空氣中有害物質(zhì)降解率為:甲醛91 %、苯93 %、氨78 %、二甲苯90 %。專家認(rèn)為,在具備一定條件的手術(shù)室、病房、會(huì)議室及公共娛樂等封閉有人活動(dòng)環(huán)境中推廣該技術(shù),對(duì)提高空氣凈化水平,控制遏制非典在內(nèi)的傳染病流行意義重大。參考文獻(xiàn)1 Mounir Laroussi. Sterilization of contaminated matter wit h anatmospheric pressure plasma J . IEEE Trans on Plasma Sci2ence , 1996 , 24 (3) :11

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