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等离子体是自然界中物质存在的第四种形式,研究人员通过一系列探索实现了实验室中等离子体的按需制备。等离子体中富含大量活性成分,它们可以使材料表面改性功能化,也能用于食品杀菌。用于食品杀菌研究的等离子体主要通过两种方法制备:介质阻挡放电法（Dielectric Barrier Discharge,DBD）和大气压等离子体射流法（Atmosphere Pressure Plasma Jet,APPJ）。基于DBD的等离子体仅能在一个狭小的腔室内发生作用,而基于APPJ的等离子体可通过喷头喷出直接作用于样品表面。大量研究证实,APPJ对食品表面细菌和真菌的杀灭效果明显,且对食品本身品质无显著影响。尽管APPJ在食品杀菌中的应用已受到广泛关注,但却鲜有人研究APPJ对三维样品的杀菌效果。实际食品加工过程中,原料三维形态千差万别,简单的二维平面灭菌模型显然无法解释等离子体在三维空间的作用。因此,开展APPJ三维样品表面杀菌性能的研究对于其食品工业杀菌应用意义重大。基于此,本研究主要利用大气压等离子体发生器构建起一套完整的APPJ杀菌系统,并将其用于三维样品表面杀菌性能的研究。具体研究工作包括以下四个方面:1.大气压低温等离子体杀菌条件的优化及机制研究本研究以APPJ发生器为等离子体源,选用革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的典型代表菌——大肠杆菌（Escherichia coli,以下简称E.coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus,以下简称S.aureus）作为本实验的研究对象,开展了APPJ杀菌条件的优化及机制研究。通过光谱分析,确定该设备产生的等离子体含有羟基自由基、活性氧及活性氮等活性成分。在设备的功率及其他参数恒定（7 k V、1000W、25℃、36 L/min）的情况下,探究了处理距离（3.5-5 cm）及处理时间（5-9 s）对二维培养细菌杀灭效果的影响。结果显示,随着处理时间的增加和处理距离的缩短,杀菌效果逐步提高;在处理距离为3.5 cm,处理时间为9 s时,E.coli和S.aureus存活率最低,分别为2.1±1.4%、0.9±0.1%。场发射扫描电镜结果显示,经等离子体处理后两种细菌表面均呈现出塌陷的情况,部分细菌甚至发生消融。SYTO9/PI染色进一步证实死亡细菌的数量随着等离子体处理时间的延长而逐渐增加。基于以上实验结果,APPJ作用于细菌表面导致细菌破裂死亡是APPJ杀菌的主要机制。同时,选取处理距离3.5 cm、处理时间9 s用于后续实验。2.大气压低温等离子体射流用于三维模型表面杀菌的研究本研究以固体琼脂培养基正方体（边长分别为2、3、4 cm）和球体（直径为3cm）作为模拟样品,探究了APPJ杀灭三维样品表面细菌的性能。经APPJ处理后,对于边长为2、3、4 cm的正方体,其顶面E.coli存活率分别为50.3±7.6%、37.6±9.1%和31.9±5.2%,与空白对照组相比均显著性减少（p＜0.05）;同样,其顶面S.aureus存活率分别为52.1±6.9%、40±3.2%和8.5±4.8%,与空白对照组相比均极显著性减少（p＜0.001）。然而,就其侧面而言,E.coli和S.aureus存活率均未发现明显变化。研究结果表明,APPJ可有效杀灭立方体顶面细菌,而对其侧面则不发生作用。本研究将球体按照地球仪经纬度进行划分。球体北半球90-20区域内的E.coli和S.aureus存活率分别为36.9±2.1%和42.4±2.6%,20-10区域内的E.coli和S.aureus存活率为57.5±7.2%、59.1±8.7%,N极10°以南区域内细菌存活率与对照组相比没有明显变化。该结果表明,等离子体仅仅对球体上半部分有杀菌效果,对N极10°逐渐向南的区域则没有效果。以上研究结果表明,对于APPJ杀菌处理,直接暴露于APPJ下的细菌会被杀灭,未直接暴露的细菌则不受影响。3.基于限域基底的大气压低温等离子体三维模型抗菌研究为能实现三维样品未暴露部分的抗菌,本研究根据等离子体喷头的结构设计了包含有挡板的限域基底（挡板角度分别设置为30°、60°和90°）,并将其用于APPJ三维模型表面杀菌性能研究。正方体模型的实验结果显示,添加30°挡板后,顶面E.coli与S.aureus的存活率分别为15.2±2.9%和34.3±8.9%,侧面细菌的生长则不受影响;添加60°挡板后,顶面E.coli与S.aureus的存活率分别为11.4±2.9%和34.4±5%,而其侧面的存活率则分别下降为74.6±2.9%和86.8±8.4%;添加90°挡板后,顶面E.coli与S.aureus的存活率分别为10.9±2.1%和21±1.8%,侧面的存活率则为84.4±6.2%和81.4±3.2%。因此,60°和90°挡板的存在有利于APPJ作用于正方体侧面从而实现抗菌。在球体模型杀菌实验中,就E.coli而言,当挡板角度由30°变为90°,其北半球90-20区域存活率由11.1±4.5%降为6.2±2.1%,20-10区域内的存活率由12.7±6%降为7.4±4.5%;对于S.aureus而言,当挡板角度为30°、60°和90°时,其北半球90-20区域存活率分别为29.3±2%、47.8±3.9%和32±3.4%,20-10区域内的存活率由63.9±11.5%、67.5±14.4%和60±8.8%。添加挡板对球体N极10°以南区域的细菌均有不同程度的影响,以S极10-20的E.coli为例,添加30°、60°、90°挡板后的存活率分别为42.4±5.8%、68.4±3.8%和41±15.4%。因此,在添加一定角度的挡板后,APPJ可有效杀灭三维模型未直接暴露面的细菌,挡板的角度对于杀菌效果有直接影响。4.大气压低温等离子体用于鹌鹑蛋及小番茄表面杀菌的研究在上述研究基础上,本研究设计了四面均具有90°挡板的限域基底,用于真实食品样本——鹌鹑蛋和小番茄的APPJ杀菌处理。与空白对照组相比,无限域基底处理组中鹌鹑蛋和小番茄侧面E.coli的存活率分别为75.2±3.6%和79.9±0.8%,加限域基底处理组存活率分别降低至20±16.9%和34±1.7%。同时,经过等离子体处理后的鹌鹑蛋和小番茄的p H以及颜色均没有明显的变化。结果证实限域基底可有效提高APPJ对食品侧面的杀菌率,在不影响食品本身品质的同时有效杀灭三维食品侧面的细菌。本论文探究了APPJ对三维样品表面的杀菌性能,并结合实验结果提出了基于限域基底的APPJ杀菌性能增强方法,展示了该方法在真实食品样本中的应用潜力。本研究有望为基于APPJ的杀菌研究提供理论指导,同时可望进一步拓展APPJ在食品原料大规模杀菌领域的应用。