等离子体带来的新体验，物质第四态的科技赋能

01 物质的第四态：等离子体

等离子体是各种各样的宏观中性物质中含有许多相互作用的自由电子和离子化的原子或分子，由于远距离的库仑力而表现出集体行为的中性粒子团。

大自然中常见的物质形态有固体、液体和气体，当气体被加热到一定程度发生电离，原来呈中性的气体分子变为大量的电子，离子和中性原子，虽然还是中性状态，但是与之前的状态有明显的区别，我们称这种等离子状态为物质的第四态。

1928年美国的汤克斯等人第一次提出“等离子体”(plasma)，用来描述整体保持电中性的电离气体在管中放电的物质形态。等离子体可以从高能电子中获得其反应活性，而离子和中性物质保持冷态，其成分和温度可以通过输入功率，气体类型，气体压力和成分等类型参数在很宽的范围内调节。

在大多数情况下，等离子技术通过分别向中性气体或气体混合物施加电场来产生应用低温等离子体的电离率较低，它们的电子温度通常是几个电子伏特，足以驱动许多反应化学物质以修饰DNA，蛋白质和细胞膜，而它们的气体温度接近室温，因此它们可以处理对温度敏感的活体组织。

02 等离子体中的活性成分

等离子体放电过程中产生了大量的带电粒子、激发态和亚稳态的粒子、活性氧 (ROS)和活性氮(RNS)粒子、以及少量的紫外线。这些活性粒子可以与细胞相互作用，使得微生物失去活性。这些活性粒子的含量和组成受放电气体组成成分、电源工作参数和等离子体射流源自身构造等多种因素的影响。

活性氮(RNS)和活性氧(ROS)

目前学术圈的主流观点认为低温等离子体中的活性氧成分(ROS)，包含OH自由基、O原子、O3等在生物医学应用中是关键的活性粒子，扮演着重要的角色。有研究发现，ROS含量更高的等离子体会降低细胞活性，而RNS对细胞活性的影响要明显少于ROS。

带电粒子

由于直接放电时含有大量的带电粒子，等离子体放电直接消毒的效果比间接消毒的效果更好，其杀菌原理主要是放电电荷会累积在病菌的细胞膜表面，造成病菌细胞膜破裂。

紫外线

低温等离子体是由放电产生的，而放电过程中同样会不可避免的产生紫外线。少量的紫外线照射可以促使人体合成维生素D，有益于骨骼对于钙质的吸收，防止佝偻病。但是过量的紫外线会伤害人体，造成晒红、微血管扩张、皮肤炎，并且引发癌症。

但是，在低温等离子体发生过程中，所产生紫外线很微弱，其强度尚未达到可以大量灭菌的程度，所以许多研究表明，在等离子体诱导的灭菌和癌细胞凋亡过程中，紫外的作用是很微弱的，可以忽略不计。

03 等离子体的优势

由于大气压常温等离子体具有安全、高效、无毒、无副作用等优点，因此可以用等离子体来取代或者辅助传统药物或治疗方法来达到更好的治疗效果。

等离子体在食品及生物医学上的应用主要体现在杀菌消毒、生物分子改性、降解毒素、口腔医学、伤口处理、凝血、癌细胞处理、促进细胞增殖和分化等。

食品及包装材料表面的杀菌

有研究发现大气压低温等离子体处理涂有沙门氏菌的果蔬切片后，接种的沙门氏菌被显著杀灭，但等离子体对果蔬的含水量、色泽、维生素C含量等都没显著影响。

也有学者采用介质阻挡放电等离子体处理草莓，发现草莓表面原有微生物（细菌、真菌、霉菌）减少了2个Log值，且对草莓色泽、硬度没有显著影响。

生物大分子的改性

等离子体对食品生物大分子淀粉、蛋白质、多糖等改性的研究也比较多。例如，有研究发现，等离子体处理可以改善小麦粉的生面团性能、空气等离子体处理可以提高乳清分离蛋白的乳化性和起泡性、等离子体处理糙米能淀粉的亲水性并减少蒸煮时间、DBD等离子体处理可以提高花生分离蛋白的溶解性、乳化性和持水能力。

等离子体美白

人体愈合的伤口表面可能会留下深色瘢痕，甚至脸部皮肤和其他部位也会有褐色斑点，对于追求时尚和美丽外表的人群来说，这些褐色瘢痕的存在极大的影响了美观，所以当前的医疗美容机构会通过各种手段对皮肤进行美白祛斑治疗，而低温等离子体技术就是其中常用的美白祛斑技术之一，该项技术在韩国、中国等具有巨大应用需求。

等离子体对皮肤进行美白的原理其实也是依赖于等离子体中多种活性粒子的高反应性，气相等离子体中的活性物质通过与皮肤表面的角质层以及真皮层下的色素分子发生反应，使得瘢痕中累积的色素分子被氧化，进而实现皮肤美白的目的。

等离子体降解农药残留及毒素

等离子体在降解食品表面的农药残留及各种毒素方面也有重要作用。有研究发现玉米中的黄曲霉毒素能够很快的被低温等离子体所降解，在空气湿度为40%的条件下，空气等离子体可以在1 min内将黄曲霉毒素降解62%。

低温等离子体活性水（PAW）

低温等离子体活性水是用低温等离子体处理不同性质水（如去离子水、磷酸盐缓冲溶液、0.9%氯化钠溶液等）的统称。由于PAW的pH低，并以活性氧化物、活性氮化物为其主要活性成分，其对细菌、酵母、霉菌和病毒等微生物具有很强的杀灭效果。

研究表明，PAW不仅能有效地杀灭食品中的微生物，还能维持食品本身的品质不受显著性影响，并且具有操作简单、处理时间短、效率高等优点。

作者简介：

Martin.Yu，食品科技工作者、营养师，长期负责特殊食品研发工作，主要方向为：FSMP、益生菌、特膳食品。