近期，中国农业大学工学院肖红伟教授课题组在环境科学和食品科学知名期刊《Journal of Hazardous Materials》、《Food Chemistry》以及《LWT》上发表了农产品冷离子处理消解致病微生物和农残及促干的系列研究论文，揭示了农产品冷离子灭菌降残和促干的关键机制。
作为一种新兴非热加工技术，冷离子技术因其设备简单、操作方便、无需任何外源化学试剂等先天优势，在促干（促进干燥）、降残（降解有机污染物）和灭菌（灭活病原微生物）方面具有广阔的应用前景。在高压放电过程中，多种高能粒子、带电粒子、负/正离子、光子和自由基被诱导并转移到目标物质并对其改性刻蚀，实现农产品高效促干、风险因子的有效降解和灭活，且不会产生对人体健康有害的持久性有毒副产物。该系列研究以冷离子为研究对象，通过大量不同角度的检测、鉴定和分析，系统探究了冷离子对农产品品质和风险因子的影响，揭示了冷离子促干品质形成和风险因子消解关键机制，为农产品加工新技术研发和高值化利用提供了一系列理论依据和实验基础。
作为广谱杀虫剂，吡虫啉广泛存在于农产品甚至饮用中，对环境和人类健康构成了严重威胁。因此，本研究开发了一种使用表面放电冷等离子体氧化技术降解农药吡虫啉的新方法。结果表明，该方法实现了高达91.4%的吡虫啉降解效率。主要活性氧（H2O2, O3,·OH, O2-,1O2）有效参与了吡虫啉的分解反应。此外，密度泛函理论（DFT）计算揭示了ROS对化学键/分子结构的敏感性。ROS对吡虫啉硝基亚胺基团结构更敏感，吡虫啉分子不同位点对ROS化学吸附能力不同。3D-EEM、FTIR、LC-MS分析结果显示，吡虫啉硝基亚胺基团毒性相关结构被严重破坏和裂解。模型预测表明，冷离子体处理后中间体急性和发育毒性显着降低且减少了吡虫啉对小鼠海马组织结构的损伤，抑制了脑源性神经营养因子含量的降低，从而揭示了机体的解毒机制（图1）。该结果以“Efficient degradation of imidacloprid by surface discharge cold plasma: Mechanism of interaction between ROS and molecular structure and evaluation of residual toxicity（表面放电冷等离子体高效降解吡虫啉:活性氧与分子结构相互作用机理及残留毒性评价）”为题发表在环境学知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上。
图1.冷离子ROS与吡虫啉分子结构相互作用的机理及残留毒性评价的主要结果
众所周知，表面放电冷等离子体具有高效的灭活能力，多种RONS是失活的主要活性粒子，但其协同作用机制尚不清楚。因此，本研究应用表面放电冷等离子体系统处理荧光假单胞菌，系统探究了灭活机理和能量效益。结果表明，能效与施加的电压成正比，与初始浓度成反比。表面放电冷等离子体处理20 min，约灭活>4-log10荧光假单胞菌且冷离子中•OH和1O2的缺失显著提高了存活率。此外，•OH 和1O2可通过破坏细胞膜结构和膜通透性，促进RONS扩散到细胞中，影响能量代谢和抗氧化能力，导致细菌失活；而细胞内NO和ONOOH的积累与外源性RNS的渗透有关，且•OH，H2O2, 1O2、O2-的积累是内源性和外源性ROS共同作用的结果。转录组分析显示，表面放电等离子体不同RONS是荧光假单胞菌失活的主要原因，并与细胞内抗氧化防御系统的激活和氨基酸代谢和能量代谢相关基因表达的调控有关（图3）。该结果以“Insight into the surface discharge cold plasma efficient inactivation of Pseudomonas fluorescens in water based on exogenous reactive oxygen and nitrogen species: Synergistic mechanism and energy benefits（基于外源性活性氧和氮的表面放电冷等离子体高效灭活水中荧光假单胞菌的研究:协同机制和能量效益）”为题发表在环境科学知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上（图3）。
图2. 基于表面放电冷等离子体RONS诱导的荧光假单胞菌潜在失活机制
图3. Journal of Hazardous Materials发表文章截图
化学浸渍是枸杞干燥前处理的主要手段，然而其化学残留对人体健康和环境构成了严重的威胁。因此，本研究创新性的提出了冷离子体前处理方法，并探究了其预处理（15、30、45、60 s）对枸杞热风干燥的时间、色泽、复水率、总酚和总黄酮含量以及微观结构的影响，并与碳酸钠预处理样品进行了系统比较。结果表明冷离子体预处理可缩短枸杞50%的热风干燥时间。冷离子体预处理使枸杞干的复水率提高了7-16%。此外，枸杞干制品的L*、a*和b*值显著高于未预处理的样品且冷离子体预处理使ΔE降低了18–27%。枸杞干制品的植物化学成分含量在适当冷离子处理条件下显著增加。微观结构和超微结构观察表明，随着冷离子体处理时间的增加，细胞壁、细胞膜崩解从而促进了细胞中水分和植物化学物质的释放和扩散，增强了干燥效率和植物化学物质的提取。（图4）。该结果以“Cold plasma enhances drying and color, rehydration ratio and polyphenols of wolfberry via microstructure and ultrastructure alteration（冷等离子体通过改变枸杞的微观结构和超微结构，提高其干燥效率、色泽、复水率和多酚含量）”为题发表在食品科学知名期刊《LWT》上（图5）。
图4.枸杞冷离子促干机制及其主要结果
图5. LWT发表文章截图
电流体动力学干燥是一种新兴的非热干燥技术。可通过电离介质（通常是空气），产生由单极性离子和等离子体构成的离子风，不断破坏物料表面的边界层，促进热质传递，加速水分的蒸发，有效降低能耗。然而对于物料在电流体动力学干燥中的干燥行为及干制品品质形成机制的深入理解尚不充分。因此，本研究首次将电流体动力学干燥应用于柑橘果皮的干燥过程中，系统评估和对比电源类型（交流（AC）与直流（DC））以及施加电压对干燥特性及产品品质的影响。结果表明，在相同电压下，AC比DC电场的干燥时间更短，施加电压水平与电场强度以及组织塌陷和细胞膜破裂的程度密切相关，同时影响柑橘果皮中类胡萝卜素、酚类物质和挥发性化合物的代谢行为和相关途径。研究结果表明，使用AC的电流体动力学干燥能够改善柑橘果皮干燥行为，并有效保留其生物活性物质。项目研究成果将为柑橘果皮新型干燥技术研发提供途径，为实际生产中的资源合理利用提供理论依据并促进干燥产业提质增效。（图6）。该结果以“Electrohydrodynamic drying of citrus (Citrus sinensis L.) peel: Comparative evaluation on the physiochemical quality and volatile profiles（（基于冷等离子体的）柑桔果皮电流体干燥:理化品质和挥发性特征的比较评价）”为题发表在食品科学知名期刊《Food Chemistry》上（图7）。
图6. 柑橘果皮在不同电源类型和电压条件下的干燥特性参数和品质动力学的主要结果
图7. Food Chemistry发表文章截图
中国农业大学工学院博士研究生倪家宝、张安安和周钰皓为上述系列论文第一作者，肖红伟教授为通讯作者。研究得到国家重点研发计划（No.2017YFD0400905、2023YFF1103800）、国家自然科学基金（No.31871861）、中国农业大学2115人才发展计划、中国农业科学院科技创新项目（CAAS-ASTIP-2015-IAR）和中央政府指导地方科技发展项目（20231ZDH04037）等项目资助。中国农业科学院蜜蜂研究所方小明研究员参与了上述研究，为部分论文的共同通讯作者，农产品冷离子灭菌降残和促干关键机制的系列研究，揭示了农产品冷离子加工品质形成和风险因子消解的重要作用，为农产品加工新技术研发和高值化利用提供了一系列理论依据和实验基础。
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.133066.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134984.
https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110173.
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.136832.
