低温等离子杀菌技术探究

低温等离子杀菌技术探究 本文摘要：常压低温等离子体的消毒灭菌作为一种新型的消毒方法,由于其具有安全、简便、 低温和快速等优点,正日益受到人们的重视和研究。本文简单介绍了低温等离子体的产生方法， 给出了低温等离子体灭菌可能机理，介绍它在食品加工，医疗卫生等方面的应用并对该技术研 究和应用的前景进行了简单的展望。 关键词：低温等离子体 机理 应用 前景 引言： 传统的食品杀菌方法是加热杀菌法，即通过对食品加热升温，并在高温下保持一定的时 间，使食品中的微生物达到热力致死。加热在杀菌的同时，往往会给食品的品质和营养带来不 利的影响，如变色、变味、营养损失等。特别是对某些食品，如果蔬、饮料、牛奶等，加热杀 菌对品质和营养的影响更大。随着食品加工业的大规模发展，人们在期望食品安全性的同时， 对食品的营养性需求也在不断扩大。为了消除加热杀菌的不利影响，开发和研究非加热杀菌的 技术日益受到人们的重视。实践证明，应用低温等离子技术来杀灭食品本身以及加工过程中产 生的细菌，对产品的鲜度、风味和营养成分影响很小。 而在医疗卫生方面，随着社会的发展,医疗事业发展迅速,医疗器械的灭菌消毒问题提到了 紧要位置。传统的灭菌消毒存在很多弊病 1 ,如灭菌温度高、时间长、存在化学残留物、污染 环境等。因此,需要研究新的灭菌技术,能够在短时间内完成灭菌效果,同时又不损伤医疗器械,还 要降低对人员及环境的损害,这就促使了低温等离子灭菌消毒技术的产生。 一、低温等离子体的基本概念、产生方法、可能机理： (一) 低温等离子体的基本概念 温度由低到高，物质存在固态、液态、气态三个众所周知的状态。当气体的温度进一步上 升，则束缚在原子核外的电子将挣脱原子核对它的库仑引力产生电离变成自由电子，从而在系 统中产生带正电的离子（原子核）和带负电的电子。这种由大量的等数目的带正、负电荷的粒 子构成的系统， 被称为等离子体（plasmas） 2。由于带正、负电荷的粒子数目是等量的，因 此等离子体是宏观上不带电的准中性粒子系统。由于正、负电荷的存在，等离子体具有与其他 物质形态不同的特异性能（如集体行为），因此被认为是继固态、液态、气态后物质的第四态 3。 (二) 低温等离子体的产生方法 等离子体除存在于自然界外，还可以通过人工方式获得。通常是对气体施加电场，使荷电 粒子加速。由于离子较重，所以被加速的都是电子。通过电子与较重粒子碰撞而引起电离，最 终形成等离子体 4。它主要是由气体放电产生的，所谓气体放电是指通过某种机制，使一个或 几个电子从气体原子或分子中电离出来，形成的气体媒质称为电离气体，如果电离气体由外电 场产生并形成传导电流，这种现象称为气体放电。根据放电产生的机理、气体的压强范围、电 源性质以及电极的几何形状，气体放电等离子体可以分为辉光放电(Glow discharge)、电晕放 电(Corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD) 、射频放电 (Radio frequency discharge)及微波放电(Microwave discharge)等 5。辉光放电通常在低气 压下进行，所需的放电电压较低，电子的能量也较低；电晕放电可在常压下进行，但能量过于 集中，很难获得大体积的等离子体；介质阻挡放电则结合了前两者的优点，可以在常压下产生 大面积的低温等离子体；射频放电和微波放电常用于无电极放电，可获得纯净的等离子体 6。 (三) 低温等离子体杀菌的可能机理 关于低温等离子体的杀菌消毒机理，迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。根据早 期的实验，相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说，无论是从物理还是化学方面对杀 菌消毒机理进行探索，归根到底不外乎有以下三种 7：等离子体形成过程中产生的大量紫外线 直接破坏微生物的基因物质；紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键，最后生成挥 发性的化合物如CO、CHn;通过等离子体的蚀刻作用，即等离子体中活性物质与微生物体内的蛋 白质和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能 8. 二、低温等离子体在食品加工，医疗卫生等方面的应用： (一) 低温等离子体在食品加工中的应用 随着食品加工业的大规模发展，人们在期望食品安全性的同时，对食品的营养性需求也 在不断扩大。特别是常规的高温高压蒸汽灭菌造成的各种营养元素的损失已经引起人们的普遍 关注。应用低温等离子体技术来杀灭食品本身以及加工过程中产生的细菌，实践证明，很少会 影响到产品的鲜度、风味和滋味 9。 1.用于食品表面的杀菌消毒 日本的Darnbadarjaa等 10利用微波激发氩等离子体，证实了等离子体不仅能够杀灭物体表 面的大肠埃希氏菌，而且通过改变各个等离子体处理参数，找到了影响该微生物杀灭率的条件。 而美国自20世纪90年代起，利用等离子体对食品表面进行杀菌消毒就获得了美国食品和药物管 理局(FDA)的批准，并且很快应用于商业 11。实践证明，各类食品表面的大肠杆菌经空气等离子 体20 s90 min的处理，细菌总数可下降27个对数值 12。 2.用于液体食品的杀菌消毒 将低温等离子体杀菌消毒技术应用于液相，是一项颇为引人关注的课题。这是因为，一般 来说，低温等离子体是通过气体放电产生的，所以能否用该技术杀灭液体中的病原微生物就存 在两个问题：即在液体中如何有效地产生活性粒子以及这些粒子能否杀灭其中的微生物。 Hongbin Ma等 13通过向液体中鼓泡(通入空气和纯氧)，同时将电场直接作用于液体与气体的混 合态而成功地杀灭了大肠埃希氏菌和沙门氏菌。 3.用于小包装食品的杀菌消毒 尽管对于等离子体活性粒子(包括激发原子、分子及紫外光子)能否透过包装材料的问题尚 存在异议，但Bithell 14的研究表明利用射频激发的氧等离子体能够对包装袋内的产品进行杀菌 和消毒。之后，相继有工作者利用过氧化氢等离子体实现了对纸包装、塑料以及锡箔包装食品 的杀菌消毒。 (二) 低温等离子体在医疗卫生中的应用 1. 用于热敏性器械的杀菌消毒 利用射频电源激发空气或过氧化氢气体，形成的低温等离子体能够对不耐高温高压的各类 热敏性器械进行杀菌消毒 15。这类器械包括一些玻璃器皿如输液瓶，一些由塑料、硅橡胶等高 分子材料制成的器械等。将上述器械置于等离子体反应器的平行板电极之间，使气体放电，可 以实现器械内外表面的杀菌消毒，如果同时加入消毒剂利用微波使之气化，则杀菌效果会更好。 利用不同形状大小的反应腔还可以对大批量的器械进行杀菌消毒。由于整个过程温度不超过 50 ，使得该技术能够应用于大部分的热敏性器械。 2. 用于金属器械的杀菌消毒 在外科手术中，需要对大量器械进行杀菌消毒，如钢剪、环形锯、冲洗机等。在牙科诊所， 由于各种金属器械需直接接触病患的口腔，需要经常清洗和消毒。为解决灼烧器械对器械造成 的破坏，采用等离子体技术对这类金属器械杀菌消毒 16是非常理想的。同时，因该类器械多数 形状不规则，有些不能置于等离子体反应器的平行板电极之间，采用远程等离子体技术有效地 弥补了这一技术的不足，它可以在对金属器械表面杀菌的同时，避免因等离子体蚀刻作用而造 成的器械表面损伤，保证了金属器械的机械强度和韧性 17。 3. 用于电子探头传感器的杀菌消毒 在医用、生化监测和细胞培养中经常使用带有电子探头的各类传感器，如妇科诊断中使用 pHISPET传感器、呼吸科室用的微型氧气传感器。一方面，这类传感器必须经过严格杀菌消 毒，而另一方面，由于电子探头这种灵敏元件在杀菌过程中可能会因其感应膜损坏而影响到传 感器的功能。SHerrmann等 18对比了蒸汽、辐射以及低温等离子体对pHISPET传感器的杀菌 效果。结果显示低温等离子体技术对于此类传感器的杀菌消毒是一种最为行之有效的方法。 4.用于小型反复使用制品的快速灭菌 在小型医疗机构中，一些医疗用品不可避免地需要反复使用，这些用品包括易碎容器、绷 带、用后易处置的塑料制品等。通常这些用品需要及时且快速地消毒，才能满足诊疗要求。常 压下辉光放电等离子体技术为此提供了可能性。该技术能够广泛地杀灭病原菌，包括对抗菌素 和化学消毒具有抵抗力的细菌、真菌和孢子。另外，更为方便的是，这些医疗制品可以密封在 标准的医用杀菌袋内经等离子体轰击而达到杀菌消毒目的。 5. 用于医用生物材料的杀菌消毒 医用生物材料是指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。只有当它在植入生物体后不 会引起凝血、毒性、过敏、致癌、免疫反应等，并且与生物体协调且能够执行预期的功能，这 样的材料才具有生物相容性。低温等离子体技术通过对材料表面进行镀膜、聚合、修饰、改性， 可以改善生物材料的亲水性、透气性、血溶性，以使人造血管、血液透析薄膜等医用生物材料 得到广泛应用 19。通过等离子体照射医用生物材料，往往可以将材料的前期处理和杀菌消毒一 步实现，为人工脏器移植 20， 21、组织材料培养提供了新的方案。 三、低温等离子杀菌的展望与前景： 低温等离子体杀菌消毒技术除了应用于食品加工和医疗卫生方面外，在空气净化、水体 消毒、卫生材料以及纸张 22的加工生产等多个领域中也显示出了巨大的优势。随着这种技术在 工业和商业上日益具备可行性，今后的发展重点应放在以下几个方面： (1)进一步研究低温等离子体的杀菌消毒机理，为各种假说找到具有说服力的理论依据， 也为后续研究提供可靠的理论基础； (2)通过等离子体处理参数对细菌杀灭率的研究，因地制宜地选取适当的低温等离子体杀 菌消毒工艺； (3)开发出具备应用潜质的等离子体反应装置，比如相对安全、容易且经济的远程等离子 体反应器目前就比较受欢迎； (4)进一步开发和扩展该技术的应用领域，预计该技术可能会在未来的细菌战防御体系、 制药和保健等多方面做出新的贡献； (5)进行低温等离子体技术与其他杀菌消毒技术联合使用的研究，以做到优势互补，更好 地解决杀菌消毒中出现的各类问题。 作为消毒灭菌技术家族中的“后起之秀”,等离子体技术的优越性获得国内行家确认。日 前,中华预防医学会主持专题研讨会,来自中科院力学所、中国疾控中心等机构学者表示,将等离 子体技术用于室内空气消毒,不仅灭菌时间、效果、影响因素等优于其他许多方法,还具有不损 伤人体、物体等更大实用价值。 由西安交通大学博士生导师、教授冯允平等领衔开发的相关装置,是迄今国内惟一获卫生 部应用许可的等离子体高新消毒技术产品。据与会专家报告,该机开机120分钟后,可使空气中病 原微生物消亡率达到部颁标准。对空气中有害物质降解率为: 甲醛91 %、苯93 %、氨78 % 、二 甲苯90 % 。专家认为,在具备一定条件的手术室、病房、会议室及公共娱乐等封闭有人活动环 境中推广该技术,对提高空气净化水平,控制遏制非典在内的传染病流行意义重大。 参考文献 1 Mounir Laroussi. Sterilization of contaminated matter wit h anatmospheric pressure plasma J . IEEE Trans on Plasma Sci2ence , 1996 , 24 (3) :118821191. 2 朱世尧. 等离子体物理基础M. 科学出版社, 1983. 3 孔杏凡. 等离子体及其应用M. 高等教育出版社,1982. 4 陈杰瑢. 低温等离子体化学及其应用M. 北京科学出版社, 2001. 5 杨丹凤,袭著革. 低温等离子体技术及其应用研究进展 . 中国公共卫生2002,18(1);107- 108. 6 刘道清,季学李. 低温等离子体技术及在空气污染控制中的应用 .四川环境,2004,23(7): 718-722. 7 Moisan M，Berbeau J，Moreau S，et a1JInternationalJournal ofPharmaceutics，2001，226：1-21 8 The Tu Chau，Kwan Chi Kao，Gregory Blank，et a1JBiomaterials，1996，17：1273 1277 9 J LesterMCrawford，EricHRuffJFoodControl，1996，7：8797. 10Dambadarjaa Purevdorj，Noriyuki Igura，Isao Hayakawa，et a1JJournal ofFoodEngineering，2002，53：341346. 11Rutala W A，Gergen M F，Weber D JJAmJInfectControl，1998，26(4)： 393398 12 Gadri Ben Rami，Roth Reece J，Montie C Thomas，et a1JSurface and Coatings TechnoloKy，2000，131：528-542 13 Hongbin Ma，Roger Ruan，Xiangyang Lin，et a1 JTransactions of the CSAE，2002，18：155159 14