介质阻挡放电杀菌技术：为黑胡椒等低水活度食品打开新赛道

基于群马大学等机构在第17届国际静电除尘大会（ISESP 2024）上的最新研究解读

关键词
Dielectric barrier discharge,Black pepper,heat-resistant spores,microbial inactivation,冷等离子体杀菌,香辛料灭菌

黑胡椒是全球消费量最大的香辛料之一，从肉制品、方便食品到各类即食食品配料，几乎无处不在。正是这种“高频使用+广泛分布”的特性，使得黑胡椒在食品安全体系中的微生物控制，逐渐成为监管与产业链共同关注的焦点。一方面，黑胡椒传统日晒干燥工艺几乎不进行任何微生物控制，土壤中携带的大量细菌、真菌极易附着在胡椒表面[11-17]；另一方面，香辛料中对热高度耐受的芽孢（如蜡样芽孢杆菌、产气荚膜梭菌等）在干燥和热处理条件下仍能存活，给肉制品、即食食品带来稳定性和安全性风险。以日本为例，用于香肠等肉制品的黑胡椒，法规要求耐热芽孢数量需控制在每克不高于1000个，这对上游处理提出了更高要求。

目前工业上常用的黑胡椒杀菌方式仍以过热蒸汽为主，虽然可以实现较好的芽孢灭活，但也带来一个难以回避的问题：黑胡椒特有的挥发性芳香成分和部分活性物质，在高温蒸汽下会发生损失或降解，直接影响风味和功能性。如何在不明显牺牲香气与活性成分的前提下，完成对耐热芽孢的有效控制，成为香辛料行业与食品加工企业共同面对的技术难题。

在静电除尘（ESP）和工业烟气治理领域延伸出的低温等离子体技术，近年在食品冷杀菌方向持续受到关注。冷等离子体能够在接近室温下产生大量活性粒子（如O₃、OH自由基、活性氧氮种等），实现对微生物的破坏，而对基体加热作用有限。因此，借助大气压等离子体进行香辛料表面与内部芽孢控制，正逐步成为国际研究热点[18-21]。

在今年京都举行的第17届国际静电除尘大会（ISESP 2024）上，日本群马大学研究生院、群马大学食品科学与健康中心及东京家政学院大学食品与营养系的Tanino Takanori等研究团队，报告了一项针对整粒黑胡椒的介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）灭菌新进展《Microbial inactivation of whole black pepper using dielectric barrier discharge》。该研究聚焦于利用DBD等离子体，在尽量保持黑胡椒香气成分的前提下，实现自然存在耐热芽孢的显著灭活，对香辛料冷杀菌工艺与相关装备设计均具有较强的参考价值。

Tanino团队在此前工作中已经验证过，大气压等离子体喷流、微波驱动远程等离子体以及表面DBD等技术，都能够有效灭活人工接种在黑胡椒表面的多种芽孢与霉菌[18-21]。但这些研究大多针对“表面接种”的模型系统，难以完全反映实际生产中日晒干燥后，细菌芽孢自然分布在胡椒表皮、果皮内部甚至种子内部的复杂状态。对于这类“天然污染+内部潜伏”的耐热芽孢，仅依赖外部活性粒子轰击表面，灭活深度和效果很难保证。

本次研究中，作者采用了一种独特的DBD反应器结构：以不锈钢细棒为电极（直径2 mm），外套石英玻璃管（内径2 mm、外径4 mm）形成介质阻挡电极阵列，7根电极按3 mm间距并排布置，其中特定数量接高压，剩余电极接地，通过交流高压源（约9.5 kV、约30 kHz）激发放电。黑胡椒粒直接铺放在电极表面，等离子体在胡椒与石英管接触区产生，有利于活性粒子和局部热量直接作用于胡椒表面和近表层结构，从而提高对内部芽孢的灭活潜力。

为解决香辛料颗粒在电极之间难以均匀翻动的问题，研究团队在电极下方设置了压缩空气吹扫系统：通过固定在亚克力箱体内的细玻璃管，将压缩空气自下而上吹入电极间隙，对黑胡椒进行搅拌和冷却。实验运行采用“放电+吹扫”交替循环的方式：在一个循环中，先通电产生DBD并维持T秒，随后停止放电，仅吹空气T秒，以推动胡椒颗粒翻动、更换受电场和活性粒子作用的接触面。DBD电路中串接200 kΩ并联电阻，用于稳定放电并避免过高能量输入。

为了尽可能提高羟基自由基等高反应性活性种的生成量，研究者在反应器外加装超声波加湿器，以雾滴形式向放电空间引入水分，对放电区域气氛进行湿润。OH自由基在高湿度放电环境下生成速率显著提高，对细菌芽孢的DNA、蛋白及膜结构具有较强破坏作用[22]。另一方面，黑胡椒本身的含水率也被严格控制：研究前将胡椒颗粒与硅胶共同置于干燥器中，使样品含水率稳定在约5%，确保实验重复性和可比性。

在微生物检测方法方面，研究团队并未采用人工接种模型菌，而是直接针对黑胡椒中天然存在的耐热芽孢。具体步骤包括：将1.5 g黑胡椒与100 ml磷酸盐缓冲液混合，经拍击匀浆后进行沸水加热10 min以灭活营养细胞，保留芽孢；随后用标准平板计数法在30℃培养48 h，计数芽孢菌落数。以处理前芽孢数N₀和处理后芽孢数N计算存活率N/N₀，并用对数降幅（log10）评价灭活效果。

实验首先考察了在干燥放电气氛下、以5 s为单次放电时间（T=5 s）且交替吹扫的条件下，延长总DBD处理时间对灭活效率的影响。结果显示，总处理时间从15 s增加到60 s，耐热芽孢存活率虽随时间下降，但60 s内整体降幅不足1 log10，灭活效果有限。结合前期工作，研究团队推断，干燥气氛下活性种生成谱偏向臭氧等相对温和的氧化剂，难以在短时间内对高耐受性的芽孢产生显著杀灭。

随后，研究引入雾化水增强放电湿度，并系统考察了在总处理时间固定为60 s条件下，不同单次放电时间T（3–30 s）对灭活效果的影响。结果表明，在湿润气氛下，即便T=5 s，耐热芽孢的对数降幅也可超过1 log10；当单次放电时间增加至20 s时，灭活效果进一步增强，对数降幅达到约1.5 log10；当T=30 s时，累积对数降幅超过2 log10。但值得注意的是，在T=30 s工况下，部分胡椒表面出现轻微炭化痕迹，说明电极局部焦耳热累积开始对样品造成热损伤，这与工业应用中对产品外观和香气保持的要求相悖。

在兼顾灭活深度与产品品质的平衡下，研究团队将单次放电时间T确定为20 s，并在此基础上继续拉长总处理时间至240 s，考察自然耐热芽孢灭活曲线。结果显示，随着总放电时间从60 s逐步增加到240 s，耐热芽孢存活率持续下降，240 s时整体灭活程度约为3 log10，对应处理后胡椒中耐热芽孢数量约为9×10³ CFU/g。更为关键的是，在该工况下未观察到明显炭化及肉眼可见外观变化，说明在适当湿度和放电参数下，DBD等离子体可以在不过度升温的条件下实现对芽孢的深度灭活，具备向工业连续化工艺放大优化的潜力。

杀菌效果之外，香辛料行业更关注的是风味与功能性成分的保留情况。本研究选择了黑胡椒精油中四种代表性挥发香气组分——α-蒎烯、β-蒎烯、β-石竹烯和柠檬烯进行定量分析。这四类单萜和倍半萜化合物，在天然黑胡椒挥发性成分中合计占比可达57%–72%[1]，是衡量风味受损与否的关键指标。作者采用顶空-气相色谱-氢火焰检测器（HS-GC-FID）对未经处理与DBD处理（T=20 s/循环，总放电时间240 s）后的样品进行对比。结果显示：α-蒎烯含量在处理前后基本无变化；β-蒎烯、β-石竹烯和柠檬烯的含量虽有下降，但降幅均控制在10%以内。这表明，在实现约3 log10耐热芽孢灭活的前提下，DBD处理对关键香气物质的影响较小，与传统过热蒸汽灭菌往往导致显著香气损失、颜色变化相比，具备明显的风味优势。

从行业视角来看，这项以介质阻挡放电为代表的冷等离子体杀菌技术，正在为香辛料等低水活度食品打开一条新的工艺路径。一方面，利用ESP及其相关高压放电技术积累的大量工程经验，可以在放电装置设计、放电场均匀性控制、能耗管理上快速转化到食品杀菌装备领域；另一方面，通过对放电气氛湿度、单次放电时间T、总处理时间、样品含水率等参数的系统优化，有望在不同香辛料、茶叶、中药饮片等耐热敏感物料上复制类似的“高杀菌效率+风味保留”效果。

当然，要让DBD等离子体杀菌真正走向工业化，还面临若干工程与法规层面的挑战：包括如何实现大通量连续进料条件下的颗粒均匀翻动与等离子体接触；如何在保证放电稳定性的同时严格控制温升，避免局部炭化；如何在食品法规体系下明确等离子体处理的工艺归类与安全评估等。但从群马大学此次对整粒黑胡椒的系统研究可以看出：在适当的放电结构与工况设计下，DBD技术已经能够在实际复杂基质（天然污染、内部芽孢分布）上给出具有工程意义的灭活水平，并且兼顾了风味与外观质量。

对于关注静电除尘、工业烟气净化与等离子体协同治理的环保设备企业而言，这项研究也具有一定“跨界启发”：一是从烟气脱硝、除味中的DBD装置，可以通过结构和工况调整，延伸到食品杀菌等高附加值应用场景；二是香辛料等对温度高度敏感的物料，为非热等离子体技术的低温、高选择性反应提出了更严苛的应用需求，反过来也将推动放电等离子体源在更精细的能量控制和活性种谱调控方向发展。可以预见，在“食品安全+品质提升+节能减排”的多重驱动下，依托介质阻挡放电的冷等离子体杀菌技术，将逐步成为香辛料加工、肉制品配料及相关产业链值得重点关注的技术风向之一。

参考文献
[1] Dosoky N. S., Satyal P., Marata L. M., de Silva J. K. R., Setzer W. N. Volatiles of black pepper fruits (Piper nigrum L.). Molecules, 2019, 24(23): 4244.
[2] Butt M. S., Pasha I., Sultan M. T., Randhawa M. A., Saeed F., Ahmed W. Black pepper and health claims: a comprehensive treatise. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2013, 53(9): 875–886.
[3] Dludla P. V., Cirilli I., Marcheggiani F., et al. Bioactive properties, bioavailability profiles, and clinical evidence of the potential benefits of black pepper (Piper nigrum) and red pepper (Capsicum annuum) against diverse metabolic complications. Molecules, 2023, 28(19): 6569.
[4] Kishi C., Higashihara M., Takemoto Y., et al. Inhaled volatile β-caryophyllene is incorporated into the aortic wall and attenuates nicotine-induced aorta degeneration via a CB2 receptor-dependent pathway. Biomedicine & Pharmacotherapy, 2022, 153: 113423.
[5] Varga Z. V., Matyas C., Erdelyi K., et al. β-Caryophyllene protects against alcoholic steatohepatitis by attenuating inflammation and metabolic dysregulation in mice. British Journal of Pharmacology, 2018, 175: 320–334.
[6] Singh R., Madan J., Rao H. S. Antiulcer activity of black pepper against absolute ethanol induced gastric mucosal damage in mice. Pharmacognosy Magazine, 2008, 4(15): 232–235.
[7] Prakash U. N. S., Srinivasan K. Fat digestion and absorption in spice-pretreated rats. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2012, 92: 503–510.
[8] Martini S., Gattivelli A., Conte A., Tagliazucchi D. Black, green, and pink pepper affect differently lipid oxidation during cooking and in vitro digestion of meat. Food Chemistry, 2021, 350: 129246.
[9] Van Hecke T., Ho P. L., Goethals S., De Smet S. The potential of herbs and spices to reduce lipid oxidation during heating and gastrointestinal digestion of a beef product. Food Research International, 2017, 102: 785–792.
[10] Xue C., Chen Q., He Z., et al. Release profiles of beef myofibril protein-bound heterocyclic amines and effects of dietary components on in vitro digestion. Food Research International, 2022, 155: 111006.
[11] Van Doren J. M., Beil K. P., Parish M., et al. Foodborne illness outbreaks from microbial contaminants in spices, 1973–2010. Food Microbiology, 2013, 36: 456–464.
[12] Arnesen L. P. S., Fagerlund A., Granum P. E. From soil to gut: Bacillus cereus and its food poisoning toxins. FEMS Microbiology Reviews, 2008, 32(4): 579–606.
[13] Tewari A., Abdullah S. Bacillus cereus food poisoning: international and Indian perspective. Journal of Food Science and Technology, 2015, 52(5): 2500–2511.
[14] Smedley J. G., Fisher D. J., Sayeed S., Chakrabarti G., McClane B. A. The enteric toxins of Clostridium perfringens. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, 2004, 152: 183–204.
[15] Rodríguez-Romo L. A., Heredia N. L., Labbé R. G., García-Alvarado J. S. Detection of enterotoxigenic Clostridium perfringens in spices used in Mexico by dot blotting using a DNA probe. Journal of Food Protection, 1998, 61(2): 201–204.
[16] Baghbadorani S. T., Rahimi E., Shakerian A. Investigation of virulence and antibiotic-resistance of Bacillus cereus isolated from various spices. Canadian Journal of Infectious Diseases and Medical Microbiology, 2023: 8390778.
[17] Leggett M. J., McDonnell G., Denyer S. P., Setlow P., Maillard J.-Y. Bacterial spore structures and their protective role in biocide resistance. Journal of Applied Microbiology, 2012, 113(3): 485–498.
[18] Hertwig C., Reineke K., Ehlbeck J., Knorr D., Schlüter O. Decontamination of whole black pepper using different cold atmospheric pressure plasma applications. Food Control, 2015, 55: 221–229.
[19] Liu Y., Sun Y., Wang Y., et al. Inactivation mechanisms of atmospheric pressure plasma jet on Bacillus cereus spores and its application on low-water activity foods. Food Research International, 2023, 169: 112867.
[20] Wang Y., Liu Y., Zhao Y., et al. A systematic investigation of direct and indirect-cold atmospheric plasma treatment on Bacillus cereus and the application in black pepper. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2024, 92: 103583.
[21] Tanino T., Arisaka T., Iguchi Y., Matsui M., Ohshima T. Inactivation of Aspergillus sp. spores on whole black peppers by nonthermal plasma and quality evaluation of the treated peppers. Food Control, 2019, 97: 94–99.
[22] Ono R., Oda T. Dynamics of ozone and OH radicals generated by pulsed corona discharge in humid-air flow reactor measured by laser spectroscopy. Journal of Applied Physics, 2003, 93(10): 5876–5882.
[23] Tanino T., Matsui M., Uehara K., Ohshima T. Inactivation of Bacillus subtilis spores on the surface of small spheres using low-pressure dielectric barrier discharge. Food Control, 2020, 109: 106890.

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