使用等离子体活化雾（PAM）灭活Klebsiella michiganensis B199A菌株：计算流体动力学与微生物灭活机制

《Food and Bioproducts Processing》：Inactivation of Klebsiella michiganensis B199A using Plasma Activated Mist (PAM): Computational Fluid Dynamics and Microbial Inactivation

　　等离子体激活雾（PAM）处理可有效灭活 Klebsiella michiganensis 细菌，20 分钟内达 4 个对数单位灭活率，雾化与等离子体单独处理效果相当但显著降低臭氧浓度。计算流体动力学模拟显示雾滴尺寸影响传输路径和 RONS 载荷分布，但雾滴自身贡献的灭活率不足 1 个对数单位。

　　本研究聚焦于一种新型的食品处理技术——等离子体激活雾（Plasma-activated Mist, PAM）对微生物的灭活效果。随着食品安全问题日益受到关注，传统的清洗方法在效率和安全性方面逐渐暴露出不足。例如，使用氯等化学消毒剂不仅消耗大量水资源，还可能产生有害副产物，如三卤甲烷和卤乙酸等，这些物质对人体健康构成威胁。因此，寻找一种既能有效灭活微生物，又能减少化学残留的替代方案显得尤为重要。

等离子体技术作为一种非热等离子体（Nonthermal plasma, NTP）应用，近年来在食品工业中引起了广泛关注。NTP能够在常压下产生高浓度的活性氧和氮物种（Reactive oxygen and nitrogen species, RONS），如羟基自由基、臭氧和过氧化氢等。这些物种具有强大的氧化和硝化能力，能够破坏微生物的细胞壁、DNA和蛋白质结构，从而实现有效的灭活。然而，NTP在应用过程中可能产生高浓度的臭氧，这对人体健康具有潜在危害。因此，研究如何在保持灭活效果的同时降低臭氧浓度成为当前的重要课题。

PAM技术通过将水雾引入等离子体放电区域，实现对微生物的灭活。其原理在于，等离子体放电过程中产生的RONS会溶解到水滴中，并在液相中进一步反应，生成更多具有灭活作用的活性成分。这些成分不仅能够增强灭活效果，还可能通过不同的反应机制影响臭氧的生成和分解。研究发现，当水雾被引入等离子体放电区域时，臭氧浓度显著降低，但灭活效果并未受到影响。这表明，PAM技术在降低臭氧浓度的同时，依然能够保持良好的微生物灭活能力。

在实验设计方面，本研究使用了一个33.5升的PAM处理室，并通过介质阻挡放电（Dielectric barrier discharge, DBD）装置产生等离子体。实验结果显示，在20分钟的处理时间内，PAM能够将微生物数量减少至4个对数级别（log CFU/plate）。值得注意的是，即使在没有水雾的情况下，仅使用DBD等离子体也能达到相同的灭活效果，但臭氧浓度却降低了87%。这一发现表明，水雾的引入可能对等离子体反应机制产生影响，从而改变臭氧的生成和分解路径。

为了进一步探究PAM的灭活机制，研究团队开发了一个计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型，利用COMSOL Multiphysics?软件模拟PAM雾滴在处理室内的三维流动情况。通过该模型，研究人员能够追踪雾滴的运动轨迹，并分析其对微生物灭活的影响。模拟结果表明，雾滴的大小在很大程度上决定了其在处理室内的分布和流动路径。较小的雾滴更容易跟随气流扩散，覆盖更广泛的表面区域，但可能因蒸发较快而影响灭活效果；而较大的雾滴则更容易沉积在处理室底部，可能无法充分接触上层的微生物。因此，雾滴的大小和分布对于PAM的灭活效果具有重要意义。

此外，研究人员还模拟了雾滴中臭氧和过氧化氢的浓度变化，并基于RONS的分布情况预测微生物的灭活效果。实验与模拟结果的对比显示，PAM雾滴对微生物灭活的贡献相对较小，主要的灭活作用仍来自于等离子体反应产生的RONS。这说明，PAM技术的核心优势在于其能够通过引入水雾，改变等离子体反应机制，从而在减少臭氧浓度的同时，维持良好的灭活效果。

研究团队还发现，PAM技术的灭活效果在处理室内的不同位置是相对均匀的，这表明处理室的设计能够实现均匀的等离子体分布，从而确保所有目标表面都能得到充分的处理。这一特性对于实际应用尤为重要，因为许多食品和表面结构具有复杂的形态，需要均匀的灭活效果以保证食品安全。同时，研究人员指出，处理室的尺寸和气流速度也会影响灭活效果，因此在设计PAM系统时，需要综合考虑这些因素，以确保在不同规模的处理室中都能实现有效的微生物灭活。

PAM技术的潜在应用范围广泛，不仅适用于食品清洗，还可以用于水培系统中的微生物控制。水培系统通常处于高湿度环境中，容易滋生微生物，而PAM技术能够有效降低这种风险。通过将水雾引入等离子体放电区域，PAM不仅能够减少化学残留，还能适应复杂表面的处理需求，提高灭活的广谱性和均匀性。

在实际应用中，PAM技术的可行性还受到多个因素的影响，包括处理室的尺寸、气流速度、雾滴的大小和分布等。研究团队通过实验和模拟相结合的方法，深入探讨了这些因素对灭活效果的影响。结果表明，处理室的均匀设计能够确保所有区域的微生物都能被有效灭活，而雾滴的大小则决定了其在处理室内的流动路径和覆盖范围。因此，在开发PAM处理系统时，优化这些参数是提高灭活效果和降低臭氧浓度的关键。

为了进一步验证PAM技术的实际应用效果，研究团队在实验中使用了含有特定菌株的培养基，并通过定量分析评估灭活效果。实验结果显示，PAM处理在20分钟内能够有效减少微生物数量，而模拟结果则提供了对这一过程的深入理解。通过这些数据，研究人员能够更好地预测PAM在不同处理室设计和操作条件下的灭活效果，为未来的技术优化和应用提供科学依据。

综上所述，PAM技术作为一种新型的食品处理方法，具有显著的优势。它能够在减少化学残留的同时，有效灭活微生物，适用于各种复杂的表面处理场景。然而，为了充分发挥其潜力，还需要进一步研究和优化处理室的设计、雾滴的分布以及等离子体反应机制。通过实验与模拟的结合，研究人员能够更全面地理解PAM的灭活过程，并为其在食品工业中的广泛应用奠定基础。未来的研究应继续关注PAM技术的优化，以提高其在不同环境和操作条件下的稳定性和有效性。