電漿水滅菌與應用-雷公水Luí Gōng Tsuì

PAW-Sterilization Mechanism and Applications

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許多文獻已成功證明使用 PAW 滅活病原微生物，包括革蘭氏陽性細菌(金黃色葡萄球菌、李斯特氏菌、腸膜明串珠菌)、革蘭氏陰性細菌(大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、綠膿桿菌、沙門氏菌、哈夫尼亞菌) 和黴菌與酵母菌(釀酒用酵母菌、黑麴黴、白色念珠菌)。 PAW 的抗菌活性乃通過包括 ROS、RNS、pH、ORP 和 UV 輻射在內的物理化學特性產生協同效應（UV僅發生在直接導入電漿在細菌懸液中，可減少總細菌的 40% 至 50%）。 PAW 的微生物滅活是由於它們與微生物的生物成分相互作用，導致膜破裂、脂質過氧化、膜滲漏、形態變化、DNA 損傷和蛋白質修飾(Guo et al., 2018; Lukes et al., 2014; Mai-Prochnowet al., 2016）。

註解:

黃色葡萄球菌(S. aureus)是常見的引起食物中毒的致病菌，常見於皮膚表面及上呼吸道黏膜。

大腸桿菌(E. coli)&哈夫尼亞菌(Hafnia alvei) 分布在人和動物（包括鳥類）的糞便，也分布在污水、土壤、水和乳製品中。

腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroide)廣泛分布於植物、乳製品和其他食品中。

當 RONS 等活性物質進入細胞內時，會引起脂質過氧化，它們會相互作用並破壞細胞內部的細胞器，例如 DNA/RNA、蛋白質、線粒體和核醣體，導致細胞膜破裂。（Perinban et al., 2019）。MDA (Malondialdehyde，丙二醛)是脂質過氧化最常見的副產物之一。研究指出，大腸桿菌細胞暴露在電漿水中，MDA 呈線性增加。這意味著脂質層被氧化，隨後導致微生物細胞內部洩漏。此外，脂質過氧化的最終產物 MDA 能夠通過形成脫氧鳥苷和脫氧腺苷的加合物來破壞DNA，隨後導致細胞死亡（Marnett, 1999）。暴露在電漿下的DNA和蛋白質也會被降解，此乃因為電漿水中存在的ROS破壞氫鍵、硫鍵和肽鍵，從而改變蛋白質的一級、二級和三級結構，進一步導致細胞酶活性下降。（Mai-Prochnowet al., 2016）。

PAW 作為抗微生物劑提供了許多吸引人的特性: 包括不需要因為運輸和儲存潛而添加有害化學物質。與合成抗生素相比，這真的是一種不同的作用機制。PAW 也被認為是一種環境友好的消毒劑，為傳統的細菌滅活方法提供了潛在的替代和/或補充方案。

Source from : Renwu Zhou et al., 2020.

依據以上滅菌機制，在微生物的滅菌上將會有很多的應用商機。例如:

1. 醫學應用Medical Applications:

1.1    醫學消毒應用: 引用大氣電漿在電漿水中直接消毒手術器具與醫療器材，取代傳統蒸氣與UV殺菌。需注意的是，電漿水對於消滅細菌比酵母菌更具威力；若需處理酵母或黴菌等，得花更久的時間。

1.2    癌細胞凋亡: 電漿活化介質 (plasma activated media, PAM) 在過去幾年中已被證明是一種潛在的醫療工具。 RONS的衍生物種，被認為是導致對許多癌細胞系具有抗癌作用的關鍵因素，包括卵巢癌、結腸癌、肝癌、子宮頸癌、肺、胰腺和乳腺，黑色素瘤和膠質母細胞瘤細胞 (Yan et al., 2017; Tanaka et al., 2015; Kurake et al., 2016; Yan et al., 2018)。細胞內ROS的增加可能引起明顯的DNA損傷並進一步導致細胞凋亡。RONS引發選擇性癌細胞凋亡機制，可以用癌細胞和正常細胞在 PAM 環境中的不同狀態來解釋。一種可能的解釋是，與許多癌細胞相比，正常細胞可能具有更高的抗氧化劑能力。因此，正常細胞對外源性RONS的耐受性更強，而適當劑量的PAM治療對正常細胞影響就不那麼劇烈(Yan et al., 2015)。

1.3    牙科漱口水: 抗菌漱口水被認為是控制口腔致病菌數量的有效方法。最常見的是添加氯己定 (CHX) 的漱口水。但它會引起許多副作用，包括牙齒染色、粘膜糜爛、腮腺腫脹和味覺障礙。文獻已證明了電漿水產生的RONS，能引起細菌細胞膜的變化，導致細胞內 DNA 和蛋白質的洩漏，進而殺死口腔細菌，可做為外用的漱口液的抗菌作用。文獻實驗也指出: PAW可以根除三種相關的口腔細菌，牙周病之牙齦卟啉單胞菌( Porphyromonas gingivalis, P.gingivalis，是造成牙周病的主要致病菌之一，該菌屬於革蘭氏陰性菌，生長環境為厭氧，會潛藏在宿主在牙齦下)；以及齲齒之轉糖鏈球菌（Streptococcus mutans，為草綠色鏈球菌的一員，是人類齲齒及感染性心內膜炎等疾病的病原菌）和粘性放線菌(Actinomyces viscosus) (Li et al., 2017)。

1.4    傷口癒合: 通過電漿水促進傷口癒合和血液凝固是一種新的嘗試，不管是一般外傷的傷口癒合，或是手術中的止血，都已證明其效用 (Miyamoto et al., 2016)。傷口癒合的過程會受到大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌和其他致病微生物引發的皮膚感染，PAW可以降低病菌的孳生，加速細胞癒合。Ueda et al., 2015更提出，使用PAS 治療後的炎症(inflammation)恢復過程比使用熱凝劑治療效果更快。

1.5  除臭: 將惡臭分子分解，常見的方式像利用中和、還原分解、離子交換、氧化還原反應等，將產生出的惡臭物質變成無味物質，以達到除臭的效果。電漿水中富含RONS，很容易即可還原、分解惡臭分子。(SAPPlasma 2021 網頁連結)

1.6  黴菌(足癬)治療: 足癬俗稱香港腳，與灰指甲都是由黴菌所引起。根據電漿水的滅菌機制，電漿水仍能有效消滅黴菌，需要較久的治療時間。(SAPPlasma 2021)


2. 食物保鮮與處理

2.1   蔬菜鮮果淨化:PAW可有效去除大腸桿菌、假單胞菌(Pseudomonas)、李斯特菌(Listeria monocytogenes)、金黃色葡萄球菌(S. aureus)、等，尤其應用在有機農業，以及蔬果出口病蟲害管制。(SAPPlasma 2021)

2.2    肉類和雞蛋淨化: PAW可有效去除沙門氏菌(Salmonella)等，並有研究指出，可以有效地使新鮮牛肉在儲存 24 天時表面總細菌減少約 3.1 log CFU/g，從而將牛肉的保質期延長 4 至 6 天。(Zhao et al., 2020) 在清洗雞蛋的研究更指出，將雞蛋放在電漿水反應槽內清洗雞蛋，比傳統水洗的滅菌率高出1000倍，也比直接將電漿施打在雞蛋上更具殺菌效率。

2.3    醃漬醬菜與釀酒: PAW可減少乳酸菌、酵母和黴菌以及大腸菌群的數量，在葡萄釀酒的研究中顯示，釀酒酵母數量減少到 5.85 log CFU/g，而維生素 C 和抗氧化能力沒有顯著變化。(Xiang et al., 2020)

2.4    冷凍保鮮: 以電漿水製成的冰中豐富的活性物質RONS，可抑制微生物與細菌的繁殖，減少總活菌數6 log CFU/g，並可多延長保鮮期多天。同時一般冷凍肉品或海鮮，其解凍時間很長，在解凍過程容易滋生細菌。如果引用PAW製成的冰冷凍食物，其解凍過程也不易產生過多的微生物與細菌。(Liao et al., 2018)

2.5     降解農藥: 降解食物表面的農藥和其他化學污染物，尤其是應用在農產品上，將是電漿水的一種新應用（Gracy et al., 2019 ; Zheng et al., 2019）。研究顯示，電漿水中的RONS，例如 O3、-OH 自由基和其他活性物質能有效降解苯酚。尤其是當電漿水pH < 3，以及ORP > 500 mV，被認為有利於辛硫磷的還原。

2.6    肉製品固化劑: 亞硝酸鹽 (NaNO2) 經常被用作醃製肉製品中的合成NO2-來源。隨著人們越來越擔心亞硝酸鹽的致癌風險，電漿水富含的亞硝酸根，將會是醃製肉類常用天然固化劑的另一種天然原料的選擇。(Inguglia et al., 2020)


3. 智慧農業Smart Agriculture

電漿水中的RONS在現代農業中有兩個主要作用：（1）被植物酶（如硝酸還原酶）吸收做為營養物質，產生含氮化合物和氨基酸； (2) 作為信號分子，影響並控制植物的代謝與發育。PAW中的過氧化氫(H2O2)可以減少離層素(ABA) ^*1的阻斷，降低植物觸發休眠機制，降低病原體毒力和疾病症狀表達，以及抑制殘葉的生長。PAW中的NO 可誘導其他 RONS 的形成，抑制金黃色葡萄球菌和擴展青霉的生長，避免種子萌發過程中產生蛋白質的氧化損傷。(Zhou et al., 2016; Girard et al., 2016; Girard et al., 2016; Zhang et al., 2017)

註解一、 離層素（abscisic acid, ABA），也稱離酸、離素、離層酸、休眠素、S-誘抗素、逆境激素、脫落酸。

ABA主要功能有二：1. 使種子和芽休眠，提高植物耐旱性。（抑制種子發育） 2. 氣孔關閉，減少水分的蒸散作用。另外，離層素會抑制植物的成長（乾旱逆境，促使氣孔關閉）、抑制細胞分裂素合成、調節減少光合作用所需的酶。

種子萌發過程中的幼苗生長主要包括兩個關鍵階段：(1)胚的細胞伸長，以及(2)胚根分生組織的細胞分裂。 PAW 中 H2O2 的存在可以激活 CAT 基因，合成相關蛋白質並促進種子發芽。硝酸鹽(NO3-)和氨氮(NH4+ )是植物生長吸收氮的主要來源。一般來說，植物可以通過固氮作用在土壤中由一些固氮菌產生氮肥。但當植物在吸收電漿水中的 RNS 後，它會通過一系列酶促過程，整合到植物根或芽中的氨基酸中。此外，除了作為營養物氮的主要來源之外，NO3− 還是一種重要的信號分子，與調節植物的新陳代謝和發育有關。(Miller et al., 2007, Krapp et al., 2014)

經過空氣處理後的PAW浸泡綠豆幼苗，其天然的生長激素 IAA (indole-3-acetic acid) 含量和SOD^*2 (superoxide dismutase )活性高出許多，其中抑制植物生長的ABA和細胞代謝物MDA 含量也降低許多。PAW處理黑麥種子，提高發芽率50%，並加速種子發芽效率。此外，文獻還發現草莓、菠菜、蘿蔔、金盞花、番茄、苜蓿、扁豆、芭樂和西瓜在使用 PAW 培養後，均顯示出植物高度、茂盛的果實生長與葉片尺寸的增加。(Park et al., 2013, Lindsay et al., 2014,  SAPPlasma 2021)

註解二、超氧化物歧化酶（SOD）是一種能夠催化超氧化物，通過歧化反應轉化為氧氣和過氧化氫的酶。它廣泛存在於各類動物、植物、微生物中，是一種重要的抗氧化劑，保護暴露於氧氣中的細胞。

蓮花種子: 有電漿水50% 30% 11%第二天就發芽了，第四天芽長長了；自來水與2%電漿水發芽慢很多。