脈沖電場對粉末磷脂分散體系顆粒性質的影響

賈 曉，曾新安*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510641)

脈沖電場對粉末磷脂分散體系顆粒性質的影響

賈 曉，曾新安*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510641)

研究高強脈沖電場(PEF)對磷脂水溶液分散體系顆粒性質的影響。結果表明：增大脈沖電場場強和脈沖數的輸入，體系粒徑分布區間明顯變窄且向較小方向移動；在場強為70kV/cm條件下，平均粒徑(dM)由未施加電脈處理下的594.4nm減為203nm，相比未施加電場樣品減少了65.8%；低場強(20kV/cm)處理下，50個脈沖處理下dM為511.2nm，而在高場強(60kV/cm)條件下，25個脈沖處理時，dM為349.7nm，說明在高場強處理下，能夠在較少的脈沖數輸入下，獲得較小的顆粒粒徑。

脈沖電場；粉末磷脂；分散體系；顆粒性質

脈沖電場(pulsed electric field，PEF)處理是將場強達到10kV/cm以上的電脈沖施加到處理室中的液態物料中，因處理時間短、溫度升幅小、能耗低和殺菌效果明顯等成為目前食品非熱殺菌技術的熱點之一[1]。近年來國內外有關 PEF在食品殺菌方面的報道比較多，尤其在新鮮果蔬汁[2-3]、牛奶[4-5]、液蛋[6-7]方面的研究更為引人注目，在達到令人滿意的殺菌效果的同時，還能最大限度的保持食品的風味、色澤、營養功能成分及延長產品的貨架壽命。PEF能有效地殺死枯草芽孢桿菌、啤酒酵母、金黃色葡萄球菌、嗜熱鏈球菌、大腸桿菌、霉菌和酵母等微生物的營養體細胞[8]。

目前關于PEF殺菌機理有多種假說，但大部分學者認同細胞膜極化穿孔效應[9-10]，認為適度的 PEF處理導致了細胞膜的可逆與不可逆穿孔極化，破壞細胞膜結構，導致微生物死亡。生物細胞膜是具有流動性的磷脂雙層膜[11]，磷脂類雙分子層結構具有親水端和疏水端，構成了細胞膜的骨架，決定著細胞膜的流動性。張鷹等[12]研究發現脈沖電場能夠使釀酒酵母細胞膜流動性和通透性改變，從而造成細胞死亡。因此研究磷脂在PEF作用下的分散性質變化將有助于揭示脈沖電場的殺菌機理，從而為PEF在食品綠色加工中的應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆粉末磷脂購于北京美亞斯磷脂技術有限公司，其理化性質見表1。

表1 大豆粉末磷脂理化指標Table 1 Physico-chemical properties of powder phosphatides

1.2 儀器與設備

Master2000馬爾文激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；高強脈沖電場處理設備(連續處理裝置，電場強度0～70kV/cm連續可調，脈沖頻率為1.0kHz，脈沖寬度10～20μs，處理室電極材料為銅，絕緣部分為聚四氟乙烯，處理室容量為0.02mL，波形為平方波)自行設計研制。

1.3 方法

1.3.1 磷脂溶液配制

稱取一定量的粉末磷脂用蒸餾水配制質量濃度為0.2g/100mL的粉末磷脂懸浮液。

1.3.2 脈沖電場參數設定

脈沖頻率1.0kHz，脈沖寬度16μs，波形是方形波，流速50mL/min，在此條件下處理一次樣品受到處理的脈沖數目為25個。

1.3.3 脈沖數計算

式中：V為處理室的體積/mL；f為脈沖頻率/Hz；v為流速/(mL/s)。

1.3.4 粒度分析

采用馬爾文納米粒度分布儀研究脈沖電場處理后粉末磷脂粒徑分布及變化情況。為考察粒徑分布的穩定性，樣品靜置24h后再測定其粒徑分布。

2 結果與分析

2.1 脈沖場強對大豆粉末磷脂顆粒性質的影響

2.1.1 脈沖電場處理對大豆粉末磷脂分散體系顆粒平均粒徑的影響

圖1 脈沖電場場強對大豆粉末磷脂顆粒平均粒徑的影響Fig.1 Effect of PEF intensity on average particle size of powder phosphatides

平均粒徑代表整體顆粒性質，磷脂體系經脈沖電場處理3次后即時測定(0h)和靜置24h后平均粒徑如圖1所示。在脈沖電場處理下，平均粒徑(dM)隨著施加脈沖場強的增強而明顯減少。在未施加電脈沖的樣品中，顆粒平均粒徑為594.4nm；當施加10kV/cm的場強處理后，體系中dM降到500nm；隨著脈沖場強的增大，平均粒徑也相應的減小，在場強為70kV/cm條件下，減為203nm，相比對照樣減少了65.8%。說明增加脈沖電場場強的輸入能有效地減小大豆粉末磷脂水溶液體系中的顆粒。

對靜置24h后的乳液進行粒度分析，相對于靜置0h的乳液其平均粒徑均明顯增大，說明靜置過程中，顆粒之間發生了聚集，使得粒徑增大。磷脂是一種兩性分子，其磷酸和含氮堿基是極性的，容易與水相吸，形成溶劑化，另一方面由于磷脂分子本身增大也存在自發聚合使得磷脂在水溶液中易于聚合成更大的顆粒[13]。

在靜置后，磷脂顆粒有不同程度的聚集，在低場強(10、20kV/cm)處理之后的樣品恢復的能力較大，dM可以達到未處理時樣品的平均顆粒狀態；而在50、60、70kV/cm場強處理下，靜置24h顆粒平均粒徑增大，但是增大的并不多，這可能是由于高場強下磷脂分子結構被破壞，可能分解，從而使得分解產物作為一種分散劑存在。磷脂顆粒的這種變化與電場作用下膜穿孔相似。在一定的場強范圍內，脈沖電場能夠使細胞膜產生可逆穿孔，超越這一范圍則對細胞膜的破壞是不可逆的[14]。

2.1.2 脈沖電場處理對大豆粉末磷脂分散體系顆粒粒徑分布的影響

圖2 脈沖電場場強對大豆粉末磷脂顆粒粒徑分布的影響Fig.2 Effect of PEF intensity on particle size distribution of powder phosphatides

大豆粉末磷脂分散體系經20、40、60kV/cm場強的PEF處理3次后其粒徑分布變化情況如圖2所示。大豆粉末磷脂顆粒粒徑分散體系在不同脈沖電場強度作用下呈現出不同的粒徑分布。在未輸入脈沖電場的情況下粒徑分布較寬，說明此時體系中顆粒情況復雜；隨著電場強度的增強粒徑分布區間明顯變窄并且粒徑區間向左移動，粒徑減小。在低場強(20kV/cm)作用下，雖然粒徑相對未處理樣品應經發生了明顯偏移，但是其分布范圍仍比較寬；隨著電場強度的增強，40kV/cm和60kV/cm電場作用下粒徑分布明顯變窄，并且左移更加明顯，尤其在60kV/cm電場作用下粒徑分布中心偏移到300nm附近，遠低于未處理樣品。粒徑分布隨著場強的增加明顯向左偏移，說明脈沖電場能夠影響大豆粉末磷脂分散體系的顆粒性質，使其顆粒粒徑減小，并使其集中在一個較小的范圍內。這與磷脂的表面性質有很大的關系，磷脂具有親水和疏水基團，在未處理的樣品中，體系中由于磷脂是小分子結構，因此疏水基團容易暴露在外，加大了疏水基團的結合概率，從而能使得顆粒團聚呈現出較大的顆粒狀態。而隨著脈沖電場能量的輸入破壞了這種穩定體系，使得疏水基團之間的靜電吸引力受到破壞，從而增大了靜電排斥力使得顆粒與顆粒分開[15]。

2.2 脈沖數對大豆粉末磷脂顆粒性質的影響

2.2.1 脈沖數對大豆粉末磷脂分散體系顆粒平均粒徑的影響

圖3 脈沖數對大豆粉末磷脂顆粒平均粒徑的影響Fig.3 Effect of pulse number on average particle size of powder phosphatides

由圖3可知，在脈沖場強不變的情況下，磷脂顆粒平均粒徑由輸入脈沖數決定。在場強為20kV/cm作用下，隨著脈沖數的增加，dM減小；25個脈沖數條件下顆粒平均粒徑為553.2nm，隨著脈沖數的增加，dM逐漸減少，在200個脈沖輸入時dM減為449.9nm；不同脈沖場強下，隨著脈沖數輸入的增加，dM呈減小趨勢；在低場強(20kV/cm)條件下，0～50個脈沖處理過程中，dM的減小趨勢更為明顯，從594.4nm減為511.2nm；在高場強(60kV/cm)條件下，0～25個脈沖處理下，dM的減小趨勢顯著，dM從594.4nm減為349.7nm。顯然，在高場強處理下，在較少的脈沖數輸入下，能夠獲得較小的顆粒粒徑的趨勢更為顯著。增大輸入的脈沖能量可以起到減小磷脂顆粒粒徑的作用，而輸入脈沖的能量與場強的平方成正比，與脈沖數的一次方成正比[6,16-17]。

2.2.2 脈沖數對大豆粉末磷脂分散體系顆粒粒徑分布的影響

圖4 不同場強作用下脈沖數對粉末磷脂顆粒粒徑分布的影響Fig.4 Effect of pulse number on particle size distribution of powder phosphatides

由圖4可知，在低場強(20kV/cm)處理條件下，隨著脈沖數的增大，粉末磷脂顆粒粒徑分布向左移動，顆粒粒徑分布范圍逐漸減小，但變化并不明顯；在高場強(60kV/cm)處理條件下，隨著脈沖數的增大，顆粒粒徑分布呈明顯左移，并且粒徑分布范圍縮小，集中在100～1000nm之間；隨著脈沖數輸入的增加能夠使粒徑分布向左移動并且分布范圍縮小。

3 結 論

脈沖電場處理可引起水溶液中磷脂分散體系顆粒狀態發生改變，增加脈沖電場場強和脈沖數的輸入能有效地減小dM，并且使粒徑分布區間明顯變窄并且粒徑區間向粒度減小的方向移動；在場強為70kV/cm條件下，dM減為203nm，相比對照樣減少了65.8%；在25個脈沖輸入條件下，高場強對顆粒粒徑變化趨勢的影響更顯著，而大于25個脈沖后，高場強和低場強對顆粒的變化趨勢并無太大的區別。

[1] 張鐵華, 殷涌光, 陳玉江. 高壓脈沖電場(PEF)非熱處理的加工原理與安全控制[J]. 食品科學, 2006, 27(12): 881-884.

[2] ORTEGA-RIVAS E, ZARATE-RODRIGUEZ E, BARBOSACANOVAS G V. Apple juice pasteurization using ultrafiltration and pulsed electric fields[J]. Trans IchemE PartC, 1998, 76(C4): 193-197.

[3] ODRIOZOLA-SERRANO I, SOLIVA-FORTUNY R, HEMANDEZJOVER T, et al. Carotenoid and phenolic prole of tomato juices processed by high intensity pulsed electric fields compared with conventional thermal treatments[J]. Food Chemistry, 2009, 112(1): 258-266.

[4] SEPULVEDA-AHUMADA D R, ORTEGA-RIVAS E, BARBOSACANOVAS G V. Quality aspects of cheddar cheese obtained with milk pasteurized by pulsed electric fields[J]. Food and Bioproducts Processing, 2000, 78(2): 65-71.

[5] SILVIA B, BARBOSA-CANOVAS G V, MARTIN O. Milk processing by high intensity pulsed electric fields[J]. Trends in Food Science & Technology, 2002, 13(6): 195-204.

[6] GNGORA-NETO M M, PEDROW P D, SWANSON B G, et al. Energy analysis of liquid whole egg pasteurized by pulsed electric fields [J]. Journal of Food Engineering, 2003, 57(3): 209-216.

[7] 趙偉, 楊瑞金, 崔曉美. 高壓脈沖電場應用于液蛋殺菌的研究[J]. 食品科學, 2007, 28(4): 60-64.

[8] 趙偉. 高壓脈沖電場在液態蛋殺菌中的應用及對微生物和蛋白質的作用機制[D]. 無錫: 江南大學, 2009.

[9] ZIMMERMANN U. Electric breakdown electropermeabilization and electrofusion[J]. Rev Physisol Biochem Phamacol, 1986, 105: 176-256.

[10] VEGO-MERCADO H, POTHAKAMURY U R, CHANG F J, et al. Inactivation ofE.coliby combining pH, ionic strength and pulsed electric fields hurdles[J]. Food Res Int, 1996, 29(2): 117-121.

[11] 劉艷輝, 胡林, 許鋒, 等. 磷脂雙層膜穩定性的理論分析[J]. 中國醫學物理學雜志, 2008, 25(6): 916-920.

[12] 張鷹, 曾新安, 溫其標, 等. 熒光偏振法研究脈沖電場對釀酒酵母細胞膜流動性影響[J]. 光譜學與光譜分析, 2008, 28(1): 156-160.

[13] 張睿智, 鄧英杰, 孫文平. 囊泡型磷脂凝膠研究進展[J]. 中國藥劑學雜志, 2008, 6(4): 214-218.

[14] 曾新安, 陳勇, 高文宏. 脈沖電場非熱滅菌技術[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2005: 148-246.

[15] 章莉娟, 鄭忠. 膠體與界面化學[M]. 2版. 廣州: 華南理工大學出版社, 2006: 101-145.

[16] ZHANG Q H, BARBOSA-CANOVAS G V, SWANSONB B G. Engineering aspects of pulsed electric field pasteurization[J]. Joumal of Food Engineering, 1995, 25(2): 261-281.

[17] UCHIDA S, HOUJO M, TOCHIKUBO F. Efficient sterilization of bacteria by pulse electric field in micro-gap[J]. Journal of Electrostatics, 2008, 66(7/8): 427-431.

Effect of Pulsed Electric Field on Particle Distribution Properties of Powder Phosphatides Dispersion System

JIA Xiao，ZENG Xin-an*
(College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

The effect of pulsed electric field (PEF) treatment on particle properties of powder phosphatides dispersion system was studied. The results showed that the size distribution of powder phosphatides was significantly narrowed and shifted towards smaller size direction with the increase of electric field strength and number of applied pulses. The average particle size was reduced by 65.8% from 594.4 nm (contrast) to 203 nm at a filed intensity of 70 kV/cm. It was demonstrated that the particle size was decreased to 511.2 nm under lower filed intensity (20 kV/cm) with 50 pulses, and to 349.7 nm under higher filed intensity (60 kV/cm) with 25 pulses, Therefore, small particles can be easily obtained after PEF treatment with higher filed intensity and less pulse number.

pulsed electric field；powder phosphatides；dispersion system；particle properties

TS201.6

A

1002-6630(2012)05-0042-04

2011-03-14

國家自然科學基金項目(21076088)；廣東省科技計劃國際合作重點項目(2009B050400003)

賈曉(1985—)，男，碩士研究生，主要從事脈沖電場滅菌機理研究。E-mail：jiaxjiajing@163.com

*通信作者：曾新安(1972—)，男，教授，博士，主要從事食品綠色加工和釀酒研究。E-mail：xazeng@scut.edu.cn