高壓脈沖電場技術在食品加工及保藏中的應用

王淑杰，趙子瑞，李文龍，張雅靜，孟慧雯，周 丹，周亞軍

(1.吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長春 130022； 2.吉林大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130022)

0 引言

高壓脈沖電場是一種新興的、可持續的、環保的食品加工技術，被認為是21世紀食品加工技術發展領域中的新技術之一[1]。它以高強度極短脈沖的形式將電能在短時間內傳遞到放置在兩個電極之間的生物組織中，引起生物組織跨膜電位差，通過電滲透機制從而使細胞的滲透性增強。該技術因其具有非加熱特性，低能耗，加工時間短，能避免加熱對提取物的特性和純度造成的不良影響，最大程度地保持食品原有的色、香、味和營養價值等顯著優點，在食品加工及保藏領域中被廣泛的關注[2]。高壓脈沖電場可作為單一處理或與其他技術結合使用，以協同作用來提高產品質量、微生物穩定性和產品產量[3]。目前，高壓脈沖電場技術在食品科學的許多領域都有新的應用，具體包括應用在食品保鮮滅菌、生物活性增強、生物活性成分提取、農藥殘留降解、食品安全等方面。

一般情況下，高壓脈沖電場是通過調節電場強度、脈沖數、處理時間等工藝參數來實現的。經高壓脈沖電場處理，細胞膜發生電擊穿(即電穿孔)效應，并產生作為導電通道工作的孔隙。最近的研究表明，電穿孔效應的主要機制涉及細胞膜脂質雙分子層中含水孔、單個膜脂和蛋白質發生系列變化[4]。具體是指，高壓脈沖電場觸發膜脂過氧化，導致膜脂尾水平發生變形，從而增加雙分子層對水、離子和其他小分子的滲透性。根據電場強度的不同，電穿孔過程具有可逆和不可逆兩種情況。在可逆情況下，細胞膜可能受損，但去掉處理條件后仍能恢復原狀態；而在不可逆情況下，細胞膜上形成永久性的電導通道，完整性喪失，導致細胞內容物發生滲透作用，最終導致細胞死亡。根據處理過程的可逆程度，高壓脈沖電場技術在食品等領域中具有不同的應用。在高電場強度(10～50 kV/cm)作用下的不可逆電穿孔可以用于使微生物發生失活等作用，替代傳統的熱處理，從而最大限度地保留食品原有的感官品質。相反，在低電場強度(0.5～5.0 kV/cm)作用下的可逆電穿孔可以有效地用在干燥、冷凍、冷凍干燥和滲透脫水等工藝過程中以加強傳質效率。

本文綜述高壓脈沖電場技術在食品加工及保藏領域研究的新進展，明確指出該技術應用存在的問題并對其應用前景進行展望。

1 提取有效成分

一般情況下，天然產物如活性成分、色素、酶等高價值產品具有含量低、性質不穩定等問題，提取難度大。傳統的提取方法，如粉碎、超聲波會導致細胞完全破壞，從而造成細胞化合物的非特異性泄漏。高壓脈沖電場技術是一種非熱處理技術，它對細胞質膜產生精確的沖擊作用，高效選擇性釋放細胞內化合物，同時避免了加熱對提取物的特性和純度造成的不良影響。然而，高壓脈沖電場技術參數應根據每種細胞的結構、大小等因素量身定制。因此，需要對高壓脈沖電場技術參數進行優化。ZHOU Yajun等[5-6]采用高壓脈沖電場技術提取藍莓加工廢棄物中的花青素，研究了料液比、脈沖數和電場強度對花青素含量的影響，得到最佳工藝參數為脈沖數10.00個，電場強度18.70 kV/cm，料液比為1∶6.31(V/V)，此時花青素的提取量達到最大值為223.13 mg/L；各因素對藍莓花青素提取量的影響順序依次為電場強度>料液比>脈沖數。并將高壓脈沖電場技術應用在玫瑰精油的提取中，首先采用酶法對玫瑰細胞壁和細胞膜進行預處理，接著進行高壓脈沖電場處理，得到高壓脈沖電場協同酶法輔助提取玫瑰精油最佳工藝參數為脈沖數10.09個、電場強度20.96 kV/cm、蒸餾時間1.64 h，在此條件下精油得率達到最大值，為0.116 5%；同時對比了水蒸氣蒸餾法與高壓脈沖電場輔助蒸餾法所得玫瑰精油的化學成分，發現高壓脈沖電場通過靜電作用提高了玫瑰花中揮發性物質的釋放率。HE Guidan等[7]利用高壓脈沖電場技術提取魚骨中的膠原物質，得到了最優的工藝參數，掃描電鏡結果顯示，高壓脈沖電場使樣品顆粒由分散、無序向均勻規律狀態轉變，但電場強度(>30 kV/cm)和脈沖數(>8)會導致樣品過度聚集成團。采用半仿生法與高壓脈沖電場技術結合能夠高效地從魚骨中提取鈣、硫酸軟骨素和膠原蛋白等有效成分[8]。

許多學者利用高壓脈沖電場技術對酵母菌進行處理，使酵母菌選擇性地高效釋放了各種化合物，包括蛋白質、糖蛋白、糖類和色素等物質，對經高壓脈沖電場處理的酵母菌進行電子顯微鏡分析，結果表明細胞壁結構遭到了破壞[9]。其他學者也利用了高壓脈沖電場技術從胡蘿卜中提取糖[10]。由于高壓脈沖電場對細胞質膜有選擇性作用，因此可以選擇性地增強細胞內某種化合物的釋放，而不損害細胞的基本結構。因此，獲得的提取物通常純度更高，還簡化了純化工藝步驟，大大地縮短了試驗進程[9]。

2 殺菌作用

隨著社會的發展，消費者越來越希望食品是綠色、新鮮、無污染和有營養的。傳統的高溫巴氏殺菌技術雖然能夠控制微生物數量，但熱處理會損害食品的熱敏物質和營養物質。高壓脈沖電場處理在過去的幾十年里被研究作為食品巴氏殺菌的替代方法，與傳統的熱巴氏殺菌技術相比，它對食品的損害程度會更小。許多研究報道了高壓脈沖電場技術在食品巴氏殺菌中的有效應用，它有希望成為替代巴氏殺菌的一種新方法[11]。還有學者研究了不同初始溫度下高壓脈沖電場技術對釀酒酵母菌、大腸桿菌和芽孢桿菌的滅活效果[12]。結果表明，變溫可以降低微生物失活的臨界電場強度。微生物發生不可逆電穿孔后，由于細胞膜完整性遭到破壞，懸浮液中核酸和蛋白質含量隨著失活率的增加而增多。有限元模擬證明了電場和溫度對分子輸運有促進作用。在相同的初始溫度和電參數(電場強度、脈沖寬度、脈沖數)條件下，對不同微生物的致死效應順序為釀酒酵母菌>大腸桿菌>芽孢桿菌。ESHTIAGHI M N等[13]研究了高壓脈沖電場技術對不同糖濃度蘋果汁中酵母菌的滅活作用。結果表明，高壓脈沖電場技術可以在室溫(20 ℃)條件下滅活酵母菌。其滅活效果與脈沖數、電場強度、脈沖寬度及糖濃度有關。脈沖數<20(12.6 kV/cm)對酵母菌失活沒有或具有非常小的影響。將脈沖數增加到400次會導致3 logs酵母菌失活。場強(10～30 kV/cm)是影響酵母菌失活的最重要因素。在給定電場強度和脈沖數條件下，較長的脈沖寬度對微生物的失活有顯著影響。相比之下，當蘋果汁中糖濃度>20%時，用高壓脈沖電場處理對酵母菌失活有負面影響。熱牛奶中的微生物和內源酶對產品的品質影響較大。最近，ALIREZALU K等[14]探索了高壓脈沖電場與溫和加熱(巴氏殺菌條件下)相結合的加工技術，表明高壓脈沖電場技術結合溫和加熱處理增強了牛奶及其衍生產品的安全性，對于和安全相關的酶、蛋白質、乳脂球和營養物質(特別是維生素)的影響很小，改善了牛奶和選定的衍生產品的保質期。高壓脈沖電場與溫和加熱相結合的方法加工牛奶及其衍生產品具有廣泛的應用前景[15]。

3 降低有害物質的積累

經油炸后的馬鈴薯中含有丙烯酰胺這一致癌物質，為了降低該物質的含量和含油量，有研究者將高壓脈沖電場應用到馬鈴薯加工中[16]。結果表明，電場強度對薯片的含油量和質地有顯著的影響。在10 kV/cm電場強度作用下對薯片進行預處理，薯片含油量降低21.2%，硬度和脆度明顯提高。薯片表面變得更光滑，截面孔隙率增加。制備的薯片丙烯酰胺含量較低，約為10 ng/g(鮮質量)。動物源性食品中獸藥殘留是食品安全面臨的主要問題之一。如果人誤食了含有殘留抗生素的牛奶可引起過敏反應，引起腸道菌群紊亂，產生耐藥性微生物。SHINDE G P等[17]研究發現，巴氏殺菌和高壓脈沖電場聯合處理對降低牛奶中的青霉素含量具有顯著的協同作用。由上可知，高壓脈沖電場可以作為一種獨特的處理手段來降解抗生素和丙烯酰胺等有毒物質的殘留，同時保持著食品的營養與品質。

4 提高農產品原有品質

近年來，高壓脈沖電場技術是一種越來越受到肉類工業關注的非熱效應技術，因為高壓脈沖電場技術能夠誘導肉品微觀結構的變化，從而改善了肉制品的功能特性，如保水能力、乳化能力及凝膠特性等。BALDI G等[4]評估了高壓脈沖電場技術對雞肉主要工藝性能的影響。結果表明，經過高壓脈沖電場處理對雞肉的pH值沒有影響，對雞肉的亮度和黃度影響較小。低強度高壓脈沖電場處理顯著提高了雞肉的持水能力，且不損害雞肉蛋白質的完整性和功能。此外，LI Jiaheng等[18]評價了高壓脈沖電場處理對凍融三文魚質量的影響。結果表明，高壓脈沖電場技術的應用使凍融時間縮短了20 min，凍融后的肌纖維保存較好，總損耗減少了6%。高壓脈沖電場處理對樣品質地和TPB-N含量均有顯著影響。但由于高壓脈沖電場技術處理后發生氧化作用，b值和脂質過氧化值略有增加。由此可見，高壓脈沖電場的合理應用具有提高肉制品新鮮度和加工特性的效果。

在大米等糧油制品方面，高壓脈沖電場技術的運用也顯示出了獨特的優勢。有學者研究了高壓脈沖電場預處理對大米水解、結構、多尺度和半晶層狀結構、熱性能和風味的影響[19]。高壓脈沖電場預處理后，熟米的淀粉水解度和血糖指數略有升高；蒸煮大米的硬度、彈性、粘結性和咀嚼性顯著提高。高壓脈沖電場處理降低了稻谷的晶胞結構完整性，輕微改變了稻谷的糊化焓、相對結晶度、半晶層狀結構，但沒有明顯改變稻谷的衍射圖形類型。高壓脈沖電場預處理使熟米中酚類和酮類含量減少，酸類和醛類含量增加。

利用高壓脈沖電場技術能提高紅葡萄酒中非酵母發酵劑的利用率，還能促進酸奶的發酵作用[15，20]。

5 促進農產品保藏中酶失活

酶失活是食品保鮮中一個常見的工藝步驟。傳統滅酶的方法是加熱處理，但是該方法降低了農副產品的感官性能和食用的品質。基于此，有學者將高壓脈沖電場技術應用在酶非熱滅活方面[21]。通過比較電場、加熱和氧化對α-淀粉酶的影響，發現脈沖電場通過作用色氨酸靶向酶的活性部位，導致作用酶構象破壞。ZHANG Chen等[22]利用高壓脈沖電場處理小麥，發現高壓脈沖電場能有效滅活小麥籽粒中的脂肪酶。此外，高壓脈沖電場參數、電場強度、脈沖頻率、脈沖寬度和處理時間對溶解度、持水能力、持油能力、發泡能力、泡沫穩定性、乳狀液穩定性均有不同程度的影響。XU Feiyue等[23]發現高壓脈沖電場預處理能夠強化合成琥珀酰化乳清分離蛋白。因為高壓脈沖電場把存在于蛋白質內部的氨基酸殘基結合位點更多地顯示出來，更適合于琥珀酰化。這些結果使人們對高壓脈沖電場作用于蛋白質的機理有了全新的認識，它可能將在食品工業或醫藥領域有新的應用。

6 其他領域

高壓脈沖電場技術可以提高作物的生長速度和總產量，改變作物的營養成分。經高壓脈沖電場技術處理的白牡蠣菇產量得到大幅度的提高，樣品的總收率有所提高，營養品質略有提高，平均蛋白質和脂肪含量高于對照組，該方法可作為白平菇規模化生產的一種補充工藝進行推廣。

在甲烷的生產中，木質纖維素的復雜結構阻礙了纖維素酶的滲透。因此，在適當的甲烷發酵之前必須對底物進行預處理。有學者討論了高壓脈沖電場預處理對玉米青貯沼氣產量的影響[24]。試驗表明，經過高壓脈沖電場預處理后，基質中纖維素、半纖維素和木質素的含量略有下降，導致液體基質中碳水化合物含量升高，甲烷產率顯著提高。還有學者綜述了高壓脈沖電場在沼氣生產方面的研究新進展[25]。

在干燥方面，有學者發現經高壓脈沖電場預處理后，胡蘿卜干燥時間得到顯著縮短，這有利于β-胡蘿卜素在干燥樣品中的保留，胡蘿卜干的質量得到了提升[26]。對昆蟲進行處理后，干燥速率顯著加快，提高了生物質的提取效率[27]。與其他傳統干燥工藝相比，該方法具有節能、提高產品質量的特點，有希望在工業規模化生產上推廣應用。

7 結束語

本文綜述了高壓脈沖電場技術在食品加工及保藏領域中的發展現狀和應用前景。高壓脈沖電場技術是一種低能耗的工藝，可以實現連續處理，擴大處理能力。此外，高壓脈沖電場所需設備的操作簡單性、速度的可控性使其與其他方法相結合成為可能。一般來說，高壓脈沖電場預處理允許對各種物質進行處理。然而，這項技術也有一些缺點和局限性。高壓脈沖電場技術參數應針對每個物種，考慮它們的結構、大小和其他影響效率的因素，因此，必須對高壓脈沖電場技術參數及作用條件進行優化，以達到預期的效果。另外，高壓脈沖電場技術并不是食品加工行業中的一項常規技術，目前可用設備的成本造價較高。如果高壓脈沖電場技術將來成為食品加工及保藏領域中被廣泛的應用技術，還需要考慮如何進行設計、制造來降低機械成本。