高压脉冲电场对胡萝卜汁的杀菌效果及类胡萝卜素含量的影响*

陈拓，杨瑞金，张莎，赵伟，陈锦权，方婷

1(江南大学食品学院，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

3(福建农林大学食品科学学院，福建福州，350002)

高压脉冲电场对胡萝卜汁的杀菌效果及类胡萝卜素含量的影响*

陈拓1，杨瑞金2，张莎1，赵伟2，陈锦权3，方婷3

1(江南大学食品学院，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡，214122)

3(福建农林大学食品科学学院，福建福州，350002)

研究了高压脉冲电场(PEF)对胡萝卜汁的杀菌效果及其对类胡萝卜素的影响。结果表明，PEF处理场强、处理时间和温度是影响PEF杀菌效果的主要因素。在4℃水浴，处理场强为30 kV，处理时间为500 μs条件下，PEF的杀菌效果可达5.9个对数。随着处理场强和处理时间的增加，杀菌效果明显增强。温和热与PEF处理有较好的协同作用，温度提高到20℃时杀菌效果可增加1个对数。高压脉冲电场能显著增加胡萝卜汁中类胡萝卜素的含量，30 kV，500 μs的条件下，类胡萝卜素含量与对照相比可增加55.66%。

高压脉冲电场，胡萝卜汁，大肠杆菌，类胡萝卜素

胡萝卜被认为果蔬中的“小人参”，其富含多种维生素，大大优于苹果、梨、桃。其中类胡萝卜素的含量更是居于水果之首[1］。在药用价值上，胡萝卜有降血糖、防治白内障、消除炎症等作用。其大量的维生素A和维生素B常可用于明目，预防夜盲症，治疗眼干燥、小儿软骨病和皮肤粗糙[2］。胡萝卜汁作为最受欢迎的果蔬汁之一[3］，饮用方便，营养丰富，而胡萝卜资源丰富，所以胡萝卜汁的开发利用日益受到人们重视。

在最近10年中，非热杀菌因其对果蔬的原始营养物质保留和延长货架期的显著作用受到业界的重视。在众多非热处理技术中，高压脉冲电场(PEF)是最具工业发展前景的非热技术之一[4］。PEF不仅对食品中的微生物和酶有很好的杀灭和钝化效果，而且能最大程度地保留食品的风味和品质，延长了食品的储藏期[5］。目前PEF对微生物的作用机理尚不清楚，被大部分专业人士所认可的杀菌机理是PEF通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，在极端时间内，破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活[6］。

目前国内外许多研究者在模拟体系和真实体系中，对PEF杀菌钝酶机理，处理后产品的理化性质如营养成分、风味、色泽和货架期等的变化做了大量研究。人们对PEF在果蔬汁加工中的应用研究较多，如赵瑾等研究了PEF对鲜榨梨汁的杀菌效果及其对产品品质的影响[7］，钟葵等研究了PEF对鲜榨苹果汁贮藏期品质的影响[8］，殷涌光等研究了PEF对桃汁的杀菌效果及对桃汁品质的影响[9］。研究结果表明，电场强度、脉冲特性、处理时间、处理温度、果蔬汁和微生物种类与特性等可影响高压脉冲电场的杀菌灭酶效果，而且PEF对食品的原有感官品质几乎无影响。

本文以大肠杆菌为目标微生物，研究PEF对鲜榨胡萝卜汁的杀菌效果，确定PEF处理胡萝卜汁的工艺参数，并在此工艺条件下研究了PEF处理对胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

实验材料:市售新鲜胡萝卜，色泽红润，成熟度为七至八成。胡萝卜的制备:将胡萝卜洗净后，去皮，切成1～2 cm薄片，再热烫5 min，用果汁机榨汁，制得胡萝卜汁灭菌后使用。胡萝卜汁电导率为2000 μs/cm左右，弱酸性。

PEF杀菌设备:本实验采用OSU-4L型实验室规模PEF连续处理设备(俄亥俄州立大学，美国)。仪器管路清洗采用4%NaOH、10%84消毒液和无菌水，清洗至无菌备用。

1.2 实验方法

1.2.1 微生物接种与计数

1.2.1.1 目标菌的选择

大肠杆菌是典型的革兰氏阴性菌，是最常见的肠道致病菌，也是食品检测中最常见的目标菌之一。所以本试验选用大肠杆菌作为脉冲电场处理的目标微生物。

1.2.1.2 大肠杆菌接种

试验用大肠杆菌(ACTT 8973)由营养琼脂斜面培养基移至营养肉汤，37℃摇床培养16 h至稳定期，菌体浓度达到108～109CFU/mL。将上述10 mL培养液接到1 L灭菌胡萝卜汁中，使样品中菌体浓度达到106～107CFU/mL。菌种由江南大学食品学院酶学实验室提供。

1.2.1.3 微生物计数

根据GB/T4789.2-2003方法，对样品在PEF处理前后进行菌落计数。大肠杆菌培养基为营养琼脂培养基，杀菌效果用致死率来表示，残存率计算公式:

式中:N为PEF处理后的微生物数，CFU/mL;N0为PEF处理前的微生物数，CFU/mL。

1.2.2 PEF杀菌参数的选择

选择6个连续处理腔，选择电场强度为20、25、30和35 kV/cm，总处理时间为100、200、300、400、500 μs，脉冲宽度 2μs，脉冲频率200 Hz;循环式冷却水浴的温度根据试验要求而改变。

电场强度E和总处理时间t计算方法:

式中:U为电压，kV;d为电极间距，0.29 cm;Np为单个处理腔内接收的脉冲数;Nc为处理腔个数，6;Wp为脉冲宽度，s;Tr为停留时间，s;f为脉冲频率，Hz;V为单个腔体积，0.012 cm3;F为物料流速，mL/s。

1.2.3 PEF杀菌对胡萝卜汁类胡萝卜素含量的影响测定

类胡萝卜素通常是指C40的碳氢化合物(胡萝卜素)和它们的氧化衍生物(叶黄素)2类色素的总称[10］。采用GB/T 12291-1990对果蔬汁类胡萝卜素进行全量的测定:吸取20 mL样液加入3g石英砂，摇动后用布氏漏斗过滤，5 mL水冲洗滤渣3次。分液漏斗萃取3次，合并有机相并定容至100 mL。在440 nm波长下测定提取液的最大吸光度A。

2 结果与讨论

2.1 PEF不同场强、处理时间对胡萝卜汁杀菌效果的影响

图1显示了在4℃水浴下，脉冲频率为200 Hz，处理时间为100 μs，电场强度分别为20、25、30和35 kV时，PEF处理对接种大肠杆菌的胡萝卜汁总均数的影响。图1表明，在20，25，30和35 kV时大肠杆菌菌落总数分别下降了1.1、1.5、2.7、3.2个对数。可见，电场强度是影响PEF杀菌效果的一个显著因素，随着电场强度的增加，杀菌效果明显增强。

图1 PEF在不同电场强度下对大肠杆菌杀菌效果的影响

图2 为PEF不同处理时间对胡萝卜汁中大肠杆菌杀菌效果的影响。图2表明随着处理时间的延长，杀菌效果逐渐递增。在4℃水浴下，脉冲频率为200 Hz，处理场强为30 kV的条件下，当处理时间为100 μs时，总菌数下降了2.7个对数，上升到500 μs时，杀菌对数达到5.9个对数。

图2 PEF不同处理时间对大肠杆菌杀菌效果的影响

2.2 温和热协同作用对PEF杀菌效果的影响

有研究表明，当微生物处于较高温度时，比处于较低温度时对脉冲电更敏感。本实验在30 kV，20 Hz条件下，将水浴温度由4℃提高至20℃、35℃，结果见图3。由图3可知，随着温度的上升，温和热协同效应越来越明显。当温度由4℃提高至20℃时，大肠杆菌总数的下降提高了1个对数。在水浴温度为35℃的条件下，处理腔的温度不超过50℃，而且物料经处理腔的时间极短，因此单纯的微生物的热致死效应可忽略，杀菌效果的提高归因于温度对PEF杀菌的协同作用(见图3)。从PEF的作用机理来看，适当的提高温度使其细胞膜的脂质组成会发生相应的变化，从而影响到细胞膜的流动性和黏弹性，进而影响到细胞膜的韧性。

图3 处理温度对PEF杀菌效果的影响

由于细胞膜两表面堆积的异种电荷相互吸引，引起膜的挤压，当这种电挤压力大于膜的弹性力时就产生穿孔[11］。当微生物处于较高温度时，细胞膜的磷脂双层结构更具有流动性，原生质膜更脆弱，因此更容易发生穿孔，而且在温度较高时物质交换速度加快，膜内物质外流和膜外物质渗入的速度加快，从而导致微生物对脉冲电场更敏感，PEF杀菌效果增加。可见，PEF与热处理结合，可在冷杀菌的前提条件下，提高杀菌效果，避免高温对果蔬汁营养物质的损坏的同时保证了安全性。

2.3 PEF处理对胡萝卜汁类胡萝卜素含量的影响

图4 PEF处理场强对胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的影响

由图4和图5可以看出，类胡萝卜素的含量随着处理场强和处理时间的增加而增加。在PEF处理红辣椒的研究中也发现了类似的结果，PEF处理可使红辣椒中β-胡萝卜素的含量提高60%，甚至超过了酶法提取[12］。而在研究胡萝卜和橙汁的混合果汁时发现，类胡萝卜素的增加是由其他物质转化而来，其中通过紫黄质、新黄质和花药黄质转化为玉米黄质。其中顺-13-β胡萝卜素增加的含量最多，而玉米黄质也有显著增加[13］。在PEF处理胡萝卜汁的过程中，除了由于其他物质的转化从而提高了类胡萝卜素含量外，PEF处理可使细胞破碎，从而使细胞内的物质溶出，大幅增加了物质的含量。这一点可以在PEF对胡萝卜出汁率的提高上进一步得到验证[14］。

图5 PEF处理时间对胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的影响

但在采用PEF处理其他含有类胡萝卜素的果蔬汁的研究中发现，PEF对各果蔬汁的类胡萝卜素含量的影响并不相同。有实验表明，PEF可降低由巴氏杀菌对橙汁类胡萝卜素流失带来的营养损害[15］。

在采用PEF处理果蔬汁中，PEF对其主要营养成分含量的影响一直是备受关注的:赵瑾等人对梨汁的研究发现，其有代表性的VC含量的保留率达91.5%，相比之下热处理后VC保留率只有70.0%[7］。相似的，曾新安等人也发现，25 kV/cm下，橙汁VC含量保留率比热杀菌高出24.4%，并认为PEF对VC的影响只是使其结构发生变化，远远小于温度对其的影响[16］;殷涌光等人的研究数据显示，PEF杀菌几乎不对桃汁中VC含量造成影响，保留了鲜榨果汁的营养成分[9］。刘克放等人的研究表明，低场强，高流速，低电导率条件下，橙汁中VC被破坏的程度最小[17］。证明了改变PEF处理的参数，可进一步改善产品品质。

3 结论

PEF对胡萝卜汁有良好的杀菌效果，其杀菌效果受电场强度、处理时间、处理温度的影响。在4℃水浴，处理场强为30 kV，处理时间为500μs条件下，PEF的杀菌效果可达5.9个对数。温和热与PEF处理有较好的协同作用，温度提高到20℃时杀菌效果可增加1个对数。另外，胡萝卜汁中类胡萝卜素含量随着PEF处理电场强度、时间的增加而增，30 kV，500μs的条件下类胡萝卜素含量可增加55.66%。

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ABSTRACTThis study evaluated the sterilizing effects of pulsed electric fields(PEF)on E.coli in carrot juice sample and its impact on the carotenoid content.The results showed that pulsed electric intensity，treatment time and temperature were the most influencing factors of PEF treatment.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs at 4℃ ，the reduction of E.coli is 5.9 lg.The sterilizing effect significantly increased with stronger pulsed electric intensity and longer treatment time.When raising the temperature to 20℃the reduction increased by 1.0 log.PEF treatments can significantly increase the carotenoid content of carrot juice.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs，carotenoid content increased by 55.66%compared to the sample before treatment.

Key wordshigh intensity pulsed electric field(PEF)，carrot juice，E.coli，carotenoid

Effects of Pulsed Electric Fields on the Sterilization and Carotenoid Content of Carrot Juice

Chen Tuo1，Yang Ruijin2，Zhang Sha1，Zhao Wei2
1(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
3(College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

本科在读(杨瑞金教授为通讯作者)。

*国家科技支撑计划项目(2008BAD94B06);国家自然科学基金资助项目(20772049);国家“863”计划项目(2007AA100405);江南大学自主科研计划项目(JUSRP20910)

2010-03-22，改回日期:2010-04-29