高压脉冲电场对蓝莓汁杀菌效果及品质的影响

陶晓赟，王寅，陈健，李路宁，孙爱东

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京，100083)

高压脉冲电场对蓝莓汁杀菌效果及品质的影响

陶晓赟，王寅，陈健，李路宁，孙爱东

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京，100083)

研究了高压脉冲电场(PEF)对蓝莓汁的杀菌效果及其对蓝莓汁理化性质的影响。结果显示:随电场强度、处理时间的增大，PEF对蓝莓汁中大肠杆菌的杀灭效果增强。当电场强度为35 kV/cm，处理时间为82μs时，蓝莓汁中大肠杆菌致死率为5.12个对数。电场强度一定时，电导率增大，PEF对大肠杆菌的钝化效果略微下降。PEF对蓝莓汁VC、花青素、总酚、可滴定酸、还原糖、可溶性固形物及色泽等理化性质没有影响。

高压脉冲电场(PEF)，蓝莓汁，大肠杆菌，理化性质

蓝莓(blueberry)，又称越橘、蓝浆果，果实多为深蓝色，被白霜，近圆形，营养丰富。蓝莓中含有丰富的功能性成分，如维生素、果胶、SOD、矿物质元素等，尤其是花青素含量居各种水果之冠，一般100 g鲜蓝莓含有花色苷100～200 mg，被誉为“浆果之王”[1］。蓝莓含有的花青素、多酚等活性物质使之具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、改善视力、保护神经、预防心脑血管疾病、增强机体免疫力等功能[2-6］，因此蓝莓被联合国粮农组织(FAO)确定为人类五大健康食品之一。

高压脉冲电场(Pulsed Electric Fields，PEF)作为非热加工技术的一种，具有营养破坏少、风味保持好、食品安全、温度变化小、节能环保等优点而备受关注[7］。PEF杀菌效果与处理因素、产品因素、微生物因素有关[10］。目前，PEF杀菌机理尚不确定，大部分研究学者认为PEF使细胞膜发生不可逆损伤是细胞失活的直接原因。当微生物被置于高压脉冲电场中时，由于高压脉冲电场使微生物细胞膜发生电穿孔[9］或电渗透[10］，微生物细胞膜破裂，通透性改变，进而死亡。

目前，国内外对PEF在果蔬汁中的应用研究较多，包括PEF杀菌钝酶机理、处理后产品理化性质的变化[11-12］，但PEF对蓝莓汁的杀菌研究尚未见报道。本研究以大肠杆菌为目标微生物，研究PEF对蓝莓汁的杀菌效果，并从Vc、花青素、总酚、可滴定酸、还原糖、可溶性固形物(Brix)及色泽等方面分析PEF处理对蓝莓汁理化性质的影响，以期为实践应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

蓝莓，辽宁丹东市有机食品有限公司，果实成熟，紫黑色，于-80℃冷藏待用。将蓝莓从冰箱中取出，常温解冻，清洗，晾干，1∶6(质量比)加水榨汁，离心过滤，用1 mol/L NaCl调节其电导率为1.4、1.8 mS/cm。121℃杀菌20 min，冷却后接种目标微生物。蓝莓汁的pH为3.3左右。

1.2 PEF杀菌设备

PEF杀菌设备(图1)由中国农业大学与清华大学自主研发设计，主要由高压脉冲发生装置、数据采集控制系统、处理室和无菌操作系统4部分组成。实验时仪器管路清洗采用4 g/100 mL的NaOH清洗15 min，再用体积分数为10%84消毒液清洗15 min，最后用无菌蒸馏水清洗20 min，同时无菌操作台里紫外杀菌30 min，以保证无菌环境。

图1 高压脉冲电场实验设备图

1.3 实验方法

1.3.1 菌种的处理与测定

实验用大肠杆菌菌种由北京林业大学微生物实验室提供。用接种环将菌种移至营养肉汤，37℃摇床培养14 h至生长稳定期，菌体浓度为109～1010CFU/mL。将20 mL此菌液接到2L已灭菌的蓝莓汁中，使样品中菌体浓度达107～108CFU/mL。将PEF处理前后的蓝莓汁倒平板，大肠杆菌培养基为营养琼脂培养基，37℃恒温培养48 h后计数，杀菌效果用致死率对数值lg S表示:

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

1.3.2 PEF杀菌参数的选择

以大肠杆菌为研究对象，接种于蓝莓汁中，电场强度为20、25、30、35 kV/cm，处理时间为27、54、82 μs，电导率为1.4、1.8 mS/cm。波形为单极性方波。

电场强度E和总处理时间t计算方法:

式中:U，实际电压，kV;d，电极板间距0.4 cm;n，处理室个数;V，处理腔体积，0.05 mL;f，频率，Hz;W，脉宽，s;v，流速，mL/s。

1.3.3 PEF杀菌对蓝莓汁理化性质的影响

研究PEF处理后，蓝莓汁Vc、花青素、总酚、可滴定酸、还原糖、可溶性固形物(Brix)及色泽等理化指标的变化。

(1)Vc含量的测定:GB/T 5009.159—2003《食品中还原型抗坏血酸的测定》的方法测定;

(2)花青素含量的测定:采用pH示差法;

(3)可滴定酸的测定:采用电位滴定法;

(4)总酚含量测定:采用Folin-Ciocalteu`s法测定总酚含量;

(5)可溶性还原糖的测定:直接滴定法。

(6)可溶性固形物含量Brix的测定:采用折光计法，测量样品溶液的温度如果不在标准温度(20℃)时，查温度校正表进行修正;

(7)CIE L*a*b*三刺激颜色测定:采用色差仪对蓝莓汁的CIE L*(亮度)、a*(红值)、b*(黄值)三刺激颜色进行测定。

L*值表示亮度，范围在0～100之间，L*值越高表明样品表面越白。a*＞0表示红值、a*＜0表示绿值。b*＞0表示黄值、b*＜0表示蓝值。通过下述公式计算色调角hab、饱和度C*和总色差ΔE。

2 结果与分析

2.1 PEF电场强度和处理时间对蓝莓汁杀菌效果的影响

图2显示了电导率为1.4 mS/cm时，电场强度和处理时间对蓝莓汁中大肠杆菌的钝化效果。电场强度为20、25、30、35 kV/cm，处理时间为27、54、82 μs。由图2可以看出，当电场强度一定时，PEF对蓝莓汁中大肠杆菌的钝化效果随处理时间的的增长而增强;当处理时间一定时，PEF对蓝莓汁中大肠杆菌的钝化效果随电场强度的的增大而增强。这与李静[13］、陈拓[14］、Evrendilek[15］等人的研究结果一致。

本实验中，在电场强度为20 kV/cm，处理时间为27μs时，大肠杆菌菌落总数下降了1.06个对数，有研究表明大肠杆菌的临界电场强度EC为15.9 kV/cm[13］和11.21～12.19 kV/cm[16］。当电场强度为35 kV/cm，处理时间为82 μs时，大肠杆菌菌落总数下降了5.12个对数。经分析，电场强度和处理时间对大肠杆菌有显著的钝化效果，并且是影响PEF杀菌效果的主要因素。

图2 PEF电场强度和处理时间对蓝莓汁杀菌效果的影响

2.2 PEF电场强度和电导率对蓝莓汁杀菌效果的影响

由图3可见，随电场强度的增加，PEF对大肠杆菌的钝化作用增大;但在同一电场强度下，随着导电率的增加，PEF对大肠杆菌的钝化效果有所下降。这与Alvarz等[17］的研究结果一致。Alvarz等认为，在相同的电场强度下，电导率并不会影响PEF对微生物的灭活，导电率增大会降低PEF对微生物的钝化效果。分析原因:(1)电导率增大会使方波产生畸形，方波上升时间增大，对脉宽的影响不可忽略，故使有效作用时间减小。(2)电导率决定处理室的电阻，从而可以使电场强度减小，物料温度发生波动。(3)导电率越大，输入能量密度越大，PEF钝化效果越好[13］。所以，电导率是影响PEF杀菌效果的重要因素之一，其对PEF的影响也相对比较复杂，应进行进一步研究。

图3 PEF电场强度和电导率对蓝莓汁杀菌效果的影响

2.3 PEF对蓝莓汁理化指标的影响

为了探讨高压脉冲电场对蓝莓汁理化指标的影响，并与加热处理进行比较，分别对蓝莓汁原样、加热处理样和高压脉冲电场处理样的Vc、花青素、总酚、可滴定酸、还原糖、可溶性固形物(Brix)及色泽等理化指标进行对比试验。PEF处理的条件选为:电场强度30 kV/cm、处理时间54 μs、电导率1.4 mS/cm，热处理条件为90℃、15 s，对照组不做任何处理。

表1、表2显示了高压脉冲电场对蓝莓汁理化性质的影响。由表1可见，PEF处理后蓝莓汁的各项指标与对照组相比几乎不变。热处理后，蓝莓汁Vc含量降低了14.78%，花青素含量降低了3.64%。表2显示了不同处理后，蓝莓汁的颜色变化。PEF和热处理后蓝莓汁总色差ΔE分别变化了2.44和6.08，且热处理后色调角由5.66增至15.45，b*值由3.17黄移至8.72。很明显，PEF更好的保持了蓝莓汁的紫红色及蓝莓汁的营养成分;热杀菌后的蓝莓汁色泽发暗，具有煮熟味，Vc和花青素损失较大。

表1 高压脉冲电场对蓝莓汁理化性质的影响

表2 高压脉冲电场对蓝莓汁色泽的影响

3 结论

1)高压脉冲电场对蓝莓汁中大肠杆菌有明显的钝化效果。随电场强度、处理时间的增大，PEF对大肠杆菌的杀灭效果增强。当电场强度为35 kV/cm，处理时间为82 μs时，蓝莓汁中大肠杆菌致死率为5.12个对数。

2)电导率是影响高压脉冲电场杀菌的一个重要因素，电导率会影响电场强度、脉宽和物料温度，它们之间的相互关系需进一步研究。

3)利用高压脉冲电场对蓝莓汁进行非热杀菌是可行的，且不影响蓝莓汁的色泽风味和营养成分。与热杀菌相比，PEF处理更好地保护了蓝莓汁中Vc、花青素等热敏性成分。

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ABSTRACTThe study evaluated the sterilizing effect of pulsed electric fields(PEF)on Escherichia coli in blueberry juice and its impact on physicochemical property of blueberry juice.The results showed that the inactivation effect of Escherichia coli was enhanced when the electric field strength and total treatment time were increased.With PEF treatments at 35 kV/cm and 82 μs，the reduction of Escherichia coli was 5.12 logarithms.When the electric field strength was constant and the electric conductivity was increased，the inactivation effect of Escherichia coli declined slightly.PEF had no significant effect on the content of vitamin C，anthocyanin，total phenols，titratable acids，reducing sugar，and Brix in blueberry juice and its color.

Key wordspulsed electric fields，blueberry juice，Escherichia coli，physicochemical property

Effect of Pulsed Electric Fields on Sterilization and Quality of Blueberry Juice

Tao Xiao-yun，Wang Yin，Chen Jian，Li Lu-ning，Sun Ai-dong
(College of Biological Sciences and Biotechnology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

硕士研究生(孙爱东教授为通讯作者)。

2012-03-26，改回日期:2012-04-25