高压脉冲电场技术及其在果蔬汁加工过程中的应用进展

崔素芬，廖 芬，张娥珍，黄茂康，孙 健，何全光，2，*

（1.广西农科院农产品加工所，广西南宁 530007；

2.广西作物遗传改良重点开放实验室，广西南宁 530007）

高压脉冲电场技术及其在果蔬汁加工过程中的应用进展

崔素芬1，廖 芬1，张娥珍1，黄茂康1，孙 健1，何全光1，2，*

（1.广西农科院农产品加工所，广西南宁 530007；

2.广西作物遗传改良重点开放实验室，广西南宁 530007）

高压脉冲电场技术（pulsed electric field，PEF）作为非热处理技术之一，在杀菌钝酶、活性物质提取、保持食品原汁原味等方面显示了很大的优势，近些年来成为食品科学与工程研究的热点。文章就国内外关于PEF技术及其在果蔬汁生产过程中的应用研究进行综述，以期为该技术应用于果蔬汁工业生产提供参考。

高压脉冲电场，果蔬汁，非热加工

目前食品工业上广泛采用的热处理加工方式，因其在处理食品过程中易使食品中热敏性物质遭到破坏，而不能满足人们对食品新鲜度、营养成分提高的需求。高压脉冲电场技术（pulsed electric field，PEF），作为非热加工工艺的一种，以其作用时间短、均匀、效率高，且最大限度的保有食品新鲜度的优点，已被美国、德国、日本、中国等国家的众多研究机构研究，成为食品非热处理方式应用的一大热点。PEF技术可以在低温下，利用脉冲电场杀灭液态食品中的各种食源性病原体和致腐微生物，尤其对酸性食品中微生物的影响更大，但对细菌孢子影响比较小[1]。由于PEF处理食品时达到的最高温度比巴氏杀菌方法低，对原料的风味物质影响较小，食品品质变化不大。研究表明，PEF技术在物质定向改性、活性成分提取、食品干燥、食品冷冻鱼解冻、酒类沉降、废水处理、牛奶、液态蛋类等方面有很大的应用前景[2]。另外，随着果蔬汁市场份额的增加，PEF技术也逐步被研究应用在各种果蔬汁生产过程中。目前PEF技术已被成功地应用于一系列低粘度和低电导率的果蔬汁生产中，如苹果汁、胡萝卜汁、越橘汁等[3-4]，但生产规模较小。本文将综述PEF技术应用于果蔬汁加工过程中提取、灭菌、钝酶的机理，以及PEF技术对果蔬汁营养品质的影响，从而发掘PEF技术广泛应用于果蔬汁工业生产的潜力。

1 PEF技术在果蔬汁加工处理过程应用机理研究

关于PEF造成细胞膜破损的机制有很多理论假说，如膜的介电击穿理论、电穿孔理论、电机械压缩及不稳定理论、渗透不平衡理论、粘弹性模型、亲脂亲水性孔转化理论、构形转化理论等[5]，其中，介电击穿、电穿孔理论是目前普遍认同的[6]。本文就电穿孔理论来阐述PEF技术在果蔬汁生产方面的应用。

1.1 工作原理

高压脉冲电场作用于细胞时，在细胞膜脂双层上形成瞬时微孔，细胞膜的通透性和膜电导率瞬时增大，使正常情况下不易通过细胞膜的亲水分子、病毒颗粒、DNA、蛋白质以及染料颗粒等能通过细胞膜而进出细胞，造成细胞死亡。有些细胞膜微孔可以修复，但细胞内膜和细胞质内各器官的膜仍会被破坏，细胞内核酸、蛋白质等在细胞内游离，导致细胞活性降低或致死。电场强度越大，细胞被破坏的程度越大。这一原理是PEF技术能够应用于辅助提取生物活性物质、提高果蔬出汁率、灭菌钝酶的重要依据[6]。

研究表明，大多数植物细胞在弱场强下可以存活，当场强超过15000V/cm时，会被杀死；场强超过30000V/cm时，大多数细胞，如细菌和真菌的细胞也会被杀死。在动态PEF电场处理液体食品时，由于泡沫的作用，电弧在电极间产生，易产生不良物质，甚至致癌物。静态PEF电场强度一般较小，在处理非液体物料时，即使在最大电场强度下，也可能因没有电弧通过空气而降低杀菌效果[7]。所以PEF技术适用于低导电性、不含有或不产生气泡、固体颗粒较小的液态物料。

1.2 工作过程

PEF处理系统是个简单的电路系统，包括一个高压发生器、电容器组合、开关盒、处理室（见图1），其中脉冲电场发生器是由一个或几个电源（最高达60kV），交换器（放电管、晶闸管、四极管、火花隙、半导体）、电容器（0.1～10μF）、电感（30μH）、电阻（2Ω～10MΩ）构成[4]。

图1 PEF液态食品加工系统流程图Fig.1 Flow chartof a PEF liquid food processing system

2 控制参数

重要的控制参数包括电场类型（不同波形、在热处理室的分布）、温度、电场强度、电压等。工业上利用PEF处理液体原料如果蔬汁、牛奶等，其典型参数见表1[8]。

2.1 电场

电场由高压脉冲发生器产生，大多数脉冲发生器产生矩形波和双极性波，双极性波由于电场方向的突然反转能改变细胞膜带电基团的移动方向，造成膜结构疲劳，增大细胞膜对电场的敏感性，具有耗能低，减少物料电解的优点，但是双极发生器成本是单级发生器的二倍。其他波形包括振荡波和指数衰减波。指数衰减波容易产生，可以在瞬时达到峰值，释放的能量比方波少。振荡波杀菌效率最低，因为它不能使细胞长时间的暴露于高密度电场中[9]。但是由于方波与双极性波发生电路过于昂贵，不适于规模化生产，而指数衰减电波可用简单的电容器产生，适于大规模生产。PEF技术产生的不同脉冲电场波形见图2。

表1 工业上PEF技术处理液体食物的参数表Table 1 The industrial typical values of powermodulators for the treatmenton liquid foods

如果脉冲波形选择合适，PEF也可用在非流动食物如肉中。韦汉昌等[10]在料液比为1∶10（g/m L）、温度为40℃、pH为6.5、酶液浓度为10.0U/g、电场强度为25kV/cm、脉冲数为40次、酶液浸泡30m in条件下，提取猪皮蛋白，胶原蛋白溶出率可达84.2%。

图2 在PEF技术中不同类型的波形Fig.2 Typical voltagewaveforms for PEF technology

2.2 温度

电能的传递使物料温度升高，可以提高脉冲电场的杀菌效率，温度适宜（50～60℃）时，对PEF杀菌有增效作用，处理苹果汁时温度控制在50℃左右效果明显。为保证PEF非热杀菌优势，可对物料进行冷却[11]。叶丽珠等[12]利用PEF技术处理冷冻浓缩西瓜汁后，于-18℃下冻藏105d后，发现细菌菌落总数符合国家标准的要求，处理后果汁品质接近原汁，且耗能较小。

2.3 压力

压力可防止液体物料在脉冲电场达到20000V/cm时产生气泡，压力的增大能在促进不同生物组织均匀分布的同时，提高果蔬原料的出汁率[13]。

2.4 处理时间

当电场频率固定时，液体原料经过不同处理室，会受到不同脉冲电场的作用。处理器不同，形成的脉冲电场波形不同，物料处理时间亦不同。一般情况下，双向波与双极波下，物料在脉冲电场中处理时间较指数衰减波、振荡波长。物料在电场中处理时间越长，杀菌效率越高。

3 PEF技术在果蔬汁加工过程中的研究进展

3.1 PEF技术在果蔬汁活性物质提取时应用

由于细胞膜具有渗透性，PEF技术作用于细胞时可以提高物质传质系数，将低能量PEF应用于不同的植物组织，如椰子、胡萝卜、芒果、苹果切片等可提高果蔬汁出汁率至少20%～30%[14-16]。目前国内PEF在果蔬汁提取应用方面的研究还比较少。原料粒度、前处理不同，PEF作用效果不同。Knorr等[17]研究表明，苹果在经过机械挤压和PEF（脉冲电压为520V/cm，处理时间为100μs）处理后，出汁率明显提高。PEF处理胡萝卜时，其出汁率提高到60.1%～66.4%，同时产品中固形物可以增加13%～15%[17]。Susanne[18]对苹果泥进行低能量PEF处理，PEF电场能量输出为10k J/kg，电场密度为3kV/cm，结合酶法浸泡，后机械挤压，出汁率可达到83.0%；对葡萄进行PEF处理，出汁率可达到87%。

PEF技术在提高果蔬汁提取率的同时，提高了果蔬汁中活性成分如VC、酚类物质的保留率。原因是活性物质提取情况受细胞壁、细胞膜的影响，PEF细胞膜穿孔技术使细胞发生可逆或不可逆破坏，促使细胞质内容物流出。利用PEF技术从果酒生产剩余的果渣、啤酒废酵母等食品加工废弃物中提取生命活性物质，进一步提高了原料综合利用率。大量研究表明，PEF可以作为从果蔬类原料中提取活性物质的一种辅助手段。金哲雄[6]利用PEF技术从绿茶叶快速提取多糖、多酚、咖啡碱和核酸等，摸索出提取上述物质的基本参数，发现提取率分别是水提取的1.91、1.10、1.05、1.32倍，表明PEF技术在功能成分提取方面有很大的应用前景。PEF协同其他提取技术或者前处理方法将获得更好的提取效果。谢阁等[19]将PEF技术与超声波协同作用，从啤酒废酵母中提取蛋白质与核酸，提取率分别达到45.86%和53.75%，是使用单一方法提取率的2倍左右；韦汉昌等[20]在PEF电场强度为20kV/cm、脉冲数为8、料液比为1∶15、乙醇浓度为60%条件下，提取栀子黄色素，提取率达到93.2%；殷涌光等[21]利用PEF技术结合0.001mol/L EDTA缓冲液从绿茶中提取茶多糖、茶多酚、咖啡碱等，在合适条件下，得到各物质的提取率分别是用水提法的1.91、1.11、1.05倍。

3.2 PEF技术在果蔬汁钝酶方面的应用

脂肪氧化酶（LOX）和过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶等广泛存在于果蔬中，使果汁中不饱和脂肪酸、酚类物质等氧化、褐变，分解果胶，产生不良风味，影响果蔬汁品质，因此控制酶活性是果蔬汁加工过程中的重要一步。

Ho等[21]利用极性指数衰减型PEF技术，对α-淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶、溶菌酶、胃蛋白酶进行钝化，结果发现，α-淀粉酶、脂肪酶失活率最高，达到85%，碱性磷酸酶失活率最低，失活率为5%，其中，溶菌酶的失活率是电场强度的函数，电场强度增大，失活率增大；胃蛋白酶活性在40kV/cm，30个脉冲条件下反而提高2.6倍。Yeom等[22]用PEF处理橙汁中果胶甲基酯酶（PME），结果PME失活率达到88%。廖小军[23]对苹果汁中果胶酯酶（PE）、辣根过氧化酶（HRP）进行钝化，结果显示，随着电场强度和脉冲数增大，钝化效果增强，且HRP和PE酶活与脉冲数和电场强度存在良好的相关性，同轴电极（ZE=31.0kV）比平板电极[HRP（ZE）=34.3kV，PE（ZE）=20.2kV]钝化效果好，另外，经处理后两者CD光谱图显示：平均摩尔椭圆率降低，α-螺旋含量降低，酶蛋白二级结构改变。HRP和PE荧光强度增加，HRP和PE构象发生改变。陈晨等[24]对比了PEF和高温瞬时巴氏杀菌（HTST）对鲜榨胡萝卜汁中LOX和POD的钝化情况，结果发现，在脉冲电场强度30kV，处理时间800μs条件下，LOX和POD相对酶活分别降至23.22%和46.97%，经HTST（98℃，21s）条件处理下，LOX和POD相对酶活分别降至19.21%和48.08%，但此时胡萝卜汁发生褐变，粘度增大，总酚含量显著降低。

上述研究表明，PEF技术用于果蔬汁酶活性的钝化有非常好的效果，PEF技术在钝化酶活性延缓褐变、氧化等不良变化的同时，对果蔬汁品质影响较小。

3.3 PEF技术在果蔬汁灭菌方面的应用

将PEF技术应用于抑菌方面已有近45年的历史，它对细菌、酵母、霉菌等有明显的抑制或杀灭作用，但是对细菌孢子影响不明显[25]。

研究表明，在不同PEF处理条件下，对苹果汁、橙汁、柑橘汁、胡萝卜汁、梨汁进行灭菌实验，菌落数目可下降了4～8个对数级，且处理时间短，最长不过1s，如在场强为33.33kV/cm，处理时间684μs条件下处理胡萝卜汁，大肠杆菌菌落数可下降7.4个对数级，而酿酒酵母则没有检出[26]。Rivas等[27]采用PEF技术在电场强度40kV/cm，时间700μs条件下对橙汁中大肠杆菌ATCC8739进行灭菌，最高降低3.83个对数级。刘翠等[28]比较了双极性矩形脉冲电场强度和杀菌时间对鲜榨梨汁中大肠杆菌、沙门氏菌、酿酒酵母和李斯特菌的影响，结果发现对以上微生物的致死率顺序是沙门氏菌＞大肠杆菌＞李斯特菌＞酿酒酵母。

为提高PEF灭菌效果，Iu等[29]提出，将PEF与中高温热处理方式结合或与乳链球菌素、溶菌酶等天然抗微生物制剂结合处理苹果汁，能有效地减少O157：H7大肠杆菌。JOY等[30]提出超高静压杀菌技术（UHP）与PEF技术联合使用，对乳杆菌、四胞片球菌、李斯特菌有很好的灭菌效果。Zhao等[31]研究表明，食品经过PEF技术结合冷激处理可以使受损伤细胞进一步失活，延长食品在常温下的货架期。方婷等[32]对冷冻浓荔枝汁进行PEF非热杀菌研究，发现经过冷冻浓缩技术处理后荔枝浓缩汁电导率变低，荔枝汁经贮藏30d后，发现细菌数目开始下降，可能是高压脉冲电场处理冷冻浓缩荔枝汁时没有将细菌完全杀灭，而是有些细菌细胞受损，在-18℃贮藏后，无法自行修复，逐渐死亡。

PEF技术在果蔬汁灭菌方面的研究表明，PEF技术对果蔬中大多数微生物有很好的抑制作用，结合其他非热处理方式能够更有效地杀灭微生物，且耗能低，效率高，为其未来在果蔬汁生产过程中广泛利用提供了理论依据。

3.4 PEF技术对果蔬汁品质的影响研究

果蔬汁加工一般要经过热处理杀菌和钝化酶活处理过程，对果蔬汁中热敏性成分和其生理特性有所破坏，甚至产生不良风味，影响果蔬汁质量，因此，近些年来，非热杀菌、钝酶方式成为研究热点。PEF能温和且高效地处理物料，最大程度上保留原料的营养成分[33]，逐渐成为当前最有可能实现工业化应用前景的非热处理方式之一。

Susanne等[18]分别比较了使用PEF处理和酶解处理的苹果泥所提取的苹果汁，发现两种处理方法得到的苹果汁化学成分相似，但酚类物质含量和抗氧化能力不同。PEF技术处理得到的苹果汁，酚类物质和果胶含量高，果渣的综合利用程度高，另外，经过PEF处理的苹果汁保存40周后，果汁品质没有发生变化。VC含量是体现果蔬汁营养的重要指标，其含量高低受到人们的重视。潘东芬[26]研究发现，场强和处理时间的延长，胡萝卜汁中的VC含量下降，当PEF电场强度为11.11kV/cm时，VC保留率为97.8%；当场强33.33kV/cm，处理时间684s，VC保留率为92%；而热处理后VC含量仅为原料含量的76%。曾新安等[34]研究发现，脉冲场强25kV/cm，温度＜60℃条件下处理橙汁，VC保留率达到86.6%，比经90℃热处理10min得到的橙汁VC保留率高出24.4%。钟葵等[35]比较了脉冲电场和热处理对鲜榨苹果汁贮藏期品质的影响，结果发现，两种处理对苹果汁的电导率、粘度、pH影响不显著，但热处理对苹果汁浑浊度影响较大；PEF处理的苹果汁亮度和色值比热处理好，风味接近未处理样品。殷涌光等[36]在探讨PEF技术应用于菠菜汁的提取过程中发现，高压脉冲电场场强对菠菜汁颜色影响显著，在PEF处理前添加葡萄糖酸锌和氯化钙的菠菜汁可以在常温下长期贮藏。PEF处理频率和脉宽越大，处理室中温度越高，热敏性维生素在有氧的情况下极易受到这两个因素的影响，同时，研究还发现双极波的PEF处理对VC的保留效果比单极波好，可能是双极波的PEF比单极波更能钝化使VC氧化的酶类（如过氧化酶）。

果蔬汁经PEF技术处理后与热处理及酶处理等传统技术相比，品质更接近于原汁，符合人们对食品原汁、原味、天然营养的要求。经过PEF处理的果蔬汁，一般最好保存于低温下，如果酸度适宜，也可存于常温。

3.5 关于PEF技术在果蔬其他方面的应用

PEF技术在低电压电场情况下，对果蔬组织如番茄、椰果、胡萝卜、芒果、苹果片进行处理，可以增加20%～30%水分析出量，提高了干燥效率[37-40]。刘振宇等[41]基于电磁力学理论，结合苹果单细胞模型，研究了PEF作用于果蔬的微观机理，结果表明PEF处理果蔬的效果与物料性质有关，果蔬细胞形状、直径、介电常数、电导率等不同，细胞受力情况也不同；电场强度越大，细胞膜受到的应力越大。该研究为PEF技术应用于果蔬脱水干燥，提高脱水效率，降低能耗与成本提供了一定的理论支持。张雯等[42]利用PEF技术对杨梅进行保鲜处理，结果表明，最主要的影响因素是高压电场脉冲宽度，当脉宽为10μs，频率为80Hz，作用时间为10s时，保鲜效果最好。美国俄亥俄州立大学研制的PEF设备[43]，处理液体物料能力可达到2000L/h，随着对PEF设备研究的深入，PEF技术在果蔬加工过程中的应用范围将会越来越广。

4 展望

PEF技术作为一种典型的非热处理方法，能最大程度的保留原料的原有品质，实验研究表明，PEF技术有望应用于工业生产，但是从实际生产来看，仍有许多问题需要解决，如高效脉冲发生器的研制和高功率系统的实现就是一个非常大的课题。PEF控制系统虽然操作简便，但是开发成本必须降低，才能广泛的应用于食品工业。对于饮料杀菌来说，由于PEF设备投入成本过高，目前用其完全替代热杀菌方式应用于果汁工业，无疑会增大生产商的投资费用和运行成本，而降低厂家利润。但是若在低能电场输出的情况下，作为细胞破碎技术应用在美容产品、细胞改造和高附加值的生物活性物质的提取方面，利润空间将大幅度提高。随着设备开发和工艺优化，PEF技术将越来越多的应用于包括果蔬汁生产的食品工业各个方面。

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Application of pulsed electric fields in fruit and vegetable juice processing

CUISu-fen1，LIAO Fen1，ZHANG E-zhen1，HUANG M ao-kang1，SUN Jian1，HE Quan-guang1，2，*
（1.Institute of Agro-food Science&Technology，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning 530007，China；
2.GuangxiCrop Genetic Improvementand Biotechnology Laboratory，Nanning 530007，China）

As one of the non-thermal p rocessing technologies，the pulsed electric field（PEF）technology has been a hot research topic in the area of food science and engineering in recent years.It shows g reat advantages on the sterilization，enzym ic inactivation，active substances extraction and keeping greenness，nutrition and sanitation of food.The pulsed elec tric field（PEF）technology and its latest app lication in fruit and vegetab le juice industry were reviewed，which would be help ful to the juice industrial p roduction of using this technology.

pulsed elec tric field；fruitand vegetab le juice；non-thermalp rocess

TS255.36

A

1002-0306（2012）20-0423-05

2012－05－22 *通讯联系人

崔素芬（1983-），女，硕士，助理研究员，研究方向：农产品贮藏与加工。

广西农科院重点项目（2011YZ23）；2012公益性行业（农业）科研专项研究（201203092-05-01）。