高压脉冲电场对白萝卜压缩特性影响的试验研究

冯慧敏，郭玉明，武新慧

（山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

果蔬是我国重要的农产品种类，也是人体所需营养的重要来源。果蔬的品质与安全性决定了其经济价值。高压脉冲电场预处理技术具有非热加工特性，预处理果蔬可使其组织细胞在产生可逆击穿，不仅可以用于食品干燥领域，降低脱水能耗，提高干燥效率［1，2］；还可用于果蔬产品的保鲜，起到杀菌作用［3，5］。近年来，国内外学者通过对不同种类果蔬进行力学测试，结合高压脉冲电场预处理，研究了果蔬力学特性与品质间的相关关系。ParniakovO等［6］利用传统水溶法结合高压脉冲电场处理提取木瓜皮中的蛋白质和唐氧化物，不仅提高了提取效率同时强化了提取物的抗氧化能力。刘振宇等［7］应用BP神经网络L－M 训练法分析HPEF预处理参数与不同时间段干燥速率之间的关系，对高压脉冲电场预处理后果蔬的干燥速率起到很好的估计作用。本研究团队在高压脉冲电场预处理对果蔬材料的生物力学性质影响方面也做了许多探索性研究，吴亚丽、武新慧等［8～10］对不同种类果蔬经高压脉冲电场预处理后的屈服极限、弹性模量等力学性质的变化进行了研究，并优化得到处理的最优参数，为果蔬真空冷冻干燥等技术提供了及果蔬品质检测提供了新思路，为减小果蔬在采收、贮运、保鲜及加工过程中的损伤及相关装备的参数设计提供了一定的理论依据。为探索高压脉冲电场预处理与果蔬生物力学特性间的相关性及预处理参数对果蔬品质的影响，本文以白萝卜为试材，研究了高压脉冲电场预处理对白萝卜压缩破坏特性的影响，并讨论分析了高压脉冲电场预处理参数对屈服极限和弹性模量影响的显著性，建立了预测回归模型。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器设备

太谷本地产白萝卜为试材，新鲜无机械损伤。ECM830高压脉冲电场发生器，其脉冲电压、脉冲宽度和重复频率均可调节，脉冲波形为矩形波，电极为20mm×20mm 方形，间距可调；INSTRON5544型电子万能材料试验机，压缩探头为直径100mm的平板压头。

1.2 试验方法与步骤

为讨论取样部位和压缩速率对屈服极限和弹性模量指标的影响，分别从果心柱和果肉部位取样，在加载速率为5、10和15mm·min－1时，对试样进行压缩试验，试验重复3次，结果表明试样的取样部位和加载速率对参数影响并不显著。

取新鲜成熟且无损伤的白萝卜，选取距表皮5～10mm处的果肉，切成17mm×17mm×10mm大小样本。为防止试样的氧化和水分散失，用聚乙烯薄膜密封保存。按照设计的预处理参数，高压脉冲电场对试样进行预处理，之后对试样进行压缩试验，压缩速率为10mm·min－1，直到试样出现明显的破裂，试验结束。试验得到白萝卜压缩的力—位移曲线，根据图像求得试样的屈服极限σ（MPa）和弹性模量E（Mpa）。

1.3 试验设计

高压脉冲电场预处理的工艺参数采用三因子五水平中心组合正交旋转设计，可同时满足正交性和可旋转性。为避免脉冲强度过大对试样造成不可 逆 的 破 坏［11］， 选 择 脉 冲 强 度 范 围5～2000V·cm－1，因子水平及编码见表1。

表1 试验因子及水平编码表Table 1 Coding values and levels of test factors

2 试验结果

2.1 试验数据分析

经高压脉冲电场预处理后，试样有明显的渗水、变软现象。与对照组相比，试样在压缩初始阶段出现了明显的屈服现象，继续压缩至破坏，由于试样组织变软，破坏时压缩位移明显增大，试样可承受的最大压载变大。从试样破坏时的曲线特性可以看出，未处理试样有明显断裂面，处理后的试样则为连续性破坏，试样可继续压缩。表2为不同预处理参数下白萝卜屈服极限和弹性量的试验值。

表2中可以看出，和对照组相比，经高压脉冲电场预处理后，白萝卜的屈服极限值变化不大，基本在0.7～1.5Mpa之间，而弹性模量值则有明显的变化，当预处理参数脉冲强度小于1 000V·cm－1时，弹性模量值变化不明显，当脉冲强度大于等于1 000V·cm－1时，由于试样变软，弹性模量值明显降低。

2.2 因子效应分析

为确定脉冲强度X1、作用时间X2及脉冲个数X3对试样屈服极限和弹性模量影响的显著性，利用SAS软件对结果进行方差分析，结果见表3。

表2 白萝卜压缩特性试验值Table 2 The test data of compression properties of white radish

表3 模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of models

从方差分析结果可以看出，脉冲强度，作用时间及脉冲个数对试样屈服极限的影响并不显著，而脉冲强度和脉冲个数对试样的弹性模量有显著影响，显著性P值分别为0.000 6和0.002 7，作用时间及互作效应不显著，弹性模量的模型决定系数达0.91，显著性P值为0.002 8，说明方差分析有效，可以用于对试验结果的预测估计。

2.3 因子效应分析

通过因子效应分析结果判断，高压脉冲电场预处理参数对试样弹性模量影响较大，利用SAS软件的rsreg过程对弹性模量结果进行回归分析，结果见表4～表6。

表4 响应面模型回归参数的估计和检验Table 4 Parameter estimates of regression and test of response－surface

表5 响应面模型回归分项检测Table 5 Itemized test of response－surface

表6 响应面因子效应检验Table 6 Factorial effect test of response－surface

由表4可以看出，在0.01水平上，X1、X3、X12和X32的系数显著，其余参数不显著。从表5可以看出白萝卜试样弹性模量线性项和平方项的P值分别为小于0.000 1和0.000 8，说明回归主要是线性关系和平方项，总模型的显著性P值为0.000 1，决定系数R2为0.88，说明弹性模量的响应面模型显著且具有较高的拟合精度，回归有效，模型可用。得到的响应面方程为：

表6为白萝卜弹性模量的响应面因子效应检验，3个因子的显著性P值分别为0.000 1、0.348 2、0.001 7，按P值排序得到3个因子对弹性模量影响的显著性，其中脉冲强度影响最大，脉冲个数次之，作用时间影响最小。

3 讨论与结论

（1）利用中心组合正交旋转设计试验，获得了脉冲强度、作用时间和脉冲个数对白萝卜屈服极限和弹性模量的方差分析模型，得出高压脉冲电场预处理参数对弹性模量有显著性影响。

（2）预处理结果和对照组相比，白萝卜试样的屈服极限值变化不大，弹性模量值有明显的降低。

（3）利用SAS软件获得了白萝卜弹性模量的响应模型，模型的显著性P值达0.000 1，决定系数为0.88，模型极其显著。因子效应检验得出，脉冲强度和脉冲个数对试样弹性模量效应显著，作用时间效应不显著。

通过研究高压脉冲电场预处理对白萝卜屈服极限和弹性模量特性的影响，能够帮助认识高压脉冲电场作用机理及不同预处理参数对果蔬品质的影响关系。

［1］黄小丽，杨薇.脉冲电场预处理胡萝卜片微波干燥试验［J］.农业工程学报，2010（2）：325－330.

［2］刘振宇，郭玉明，崔清亮.高压矩形脉冲电场对果蔬干燥速率的影响［J］.农机化研究，2010（5）：146－151.

［3］陈梅英，高明才，龚雪梅，陈锦权，陈艺勤.高压脉冲杀菌集成冷冻浓缩加工果汁的工艺［J］.农业工程学报，2009（3）：237－241.

［4］杜存臣，颜惠庚，林慧珠.高压脉冲电场杀菌装置的设计优化研究进展［J］.食品科技，2009（5）：123－128.

［5］Barsotti，L.，Dumay E，Mu T H，et al.Effects of high voltage electric pulses on protein－based food constituents and structures［J］.Trends in Food Science ＆ Technology，2001，12（3－4）：136－144.

［6］Parniakov，O.，et al.Impact of pulsed electric fields and high voltage electrical discharges on extraction of high－added value compounds from papayapeels［C］.Food Research International 65，2014，C（0）：337－343

［7］刘振宇，郭玉明.应用BP神经网络预测高压脉冲电场对果蔬干燥速率的影响［J］.农业工程学报，2009（2）：235－239.

［8］武新慧，郭玉明.高压脉冲电场对马铃薯压缩力学性质及变形过程影响［J］.农业机械学报，2013（S2）：181－185.

［9］郭玉明，吴亚丽，王颖，等.高压脉冲电场预处理对果蔬物性的影响［C］.2010年中国农业工程学会农产品加工及贮藏工程分会学术年会暨华南地区农产品加工产学研研讨会论文摘要集.2010：1.

［10］吴亚丽，郭玉明.高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响［J］.农业工程学报，2009，25（11）：336－340.

［11］陈杰，刘洋，周志成，等.高压脉冲电场处理过程中样品特性对处理室电气击穿规律的影响［J］.高电压技术，2015（1）：268－274.