高压脉冲电场技术对液体食品品质的影响研究进展

郑人伟，肖洪，刘士健，*，杨秦，王锦云，叶扬

（1.西南大学食品科学学院/重庆市农产品加工重点实验室，重庆400715；2.北京正博和源科技有限公司，北京102400；3.北京正博和源科技有限公司重庆分公司，重庆400716）

高压脉冲电场技术对液体食品品质的影响研究进展

郑人伟1，肖洪2，3，刘士健1，*，杨秦1，王锦云1，叶扬1

（1.西南大学食品科学学院/重庆市农产品加工重点实验室，重庆400715；2.北京正博和源科技有限公司，北京102400；3.北京正博和源科技有限公司重庆分公司，重庆400716）

高压脉冲电场技术是国际上最为先进的食品非热加工技术之一，具有效率高、处理温度低、对食品的色泽，风味和营养成分保存效果好、能耗低等一系列优点。文章介绍高压脉冲电场技术的杀菌机理，影响其杀菌效果的主要因素，对液体食品品质的影响以及对高压脉冲电场技术应用前景的展望。

高压脉冲电场；液体食品；食品品质

随着人们生活水平的不断提高，由于现在食品工业上传统的热杀菌技术如蒸煮，高温高压，巴氏灭菌等技术对食品的营养成分和感官性状的不良影响较大，越来越难以满足人们对食品质量的要求。非热加工技术能在保证食品安全的同时更大限度地维持食品的新鲜度，降低杀菌过程对食品感官品质的影响，因而近年来国际食品加工界掀起了研究非热加工技术在食品工业上应用的热潮。

高压脉冲电场（High voltage pulsed electric fields，HPEF）技术是目前世界上最具有工业化应用前景的非热加工技术之一，具有低能耗、杀菌彻底、处理快速、无辐射污染、对食品的感官性状和营养成分影响较小等特点，但HPEF设备造价高昂，且目前技术应用不十分成熟，另一方面，由于HPEF对冷鲜肉类的整体杀菌效果仍存在争议和食品处理的可操作性和安全性等问题，当前对HPEF的研究应用主要集中于液体食品加工上，不仅在液体食品的杀菌，钝酶应用方面进行了研究，同时在提高果汁的出汁率，酒类催陈[1]，农药残留降解[2]等方面取得了一系列的研究成果。目前发达国家对HPEF装置设备的研究已经可以建立起准工业化生产线。本文对HPEF的杀菌机理，影响其杀菌效果的主要因素以及对液体食品品质的影响作一概述，并对HPEF的应用前景作出展望。

1 HPEF的杀菌机理

至今为止，国内外已经对HPEF加工机理进行了近50年的研究，对于HPEF杀菌机理的假说主要有电崩解理论、电穿孔理论、臭氧效应、电解产物效应和粘弹极性形成模型等，其中电崩解理论和电穿孔理论最为广大学者所接受，并且在主要应用于食品杀菌的同时，还在胞内物质提取，提高果汁出汁率等方面有所应用[3-4]。

1.1 电崩解理论

微生物的细胞可以看作是一个注满电介质的电容器，外加电场可以使细胞膜上的跨膜电位差增大，随着电场的增强，此电位差也会增大，导致细胞膜厚度减小，而在达到临界崩解电位差时，细胞膜就会开始破裂穿孔，而在电位差作用下的小范围的细胞膜破裂是可逆的。如果作用时间过长，会导致细胞膜大面积不可逆破裂而致死微生物细胞[5]。也有研究认为细胞膜的电崩解导致的细胞膜破裂是造成膜穿孔的基础[6]。

1.2 电穿孔理论

HPEF作用于微生物细胞膜会改变脂肪分子的结构，增大部分蛋白质通道的开度，并使细胞膜收缩形成小孔，HPEF所产生的电穿孔效应具有累积效应，并且随着电场强度和脉冲宽度的增加而增加，可使细胞膜形成大量小孔，破坏细胞膜的半透膜性质，进而小分子物质进入细胞，胞内物质外流，导致微生物死亡，起到杀菌作用[7]。

1.3 臭氧效应

HPEF作用下液体介质会电解产生臭氧，而臭氧能有效杀灭食品中的微生物。该理论有其独到之处，但不够完善，不被大多数学者所接受[8]。

1.4 电解产物效应

HPEF处理装置电极附近介质中的电解质会发生电离，产生活跃的阴阳离子，这些离子会与细胞内的蛋白质、核酸等结合，导致细胞内生命物质变性[9]。

1.5 粘弹极性形成模型

在强烈电场作用下，微生物的细胞膜会发生剧烈振荡，同时介质中会产生等离子体并且等离子体会急剧膨胀，产生剧烈的冲击波，冲击波超过细胞膜的弹性极限而使微生物细胞破碎[10]。

2 影响HPEF杀菌效果的主要因素

2.1 微生物的特性

微生物的特性主要指微生物的种类，细胞面积、形状和生长周期。不同种类的微生物对HPEF处理的敏感性一般不同，所以针对不同的微生物处理的条件也不同；微生物细胞面积、形状决定了如细胞膜临界电崩解电位差等参数，是影响微生物对HPEF敏感性的微观表现；处于不同生长周期的微生物细胞对HPEF的抗性不同，故而对HPEF的处理效果有重要影响[11]。

2.2 食品的特性

食品的特性主要包括液体食品的电导率，水分活度，pH值和处理介质的成分。其中液体食品的电导率影响HPEF的处理强度，而水分活度，pH和处理介质的成分主要决定了微生物的生长环境，影响了微生物细胞对HPEF处理的抗性[11]。

2.3 处理技术参数

电场强度，处理时间，脉冲波形、宽度、频率和能量，处理温度等是HPEF杀菌系统的技术参数。其中电场强度和处理时间是影响HPEF杀菌效果的关键因素，随着电场强度的增加和作用时间的增长，杀菌效果明显增强[12-13]。而选择合适的脉冲参数能获得更好的杀菌效果，同时其他工艺条件相同的条件下，杀菌效果随温度升高而升高[14]。HPEF的各项工艺参数不仅对杀菌效果有巨大影响，还影响着食品加工的成本。

2.4 与其他技术结合应用

HPEF可以与其他技术结合使用以获得更好的杀菌效果。如采用HPEF与脉冲强光（High intensity light pulses，HILP）杀菌技术相结合处理苹果汁，最多可以使微生物总数降低6.22个对数，杀菌效果较两种技术单独使用更好，且HPEF与HILP结合处理果汁能保持果汁的色泽，较好地保留果汁中的花青素[15-16]。将HPEF技术与冷冻浓缩技术相结合的HPEF集成冷冻浓缩技术能提供低温环境，抑制HPEF处理后存在的亚致死微生物，同时避免HPEF处理过程中的产热对食品造成的影响[17]。

将不同的食品加工技术相结合可以弥补各自的不足，将HPEF与不同的食品加工技术相结合，能够优化HPEF处理的效果，使HPEF在食品加工领域的应用更进一步。

3 HPEF处理对液体食品品质的影响

3.1 HPEF处理对微生物的影响

目前研究者们对HPEF已经进行了比较深入的研究，尤其是对杀菌的应用研究，研究发现HPEF对大肠杆菌的致死作用是由于HPEF对微生物细胞的损伤积累所致，即HPEF处理后会对细胞造成亚致死性损伤，这也与电崩解理论中微生物细胞膜的可逆性破裂相印证，实验表明，HPEF处理可有效杀灭果蔬汁，牛奶和茶饮料中的多种微生物[18]。

研究HPEF对梨汁的杀菌效果发现，在一定条件下（200 Hz，30 kV/cm，10℃）处理时，梨汁中大肠杆菌和酿酒酵母总数分别下降了4.6、2.7个数量级，而在其它工艺条件一样时，提高温度协同处理（10℃上升到40℃）能使微生物的致死率提高1.0到2.0个数量级[19]。用HPEF处理蓝莓汁，当工艺参数为（30 kV/cm，60 μs）时，蓝莓汁中的灭菌率在99%以上[20]。丁宏伟等[21]在进行HPEF对牛奶的杀菌实验时发现，影响HPEF处理对牛奶杀菌效果的因素按相关性从大到小依次为电场强度，温度和脉冲数，且杀菌效果与这三个因素均呈正相关。应用HPEF处理对普洱茶进行杀菌时发现HPEF对霉菌的杀灭效果最差，具有良好的灭活选择性[22]。采用HPEF处理草莓汁中的亚损伤细胞时，草莓汁中大肠杆菌受处理条件的影响较大，在（25 kV/cm，200 μs，10℃）的处理条件下，大肠杆菌亚致死对数值最高达到1.339，但酿酒酵母亚致死对数均低于0.4，亚致死细胞产生数目较大肠杆菌少[23]。HPEF用于石榴汁杀菌，在相同的工艺条件下，不同微生物对HPEF处理的敏感程度从大到小依次为大肠杆菌、酵母菌、霉菌，当工艺条件为（35 kV/cm，100 Hz，200 μs，温度≤18℃）时，大肠杆菌、酵母菌与霉菌总数分别下降3.62、2.34和0.74个数量级；而将频率提高至333 Hz时，霉菌总数下降1.82个数量[24]。由此可见，HPEF处理对液体食品中的主要微生物如大肠杆菌和酿酒酵母等有较好的杀灭效果，且可以通过优化工艺参数，在保证食品质量的同时获得更好的杀菌效果。

3.2 HPEF处理的钝酶作用

食品中的酶尤其是果蔬中的酶对食品的贮藏属性有重要影响，酶促褐变就是影响食品质量的一个重要酶促反应。HPEF处理可以使食品中的大多数酶钝化，目前研究者已经对HPEF钝化酶的机理以及HPEF处理对酶结构的影响进行了深入的研究。

应用HPEF对鲜榨胡萝卜汁品质影响实验时发现，在一定条件下（40 kV/cm，800 μs）处理后，鲜榨胡萝卜汁中POD和LOX的相对酶活性分别降至46.97%和23.22%，与经过巴氏杀菌的数值相近，但后者处理过的胡萝卜汁品质明显降低[25]。经HPEF处理后的苹果汁，其POD和PPO活性均会下降，且随着场强的增加，酶活性下降越显著，直到场强达到35 kV/cm，脉冲上升时间为2 μs时，POD和PPO完全失活[26]。用HPEF处理西瓜汁，发现西瓜汁中POD，PME和PG均发生钝化[27]；同样，HPEF处理对番茄汁中的POD酶也有钝化作用[28]。更为深入的研究表明HPEF处理会使酶分子的二级和三级结构发生改变，场强为22 kV/cm时HPEF处理700 μs～800 μs可以改变牛乳中碱性磷酸酶的三级结构，使其蛋白质分子展开和疏水基团外露[29]。经HPEF处理后，果胶酶酶活性显著降低，而通过荧光光谱分析发现果胶酶荧光强度增强，表明HPEF处理可能引起果胶酶三级结构破坏，改变酶构象，使酶失去活性[30]。当场强为24 kV/cm，作用时间为320 μs处理时时，PPO活性降低69%，当作用时间为962 μs时，LOX活性降低88%，且通过圆二色谱分析二者的结构，发现二者的二级结构均发生了改变[31]。HPEF对PG的活性影响时得知经过HPEF处理，PG酶二级结构改变，α折叠结构减少，当处理条件作用达到一定强度时，PG酶蛋白凝聚，酶失活[32]。因此上述研究表明，HPEF可以钝化果蔬汁中PE，PPO，POD，LOX等多种酶活性，推测可能是HPEF处理通过破坏酶的空间结构来使酶活性降低或失去活性，以达到延缓食品的腐败变质，保持食品的感官品质，延长货架期的效果。

3.3 HPEF处理对液体食品营养物质的影响

3.3.1 对蛋白质成分的影响

HPEF处理对食品中营养成分的损害较其他热处理方式较小，但对蛋白质成分仍有一定影响，因为HPEF处理会改变蛋白质的结构和功能，同时使游离氨基酸的含量上升，但从蛋白质变性比例上来看对蛋白质的整体影响仍不显著。

HPEF处理破坏蛋白质结构的机理不难理解，在有外加电场的情况下，蛋白质分子内部的带电基团会受到电场力的作用，从而破坏蛋白质基团间的静电平衡和带电基团的定位，使蛋白质的二级和三级结构受到破坏，同时电场的作用也会破坏食品中蛋白质之外的其他带电成分的原有分布，对蛋白质造成影响。进行HPEF对牛奶杀菌试验时可知，一组处理条件为场强70 kV/cm，脉冲数10，70℃下处理70 s；另一组为70℃下处理70 s，未经电场处理，两组处理过的牛奶蛋白质变性程度分别为4.9%和4.6%，即经HPEF处理的一组比较对照组，蛋白质变性程度增加了0.3%[21]。同样用HPEF处理牛奶，在使微生物总数减少5.3个数量级的作用强度下，HPEF对牛奶免疫球蛋白的活性和结构的影响不显著[33]。探究HPEF对乳铁蛋白结合铁能力的影响试验表明，乳铁蛋白的铁结合能力大体随电场强度、处理时间和脉冲宽度增加而降低，但在一定的处理参数下，乳铁蛋白与铁的结合能力达到对照样的3.8倍，即HPEF处理会对生物活性蛋白的功能性质产生正面或负面的影响，选择合适的工艺参数，有望提高其生物活性[34]。由此可见，HPEF处理对蛋白质有一定影响，但不显著，且可以通过改变处理条件或者与其他处理方式协同作用，在达到预期处理效果的前提下减少对蛋白质的影响，而且HPEF处理对某些蛋白质功能性质的影响具有双面性，有望据此开发出HPEF新的应用方向。

3.3.2 对脂质组分的影响

HPEF处理对食品中脂质影响的作用机理比较特殊，因为HPEF处理过程中会发生电极的电化学腐蚀，在HPEF处理食品的过程中，少量的铁、铬、镍等金属会从电极释放到食品中，这决定了食品会在处理过程中发生电化学反应，产生自由基、活性氧等从而引发脂质等的氧化，生成复杂的氧化产物[35-36]。因此，HPEF处理过程中脂质发生的变化开始受到研究者的关注

HPEF处理过程中脂质的变化主要包括脂肪酸和油脂等的变化。Garde-Cerdán等[37]发现HPEF处理会引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少，其中月桂酸的变化最为为明显。HPEF处理后苹果脂肪含量降低，推测是由于细胞膜破裂导致膜渗漏，膜脂质过氧化加快，脂质含量降低[38]。HPEF处理花生油会导致一定程度的脂质氧化，过氧化值升高以及不饱和脂肪酸含量下降，但经电场处理的花生油较未经电场处理的对照样在贮藏期间累积的酸败产物少，脂肪酸成分变化小，且只有处理电场强度大于50 kV/cm时，才会使油脂的品质发生明显下降[39]。HPEF处理对油酸发现，油酸的过氧化值随着HPEF处理强度和贮藏时间的增加显著增大，HPEF处理后，油脂酸价变化不明显，羰基值在一周后迅速升高，碘价在贮藏2 d后有下降趋势，总体表明HPEF处理对油酸的氧化进程产生了影响[40]。HPEF处理对食品油脂组分的影响比较复杂，不同于油脂的正常氧化进程，对油脂的品质影响无法一言而断好坏，还有待研究者进行更多的研究和探讨。

3.3.3 对其他营养组分的影响

当前关于HPEF处理对碳水化合物的影响的研究较少。经HPEF处理的苹果碳水化合物含量较未处理的苹果高，推测是HPEF处理使细胞的呼吸氧化进程和葡萄糖氧化酶活性受到抑制[38]。HPEF处理对葡萄汁中的还原糖含量几乎无影响[37]。使用场强为25 kV/cm HPEF处理脱脂牛乳时，结果显示牛乳中乳糖含量未发生明显变化[41]。也有研究表明HPEF处理过的玉米淀粉分子结构发生改变和重排，更容易发生糊化[42]。可见HPEF处理对碳水化合物没有明显的不良影响。

也有研究表明，HPEF处理后食品中VC仅有少量损失，且能延缓食品中VC的降解，提高贮藏期间类胡萝卜素和黄酮类物质含量[20，43-45]。Elez-Martínez等[43]发现场强35 kV/cm HPEF处理后橙汁中VC的保留率在87%以上；在通过HPEF处理牛乳和橙汁时发现场强为40 kV/cm HPEF处理后样品中的维生素可保留90%以上[44]；HPEF对胡萝卜汁品质的影响时，发现当场强为11.11 kV/cm进行处理时时，VC保留率高达97.8%[45]；而经HPEF处理的蓝莓汁在4℃下贮藏30天后，花青素和VC的保留率均在80%以上[20]。因此可见HPEF处理不会对液体食品中的活性成分造成显著影响，且有利于活性成分在贮藏期间的保留率。

3.4 HPEF处理对液体食品风味成分的影响

目前国内外对HPEF的研究发现，HPEF处理食品不仅能有效保持食品的营养成分和感官性质，甚至对某些食品的风味有积极作用，现在对HPEF酒类催陈的作用已有一定的研究。

对比鲜牛乳、UHT灭菌乳和HPEF处理乳（35 kV/ cm，400 μs，200 Hz），得知HPEF处理较UHT处理对牛乳中风味物质影响较小，同时产生更少的与蒸煮味相关的含硫化合物[46]。对梨汁的杀菌时发现与传统热处理相比，HPEF处理对梨汁中风味物质影响较小[19]。在场强35 kV/cm，750 μs的条件下处理橙汁，橙汁中类胡萝卜素和黄酮类物质有所提高，总酸含量变化不大[47]。HPEF集成冷冻浓缩比真空蒸发浓缩更能保留茶汤的香气成分[48]。用HPEF处理葡萄酒时发现，葡萄酒中的杂醇油含量下降，总酸、总酯和苯乙醇的含量上升，原花色素的变化趋势基本符合自然陈酿的效果，整体来说陈香明显增加[1，49]。白酒经HPEF处理后，总醇总酸含量都有所增加，陈香更加明显，辛辣味减少，口感绵软，贮存一年的白酒经HPEF处理后可达到与陈酿6年白酒相近的效果[50]。以上研究均表明，HPEF处理对食品的风味物质基本无影响，而且在酒类催陈方面有着较为广阔的应用前景，同时也需要进行更多的实验探究。

3.5 HPEF处理对食品安全性的影响

3.5.1 HPEF处理降解农药残留的作用

当前农药残留已经成为世界范围内危及食品安全的难题之一，由于农作物病害和虫害抗药性增强超过了新型农药的研发速度，农药的过量使用已然不可避免。使用HPEF处理苹果汁，发现PEF处理能显著降解苹果汁中残留的甲胺磷和毒死蜱，并且降解作用与电场强度和脉冲数呈正相关[2]。用HPEF对红葡萄酒中有机磷农药残留的降解作用时表明，HPEF处理对敌敌畏有一定降解作用[51]。经HPEF处理后，豆浆中甲胺磷、甲拌磷、乐果，二嗪磷、马拉硫磷和毒死蜱均有不同程度的降解[11]。目前的研究结果虽然证实了HPEF处理对农药残留有一定降解作用，但对于具体的降解机制，最佳降解条件和降解动态等内容仍需进一步的研究。

3.5.2 减少食品添加剂的使用

HPEF处理食品能减少食品添加剂的使用，一方面是通过保持食品的色泽而减少护色剂和保鲜剂等的使用，主要是应用在绿色蔬菜的护色保鲜，一定强度的HPEF处理添加了75 mg/kg葡萄糖酸锌的新鲜菠菜汁，可使菠菜汁较长时间保持绿色；另一方面HPEF处理食品能对食品的风味有一定影响，如使蛋白质降解为氨基酸增加鲜味，对于酒类的催陈也表明HPEF对食品风味有特殊作用[52]；此外，通过HPEF处理高蛋白的液态食品，可避免蛋白质沉淀的产生，如应用HPEF进行过一定处理的酱油可放置6个月无沉淀产生[53]。因此通过HPEF对某些食品进行处理，可减少或避免食品中相关食品添加剂的使用。

4 展望

目前，国内外的研究者们已经对HPEF在食品加工方面的应用进行广泛的研究，一些发达国家已经开始实现HPEF技术应用向工业化的过渡，但HPEF处理对食品造成的影响仍有不明确的地方，如HPEF处理对脂肪酸和油脂的影响研究还不够精确，食品成分是否会在HPEF处理会产生新的有害物质，HPEF处理是否会对遗传物质造成改变也尚不明确，同时加工过程中由于电极腐蚀造成食品污染的问题也需要得到解决，这些问题都是限制HPEF技术进一步发展的关键。

虽然现在HPEF技术尚未成熟，但可以预见其在食品加工应用方面的广阔前景。无论是杀菌钝酶还是酒类催陈和农药残留降解，都是HPEF技术极具潜力的应用领域。在国内外研究者们的共同努力之下，相信实现HPEF的工业化应用为时不远。

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Effect of High Voltage Pulsed Electric Field on the Quality of Liquid Food

ZHENG Ren-wei1，XIAO Hong2，3，LIU Shi-jian1，*，YANG Qin1，WANG Jin-yun1，YE Yang1
（1.Chongqing Key Lab of Agricultural Product Processing/College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Beijing Zhengboheyuan Technology Co.，Ltd.，Beijing 102400，China；3.Beijing Zhengboheyuan Technology Co.，Ltd.Chongqing Branch，Chongqing 400716，China）

High voltage pulse electric field is one of the most advanced nonthermal food technologies，with a series of attractive advantages：high efficiency，low treatment temperature，good preservation effect for the color，flavor and nutrients of original food and low energy consumption.Sterilization mechanism of high voltage pulsed electric field，the main factors affecting its bactericidal effect and the influence on the liquid food quality have been introduced in this paper，and its application prospect on food quality has been also summarized.

high voltage pulse electric field；liquid food；food quality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.048

2016-08-20

郑人伟（1993—），男（汉），本科，食品质量与安全专业。

*通信作者：刘士健（1977—），男，讲师，博士，研究方向：畜产品科学。