脉冲电场技术在食品工业上的应用进展

熊强，董智勤，朱芳州

（南京工业大学食品与轻工学院，江苏 南京 211800）

随着新鲜、营养、健康的观念深入人心，消费者对食品营养与安全的要求越来越高，这种需求也推动了新兴绿色环保型食品加工技术的发展。目前，在食品工业上所广泛使用的传统热加工和化学处理技术，如热杀菌、热风干燥、化学萃取等，往往存在效率低、运行成本高、环境不友好等弊端[1]，较高的处理温度也限制了其在温度敏感型食品加工中的应用，常导致食品感官质量和营养发生不良改变。在此背景之下脉冲电场技术（pulsed electric field，PEF）应运而生，作为一种新型非热食品加工技术，PEF技术可以在处理过程中保持较低的温度，对食品的色、香、味以及营养成分影响小，已经成为目前研究开发的重点[2]。

电场技术在食品行业的应用可以追溯到 20世纪20年代末对奶制品的杀菌处理，20世纪50年代开始利用高压脉冲放电杀菌，上世纪90年代以来，随着对PEF技术理论研究的深入，脉冲电场技术逐渐成为全球非热加工领域备受关注的技术之一。与其他食品加工技术相比，PEF技术作为一种新兴的物理加工技术，其主要优点在于效率高、能耗小、副产物少，对环境无污染且在加工过程中食品温度没有明显变化，对物料风味特征进行充分保护，因此，该方法几乎可以应用于任何对温度敏感的食物基质，例如水果和蔬菜。目前，脉冲电场技术已被证实在食品保鲜[3]、辅助发酵[4]、辅助提取[5]、辅助干燥[6]、辅助冷冻、解冻[7]以及抑制酶活[8]等领域具有可观的效果。本文对PEF的原理、应用机制和在食品工业上的应用进行了详细介绍，并对其未来在食品行业的发展与推广进行了展望。

1 脉冲电场技术概述

脉冲电场（PEF）是一种将短脉冲电施加于两个电极之间的电场技术，其脉宽往往在几纳秒到几毫秒之间，电场强度一般为0.1～100 kV[9]。PEF处理系统主要由五个部分组成如图1所示：1）高压电源；2）用于能量存储和放电的电容器组；3）提供给定电压，波形和脉宽的脉冲发生器；4）用于设置和监控条件的控制系统；5）至少配备放电电极和接地电极两个电极的处理室，根据被处理样品的状态（固体、半固体、液体、半液体），可分为批量处理室和连续处理室[10]。脉冲电场的电极结构通常遵循平面、同轴和轴向几何的原则。脉冲波形一般有方波、指数衰减波以及钟形波，其中方波和指数衰减波在实际应用中较为常见[11]。方波是通过一系列输送电线模拟的电感电容产生，而指数衰减波由简单的电容充放电产生，相较而言，平方波的脉冲发生电路价格较昂贵，但方波比指数衰减波具有更高的能量和使细胞失活的效果。根据脉冲波极性的不同通常可分为单极脉冲和双极脉冲两种典型，单极脉冲是一组正波或负波，而双极脉冲是一组由一个正波和一个负波组成的脉冲对，与单极脉冲相比，双极脉冲对细胞膜的通透性更有效。

电场强度、脉冲数、处理时间、脉冲波形、处理温度和能量密度是影响脉冲电场处理效果重要的参数[12-13]。应用于食品工业的脉冲电场其电场强度一般为0.1～80 kV/cm，可以通过改变电源输出电压、电极间的间隙以及电极的形状得到较优的脉冲处理方案。S.H O[14]等指出圆盘形、圆形边缘的电极有助于将电场强度最小化，并降低流体食物的介电击穿的可能性。针状电极则被认为更容易产生电晕放电、介电阻挡放电和表面放电[15]。

尽管电场技术通常被认为是一种非热加工技术，但在产生脉冲电场时依然不可避免地会产生一定程度的欧姆热[16]，然而这一热能的产生往往是可控的，Fiala等[17]对基于脉冲电场的电-液耦合模型进行了数值模拟，结果发现了幅值小于20 ℃的温度上升，类似结果在Gerlach等[18]的研究中被发现，而在较快的脉冲电场处理中这一欧姆热甚至难以被捕捉到。

2 脉冲电场应用机制概述

脉冲电场的应用机制仍在不断的探索中，关于PEF在杀菌以及传热、传质方面存在很多种假说机制，包括细胞膜的电穿孔效应、电崩溃模型、电磁机制理论、粘弹性模型、电解产物理论、臭氧效应、电流体（电晕风）效应等[19]。本文主要论述了其中四种较为公认的机制：一是生物细胞膜的电穿孔效应；二是电晕放电产生电流体；三是PEF激发形成等离子体；四是PEF处理下电极表面发生电化学反应和自由基激活。

2.1 电穿孔效应

“电穿孔效应”被认为是PEF处理导致微生物细胞失活的关键因素，同时在优化冰鲜食品冷冻工序、辅助萃取功效成分等方面发挥了重要作用。穿孔的形成主要可分为以下四个步骤：1）通过施加的外部电场产生跨膜电位差；2）在跨膜电位差产生后膜形成结构不稳定的亲水性小孔；3）在持续的电场处理过程中小孔逐渐变大，数量逐渐增加；4）细胞内化合物（核酸、功效成分等）经穿孔泄漏[20]。穿孔的形成要求细胞膜内外存在足够的电位差，Weaver等[21]指出形成穿孔所需的跨膜电位通常为0.5～1.5 V，这就要求电场必须达到一定的临界电场强度（如图2）[10]。实现电穿孔所需的电场强度取决于几个因素，如食品的固有性质（固态、液态，粘弹性，及介电特性）、电场处理参数（温度、脉冲处理时间、脉宽和脉冲数）、细胞属性（类型、大小、形状）和膜特性（离子强度、厚度和结构）等[20]。在低PEF强度下，电穿孔通常是可逆的，可逆穿孔往往在电场消失后自主恢复，而要形成不可逆穿孔则需要更高强度的PEF。不同的细胞形成不可逆穿孔所需的电场强度也不同，植物组织细胞形成不可逆穿孔大概需要 0.7～3 kV/cm，动物细胞大概需要 1～10 kV/cm，微生物细胞则需要10～40 kV/cm[9]。

2.2 电流体（Electrohydrodynamic，EHD）

在高输入电压条件下，小曲率半径的电极尖端可以形成非均匀PEF，从而在放电电极与地电极之间的气隙内实现电晕放电[22]。当发生电晕放电时，放电电极周围产生电场感应流或电流体（EHD），这是通过将动量从高速漂移离子转移到周围空气分子而产生的，当这一动量在气隙内积累到一定程度时便会引发“电子雪崩”，并将电子以“电晕风”的形式投射至位于接地电极的物料表面，这一过程依赖于电晕漂移区电场、离子和气体分子之间的相互作用（如图3）[23]。当电晕风到达物料表面时会增强物料传质与传热，从而达到促进干燥，加快冷冻与解冻的效果[24]。EHD的特点在于可以通过改变施加电压实现对传热和传质的快捷控制，且适用于不同的环境空间，虽然 EHD理论上可以实现双相介质传质与传热性能的改变，但目前对于EHD的探索仍主要以单相介质为讨论对象[25]。

2.3 等离子体（Plasma）

高强度的PEF可以激发产生等离子体（Plasma），等离子体由中性或亚中性电离气体形成，气体在高强度的能量场（高压脉冲电场）中发生解离，被电离的气体可以是空气、O2、N2或包含一定比例的稀有气体（Ar，He或Ne）的混合物，电离可在大气压和接近环境温度的条件下产生。虽然高压电场是最常见的激发场，但实际上光、热、辐射都可以对气体产生电离。这些电离气体包括光子、自由电子、正负离子、处于基态或激发态的原子以及多种自由基，这些粒子结合起来具有灭活食品表面微生物的能力[26]。利用等离子体的有效处理时间约为3～300 s，食品的质构和化学组成、微生物种类、处理介质、细胞数量和生理状态、气体成分和气流量等是影响低温等离子体处理效果及处理时间的主要因素[27]。各种研究表明，等离子体对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌、酵母菌和真菌以及通常很难灭活的孢子具有良好的抗菌活性[28]。

2.4 电化学反应与自由基激活假说

在PEF处理过程中食品组分中生物大分子结构的改变通常可以用电化学反应与自由基激活假说解释[29，30]。电极表面发生的电化学反应导致正负电极周围发生部分电解。当电极间介质存在水分子时，电解会产生H+和OH-，电解氧分子则会产生活性氧（ROS），包括超氧阴离子（O2-）、单线态氧（1O2）、过氧化基团（H2O2）和臭氧（O3），进一步暴露于PEF将促进H2O2与O3进行反应生成羟自由基（·OH），当电极间介质为空气时，将电解产生N2+、O2+、N+、O+和O2-离子[23]。带电粒子如离子、蛋白质大分子和其他聚电解质会沿电场方向发生迁移，从而导致局部pH发生改变、引起生物大分子内部发生静电吸附，并引发大分子的构象变化[31]。O3被认为在杀菌和食品防腐领域是具有积极意义的，但值得注意的是O3、ROS和其他自由基的存在也会引起食品组分中蛋白质的变性、脂质氧化以及青花素类物质的降解[10，32]。通过缩短 PEF处理时间或选择双极脉冲与短脉冲模式可以减少电化学反应的发生，直流电产生的电化学反应往往比PEF更弱[33]。

3 脉冲电场在食品工业中的应用

脉冲电场在食品工业中的应用范围随着对其机制的不断深入了解而逐渐扩大，目前其应用主要集中在食品保鲜，辅助干燥，冷冻、解冻，提取等方面，同时PEF技术与其他技术的联合处理方法在食品工业上也不断的出现应用创新。在食品工业中，PEF技术可有效的提高食品质量与食品的安全性，为食品行业的发展开辟了新途径。

3.1 食品保鲜

PEF有潜力作为其他传统食品保鲜技术的替代品，在过去的几年里，一些研究已经证明了PEF处理可以获得安全且货架期稳定的液体食品[13]。2006年美国建立了第一个商业化应用的PEF系统用于果汁的保鲜，欧洲在2010年建立了应用PEF保鲜技术的果汁生产线[12]。目前PEF技术已被证实在牛奶[34]、脱水果干[35]、果蔬汁[36]、鲜果奶昔[37]等食品的保鲜中表现出积极影响。引起食品腐败变质的因素很多，如微生物的增殖、食品内源酶的作用、食品组分的氧化酸败等，PEF对食品的保鲜作用主要体现在其对微生物的杀伤效应以及酶活的抑制。

3.1.1 微生物灭活

一般来说，脉冲电场强度和脉冲数是影响灭菌效果最主要的因素。随着电场强度的增加，微生物的存活率迅速下降；而在相同的电场强度下，所施加的脉冲数越多杀菌效果越好。不同微生物对PEF的耐受性不同，革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌对高压脉冲电场更为敏感，无芽孢的细菌较有芽孢的细菌更容易被杀灭，而且体积越大的微生物对PEF越敏感[38]。研究结果显示，PEF处理对Escherichia coli，Staphylococcus aureus，Pseudomonas fluorescens，Salmonella Enteritidis，Listeria monocytogenes，Saccharomyces cerevisiae等均有明显的杀伤与抑制效果[39]。Cregenzán-Alberti等[40]讨论了 PEF处理对牛奶中E.coli，S.aureus，P.fluorescens的抑菌效果，结果发现在 32.5 ℃下 40 kV/cm 处理E.coli，S.aureus89 μs，42.5 kV/cm处理P.fluorescens106 μs可分别导致约5.0 log CFU/mL的菌活下降。Tao等[41]的研究发现，在 35 kV/cm脉冲电场下处理90 s，酵母菌（S.cerevisiae）和大肠杆菌（E.coli）的数量分别减少了5.30和5.15个数量级。Delsart等[42]对比了脉冲电场处理（PEF）和高压放电（HVED）对葡萄酒的灭菌效果，结果发现HVED在40 kV电压下处理10 ms效果仍不如20 kV/cm PEF处理4 ms，后者足以灭活葡萄酒中的所有O.oeni，P.parvulus，B.bruxellensis，而对葡萄酒的成分没有负面影响。李霜等[43]探究了PEF对调理牛肉的杀菌效果，结果表明调理牛肉的PEF最佳处理参数为：脉冲频率30.5 kHz、占空比2.3%、处理时间7 min、电场强度45 kV/cm，此条件下PEF对调理牛肉中微生物致死率达到了87.33%，调理牛肉的货架期延长了2 d，且其感官品质无显著降低。

表1 高压脉冲电场技术在微生物灭活中的应用汇总Table 1 Summary of the application of high-voltage pulsed electric field technology in microbial inactivation

表2 高压脉冲电场技术在抑制酶活中的应用汇总Table 2 Summary of the application of high-voltage pulsed electric field technology in enzyme inactivation

PEF技术还可以与超声等方法协同使用，以提高灭菌效果延长食品货架期。Manzoor等[44]分析了超声处理（US）和脉冲电场（PEF）技术耦合效果，以提高菠菜汁的质量和微生物安全性，与单独使用US或PEF的处理相比，联合（US-PEF）后的菠菜汁具有更高的矿物质和总游离氨基酸含量，同时US-PEF处理显着降低了菠菜汁的总菌数（3.83至 1.97 log CFU/mL），菠菜汁中的大肠菌群数从1.90 log CFU/mL下降至0.75 log CFU/mL，酵母菌和霉菌从 4.23 log CFU/mL下降至2.22 log CFU/mL）。Akdemir等人[45]研究了PEF、US和O3对酸樱桃汁的联合处理，并对电场条件进行了优化，结果表明24.7 kV/cm PEF持续655 μs结合 US（35 kHz 处理 3 min）和 O3（20.2 g/m3）能够较优地实现农残消除和微生物灭活，在此条件下微生物灭活效果按以下顺序排列：P.expansum（4.38 log CFU/mL）＞P.syringae（3.61 log CFU/mL）＞E.coli O157:H7（3.53 log CFU/mL）＞B.cereus（1.94 log CFU/mL）。

3.1.2 抑制酶活

酶的本质是一种具有生物活性与催化效率的蛋白质，大多数酶可视为球状结构，其活性位点埋在蛋白质分子的疏水性中心部位，其往往存在金属离子作为辅因子使酶发挥催化功能，氢键、非共价相互作用以及巯基和二硫键是稳固酶的二级与三级结构的主要分子间作用力。当暴露于PEF中时，在电场力的牵引下，酶二级结构、三级结构被破坏，蛋白质大分子展开并发生偏移和旋转，分子与分子间发生团聚，酶的构象发生改变，催化位点失效[48，49]。Bi等[50]研究了 25、30、35 kV/cm的PEF处理对苹果汁酶活性、维生素C、总酚、抗氧化能力、色泽等性质的影响，上升沿为0.2 μs和 2 μs，结果发现 PEF处理可以灭活多酚氧化酶（PPO），保持苹果汁的维生素C、总酚含量、抗氧化能力和色泽，较短的上升沿可以更好的保持苹果汁的品质，但对于酶活的抑制也下降。Morales-de等[51]对冷藏果汁豆浆饮料进行强脉冲电场处理，发现PEF处理后过氧化物酶（POD）活性下降了17.5%～29%，脂肪氧合酶活性下降了34%～39%。Manzoor等[8]研究了28 kV/cm PEF处理200 μs后杏仁乳的贮存性能，经PEF处理的样品脂氧合酶（LOX）和过氧化物酶（POD）分别被灭活了50%和45%，且经过28 d的贮存后，PEF处理的样品菌落总数与热处理组相当，而粒径、游离氨基酸、脂肪酸等物化指标要优于热处理组。PEF处理结合适度的预热（50 ℃）可使新鲜苹果汁中过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）的灭活水平达到68%和71%，明显高于常规的巴氏灭菌法（72 ℃；26 s），且POD和PPO的残留活性随电场强度（20、30、40 kV/cm）和处理时间（25、50、100 μs）的增加而降低[52]。

酶和微生物的活性关系到食品保鲜的效果，PEF在食品保鲜上已经成功运用于流体食品如牛奶、果蔬汁、葡萄酒。在杀菌上，PEF对流体食品中的Escherichia coli、Salmonella Typhimurium、Listeria monocytogenes和Staphylococcus aureus有积极的杀菌效果，然而PEF对于新鲜蔬菜、水果、肉制品以及海产品的杀菌研究很少，可能与PEF处理的形式以及它的穿透能力有关。在抑制酶活上，酶活性与食物来源、分子大小、微观结构和PEF处理条件有很大的关系，且目前的研究也多发生在液体产品中。因此，我们以期对PEF的机制进行深入的了解以扩大其对食品加工中的应用范围。

表3 高压脉冲电场技术在食品辅助干燥中的应用汇总Table 3 Summary of the application of PEF-assisted drying in food industry

3.2 辅助干燥

传统的热风干燥会对食品中的热敏性成分和风味物质产生负面影响，造成营养流失和品质劣变，区别于传统干燥技术，PEF通过“电晕风”作为驱动力，其在工作过程中不产生明显的升温效应，电流体（EHD）被认为是产生“电晕风”的主要原因，在高压电场作用下 EHD产生大量高能电子与离子，这些高能粒子与其他气体分子不断碰撞，并产生大量的次级激发态物质，在电晕风的裹挟下自放电电极流向接地电极[56]，这些被激发的粒子所携带的能量作用在食品物料上，已被证明是加速食品脱水和解冻的主要原因[10]。Wiktor等[57]研究了PEF处理对胡萝卜干燥动力学及干燥后色泽和微观结构变化的影响，在5 kV/cm处理10个脉冲数后样品的干燥时间缩短了8.2%，水扩散系数提高到了16.7%，同时干燥后的样品保持了良好的色值。Rahaman[58]研究了PEF对李子干燥的对流干燥动力学发现随着PEF强度（1～3 kV/cm）的增加，崩解指数从0.147提高到0.572，缩短了干燥时间，与未处理样品相比，经过PEF预处理有效的改善了李子干的色泽。Liu等[59]将胡萝卜进行PEF预处理（0.6 kV/cm；0.1 s）后进行真空干燥动力学研究，发现PEF处理可以加速胡萝卜组织中水分的去除，在温度为 25 ℃和90 ℃时，真空干燥时间分别减少了 55%和 33%。Yamada等[60]将传统热风干燥与PEF处理（0.4～3 kV）结合，研究了PEF对9种水果蔬菜和2种海产品在热风干燥过程中干燥速率的变化，结果表明，PEF预处理后的叶菜类干燥速率提高了，而根茎类蔬菜干燥速度没有受到影响，这可能是由于细胞组织的物理特性不同造成的。Rybak等[61]对PEF处理后的甜椒汁及甜椒汁喷雾干粉进行评估，结果发现PEF处理后可以提高极性（Vc）和非极性（类胡萝卜素）生物活性物质的含量，但是过高的PEF能量输入又会导致这些生物活性物质的降解。

综上所述，PEF已经用于各种干燥过程中的预处理，如热风干燥、空气对流干燥、真空干燥、冷冻干燥、喷雾干燥等，在对生物活性物质的保留上，PEF预处理尚未发现明显的趋势；在颜色保持上，PEF预处理样品通常能够更好的保持样品原有的色泽，但这也取决于食品的结构和加工条件；在质地上，温度的影响通常大于PEF对其的影响。

3.3 辅助冷冻/解冻

在冻结过程中，随着温度降低液态水进入过冷状态，当发生初始冻结时冰核突然生成，此后，以冰核为核心冰晶开始生长[66]，冰晶的形成对冷冻食品的质量起着至关重要的作用，冰晶体积过大可能会对组织造成不可逆的损伤，导致解冻时汁液损失增加。PEF主要作用于过冷阶段和初始冻结的发生，PEF的应用可以改变过冷阶段的吉布斯自由能（ΔG0）的改变，从而影响冰核的形成[10]。当引入电场时，过冷状态下的液态水吉布斯自由能（ΔG0）变化水平可用以下公式（1）描述[67]：

式中：

ΔG0——吉布斯自由能的变化；

r——液滴球面的半径；

γ——流体界面的表面自由能；

ΔGv——液滴体积自由能；

P——系统极化强度；

E——外加电场电场强度。

在电场的作用下，结晶过程更加可控，水分子的极化和重新排列使冰晶的形成更加均匀和细小，同时与常规冷冻技术相比，电场辅助冷冻所需的能量更低[68]。Li等[69]研究了PEF处理对大西洋鲑鱼冷冻及解冻品质的影响，1 kV/cm的PEF被持续施加在10.0±1.5 g的新鲜鱼块上，同时在-18 ℃进行冷冻，在10 ℃进行解冻，结果表明，施加PEF后，从-2 ℃到0 ℃的解冻时间缩短了20 min，尽管在色度上表现出一定程度的劣变，但PEF处理组解冻后的样品肌肉纤维保存更好，质量总损失降低了 6%，表现出更好的贮藏新鲜度。Wiktor等[7]使用9种不同参数的PEF对新鲜苹果组织进行预处理，并用乙醇作为冷冻剂考察苹果组织的冻融性能，结果指出PEF预处理可使冷冻时间缩短3.5%～17.2%，冷冻相变阶段缩短33%，解冻时间缩短了71.5%，然而在冷冻前PEF处理的样品均表现出不同程度的汁液损失，5 kV/cm处理50个脉冲数时汁液损失率达到了（8.9%），这可能是电穿孔引起胞内物质溶出导致的。Ammar等[70]将高渗溶液处理和 PEF处理（0.4 kV/cm）结合讨论其对马铃薯组织的冷冻性能影响，结果发现单纯PEF处理对马铃薯感官质量无明显影响，而NaCl腌渍和PEF联合处理后马铃薯组织表面形成了更多的粗糙颗粒，高渗处理和PEF联合处理使马铃薯组织获得了最高的冷冻速率和脱水速率。一种创新的将PEF（1.78 V/cm）和静磁场（SMF）结合的冻结技术也被报道[71]，其结果表明，单纯PEF处理在频率为20 kHz时可使0.9% NaCl溶液具有最短相变时间（1443±2 s），而将PEF与SMF结合的处理方法可以使相变时间缩短至1004±3 s，且产生的冰晶尺寸更小，表现出更高的冷冻效率。

这些结果表明，PEF在辅助冷冻/解冻上有巨大的潜力，避免了传统加工方法造成的一些问题，如速度慢、滴水损失高、能耗高等，但PEF也会引发一些高脂质食品的脂质的氧化以及颜色的变化等不良的效果。同时，PEF在辅助解冻中会形成“电晕风”，明显的加快食品的干燥，可能会造成食品产生异味以及变质。因此，我们在利用PEF的同时需要考虑对食品本身的影响，针对不同食品不断优化最佳PEF的工艺参数。

表4 高压脉冲电场技术在食品辅助冷冻/解冻中的应用汇总Table 4 Summary of the application of PEF-assisted freezing/thawing in food industry

3.4 辅助提取

传统的提取技术效率低，成本高昂且溶剂选择困难，近年来，一些新的提取方法，如脉冲电场，高压放电，脉冲欧姆加热，超声波，微波萃取，亚临界和超临界流体萃取等已被提出作为提取高附加值产物的替代方法[23]。PEF处理可以导致电穿孔，使细胞膜结构发生破坏，从而导致胞内物质溶出[78]。此外，PEF增强传质以及极化生物大分子的能力也可能是其提高提取效率的重要原理。PEF已被用于改善水果和蔬菜中细胞内化合物的提取，可有效的增加其多酚类、黄酮类、以及色素等的提取，并且可以有效的增加提取物的抗氧化活性。李圣桡等[79]优化了PEF辅助提取蓝靛果中花青素的工艺确定了当乙醇体积分数67%，电场强度20 kV/cm，脉冲数10个，液料比1:78 g/mL，此时花青素提取量最佳为34.20 mg/g，且与传统工艺进行了对比发现PEF辅助提取时具有溶剂消耗少、提取时间短、花青素提取量多的优势。Dastangoo等[80]利用PEF对胡萝卜进行糖的提取并对PEF处理条件进行了优化，结果发现在70 ℃下0.75 kV/cm PEF处理255 min可以达到最大糖提取率，此时提取率为74.61%。El Kantar等[81]研究了PEF对柑橘类水果（橙子、柚子和柠檬）多酚提取效率的影响，全果和果皮分别用3 kV/cm和10 kV/cm的PEF进行处理，通过PEF处理橙汁、柚子汁和柠檬汁的出汁率分别提高了25%、37%和59%，结合50%乙醇进行协同提取，全果和果皮中多酚的提取率较空白组均有提高。Martín-García等[82]以PEF作为预处理手段期望改善啤酒酿造废渣酚类化合物的回收率，实验表明使用 2.5 kV/cm，50 Hz的PEF处理14.5 s可以将游离酚和结合酚的总回收率分别提高2.7和1.7倍。Pataro等[83]的研究结果表明，在用丙酮或乳酸乙酯进行溶剂萃取之前，采用中等强度（5 kV/cm；5 kJ/kg）PEF预处理可提高工业番茄副产物中类胡萝卜素（尤其是番茄红素）的产率，PEF预处理后样品萃取率提高了27%～ 37%，番茄红素回收率提高了12%～18%，抗氧化能力提高了18.0%～18.2%。Shorstkii等[84]对葵花籽施加了7 kV/cm的PEF（6.1 kJ/kg）使葵花籽油的提取率提高了2.3%，且样品表现出更优的萃取参数，PEF处理后萃取的葵花籽油在酸价、过氧化值、色度指标上表现出较小的影响，多酚与生育酚含量增加。

综上所述，PEF作为一种辅助提取的手段已经显示出较传统提取方法的优势和潜力，但是由于PEF提取的有效性主要取决与细胞膜的通透性，所以单一的PEF处理应用范围比较狭窄，主要用于提取水溶性成分或不需要分离纯化的混合物且所需的电场强度较高，相较而言，PEF辅助溶剂的提取可使PEF的强度以及溶剂的用量得到明显的降低，但在辅助溶剂提取中也不可避免的会造成溶剂的残留和污染，所以，我们可以接下来可以探究PEF与其他提取方法如酶法提取相结合，可能是一个有效的解决方法。

表5 高压脉冲电场技术在食品辅助提取中的应用汇总Table 3 Summary of the application of PEF-assisted extracting in food industry

3.5 辅助嫩化

肉的嫩度很大程度上依赖于肌肉细胞的完整性，PEF技术作为一种环境友好型物理手段，在对肌肉细胞进行温和破壁的同时尽可能的避免了氧化、异味、肌肉组织的结构改变，这赋予了PEF技术在辅助嫩化肉质领域巨大的应用潜力[12]。肌钙蛋白-T和肌间线蛋白是维持肌肉细胞结构稳定性重要蛋白组分，多种研究表明 PEF处理后的牛肉在老化过程中肌钙蛋白-T和肌间线蛋白的水解度增加[87-89]，这一结果同时伴随着牛肉样品嫩度、剪切性能的改善。PEF处理会导致溶酶体破裂从而释放组织蛋白酶，PEF处理同样会导致Ca2+离子的释放从而激活Ca2+依赖蛋白酶、促进糖酵解，这是PEF促进肉品嫩化的重要机制[90]。PEF辅助嫩化的效果主要由电场强度、肉的种类以及肉的老化时间决定。Kantono等[91]研究了PEF处理后牛肉理化性能与感官性状的改变，对新鲜牛肉样品和解冻的牛肉样品分别施加0.8～1.1 kV/cm的PEF（能量输出为130 kJ/kg），脉宽为20 μs，频率为50 Hz，尽管PEF处理后的样品都表现出脂质氧化水平的提高以及短链脂肪酸的增加，但牛肉样品在嫩度与颜色的改善上表现出优异的结果，肉样的感官形状得到了改善，表现得更加多汁。然而另一项研究指出，PEF处理对于改善鹿肉的嫩度并没有显著效果，在此研究中讨论了0.2 kV/cm、0.5 kV/cm两种PEF强度，总能量输入分别为 1.93 kJ/kg 和 70.2 kJ/kg，与空白对照相比 PEF 处理后样品剪切力和肌原纤维碎片化指数并明显变化，虽然肌钙蛋白-T和肌间线蛋白活性略有增加，伴随蛋白水解度上升预示PEF具有提高产品嫩度的趋势，但从酪蛋白酶谱分析、Western blotting和肌原纤维蛋白的改变程度上看，PEF处理对于改善鹿肉嫩度并无明显作用，但这可能是因为电场强度过低导致的，且鹿肉肌肉纤维区别于牛肉等传统肉品，这可能赋予了鹿肉对于PEF更高的抗性。另一项将PEF用于鹿肉处理的研究指出[92]，10 kV 50 Hz的PEF处理可以使鹿肉的嫩度提高约9%，PEF处理改变了鹿肉的微观结构，加速了传质，使产品的干燥效率也得到了改善，同时PEF处理后的鹿肉具有更高的食用质量。

PEF辅助肉的嫩化首先通过电穿孔改变肉的微观结构，促进Ca2+离子的释放，随后钙蛋白酶被激活导致老化过程中的蛋白水解和肉的嫩化，除此之外，我们缺乏对肉中的一些其他代谢途径的研究以进一步解释肉嫩化的机制。同时，PEF辅助嫩化过程中会不可避免的造成脂肪氧化水平的提高从而影响肉制品的营养以及感官且肉制品的种类不同也对PEF施加的条件产生影响，因此，我们需要根据不同的肉制品以及发生的不良反应来优化最佳的电场条件以实现肉制品更好的嫩化。

3.6 其他应用

除了上述应用，PEF处理在辅助压榨、油炸、酒的催陈、淀粉及蛋白质改性[93]等领域也具有良好的应用前景。Eshtiaghi等[94]研究了PEF技术在甜菜压榨处理中的应用，结果发现使用1.2～2.5 kV/cm的PEF处理1～100个脉冲数对于压榨工艺具有关键作用，PEF处理后的甜菜具有更高的压榨效率，压榨后残渣干物质含量为 37%，明显高于传统压榨处理的甜菜样品（15%），且 PEF处理后残渣中残糖更少，能耗也更低。Genovese等[95]发现，相较于传统焯水处理 PEF处理过的油炸马铃薯片丙烯酰胺含量比未经处理的马铃薯片低约30%，PEF可通过促进丙烯酰胺前体物质的析出，从而抑制油炸过程中有毒化合物的形成，而仅仅在颜色和质地上表现出轻微的品质降低。郑志超等[96]以玫瑰葡萄为试验材料，探究了在 36个指数衰减波下，不同电场强度在浸渍过程中对葡萄汁品质的影响，结果表明PEF处理可提高发酵汁中黄酮，单宁、总花色苷含量且降低了葡萄酒中的甲醇、挥发酸含量。在2 kV/cm处理条件下，葡萄酒中干浸出物含量为最高值23.37 g/L，且感官指标为最佳。Xu等[97]对枣浆进行PEF预处理，并对其对发酵动力学、组分和感官特性进行了研究和比较，结果发现1.5 kV/cm，1 Hz，10个指数脉冲的 PEF处理可以提高枣浆发酵后酚类化合物的提取率，尤其是咖啡因、桑色素和对羟基苯甲酸，花果香气的挥发性物质含量增加，而杂醇类化合物下降，这预示着PEF处理在葡萄酒酿造行业是一种极具前景的先进技术。余雅倩等[98]利用PEF协同酶解制备多孔淀粉，发现通过PEF改性后的淀粉的水解率得到显著提高且达到相同水解率 24.28%的酶解时间缩短一半，并且改性后的多孔淀粉其吸油率、比表面积和总孔容与原淀粉相比分别提高到了 145.11%、1.25 m2/g、4.31 cm2/g×10-3，为高效制备多孔淀粉提供了一个新思路。

4 结论与展望

4.1 从食品加工的适用性角度来看，PEF技术既能够单独使用，在食品保存、干燥、冷冻、萃取等方面都有良好的应用，将其与其他加工技术相结合可以表现出更广泛的适用性与更佳的处理效率，从而展现出更加广阔的发展应用前景。尽管如此，目前PEF技术的大多数研究只是处于实验室阶段，在大规模生产方面仍有一些瓶颈有待解决，开发具有稳定工业规模的高强度PEF设备仍然是一项艰巨的任务。

4.2 首先，高功率高压脉冲电源的开发是重点，这是确保产生高强度电场从而适应大规模工业生产的基本保障；其次，针对不同类型的食品基质设计合理的PEF处理室，探索最佳的工艺参数对获得最佳的电场处理效率至关重要；此外，电极/介质界面上的电化学反应往往会导致电极腐蚀以及电极材料向食品系统的迁移，这需要开发出更合适或更耐用的材料来代替常用的不锈钢电极。最后，作为一门交叉学科，PEF技术的发展需要多学科领域的共同参与，在多领域学者的共同努力下未来PEF系统在食品工业中的应用将具有广阔的发展前景。