高压脉冲电场技术在食品加工及保藏中的应用

王淑杰，赵子瑞，李文龙，张雅静，孟慧雯，周 丹，周亚军

(1.吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130022； 2.吉林大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130022)

0 引言

高压脉冲电场是一种新兴的、可持续的、环保的食品加工技术，被认为是21世纪食品加工技术发展领域中的新技术之一[1]。它以高强度极短脉冲的形式将电能在短时间内传递到放置在两个电极之间的生物组织中，引起生物组织跨膜电位差，通过电渗透机制从而使细胞的渗透性增强。该技术因其具有非加热特性，低能耗，加工时间短，能避免加热对提取物的特性和纯度造成的不良影响，最大程度地保持食品原有的色、香、味和营养价值等显著优点，在食品加工及保藏领域中被广泛的关注[2]。高压脉冲电场可作为单一处理或与其他技术结合使用，以协同作用来提高产品质量、微生物稳定性和产品产量[3]。目前，高压脉冲电场技术在食品科学的许多领域都有新的应用，具体包括应用在食品保鲜灭菌、生物活性增强、生物活性成分提取、农药残留降解、食品安全等方面。

一般情况下，高压脉冲电场是通过调节电场强度、脉冲数、处理时间等工艺参数来实现的。经高压脉冲电场处理，细胞膜发生电击穿(即电穿孔)效应，并产生作为导电通道工作的孔隙。最近的研究表明，电穿孔效应的主要机制涉及细胞膜脂质双分子层中含水孔、单个膜脂和蛋白质发生系列变化[4]。具体是指，高压脉冲电场触发膜脂过氧化，导致膜脂尾水平发生变形，从而增加双分子层对水、离子和其他小分子的渗透性。根据电场强度的不同，电穿孔过程具有可逆和不可逆两种情况。在可逆情况下，细胞膜可能受损，但去掉处理条件后仍能恢复原状态；而在不可逆情况下，细胞膜上形成永久性的电导通道，完整性丧失，导致细胞内容物发生渗透作用，最终导致细胞死亡。根据处理过程的可逆程度，高压脉冲电场技术在食品等领域中具有不同的应用。在高电场强度(10～50 kV/cm)作用下的不可逆电穿孔可以用于使微生物发生失活等作用，替代传统的热处理，从而最大限度地保留食品原有的感官品质。相反，在低电场强度(0.5～5.0 kV/cm)作用下的可逆电穿孔可以有效地用在干燥、冷冻、冷冻干燥和渗透脱水等工艺过程中以加强传质效率。

本文综述高压脉冲电场技术在食品加工及保藏领域研究的新进展，明确指出该技术应用存在的问题并对其应用前景进行展望。

1 提取有效成分

一般情况下，天然产物如活性成分、色素、酶等高价值产品具有含量低、性质不稳定等问题，提取难度大。传统的提取方法，如粉碎、超声波会导致细胞完全破坏，从而造成细胞化合物的非特异性泄漏。高压脉冲电场技术是一种非热处理技术，它对细胞质膜产生精确的冲击作用，高效选择性释放细胞内化合物，同时避免了加热对提取物的特性和纯度造成的不良影响。然而，高压脉冲电场技术参数应根据每种细胞的结构、大小等因素量身定制。因此，需要对高压脉冲电场技术参数进行优化。ZHOU Yajun等[5-6]采用高压脉冲电场技术提取蓝莓加工废弃物中的花青素，研究了料液比、脉冲数和电场强度对花青素含量的影响，得到最佳工艺参数为脉冲数10.00个，电场强度18.70 kV/cm，料液比为1∶6.31(V/V)，此时花青素的提取量达到最大值为223.13 mg/L；各因素对蓝莓花青素提取量的影响顺序依次为电场强度>料液比>脉冲数。并将高压脉冲电场技术应用在玫瑰精油的提取中，首先采用酶法对玫瑰细胞壁和细胞膜进行预处理，接着进行高压脉冲电场处理，得到高压脉冲电场协同酶法辅助提取玫瑰精油最佳工艺参数为脉冲数10.09个、电场强度20.96 kV/cm、蒸馏时间1.64 h，在此条件下精油得率达到最大值，为0.116 5%；同时对比了水蒸气蒸馏法与高压脉冲电场辅助蒸馏法所得玫瑰精油的化学成分，发现高压脉冲电场通过静电作用提高了玫瑰花中挥发性物质的释放率。HE Guidan等[7]利用高压脉冲电场技术提取鱼骨中的胶原物质，得到了最优的工艺参数，扫描电镜结果显示，高压脉冲电场使样品颗粒由分散、无序向均匀规律状态转变，但电场强度(>30 kV/cm)和脉冲数(>8)会导致样品过度聚集成团。采用半仿生法与高压脉冲电场技术结合能够高效地从鱼骨中提取钙、硫酸软骨素和胶原蛋白等有效成分[8]。

许多学者利用高压脉冲电场技术对酵母菌进行处理，使酵母菌选择性地高效释放了各种化合物，包括蛋白质、糖蛋白、糖类和色素等物质，对经高压脉冲电场处理的酵母菌进行电子显微镜分析，结果表明细胞壁结构遭到了破坏[9]。其他学者也利用了高压脉冲电场技术从胡萝卜中提取糖[10]。由于高压脉冲电场对细胞质膜有选择性作用，因此可以选择性地增强细胞内某种化合物的释放，而不损害细胞的基本结构。因此，获得的提取物通常纯度更高，还简化了纯化工艺步骤，大大地缩短了试验进程[9]。

2 杀菌作用

随着社会的发展，消费者越来越希望食品是绿色、新鲜、无污染和有营养的。传统的高温巴氏杀菌技术虽然能够控制微生物数量，但热处理会损害食品的热敏物质和营养物质。高压脉冲电场处理在过去的几十年里被研究作为食品巴氏杀菌的替代方法，与传统的热巴氏杀菌技术相比，它对食品的损害程度会更小。许多研究报道了高压脉冲电场技术在食品巴氏杀菌中的有效应用，它有希望成为替代巴氏杀菌的一种新方法[11]。还有学者研究了不同初始温度下高压脉冲电场技术对酿酒酵母菌、大肠杆菌和芽孢杆菌的灭活效果[12]。结果表明，变温可以降低微生物失活的临界电场强度。微生物发生不可逆电穿孔后，由于细胞膜完整性遭到破坏，悬浮液中核酸和蛋白质含量随着失活率的增加而增多。有限元模拟证明了电场和温度对分子输运有促进作用。在相同的初始温度和电参数(电场强度、脉冲宽度、脉冲数)条件下，对不同微生物的致死效应顺序为酿酒酵母菌>大肠杆菌>芽孢杆菌。ESHTIAGHI M N等[13]研究了高压脉冲电场技术对不同糖浓度苹果汁中酵母菌的灭活作用。结果表明，高压脉冲电场技术可以在室温(20 ℃)条件下灭活酵母菌。其灭活效果与脉冲数、电场强度、脉冲宽度及糖浓度有关。脉冲数<20(12.6 kV/cm)对酵母菌失活没有或具有非常小的影响。将脉冲数增加到400次会导致3 logs酵母菌失活。场强(10～30 kV/cm)是影响酵母菌失活的最重要因素。在给定电场强度和脉冲数条件下，较长的脉冲宽度对微生物的失活有显著影响。相比之下，当苹果汁中糖浓度>20%时，用高压脉冲电场处理对酵母菌失活有负面影响。热牛奶中的微生物和内源酶对产品的品质影响较大。最近，ALIREZALU K等[14]探索了高压脉冲电场与温和加热(巴氏杀菌条件下)相结合的加工技术，表明高压脉冲电场技术结合温和加热处理增强了牛奶及其衍生产品的安全性，对于和安全相关的酶、蛋白质、乳脂球和营养物质(特别是维生素)的影响很小，改善了牛奶和选定的衍生产品的保质期。高压脉冲电场与温和加热相结合的方法加工牛奶及其衍生产品具有广泛的应用前景[15]。

3 降低有害物质的积累

经油炸后的马铃薯中含有丙烯酰胺这一致癌物质，为了降低该物质的含量和含油量，有研究者将高压脉冲电场应用到马铃薯加工中[16]。结果表明，电场强度对薯片的含油量和质地有显著的影响。在10 kV/cm电场强度作用下对薯片进行预处理，薯片含油量降低21.2%，硬度和脆度明显提高。薯片表面变得更光滑，截面孔隙率增加。制备的薯片丙烯酰胺含量较低，约为10 ng/g(鲜质量)。动物源性食品中兽药残留是食品安全面临的主要问题之一。如果人误食了含有残留抗生素的牛奶可引起过敏反应，引起肠道菌群紊乱，产生耐药性微生物。SHINDE G P等[17]研究发现，巴氏杀菌和高压脉冲电场联合处理对降低牛奶中的青霉素含量具有显著的协同作用。由上可知，高压脉冲电场可以作为一种独特的处理手段来降解抗生素和丙烯酰胺等有毒物质的残留，同时保持着食品的营养与品质。

4 提高农产品原有品质

近年来，高压脉冲电场技术是一种越来越受到肉类工业关注的非热效应技术，因为高压脉冲电场技术能够诱导肉品微观结构的变化，从而改善了肉制品的功能特性，如保水能力、乳化能力及凝胶特性等。BALDI G等[4]评估了高压脉冲电场技术对鸡肉主要工艺性能的影响。结果表明，经过高压脉冲电场处理对鸡肉的pH值没有影响，对鸡肉的亮度和黄度影响较小。低强度高压脉冲电场处理显著提高了鸡肉的持水能力，且不损害鸡肉蛋白质的完整性和功能。此外，LI Jiaheng等[18]评价了高压脉冲电场处理对冻融三文鱼质量的影响。结果表明，高压脉冲电场技术的应用使冻融时间缩短了20 min，冻融后的肌纤维保存较好，总损耗减少了6%。高压脉冲电场处理对样品质地和TPB-N含量均有显著影响。但由于高压脉冲电场技术处理后发生氧化作用，b值和脂质过氧化值略有增加。由此可见，高压脉冲电场的合理应用具有提高肉制品新鲜度和加工特性的效果。

在大米等粮油制品方面，高压脉冲电场技术的运用也显示出了独特的优势。有学者研究了高压脉冲电场预处理对大米水解、结构、多尺度和半晶层状结构、热性能和风味的影响[19]。高压脉冲电场预处理后，熟米的淀粉水解度和血糖指数略有升高；蒸煮大米的硬度、弹性、粘结性和咀嚼性显著提高。高压脉冲电场处理降低了稻谷的晶胞结构完整性，轻微改变了稻谷的糊化焓、相对结晶度、半晶层状结构，但没有明显改变稻谷的衍射图形类型。高压脉冲电场预处理使熟米中酚类和酮类含量减少，酸类和醛类含量增加。

利用高压脉冲电场技术能提高红葡萄酒中非酵母发酵剂的利用率，还能促进酸奶的发酵作用[15，20]。

5 促进农产品保藏中酶失活

酶失活是食品保鲜中一个常见的工艺步骤。传统灭酶的方法是加热处理，但是该方法降低了农副产品的感官性能和食用的品质。基于此，有学者将高压脉冲电场技术应用在酶非热灭活方面[21]。通过比较电场、加热和氧化对α-淀粉酶的影响，发现脉冲电场通过作用色氨酸靶向酶的活性部位，导致作用酶构象破坏。ZHANG Chen等[22]利用高压脉冲电场处理小麦，发现高压脉冲电场能有效灭活小麦籽粒中的脂肪酶。此外，高压脉冲电场参数、电场强度、脉冲频率、脉冲宽度和处理时间对溶解度、持水能力、持油能力、发泡能力、泡沫稳定性、乳状液稳定性均有不同程度的影响。XU Feiyue等[23]发现高压脉冲电场预处理能够强化合成琥珀酰化乳清分离蛋白。因为高压脉冲电场把存在于蛋白质内部的氨基酸残基结合位点更多地显示出来，更适合于琥珀酰化。这些结果使人们对高压脉冲电场作用于蛋白质的机理有了全新的认识，它可能将在食品工业或医药领域有新的应用。

6 其他领域

高压脉冲电场技术可以提高作物的生长速度和总产量，改变作物的营养成分。经高压脉冲电场技术处理的白牡蛎菇产量得到大幅度的提高，样品的总收率有所提高，营养品质略有提高，平均蛋白质和脂肪含量高于对照组，该方法可作为白平菇规模化生产的一种补充工艺进行推广。

在甲烷的生产中，木质纤维素的复杂结构阻碍了纤维素酶的渗透。因此，在适当的甲烷发酵之前必须对底物进行预处理。有学者讨论了高压脉冲电场预处理对玉米青贮沼气产量的影响[24]。试验表明，经过高压脉冲电场预处理后，基质中纤维素、半纤维素和木质素的含量略有下降，导致液体基质中碳水化合物含量升高，甲烷产率显著提高。还有学者综述了高压脉冲电场在沼气生产方面的研究新进展[25]。

在干燥方面，有学者发现经高压脉冲电场预处理后，胡萝卜干燥时间得到显著缩短，这有利于β-胡萝卜素在干燥样品中的保留，胡萝卜干的质量得到了提升[26]。对昆虫进行处理后，干燥速率显著加快，提高了生物质的提取效率[27]。与其他传统干燥工艺相比，该方法具有节能、提高产品质量的特点，有希望在工业规模化生产上推广应用。

7 结束语

本文综述了高压脉冲电场技术在食品加工及保藏领域中的发展现状和应用前景。高压脉冲电场技术是一种低能耗的工艺，可以实现连续处理，扩大处理能力。此外，高压脉冲电场所需设备的操作简单性、速度的可控性使其与其他方法相结合成为可能。一般来说，高压脉冲电场预处理允许对各种物质进行处理。然而，这项技术也有一些缺点和局限性。高压脉冲电场技术参数应针对每个物种，考虑它们的结构、大小和其他影响效率的因素，因此，必须对高压脉冲电场技术参数及作用条件进行优化，以达到预期的效果。另外，高压脉冲电场技术并不是食品加工行业中的一项常规技术，目前可用设备的成本造价较高。如果高压脉冲电场技术将来成为食品加工及保藏领域中被广泛的应用技术，还需要考虑如何进行设计、制造来降低机械成本。