高压静电技术及其在肉类和果蔬保鲜中的应用进展

姜晓晨，霍英娇，董士远

（中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266000）

肉类和果蔬的营养成分丰富，是人体必需的蛋白质、维生素以及矿物质的重要来源[1]，但在加工、贮藏、运输和销售过程中，由于机械损伤、自身生理代谢、微生物侵染等因素，会造成食品变色、失水及腐败变质等，从而降低其商品价值，造成经济损失，且存在较大的食品安全风险[2-3]。目前，已开发应用多种方法进行食品保鲜，如冷藏保鲜[4]、气调贮藏保鲜[5]、减压贮藏保鲜[6]、涂层保鲜[7]、热处理保鲜[8]和辐射处理保鲜[9]等。近年来，高压静电在果蔬保鲜、肉类解冻等方面呈现广泛的应用前景[10]，研究表明，高压静电场处理能够有效延长鲜切竹笋、小玉米、羊肚菌采后冷藏货架期并延缓品质劣变[11-13]，有效抑制肉类食品体系中金黄色葡萄球菌、假单胞菌和链球菌的生长，延缓脂肪氧化，延长贮藏期[14-16]。然而，关于高压静电处理在肉品腌制方面的应用研究较少[17]。高压静电场作为外加电场作用于果蔬保鲜中，能使细胞内的电荷运动发生改变，从而果蔬的细胞代谢和呼吸作用受到影响[18-19]。已有研究表明，在肉类解冻过程中，添加高压静电场能够保证食品品质，控制冰晶成核大小，降低冰晶对肉的结构伤害，同时能够减少汁液流失，缩短解冻时间[20-22]。高压静电在处理食品时不会产生热效应且能耗低，食品温度变化较小，基本不影响食品品质[23]。

本文系统综述了高压静电设备研究现状，主要采用平板式、针状式和线板式这三种形式。此外，本文还从改变酶活性、细胞膜的通透性、抑制冰晶形成等角度揭示高压静电的作用机理，进一步综述了高压静电技术在肉类和果蔬保鲜中的应用进展。

1 高压静电场简介

高压静电场（High voltage electrostatic field，HVEF）是一种人工综合效应场，属于物理场。HVEF最常用的设备主要由三个核心器件组成，即直流电源、高压发生器和处理室[24]。目前研究的高压静电场的应用形式主要分为平板式、针状式和线板式三种。电压、放电电极的几何形状、两个相邻电极的间距等因素均会影响高压静电场的强度[25]。

目前，应用于食品保鲜研究的平板式高压静电场工作示意图如图1 所示。低压电源经过多种电子线路变换，最终形成稳定的直流高电压[26]。使用时高电压连接在上下极板，形成回路，从而产生高压静电场，对场中的食品产生一定强度的静电力。施加在正负极板间的电压大小和两极板间的间距可以改变电场强度，从而可以对不同的食品施加不同强度的高压静电[27]。目前，针状式高压静电场装置（图2）在保鲜中应用较少，在电子、纺织、印刷等工业领域得到广泛应用[28]，它具有离子气流覆盖面积大、静电中和速度快等优点[29]。平板式形成的电场是均匀的，与此相比，针状电极形成的电场为非均匀电场[30]。在高压电场下，电荷集中聚集在带电导体的表面，针尖表面的电荷密度远大于其他部位，因此它附近的电场强度很强，在电场作用下，游离的电子或离子向极板以发散的形式运动，形成的电晕风是不均匀的，同时周围空间中的电场强度迅速降低[31]。

图1 平板式高压静电场工作示意图Fig.1 Flat plate high voltage electrostatic field working schematic

图2 针尖式高压静电场工作示意图Fig.2 Pinpoint high voltage electrostatic field working schematic

目前，线板式高压静电场装置（图3）在食品保鲜方面呈现出较好的前景[32]，其中日本的DENBA+设备、山东“博美特”等开发的静电设备已实现初步商业化应用[33]。在高电压条件下，线极周围气体发生电离，造成大量离子逸出，离子在静电室内加速运动，与颗粒发生碰撞后附着在颗粒表面，使颗粒带电，电场力推动荷电颗粒向板电极迁移[34-36]。与平板式相比，线板式的线极发射出若干束状静电，促进放电并强化电场，线极附近的高电场强度区域扩大，从而得到了较大且均匀的电场密度分布[37]。此外，带电粒子在电场作用下会加速产生离子风，离子风会在物体表面产生涡流，从而阻碍了物体与外界气体的交换，产生一定的气调效果[38-39]。

图3 线板式高压静电场装置Fig.3 Wire-board type high-voltage electrostatic field device

2 高压静电保鲜的作用机理

2.1 改变酶的活性

有研究表明，水是具有一定构造的物质[40]。施加电场后，水分子结构被破坏，同时影响了水与酶结合的状态，从而使酶的活性丧失[41]。李里特等[42]、王颉等[43]认为，外加电场会影响细胞内电势梯度的分布，改变细胞膜电位，使带电粒子向两极聚集，从而对酶的活性产生影响。此外，在酶催化的氧化还原反应中，酶分子内部电子转移的耦合通路会随着外加电场发生变化[44]。Evans 等[45]提出在质子传递中氧化还原酶改变自身结构从而节省能量。一系列研究表明，高压静电场改变酶活性的程度受酶的类型影响，不同种类的酶结构及作用部位有所差别，因而在相同的处理条件下酶失活程度也不同。然而，并非所有的酶都会受到高压静电场的影响，所以在高压静电场改变酶活性的酶种类方面还有待更深一步的研究。

2.2 改变细胞膜的通透性

细胞的跨膜电位因外加电场而发生改变，离子可通过载体经化学梯度和电势梯度这两种驱动力穿过细胞膜，这两种电化学梯度决定离子的运动方向[46-47]。有研究表明，细胞的跨膜电位受电场的影响。电场强度与膜电位正方向相同时，膜电位差增加；电场强度与膜电位正方向相反时，膜电位差减小[48]。膜两侧的带电粒子随着膜电位的改变发生移动，产生的电流促进生化反应进行。Ko 等[49]发现，高压静电场可以改变细胞膜的通透性，从而抑制微生物的繁殖，在高压静电场环境中，罗非鱼的菌落总数要明显低于空白对照组。

不同菌种对电场的耐受力不同，但在高压静电场的作用下，大部分微生物的细胞膜会被击穿形成小孔。另外，空气介质在外加电场达到一定程度时会自发电离产生离子，电离产生的微量臭氧可以侵入菌体内部，细胞的结构遭到破坏，影响其正常生命活动，最终导致细菌死亡[50]。

2.3 抑制蛋白变性及水分流失

一些水分含量较高的食品，贮藏过程中易产生汁液流失而导致其品质下降[51]。在静电场作用下，水分子会自发富集在电荷表面，产生荷电液滴，可以降低空气中水分的过饱和度，阻止水分的流失[52]。赵良[53]研究发现，在长期贮藏过程中高压静电场能抑制鱼类肌球蛋白的变性，减少水分和部分维生素、水溶蛋白等物质的流失。Jia 等[54]利用高压静电场处理猪里脊肉时发现，静电组和对照组有不同的代谢物谱系，经高压静电处理的猪里脊肉的肌球蛋白未被氧化。Deng 等[55]借助高压静电场研究高压静电技术对豆腐的失水率时发现，高压静电技术解冻可以提高豆腐的持水量。对肉制品而言，高压静电场能抑制其蛋白的变性并减缓蛋白的分解速率，对提高肉类产品的保鲜品质有一定的效果。

2.4 抑制冰晶的生成

在低温保鲜处理中，冰晶是影响肉质品质劣变的关键要素，大冰晶对周围细胞产生挤压，破坏肌肉纤维，极性水的平衡状态因外加电场改变，食品的冰点降低，成核作用减弱，使冰晶变小，减少大冰晶对肌肉结构的损害，降低肉类保鲜时的品质损失。Xanthakis等[56]通过增加高压静电场的电压，促使猪里脊肉中冰晶成核的温度降低2.6 ℃，冰晶尺寸减小，可以降低冰晶对肌肉微观结构的损伤。甄仌等[57]使用相场法模拟电场下冰晶的生长也证明了这点。高压静电技术通过抑制细胞内的水分子在降温过程中成核，减缓细胞内的机械损伤，提高肉的保鲜品质。

2.5 臭氧

高压电场能够将空气电离，产生微量臭氧。具有强氧化性的臭氧使细胞膜破裂，细胞的生命活动无法正常进行。此外，果蔬释放的乙烯能与臭氧发生化学反应，延缓果蔬的老化，达到一定的保鲜效果[58]。丹阳[59]以毛霉为研究对象，探究高压电场产生的臭氧对其影响时发现，臭氧对毛霉的生长有抑制作用，且抑制效果与电场强度成正比。李明科[60]发现，高压静电场形成的离子和臭氧能抑制葡萄的生理活性，延长贮藏期。蒋耀庭等[61]发现，电场产生的臭氧能抑制鲜切青花菜表面微生物的活动，此外，臭氧结合负离子能使青花菜释放出来的气体（乙烯、乙醛等）分解，延缓其采后衰老过程。臭氧虽能抑制微生物的生长，但效率较低，可以作为肉类及果蔬保鲜有效的补充，但不能满足工业杀菌的要求。

3 高压静电在食品保鲜中的应用

3.1 在肉类保鲜方面的应用

高压静电场能够加快肉类及肉制品的冷冻及解冻速度，延长保藏期。Hsieh 等[62]发现，使用高压静电辅助解冻鸡腿肉所需的时间是普通解冻方式的2/3。马坚[63]利用高压静电技术对牛里脊肉分进行冻结测试，发现与无电场下的冻结速率相比，高压静电场冻结牛肉的速率更快；此外不同的电场强度对冻结速率有着不同程度的影响，其中场强为150 kV/m时冻结速率效果最好。这为更有效地解冻肉制品提供了一种可行的新方法。Zhang 等[64]研究牛肉在高压电场下的解冻特性时发现，高压静电场可以明显的提高牛肉的解冻效率。这也为高压静电技术应用于解冻肉制品提供了理论支持和技术支撑。

同时许多研究者发现，与传统保鲜方法相比，高压静电保鲜能对微生物生长起到有效的抑制作用，可以在一定程度上提高产品的品质。赵良等[65]研究高压静电场对罗非鱼片品质的影响时发现，贮藏21 d后，不同场强（1.8、3.8 kV）静电组的细菌总数均低于106CFU·g-1。Mq 等[14]研究发现，高压静电场能有效抑制食物系统中金黄色葡萄球菌的活性。张佰清等[66]在探寻高压静电场杀菌效果时发现，静电场对大肠杆菌有明显的致死作用，大肠杆菌的致死率与电压和处理时间均呈正相关。利用高压静电处理，可明显抑制肉类中细菌的生长，为今后静电杀菌发展提供了思路。

高压静电能够降低肉及肉制品的汁液流失率。岑剑伟[67]利用冰温气调结合高压静电场处理罗非鱼片，发现高压静电能够显著降低鱼肉的汁液流失，效果明显优于常见的保鲜方法。姚薇等[68]研究高压静电场处理对肉糜品质的影响时发现，施加150 kV/m电场会降低肉糜18.71%的汁液流失率。孙芳等[36]也发现，与对照组相比，高压静电组解冻失水率减少7.0%。高压静电技术虽然在肉制品保鲜时降低汁液流失效果较好，但在选择合适的高压静电场强方面还有待更深一步的研究。

高压静电能够保持食品的质构特性和品质。李鹏等[69]等发现，高压静电场冷藏的白斩鸡鸡肉的硬度、弹性、咀嚼性较普通冷藏有显著差异（P＜0.05），高压静电对保持鸡肉固有的质构特性有较明显的效果。熊宇飞等[70]发现施加高压静电能抑制刀额新对虾贮藏期间发生的蛋白质降解、脂肪氧化和微生物生长等生化反应，从而使静电组样品表现出更好的颜色和质构特性。唐梦[71]在研究高压静电场解冻对罗非鱼片品质影响中发现，由于高压静电场解冻均匀，随着贮藏时间的延长，静电组鱼片的质构优于非静电组。高压静电技术是一种新兴的保鲜技术，其处理过程无热效应、基本不影响食品品质，具有广泛的应用前景。

3.2 在果蔬保鲜方面的应用

处于高压静电场的环境下，果蔬会产生臭氧和负离子，臭氧氧化分解乙烯，推迟其老化，同时负离子能够抑制呼吸强度, 延长贮藏期。肖艳辉等[72]通过实验发现，电场能较好地抑制草莓果实的呼吸速率，延长草莓的贮藏期。李里特等[42]以黄瓜、豇豆为试材进行高压静电场保鲜试验，发现高压静电组黄瓜的瓜刺完好，豇豆出现的锈斑较少，延缓了果皮的老化。蒋耀庭等[61]在探寻高压电场处理对鲜切青花菜保鲜的影响时发现，高压静电场放电产生的臭氧具有较强的穿透力，可阻碍糖代谢的正常进行，使鲜切青花菜的代谢水平有所降低，抑制其体内呼吸作用。但对于选择合适的极间电压、微电流以及处理时间等工艺参数以获得最佳的保鲜效果，还需选用多种果蔬及大量的实验进行验证。

此外，高压静电场处理能减缓果蔬水分含量的降低，抑制多糖、维生素C 代谢相关酶的活性，而清除氧的相关酶活性被提高，从而有效维持多糖和维生素C 含量，延缓衰老腐败进程。孙贵宝等[73]、王宗伟等[74]、黄洪云[75]分别以黄冠梨、香菇、冬枣等实验材料，通过高压静电场贮藏果实，发现高压静电场能抑制内源性甲醛含量的积累，减缓果实可溶性固形物和维生素C 含量的降低，有效地控制果实腐烂的发生，延迟果实采后的衰老过程。高压静电场对抑制果蔬的维生素C 含量、多糖含量的降低有明显的效果，但其微观机理尚未十分清楚，还有待进一步研究。

高压静电能维持果蔬更好的感官品质。方胜等[76]研究发现，高压静电场处理能有效延长番茄贮藏时间，尤其是在电场强度为150 kV/m 的处理条件下能更好地维持番茄的硬度及感官品质。Liu 等[77]使用600 kV/m 的电场强度，在不同的时间下对甜柿进行处理，发现高压静电可以将重量损失率降低1.0～1.3 倍，表明高压静电具有延迟组织劣变的能力，而且其效果随着处理时间的延长而增加。孙贵宝等[78]以青椒为实验材料，发现高压静电能有效延缓其衰老过程，64 d 时，静电组好果率高达90%以上。高压静电场处理能延长果实的贮藏期，达到保鲜的目的，且操作方便，但成本较高，在大面积推广应用上存在一定困难。

4 总结与展望

高压静电技术作为一种非热处理技术，在处理食品时不会产生热效应且能耗低，食品温度变化小、基本不影响食品品质，因此该技术在食品加工领域有较好的应用前景。高压静电能够加快肉类的冷冻及解冻速度，抑制微生物生长，还能够降低果蔬的呼吸强度，减缓水分含量的降低，维持食品较好的品质。目前，该技术主要应用在肉类和果蔬保鲜方面，但基本上处于实验室研究阶段，如何突破产学研瓶颈是一大难点，此外高压场的参数如电压、微电流及场强分布与食品的相互作用等也远未阐明，建议应用食品组学等技术深入揭示静电场对食品的作用机理、蛋白组学、酶活性、微观结构等方面的探索，从而为高压静电的保鲜机理提供一定的依据。