高壓脈沖電場對胡蘿卜汁的殺菌效果及類胡蘿卜素含量的影響*

陳拓，楊瑞金，張莎，趙偉，陳錦權，方婷

1(江南大學食品學院，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

3(福建農林大學食品科學學院，福建福州，350002)

高壓脈沖電場對胡蘿卜汁的殺菌效果及類胡蘿卜素含量的影響*

陳拓1，楊瑞金2，張莎1，趙偉2，陳錦權3，方婷3

1(江南大學食品學院，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫，214122)

3(福建農林大學食品科學學院，福建福州，350002)

研究了高壓脈沖電場(PEF)對胡蘿卜汁的殺菌效果及其對類胡蘿卜素的影響。結果表明，PEF處理場強、處理時間和溫度是影響PEF殺菌效果的主要因素。在4℃水浴，處理場強為30 kV，處理時間為500 μs條件下，PEF的殺菌效果可達5.9個對數。隨著處理場強和處理時間的增加，殺菌效果明顯增強。溫和熱與PEF處理有較好的協同作用，溫度提高到20℃時殺菌效果可增加1個對數。高壓脈沖電場能顯著增加胡蘿卜汁中類胡蘿卜素的含量，30 kV，500 μs的條件下，類胡蘿卜素含量與對照相比可增加55.66%。

高壓脈沖電場，胡蘿卜汁，大腸桿菌，類胡蘿卜素

胡蘿卜被認為果蔬中的“小人參”，其富含多種維生素，大大優于蘋果、梨、桃。其中類胡蘿卜素的含量更是居于水果之首[1］。在藥用價值上，胡蘿卜有降血糖、防治白內障、消除炎癥等作用。其大量的維生素A和維生素B常可用于明目，預防夜盲癥，治療眼干燥、小兒軟骨病和皮膚粗糙[2］。胡蘿卜汁作為最受歡迎的果蔬汁之一[3］，飲用方便，營養豐富，而胡蘿卜資源豐富，所以胡蘿卜汁的開發利用日益受到人們重視。

在最近10年中，非熱殺菌因其對果蔬的原始營養物質保留和延長貨架期的顯著作用受到業界的重視。在眾多非熱處理技術中，高壓脈沖電場(PEF)是最具工業發展前景的非熱技術之一[4］。PEF不僅對食品中的微生物和酶有很好的殺滅和鈍化效果，而且能最大程度地保留食品的風味和品質，延長了食品的儲藏期[5］。目前PEF對微生物的作用機理尚不清楚，被大部分專業人士所認可的殺菌機理是PEF通過外部電場與微生物細胞膜直接作用，在極端時間內，破壞細胞膜的結構，形成“電穿孔”而導致微生物滅活[6］。

目前國內外許多研究者在模擬體系和真實體系中，對PEF殺菌鈍酶機理，處理后產品的理化性質如營養成分、風味、色澤和貨架期等的變化做了大量研究。人們對PEF在果蔬汁加工中的應用研究較多，如趙瑾等研究了PEF對鮮榨梨汁的殺菌效果及其對產品品質的影響[7］，鐘葵等研究了PEF對鮮榨蘋果汁貯藏期品質的影響[8］，殷涌光等研究了PEF對桃汁的殺菌效果及對桃汁品質的影響[9］。研究結果表明，電場強度、脈沖特性、處理時間、處理溫度、果蔬汁和微生物種類與特性等可影響高壓脈沖電場的殺菌滅酶效果，而且PEF對食品的原有感官品質幾乎無影響。

本文以大腸桿菌為目標微生物，研究PEF對鮮榨胡蘿卜汁的殺菌效果，確定PEF處理胡蘿卜汁的工藝參數，并在此工藝條件下研究了PEF處理對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

實驗材料:市售新鮮胡蘿卜，色澤紅潤，成熟度為七至八成。胡蘿卜的制備:將胡蘿卜洗凈后，去皮，切成1～2 cm薄片，再熱燙5 min，用果汁機榨汁，制得胡蘿卜汁滅菌后使用。胡蘿卜汁電導率為2000 μs/cm左右，弱酸性。

PEF殺菌設備:本實驗采用OSU-4L型實驗室規模PEF連續處理設備(俄亥俄州立大學，美國)。儀器管路清洗采用4%NaOH、10%84消毒液和無菌水，清洗至無菌備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 微生物接種與計數

1.2.1.1 目標菌的選擇

大腸桿菌是典型的革蘭氏陰性菌，是最常見的腸道致病菌，也是食品檢測中最常見的目標菌之一。所以本試驗選用大腸桿菌作為脈沖電場處理的目標微生物。

1.2.1.2 大腸桿菌接種

試驗用大腸桿菌(ACTT 8973)由營養瓊脂斜面培養基移至營養肉湯，37℃搖床培養16 h至穩定期，菌體濃度達到108～109CFU/mL。將上述10 mL培養液接到1 L滅菌胡蘿卜汁中，使樣品中菌體濃度達到106～107CFU/mL。菌種由江南大學食品學院酶學實驗室提供。

1.2.1.3 微生物計數

根據GB/T4789.2-2003方法，對樣品在PEF處理前后進行菌落計數。大腸桿菌培養基為營養瓊脂培養基，殺菌效果用致死率來表示，殘存率計算公式:

式中:N為PEF處理后的微生物數，CFU/mL;N0為PEF處理前的微生物數，CFU/mL。

1.2.2 PEF殺菌參數的選擇

選擇6個連續處理腔，選擇電場強度為20、25、30和35 kV/cm，總處理時間為100、200、300、400、500 μs，脈沖寬度 2μs，脈沖頻率200 Hz;循環式冷卻水浴的溫度根據試驗要求而改變。

電場強度E和總處理時間t計算方法:

式中:U為電壓，kV;d為電極間距，0.29 cm;Np為單個處理腔內接收的脈沖數;Nc為處理腔個數，6;Wp為脈沖寬度，s;Tr為停留時間，s;f為脈沖頻率，Hz;V為單個腔體積，0.012 cm3;F為物料流速，mL/s。

1.2.3 PEF殺菌對胡蘿卜汁類胡蘿卜素含量的影響測定

類胡蘿卜素通常是指C40的碳氫化合物(胡蘿卜素)和它們的氧化衍生物(葉黃素)2類色素的總稱[10］。采用GB/T 12291-1990對果蔬汁類胡蘿卜素進行全量的測定:吸取20 mL樣液加入3g石英砂，搖動后用布氏漏斗過濾，5 mL水沖洗濾渣3次。分液漏斗萃取3次，合并有機相并定容至100 mL。在440 nm波長下測定提取液的最大吸光度A。

2 結果與討論

2.1 PEF不同場強、處理時間對胡蘿卜汁殺菌效果的影響

圖1顯示了在4℃水浴下，脈沖頻率為200 Hz，處理時間為100 μs，電場強度分別為20、25、30和35 kV時，PEF處理對接種大腸桿菌的胡蘿卜汁總均數的影響。圖1表明，在20，25，30和35 kV時大腸桿菌菌落總數分別下降了1.1、1.5、2.7、3.2個對數。可見，電場強度是影響PEF殺菌效果的一個顯著因素，隨著電場強度的增加，殺菌效果明顯增強。

圖1 PEF在不同電場強度下對大腸桿菌殺菌效果的影響

圖2 為PEF不同處理時間對胡蘿卜汁中大腸桿菌殺菌效果的影響。圖2表明隨著處理時間的延長，殺菌效果逐漸遞增。在4℃水浴下，脈沖頻率為200 Hz，處理場強為30 kV的條件下，當處理時間為100 μs時，總菌數下降了2.7個對數，上升到500 μs時，殺菌對數達到5.9個對數。

圖2 PEF不同處理時間對大腸桿菌殺菌效果的影響

2.2 溫和熱協同作用對PEF殺菌效果的影響

有研究表明，當微生物處于較高溫度時，比處于較低溫度時對脈沖電更敏感。本實驗在30 kV，20 Hz條件下，將水浴溫度由4℃提高至20℃、35℃，結果見圖3。由圖3可知，隨著溫度的上升，溫和熱協同效應越來越明顯。當溫度由4℃提高至20℃時，大腸桿菌總數的下降提高了1個對數。在水浴溫度為35℃的條件下，處理腔的溫度不超過50℃，而且物料經處理腔的時間極短，因此單純的微生物的熱致死效應可忽略，殺菌效果的提高歸因于溫度對PEF殺菌的協同作用(見圖3)。從PEF的作用機理來看，適當的提高溫度使其細胞膜的脂質組成會發生相應的變化，從而影響到細胞膜的流動性和黏彈性，進而影響到細胞膜的韌性。

圖3 處理溫度對PEF殺菌效果的影響

由于細胞膜兩表面堆積的異種電荷相互吸引，引起膜的擠壓，當這種電擠壓力大于膜的彈性力時就產生穿孔[11］。當微生物處于較高溫度時，細胞膜的磷脂雙層結構更具有流動性，原生質膜更脆弱，因此更容易發生穿孔，而且在溫度較高時物質交換速度加快，膜內物質外流和膜外物質滲入的速度加快，從而導致微生物對脈沖電場更敏感，PEF殺菌效果增加。可見，PEF與熱處理結合，可在冷殺菌的前提條件下，提高殺菌效果，避免高溫對果蔬汁營養物質的損壞的同時保證了安全性。

2.3 PEF處理對胡蘿卜汁類胡蘿卜素含量的影響

圖4 PEF處理場強對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響

由圖4和圖5可以看出，類胡蘿卜素的含量隨著處理場強和處理時間的增加而增加。在PEF處理紅辣椒的研究中也發現了類似的結果，PEF處理可使紅辣椒中β-胡蘿卜素的含量提高60%，甚至超過了酶法提取[12］。而在研究胡蘿卜和橙汁的混合果汁時發現，類胡蘿卜素的增加是由其他物質轉化而來，其中通過紫黃質、新黃質和花藥黃質轉化為玉米黃質。其中順-13-β胡蘿卜素增加的含量最多，而玉米黃質也有顯著增加[13］。在PEF處理胡蘿卜汁的過程中，除了由于其他物質的轉化從而提高了類胡蘿卜素含量外，PEF處理可使細胞破碎，從而使細胞內的物質溶出，大幅增加了物質的含量。這一點可以在PEF對胡蘿卜出汁率的提高上進一步得到驗證[14］。

圖5 PEF處理時間對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響

但在采用PEF處理其他含有類胡蘿卜素的果蔬汁的研究中發現，PEF對各果蔬汁的類胡蘿卜素含量的影響并不相同。有實驗表明，PEF可降低由巴氏殺菌對橙汁類胡蘿卜素流失帶來的營養損害[15］。

在采用PEF處理果蔬汁中，PEF對其主要營養成分含量的影響一直是備受關注的:趙瑾等人對梨汁的研究發現，其有代表性的VC含量的保留率達91.5%，相比之下熱處理后VC保留率只有70.0%[7］。相似的，曾新安等人也發現，25 kV/cm下，橙汁VC含量保留率比熱殺菌高出24.4%，并認為PEF對VC的影響只是使其結構發生變化，遠遠小于溫度對其的影響[16］;殷涌光等人的研究數據顯示，PEF殺菌幾乎不對桃汁中VC含量造成影響，保留了鮮榨果汁的營養成分[9］。劉克放等人的研究表明，低場強，高流速，低電導率條件下，橙汁中VC被破壞的程度最小[17］。證明了改變PEF處理的參數，可進一步改善產品品質。

3 結論

PEF對胡蘿卜汁有良好的殺菌效果，其殺菌效果受電場強度、處理時間、處理溫度的影響。在4℃水浴，處理場強為30 kV，處理時間為500μs條件下，PEF的殺菌效果可達5.9個對數。溫和熱與PEF處理有較好的協同作用，溫度提高到20℃時殺菌效果可增加1個對數。另外，胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量隨著PEF處理電場強度、時間的增加而增，30 kV，500μs的條件下類胡蘿卜素含量可增加55.66%。

[1］趙景聯.胡蘿卜的營養價值及其產品開發[J］.河南科技，1993(4):11-12.

[2]王鵬，王文亮.胡蘿卜的保健功能及其食品開發前景[J］.農產品加工:學刊:2009(12):54-59

[3]Marx M，Stuparic M，Schieber A，et.al.Effects of thermal processing on trans-cis-isomerization of β-carotene in carrot juices and carotene-containing preparations[J］.Food Chemistry，2003，83:609–617.

[4]Sánchez-Moreno，Concepción，de Ancos，et al.Nutritional approaches and health-related properties of plant foods processed by high pressure and pulsed electric fields[J］.Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2009，49(6):552-576.

[5]Jin Z T，Zhang H Q，Lis，et al.Quality of applesauces processed by pulsed electric fields and HTST pasteurization[J］.International Journal of Food Science and Technology，2009，44:829–839.

[6]Humberto Vegar Mercado，Olga Martinr Belloso，QinrBai Lin，et al.Nonthermal food preservation:pulsed electric fields[J］.Trends in Food Science and Technology ，1997，8(5):151-157.

[7]趙瑾，楊瑞金，趙偉.高壓脈沖電場對鮮榨梨汁的殺菌效果及其對產品品質的影響[J］.農業工程學報，2008，24(6):239-244

[8]鐘葵，廖小軍.脈沖電場和熱處理對鮮榨蘋果汁貯藏期品質的影響[J］.食品與發酵工業，2004，30(8):49-54.

[9]殷涌光，閆琳娜，李玉娟.用高壓脈沖電場對桃汁非熱殺菌的研究[J］.農業機械學報，2006，37(8):89-92.

[10]侯耀兵，康保珊，黃進勇.植物類胡蘿卜素研究進展[J］.中國瓜菜，2009(4):28-31.

[11]Patrick C Wouters，Ignacio Alvarez，Javier Raso.Critical factors determining inactivation kinetics by pulsed electric field food processing[J］.Food Science＆Technology，2001(12):112-121.

[12]Ade-Omowaye，Angersbach A，Taiwo K A，et al.The use of pulsed electric fields in producing juice from paprika[J］.Journal of Food Processing Preservation，2001，25:353-365.

[13]Francisco Torregrosa，Clara Corte?s，Mari?a J Esteve，et al.Effect of high-intensity pulsed electric fields processing and conventional heat treatment on orange-carrot juice carotenoids[J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2005，53:9519-9525.

[14]申雙貴，張濤，何勤.高場強脈沖電場在胡蘿卜汁加工中應用的研究[J］.食品與機械，2000(5):20-21.

[15]Esteve M J，Barba F J，Palop S，et al.The effects of nonthermal processing on carotenoids in orange juice[J］.Czech Journal of Food Sciences，2009，27:304-306.

[16]曾新安，劉燕燕，李云，等.高強脈沖電場和熱處理對橙汁VC影響比較[J］.食品工業科技，2009，30(6):123-129.

[17]劉克放，李云，楊星，等.高強脈沖電場對VC的影響研究[J］.現代食品科技，2009，25(7):738-740.

ABSTRACTThis study evaluated the sterilizing effects of pulsed electric fields(PEF)on E.coli in carrot juice sample and its impact on the carotenoid content.The results showed that pulsed electric intensity，treatment time and temperature were the most influencing factors of PEF treatment.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs at 4℃ ，the reduction of E.coli is 5.9 lg.The sterilizing effect significantly increased with stronger pulsed electric intensity and longer treatment time.When raising the temperature to 20℃the reduction increased by 1.0 log.PEF treatments can significantly increase the carotenoid content of carrot juice.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs，carotenoid content increased by 55.66%compared to the sample before treatment.

Key wordshigh intensity pulsed electric field(PEF)，carrot juice，E.coli，carotenoid

Effects of Pulsed Electric Fields on the Sterilization and Carotenoid Content of Carrot Juice

Chen Tuo1，Yang Ruijin2，Zhang Sha1，Zhao Wei2
1(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
3(College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

本科在讀(楊瑞金教授為通訊作者)。

*國家科技支撐計劃項目(2008BAD94B06);國家自然科學基金資助項目(20772049);國家“863”計劃項目(2007AA100405);江南大學自主科研計劃項目(JUSRP20910)

2010-03-22，改回日期:2010-04-29