高壓脈沖電場對藍莓汁殺菌效果及品質的影響

陶曉赟，王寅，陳健，李路寧，孫愛東

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京，100083)

高壓脈沖電場對藍莓汁殺菌效果及品質的影響

陶曉赟，王寅，陳健，李路寧，孫愛東

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京，100083)

研究了高壓脈沖電場(PEF)對藍莓汁的殺菌效果及其對藍莓汁理化性質的影響。結果顯示:隨電場強度、處理時間的增大，PEF對藍莓汁中大腸桿菌的殺滅效果增強。當電場強度為35 kV/cm，處理時間為82μs時，藍莓汁中大腸桿菌致死率為5.12個對數。電場強度一定時，電導率增大，PEF對大腸桿菌的鈍化效果略微下降。PEF對藍莓汁VC、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物及色澤等理化性質沒有影響。

高壓脈沖電場(PEF)，藍莓汁，大腸桿菌，理化性質

藍莓(blueberry)，又稱越橘、藍漿果，果實多為深藍色，被白霜，近圓形，營養豐富。藍莓中含有豐富的功能性成分，如維生素、果膠、SOD、礦物質元素等，尤其是花青素含量居各種水果之冠，一般100 g鮮藍莓含有花色苷100～200 mg，被譽為“漿果之王”[1］。藍莓含有的花青素、多酚等活性物質使之具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤、改善視力、保護神經、預防心腦血管疾病、增強機體免疫力等功能[2-6］，因此藍莓被聯合國糧農組織(FAO)確定為人類五大健康食品之一。

高壓脈沖電場(Pulsed Electric Fields，PEF)作為非熱加工技術的一種，具有營養破壞少、風味保持好、食品安全、溫度變化小、節能環保等優點而備受關注[7］。PEF殺菌效果與處理因素、產品因素、微生物因素有關[10］。目前，PEF殺菌機理尚不確定，大部分研究學者認為PEF使細胞膜發生不可逆損傷是細胞失活的直接原因。當微生物被置于高壓脈沖電場中時，由于高壓脈沖電場使微生物細胞膜發生電穿孔[9］或電滲透[10］，微生物細胞膜破裂，通透性改變，進而死亡。

目前，國內外對PEF在果蔬汁中的應用研究較多，包括PEF殺菌鈍酶機理、處理后產品理化性質的變化[11-12］，但PEF對藍莓汁的殺菌研究尚未見報道。本研究以大腸桿菌為目標微生物，研究PEF對藍莓汁的殺菌效果，并從Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等方面分析PEF處理對藍莓汁理化性質的影響，以期為實踐應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

藍莓，遼寧丹東市有機食品有限公司，果實成熟，紫黑色，于-80℃冷藏待用。將藍莓從冰箱中取出，常溫解凍，清洗，晾干，1∶6(質量比)加水榨汁，離心過濾，用1 mol/L NaCl調節其電導率為1.4、1.8 mS/cm。121℃殺菌20 min，冷卻后接種目標微生物。藍莓汁的pH為3.3左右。

1.2 PEF殺菌設備

PEF殺菌設備(圖1)由中國農業大學與清華大學自主研發設計，主要由高壓脈沖發生裝置、數據采集控制系統、處理室和無菌操作系統4部分組成。實驗時儀器管路清洗采用4 g/100 mL的NaOH清洗15 min，再用體積分數為10%84消毒液清洗15 min，最后用無菌蒸餾水清洗20 min，同時無菌操作臺里紫外殺菌30 min，以保證無菌環境。

圖1 高壓脈沖電場實驗設備圖

1.3 實驗方法

1.3.1 菌種的處理與測定

實驗用大腸桿菌菌種由北京林業大學微生物實驗室提供。用接種環將菌種移至營養肉湯，37℃搖床培養14 h至生長穩定期，菌體濃度為109～1010CFU/mL。將20 mL此菌液接到2L已滅菌的藍莓汁中，使樣品中菌體濃度達107～108CFU/mL。將PEF處理前后的藍莓汁倒平板，大腸桿菌培養基為營養瓊脂培養基，37℃恒溫培養48 h后計數，殺菌效果用致死率對數值lg S表示:

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

1.3.2 PEF殺菌參數的選擇

以大腸桿菌為研究對象，接種于藍莓汁中，電場強度為20、25、30、35 kV/cm，處理時間為27、54、82 μs，電導率為1.4、1.8 mS/cm。波形為單極性方波。

電場強度E和總處理時間t計算方法:

式中:U，實際電壓，kV;d，電極板間距0.4 cm;n，處理室個數;V，處理腔體積，0.05 mL;f，頻率，Hz;W，脈寬，s;v，流速，mL/s。

1.3.3 PEF殺菌對藍莓汁理化性質的影響

研究PEF處理后，藍莓汁Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等理化指標的變化。

(1)Vc含量的測定:GB/T 5009.159—2003《食品中還原型抗壞血酸的測定》的方法測定;

(2)花青素含量的測定:采用pH示差法;

(3)可滴定酸的測定:采用電位滴定法;

(4)總酚含量測定:采用Folin-Ciocalteu`s法測定總酚含量;

(5)可溶性還原糖的測定:直接滴定法。

(6)可溶性固形物含量Brix的測定:采用折光計法，測量樣品溶液的溫度如果不在標準溫度(20℃)時，查溫度校正表進行修正;

(7)CIE L*a*b*三刺激顏色測定:采用色差儀對藍莓汁的CIE L*(亮度)、a*(紅值)、b*(黃值)三刺激顏色進行測定。

L*值表示亮度，范圍在0～100之間，L*值越高表明樣品表面越白。a*＞0表示紅值、a*＜0表示綠值。b*＞0表示黃值、b*＜0表示藍值。通過下述公式計算色調角hab、飽和度C*和總色差ΔE。

2 結果與分析

2.1 PEF電場強度和處理時間對藍莓汁殺菌效果的影響

圖2顯示了電導率為1.4 mS/cm時，電場強度和處理時間對藍莓汁中大腸桿菌的鈍化效果。電場強度為20、25、30、35 kV/cm，處理時間為27、54、82 μs。由圖2可以看出，當電場強度一定時，PEF對藍莓汁中大腸桿菌的鈍化效果隨處理時間的的增長而增強;當處理時間一定時，PEF對藍莓汁中大腸桿菌的鈍化效果隨電場強度的的增大而增強。這與李靜[13］、陳拓[14］、Evrendilek[15］等人的研究結果一致。

本實驗中，在電場強度為20 kV/cm，處理時間為27μs時，大腸桿菌菌落總數下降了1.06個對數，有研究表明大腸桿菌的臨界電場強度EC為15.9 kV/cm[13］和11.21～12.19 kV/cm[16］。當電場強度為35 kV/cm，處理時間為82 μs時，大腸桿菌菌落總數下降了5.12個對數。經分析，電場強度和處理時間對大腸桿菌有顯著的鈍化效果，并且是影響PEF殺菌效果的主要因素。

圖2 PEF電場強度和處理時間對藍莓汁殺菌效果的影響

2.2 PEF電場強度和電導率對藍莓汁殺菌效果的影響

由圖3可見，隨電場強度的增加，PEF對大腸桿菌的鈍化作用增大;但在同一電場強度下，隨著導電率的增加，PEF對大腸桿菌的鈍化效果有所下降。這與Alvarz等[17］的研究結果一致。Alvarz等認為，在相同的電場強度下，電導率并不會影響PEF對微生物的滅活，導電率增大會降低PEF對微生物的鈍化效果。分析原因:(1)電導率增大會使方波產生畸形，方波上升時間增大，對脈寬的影響不可忽略，故使有效作用時間減小。(2)電導率決定處理室的電阻，從而可以使電場強度減小，物料溫度發生波動。(3)導電率越大，輸入能量密度越大，PEF鈍化效果越好[13］。所以，電導率是影響PEF殺菌效果的重要因素之一，其對PEF的影響也相對比較復雜，應進行進一步研究。

圖3 PEF電場強度和電導率對藍莓汁殺菌效果的影響

2.3 PEF對藍莓汁理化指標的影響

為了探討高壓脈沖電場對藍莓汁理化指標的影響，并與加熱處理進行比較，分別對藍莓汁原樣、加熱處理樣和高壓脈沖電場處理樣的Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等理化指標進行對比試驗。PEF處理的條件選為:電場強度30 kV/cm、處理時間54 μs、電導率1.4 mS/cm，熱處理條件為90℃、15 s，對照組不做任何處理。

表1、表2顯示了高壓脈沖電場對藍莓汁理化性質的影響。由表1可見，PEF處理后藍莓汁的各項指標與對照組相比幾乎不變。熱處理后，藍莓汁Vc含量降低了14.78%，花青素含量降低了3.64%。表2顯示了不同處理后，藍莓汁的顏色變化。PEF和熱處理后藍莓汁總色差ΔE分別變化了2.44和6.08，且熱處理后色調角由5.66增至15.45，b*值由3.17黃移至8.72。很明顯，PEF更好的保持了藍莓汁的紫紅色及藍莓汁的營養成分;熱殺菌后的藍莓汁色澤發暗，具有煮熟味，Vc和花青素損失較大。

表1 高壓脈沖電場對藍莓汁理化性質的影響

表2 高壓脈沖電場對藍莓汁色澤的影響

3 結論

1)高壓脈沖電場對藍莓汁中大腸桿菌有明顯的鈍化效果。隨電場強度、處理時間的增大，PEF對大腸桿菌的殺滅效果增強。當電場強度為35 kV/cm，處理時間為82 μs時，藍莓汁中大腸桿菌致死率為5.12個對數。

2)電導率是影響高壓脈沖電場殺菌的一個重要因素，電導率會影響電場強度、脈寬和物料溫度，它們之間的相互關系需進一步研究。

3)利用高壓脈沖電場對藍莓汁進行非熱殺菌是可行的，且不影響藍莓汁的色澤風味和營養成分。與熱殺菌相比，PEF處理更好地保護了藍莓汁中Vc、花青素等熱敏性成分。

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ABSTRACTThe study evaluated the sterilizing effect of pulsed electric fields(PEF)on Escherichia coli in blueberry juice and its impact on physicochemical property of blueberry juice.The results showed that the inactivation effect of Escherichia coli was enhanced when the electric field strength and total treatment time were increased.With PEF treatments at 35 kV/cm and 82 μs，the reduction of Escherichia coli was 5.12 logarithms.When the electric field strength was constant and the electric conductivity was increased，the inactivation effect of Escherichia coli declined slightly.PEF had no significant effect on the content of vitamin C，anthocyanin，total phenols，titratable acids，reducing sugar，and Brix in blueberry juice and its color.

Key wordspulsed electric fields，blueberry juice，Escherichia coli，physicochemical property

Effect of Pulsed Electric Fields on Sterilization and Quality of Blueberry Juice

Tao Xiao-yun，Wang Yin，Chen Jian，Li Lu-ning，Sun Ai-dong
(College of Biological Sciences and Biotechnology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

碩士研究生(孫愛東教授為通訊作者)。

2012-03-26，改回日期:2012-04-25