高壓脈沖電場技術及其在果蔬汁加工過程中的應用進展

崔素芬，廖 芬，張娥珍，黃茂康，孫 健，何全光，2，*

（1.廣西農科院農產品加工所，廣西南寧 530007；

2.廣西作物遺傳改良重點開放實驗室，廣西南寧 530007）

高壓脈沖電場技術及其在果蔬汁加工過程中的應用進展

崔素芬1，廖 芬1，張娥珍1，黃茂康1，孫 健1，何全光1，2，*

（1.廣西農科院農產品加工所，廣西南寧 530007；

2.廣西作物遺傳改良重點開放實驗室，廣西南寧 530007）

高壓脈沖電場技術（pulsed electric field，PEF）作為非熱處理技術之一，在殺菌鈍酶、活性物質提取、保持食品原汁原味等方面顯示了很大的優勢，近些年來成為食品科學與工程研究的熱點。文章就國內外關于PEF技術及其在果蔬汁生產過程中的應用研究進行綜述，以期為該技術應用于果蔬汁工業生產提供參考。

高壓脈沖電場，果蔬汁，非熱加工

目前食品工業上廣泛采用的熱處理加工方式，因其在處理食品過程中易使食品中熱敏性物質遭到破壞，而不能滿足人們對食品新鮮度、營養成分提高的需求。高壓脈沖電場技術（pulsed electric field，PEF），作為非熱加工工藝的一種，以其作用時間短、均勻、效率高，且最大限度的保有食品新鮮度的優點，已被美國、德國、日本、中國等國家的眾多研究機構研究，成為食品非熱處理方式應用的一大熱點。PEF技術可以在低溫下，利用脈沖電場殺滅液態食品中的各種食源性病原體和致腐微生物，尤其對酸性食品中微生物的影響更大，但對細菌孢子影響比較小[1]。由于PEF處理食品時達到的最高溫度比巴氏殺菌方法低，對原料的風味物質影響較小，食品品質變化不大。研究表明，PEF技術在物質定向改性、活性成分提取、食品干燥、食品冷凍魚解凍、酒類沉降、廢水處理、牛奶、液態蛋類等方面有很大的應用前景[2]。另外，隨著果蔬汁市場份額的增加，PEF技術也逐步被研究應用在各種果蔬汁生產過程中。目前PEF技術已被成功地應用于一系列低粘度和低電導率的果蔬汁生產中，如蘋果汁、胡蘿卜汁、越橘汁等[3-4]，但生產規模較小。本文將綜述PEF技術應用于果蔬汁加工過程中提取、滅菌、鈍酶的機理，以及PEF技術對果蔬汁營養品質的影響，從而發掘PEF技術廣泛應用于果蔬汁工業生產的潛力。

1 PEF技術在果蔬汁加工處理過程應用機理研究

關于PEF造成細胞膜破損的機制有很多理論假說，如膜的介電擊穿理論、電穿孔理論、電機械壓縮及不穩定理論、滲透不平衡理論、粘彈性模型、親脂親水性孔轉化理論、構形轉化理論等[5]，其中，介電擊穿、電穿孔理論是目前普遍認同的[6]。本文就電穿孔理論來闡述PEF技術在果蔬汁生產方面的應用。

1.1 工作原理

高壓脈沖電場作用于細胞時，在細胞膜脂雙層上形成瞬時微孔，細胞膜的通透性和膜電導率瞬時增大，使正常情況下不易通過細胞膜的親水分子、病毒顆粒、DNA、蛋白質以及染料顆粒等能通過細胞膜而進出細胞，造成細胞死亡。有些細胞膜微孔可以修復，但細胞內膜和細胞質內各器官的膜仍會被破壞，細胞內核酸、蛋白質等在細胞內游離，導致細胞活性降低或致死。電場強度越大，細胞被破壞的程度越大。這一原理是PEF技術能夠應用于輔助提取生物活性物質、提高果蔬出汁率、滅菌鈍酶的重要依據[6]。

研究表明，大多數植物細胞在弱場強下可以存活，當場強超過15000V/cm時，會被殺死；場強超過30000V/cm時，大多數細胞，如細菌和真菌的細胞也會被殺死。在動態PEF電場處理液體食品時，由于泡沫的作用，電弧在電極間產生，易產生不良物質，甚至致癌物。靜態PEF電場強度一般較小，在處理非液體物料時，即使在最大電場強度下，也可能因沒有電弧通過空氣而降低殺菌效果[7]。所以PEF技術適用于低導電性、不含有或不產生氣泡、固體顆粒較小的液態物料。

1.2 工作過程

PEF處理系統是個簡單的電路系統，包括一個高壓發生器、電容器組合、開關盒、處理室（見圖1），其中脈沖電場發生器是由一個或幾個電源（最高達60kV），交換器（放電管、晶閘管、四極管、火花隙、半導體）、電容器（0.1～10μF）、電感（30μH）、電阻（2Ω～10MΩ）構成[4]。

圖1 PEF液態食品加工系統流程圖Fig.1 Flow chartof a PEF liquid food processing system

2 控制參數

重要的控制參數包括電場類型（不同波形、在熱處理室的分布）、溫度、電場強度、電壓等。工業上利用PEF處理液體原料如果蔬汁、牛奶等，其典型參數見表1[8]。

2.1 電場

電場由高壓脈沖發生器產生，大多數脈沖發生器產生矩形波和雙極性波，雙極性波由于電場方向的突然反轉能改變細胞膜帶電基團的移動方向，造成膜結構疲勞，增大細胞膜對電場的敏感性，具有耗能低，減少物料電解的優點，但是雙極發生器成本是單級發生器的二倍。其他波形包括振蕩波和指數衰減波。指數衰減波容易產生，可以在瞬時達到峰值，釋放的能量比方波少。振蕩波殺菌效率最低，因為它不能使細胞長時間的暴露于高密度電場中[9]。但是由于方波與雙極性波發生電路過于昂貴，不適于規模化生產，而指數衰減電波可用簡單的電容器產生，適于大規模生產。PEF技術產生的不同脈沖電場波形見圖2。

表1 工業上PEF技術處理液體食物的參數表Table 1 The industrial typical values of powermodulators for the treatmenton liquid foods

如果脈沖波形選擇合適，PEF也可用在非流動食物如肉中。韋漢昌等[10]在料液比為1∶10（g/m L）、溫度為40℃、pH為6.5、酶液濃度為10.0U/g、電場強度為25kV/cm、脈沖數為40次、酶液浸泡30m in條件下，提取豬皮蛋白，膠原蛋白溶出率可達84.2%。

圖2 在PEF技術中不同類型的波形Fig.2 Typical voltagewaveforms for PEF technology

2.2 溫度

電能的傳遞使物料溫度升高，可以提高脈沖電場的殺菌效率，溫度適宜（50～60℃）時，對PEF殺菌有增效作用，處理蘋果汁時溫度控制在50℃左右效果明顯。為保證PEF非熱殺菌優勢，可對物料進行冷卻[11]。葉麗珠等[12]利用PEF技術處理冷凍濃縮西瓜汁后，于-18℃下凍藏105d后，發現細菌菌落總數符合國家標準的要求，處理后果汁品質接近原汁，且耗能較小。

2.3 壓力

壓力可防止液體物料在脈沖電場達到20000V/cm時產生氣泡，壓力的增大能在促進不同生物組織均勻分布的同時，提高果蔬原料的出汁率[13]。

2.4 處理時間

當電場頻率固定時，液體原料經過不同處理室，會受到不同脈沖電場的作用。處理器不同，形成的脈沖電場波形不同，物料處理時間亦不同。一般情況下，雙向波與雙極波下，物料在脈沖電場中處理時間較指數衰減波、振蕩波長。物料在電場中處理時間越長，殺菌效率越高。

3 PEF技術在果蔬汁加工過程中的研究進展

3.1 PEF技術在果蔬汁活性物質提取時應用

由于細胞膜具有滲透性，PEF技術作用于細胞時可以提高物質傳質系數，將低能量PEF應用于不同的植物組織，如椰子、胡蘿卜、芒果、蘋果切片等可提高果蔬汁出汁率至少20%～30%[14-16]。目前國內PEF在果蔬汁提取應用方面的研究還比較少。原料粒度、前處理不同，PEF作用效果不同。Knorr等[17]研究表明，蘋果在經過機械擠壓和PEF（脈沖電壓為520V/cm，處理時間為100μs）處理后，出汁率明顯提高。PEF處理胡蘿卜時，其出汁率提高到60.1%～66.4%，同時產品中固形物可以增加13%～15%[17]。Susanne[18]對蘋果泥進行低能量PEF處理，PEF電場能量輸出為10k J/kg，電場密度為3kV/cm，結合酶法浸泡，后機械擠壓，出汁率可達到83.0%；對葡萄進行PEF處理，出汁率可達到87%。

PEF技術在提高果蔬汁提取率的同時，提高了果蔬汁中活性成分如VC、酚類物質的保留率。原因是活性物質提取情況受細胞壁、細胞膜的影響，PEF細胞膜穿孔技術使細胞發生可逆或不可逆破壞，促使細胞質內容物流出。利用PEF技術從果酒生產剩余的果渣、啤酒廢酵母等食品加工廢棄物中提取生命活性物質，進一步提高了原料綜合利用率。大量研究表明，PEF可以作為從果蔬類原料中提取活性物質的一種輔助手段。金哲雄[6]利用PEF技術從綠茶葉快速提取多糖、多酚、咖啡堿和核酸等，摸索出提取上述物質的基本參數，發現提取率分別是水提取的1.91、1.10、1.05、1.32倍，表明PEF技術在功能成分提取方面有很大的應用前景。PEF協同其他提取技術或者前處理方法將獲得更好的提取效果。謝閣等[19]將PEF技術與超聲波協同作用，從啤酒廢酵母中提取蛋白質與核酸，提取率分別達到45.86%和53.75%，是使用單一方法提取率的2倍左右；韋漢昌等[20]在PEF電場強度為20kV/cm、脈沖數為8、料液比為1∶15、乙醇濃度為60%條件下，提取梔子黃色素，提取率達到93.2%；殷涌光等[21]利用PEF技術結合0.001mol/L EDTA緩沖液從綠茶中提取茶多糖、茶多酚、咖啡堿等，在合適條件下，得到各物質的提取率分別是用水提法的1.91、1.11、1.05倍。

3.2 PEF技術在果蔬汁鈍酶方面的應用

脂肪氧化酶（LOX）和過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶等廣泛存在于果蔬中，使果汁中不飽和脂肪酸、酚類物質等氧化、褐變，分解果膠，產生不良風味，影響果蔬汁品質，因此控制酶活性是果蔬汁加工過程中的重要一步。

Ho等[21]利用極性指數衰減型PEF技術，對α-淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、堿性磷酸酶、溶菌酶、胃蛋白酶進行鈍化，結果發現，α-淀粉酶、脂肪酶失活率最高，達到85%，堿性磷酸酶失活率最低，失活率為5%，其中，溶菌酶的失活率是電場強度的函數，電場強度增大，失活率增大；胃蛋白酶活性在40kV/cm，30個脈沖條件下反而提高2.6倍。Yeom等[22]用PEF處理橙汁中果膠甲基酯酶（PME），結果PME失活率達到88%。廖小軍[23]對蘋果汁中果膠酯酶（PE）、辣根過氧化酶（HRP）進行鈍化，結果顯示，隨著電場強度和脈沖數增大，鈍化效果增強，且HRP和PE酶活與脈沖數和電場強度存在良好的相關性，同軸電極（ZE=31.0kV）比平板電極[HRP（ZE）=34.3kV，PE（ZE）=20.2kV]鈍化效果好，另外，經處理后兩者CD光譜圖顯示：平均摩爾橢圓率降低，α-螺旋含量降低，酶蛋白二級結構改變。HRP和PE熒光強度增加，HRP和PE構象發生改變。陳晨等[24]對比了PEF和高溫瞬時巴氏殺菌（HTST）對鮮榨胡蘿卜汁中LOX和POD的鈍化情況，結果發現，在脈沖電場強度30kV，處理時間800μs條件下，LOX和POD相對酶活分別降至23.22%和46.97%，經HTST（98℃，21s）條件處理下，LOX和POD相對酶活分別降至19.21%和48.08%，但此時胡蘿卜汁發生褐變，粘度增大，總酚含量顯著降低。

上述研究表明，PEF技術用于果蔬汁酶活性的鈍化有非常好的效果，PEF技術在鈍化酶活性延緩褐變、氧化等不良變化的同時，對果蔬汁品質影響較小。

3.3 PEF技術在果蔬汁滅菌方面的應用

將PEF技術應用于抑菌方面已有近45年的歷史，它對細菌、酵母、霉菌等有明顯的抑制或殺滅作用，但是對細菌孢子影響不明顯[25]。

研究表明，在不同PEF處理條件下，對蘋果汁、橙汁、柑橘汁、胡蘿卜汁、梨汁進行滅菌實驗，菌落數目可下降了4～8個對數級，且處理時間短，最長不過1s，如在場強為33.33kV/cm，處理時間684μs條件下處理胡蘿卜汁，大腸桿菌菌落數可下降7.4個對數級，而釀酒酵母則沒有檢出[26]。Rivas等[27]采用PEF技術在電場強度40kV/cm，時間700μs條件下對橙汁中大腸桿菌ATCC8739進行滅菌，最高降低3.83個對數級。劉翠等[28]比較了雙極性矩形脈沖電場強度和殺菌時間對鮮榨梨汁中大腸桿菌、沙門氏菌、釀酒酵母和李斯特菌的影響，結果發現對以上微生物的致死率順序是沙門氏菌＞大腸桿菌＞李斯特菌＞釀酒酵母。

為提高PEF滅菌效果，Iu等[29]提出，將PEF與中高溫熱處理方式結合或與乳鏈球菌素、溶菌酶等天然抗微生物制劑結合處理蘋果汁，能有效地減少O157：H7大腸桿菌。JOY等[30]提出超高靜壓殺菌技術（UHP）與PEF技術聯合使用，對乳桿菌、四胞片球菌、李斯特菌有很好的滅菌效果。Zhao等[31]研究表明，食品經過PEF技術結合冷激處理可以使受損傷細胞進一步失活，延長食品在常溫下的貨架期。方婷等[32]對冷凍濃荔枝汁進行PEF非熱殺菌研究，發現經過冷凍濃縮技術處理后荔枝濃縮汁電導率變低，荔枝汁經貯藏30d后，發現細菌數目開始下降，可能是高壓脈沖電場處理冷凍濃縮荔枝汁時沒有將細菌完全殺滅，而是有些細菌細胞受損，在-18℃貯藏后，無法自行修復，逐漸死亡。

PEF技術在果蔬汁滅菌方面的研究表明，PEF技術對果蔬中大多數微生物有很好的抑制作用，結合其他非熱處理方式能夠更有效地殺滅微生物，且耗能低，效率高，為其未來在果蔬汁生產過程中廣泛利用提供了理論依據。

3.4 PEF技術對果蔬汁品質的影響研究

果蔬汁加工一般要經過熱處理殺菌和鈍化酶活處理過程，對果蔬汁中熱敏性成分和其生理特性有所破壞，甚至產生不良風味，影響果蔬汁質量，因此，近些年來，非熱殺菌、鈍酶方式成為研究熱點。PEF能溫和且高效地處理物料，最大程度上保留原料的營養成分[33]，逐漸成為當前最有可能實現工業化應用前景的非熱處理方式之一。

Susanne等[18]分別比較了使用PEF處理和酶解處理的蘋果泥所提取的蘋果汁，發現兩種處理方法得到的蘋果汁化學成分相似，但酚類物質含量和抗氧化能力不同。PEF技術處理得到的蘋果汁，酚類物質和果膠含量高，果渣的綜合利用程度高，另外，經過PEF處理的蘋果汁保存40周后，果汁品質沒有發生變化。VC含量是體現果蔬汁營養的重要指標，其含量高低受到人們的重視。潘東芬[26]研究發現，場強和處理時間的延長，胡蘿卜汁中的VC含量下降，當PEF電場強度為11.11kV/cm時，VC保留率為97.8%；當場強33.33kV/cm，處理時間684s，VC保留率為92%；而熱處理后VC含量僅為原料含量的76%。曾新安等[34]研究發現，脈沖場強25kV/cm，溫度＜60℃條件下處理橙汁，VC保留率達到86.6%，比經90℃熱處理10min得到的橙汁VC保留率高出24.4%。鐘葵等[35]比較了脈沖電場和熱處理對鮮榨蘋果汁貯藏期品質的影響，結果發現，兩種處理對蘋果汁的電導率、粘度、pH影響不顯著，但熱處理對蘋果汁渾濁度影響較大；PEF處理的蘋果汁亮度和色值比熱處理好，風味接近未處理樣品。殷涌光等[36]在探討PEF技術應用于菠菜汁的提取過程中發現，高壓脈沖電場場強對菠菜汁顏色影響顯著，在PEF處理前添加葡萄糖酸鋅和氯化鈣的菠菜汁可以在常溫下長期貯藏。PEF處理頻率和脈寬越大，處理室中溫度越高，熱敏性維生素在有氧的情況下極易受到這兩個因素的影響，同時，研究還發現雙極波的PEF處理對VC的保留效果比單極波好，可能是雙極波的PEF比單極波更能鈍化使VC氧化的酶類（如過氧化酶）。

果蔬汁經PEF技術處理后與熱處理及酶處理等傳統技術相比，品質更接近于原汁，符合人們對食品原汁、原味、天然營養的要求。經過PEF處理的果蔬汁，一般最好保存于低溫下，如果酸度適宜，也可存于常溫。

3.5 關于PEF技術在果蔬其他方面的應用

PEF技術在低電壓電場情況下，對果蔬組織如番茄、椰果、胡蘿卜、芒果、蘋果片進行處理，可以增加20%～30%水分析出量，提高了干燥效率[37-40]。劉振宇等[41]基于電磁力學理論，結合蘋果單細胞模型，研究了PEF作用于果蔬的微觀機理，結果表明PEF處理果蔬的效果與物料性質有關，果蔬細胞形狀、直徑、介電常數、電導率等不同，細胞受力情況也不同；電場強度越大，細胞膜受到的應力越大。該研究為PEF技術應用于果蔬脫水干燥，提高脫水效率，降低能耗與成本提供了一定的理論支持。張雯等[42]利用PEF技術對楊梅進行保鮮處理，結果表明，最主要的影響因素是高壓電場脈沖寬度，當脈寬為10μs，頻率為80Hz，作用時間為10s時，保鮮效果最好。美國俄亥俄州立大學研制的PEF設備[43]，處理液體物料能力可達到2000L/h，隨著對PEF設備研究的深入，PEF技術在果蔬加工過程中的應用范圍將會越來越廣。

4 展望

PEF技術作為一種典型的非熱處理方法，能最大程度的保留原料的原有品質，實驗研究表明，PEF技術有望應用于工業生產，但是從實際生產來看，仍有許多問題需要解決，如高效脈沖發生器的研制和高功率系統的實現就是一個非常大的課題。PEF控制系統雖然操作簡便，但是開發成本必須降低，才能廣泛的應用于食品工業。對于飲料殺菌來說，由于PEF設備投入成本過高，目前用其完全替代熱殺菌方式應用于果汁工業，無疑會增大生產商的投資費用和運行成本，而降低廠家利潤。但是若在低能電場輸出的情況下，作為細胞破碎技術應用在美容產品、細胞改造和高附加值的生物活性物質的提取方面，利潤空間將大幅度提高。隨著設備開發和工藝優化，PEF技術將越來越多的應用于包括果蔬汁生產的食品工業各個方面。

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Application of pulsed electric fields in fruit and vegetable juice processing

CUISu-fen1，LIAO Fen1，ZHANG E-zhen1，HUANG M ao-kang1，SUN Jian1，HE Quan-guang1，2，*
（1.Institute of Agro-food Science&Technology，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning 530007，China；
2.GuangxiCrop Genetic Improvementand Biotechnology Laboratory，Nanning 530007，China）

As one of the non-thermal p rocessing technologies，the pulsed electric field（PEF）technology has been a hot research topic in the area of food science and engineering in recent years.It shows g reat advantages on the sterilization，enzym ic inactivation，active substances extraction and keeping greenness，nutrition and sanitation of food.The pulsed elec tric field（PEF）technology and its latest app lication in fruit and vegetab le juice industry were reviewed，which would be help ful to the juice industrial p roduction of using this technology.

pulsed elec tric field；fruitand vegetab le juice；non-thermalp rocess

TS255.36

A

1002-0306（2012）20-0423-05

2012－05－22 *通訊聯系人

崔素芬（1983-），女，碩士，助理研究員，研究方向：農產品貯藏與加工。

廣西農科院重點項目（2011YZ23）；2012公益性行業（農業）科研專項研究（201203092-05-01）。