高壓靜電場保鮮技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀研究

葉春苗

摘要：近年來高壓靜電技術(shù)在食品工業(yè)中逐漸得到應(yīng)用。從細(xì)胞膜電勢、果蔬內(nèi)部電場、水結(jié)構(gòu)的角度分析高壓靜電場保鮮技術(shù)的原理，概述高壓靜電場技術(shù)在果蔬貯藏保鮮中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對高壓靜電場保鮮技術(shù)的前景進(jìn)行展望，以期為該技術(shù)今后的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓靜電場；保鮮；果蔬；原理；現(xiàn)狀；前景

中圖分類號：S609 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）08-0058-02

地球表面的一切生物體都是在電場強度約130 V/m的自然靜電場的作用下生長、繁殖。生物環(huán)境電場的改變，特別是外加高壓靜電場，必然對構(gòu)成生物體的細(xì)胞內(nèi)外的電荷分布、排列、運動產(chǎn)生一定的影響。目前，國內(nèi)許多研究人員正在進(jìn)行相關(guān)試驗，且其試驗結(jié)果已經(jīng)得到了一定的證實。

近年來，靜電技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究悄然興起，這主要得益于微能源、靜電生物效應(yīng)和電場等理論基礎(chǔ)研究的發(fā)展。目前，高壓靜電生物技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要包括：高壓靜電場在食品保鮮中的研究，高壓靜電場對酶的活性的影響研究，高壓靜電場加速冷凍食品解凍的試驗研究，高壓靜電場在食品殺菌中的應(yīng)用研究，高壓靜電場的生物效應(yīng)影響研究，以及高壓靜電場對食品其他功效的影響研究等。本文對目前國內(nèi)外運用高壓靜電場技術(shù)延長果蔬保鮮貯藏期的技術(shù)原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述和探討。

1 高壓靜電場處理對樣品品質(zhì)影響的原理

特定的高壓靜電場處理能顯著地保持所處理果蔬的品質(zhì)，具體表現(xiàn)在：增加可溶性固形物、VC、還原糖、總酸等的含量，減少丙二醛（MDA）、過氧化物酶（POD）的含量；但另外的一些靜電場處理則出現(xiàn)與該結(jié)論不太一致的結(jié)論?，F(xiàn)就這些現(xiàn)象從高壓靜電場保鮮作用機(jī)理方面做出如下討論分析。

1.1 從細(xì)胞膜電勢的角度分析

據(jù)報道，靜電場處理對果蔬有保鮮作用，主要是由于電場改變了果蔬細(xì)胞膜的跨膜電位。生物化學(xué)理論認(rèn)為，在水溶液中一個離子要穿過細(xì)胞膜，除了需要一定的載體來傳送外，更重要的是它要受到2種驅(qū)動力的作用：一種來自膜內(nèi)外兩側(cè)的化學(xué)梯度（濃度），另一種則是由于透過膜的電荷運動所造成的電勢梯度（膜電位差）。這兩者總起來叫做電化學(xué)梯度。也就是說，電化學(xué)梯度將決定離子的運動方向以及對膜的透過情況。在外加電場作用下，若外加電場方向與膜電位正方向一致，則膜電位差增大，反之則減小。膜電位差的改變必然伴隨著膜兩邊的帶電離子的定向移動，從而產(chǎn)生生物電流，帶動了生化反應(yīng)。國外的一些試驗已經(jīng)初步證實了這種影響方式存在的可能性。例如：細(xì)胞內(nèi)的線粒體內(nèi)ATP（三磷酸腺苷）的合成就是由于膜內(nèi)外電位差造成電子在從膜外流進(jìn)膜內(nèi)的過程中驅(qū)動ATPase（三磷酸腺苷酶）產(chǎn)生ATP供細(xì)胞利用。這樣，當(dāng)外加高壓靜電場處理后，將會直接影響細(xì)胞的氧化磷酸化水平。

1.2 從果蔬內(nèi)部生物電場的角度分析

果蔬作為一個生物體，本身存在著其固有的電場，當(dāng)這種固有電場遭到外部干擾時就可能表現(xiàn)為某種生理上的變化。細(xì)胞內(nèi)有很多正常代謝活動與金屬離子有關(guān)，如細(xì)胞呼吸鏈中執(zhí)行電子傳遞的細(xì)胞色素C（CytC）和一些以金屬離子為輔基的酶類，而外加電場處理正好能影響與這些金屬離子活動有關(guān)的細(xì)胞代謝過程。在這個過程中，適當(dāng)?shù)碾妶鎏幚碚糜兄谘泳徏?xì)胞相關(guān)活動而達(dá)到保鮮的效果，而另一些電場處理則也可能會刺激細(xì)胞活動而出現(xiàn)另一些試驗結(jié)果。從這一點上講，正好能解釋在一些處理中過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的酶活高于對照，而在另一些處理中POD和CAT的酶活低于對照。

1.3 從水結(jié)構(gòu)的角度分析

隨著物理學(xué)和物理化學(xué)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)的水本身并非單純的液體，而是具有一定構(gòu)造的物質(zhì)，許多科學(xué)家提出的有關(guān)水分子構(gòu)造理論認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)的水分子是一種由氫鍵結(jié)合而成的具有一定結(jié)構(gòu)[稱作水分子團(tuán)（cluster）]的液體。由于水分子是極性分子，所以這種結(jié)構(gòu)并非固定不變的，而是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)。一般自由水分子團(tuán)的存在時間極短，隨著氫鍵的形成與斷裂，水分子之間存在著小分子締合為大分子團(tuán)、大分子團(tuán)解聚為小分子的不停的變化過程。

影響果蔬生理反應(yīng)的主要是果蔬內(nèi)酶的活性，而酶蛋白周圍的水分不僅是果蔬生存的條件，更是果蔬細(xì)胞的重要組成部分。水結(jié)構(gòu)上的任何變化理所當(dāng)然要引起果蔬生理上的改變。當(dāng)外加靜電場作用于酶周圍的水分使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，在一定條件下極可能改變水與酶的結(jié)合狀態(tài)，使酶的活性不能發(fā)揮出來，從而失去活性。酶的失活必將延緩果蔬的生理代謝過程，達(dá)到保鮮的目的。從這方面講，高壓靜電場處理正是通過影響果蔬內(nèi)含的水分子結(jié)構(gòu)而影響被這些水分子結(jié)合的一些相關(guān)酶的活性而達(dá)到保鮮的目的。

2 高壓靜電場技術(shù)在果蔬貯藏保鮮中的應(yīng)用

目前，雖然高壓靜電場技術(shù)作為一種節(jié)能、高效、高品質(zhì)處理得到高效益食品的保藏方法而被廣泛用于包括食品工業(yè)在內(nèi)的各個領(lǐng)域之中，但是，將該技術(shù)用于果蔬保鮮的研究卻只是近年來才興起的一門新興技術(shù)。其研究現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面：高壓靜電場對果蔬硬度、呼吸、內(nèi)溶相關(guān)酶、電導(dǎo)率的影響。有學(xué)者就番茄貯藏期短、呼吸躍變及保鮮期短等特點，通過大量試驗研究了靜電場對番茄貯藏期內(nèi)呼吸速率、腐爛指數(shù)、好果率、可溶性固形物含量、相對電解質(zhì)滲出率、還原糖、可滴定酸、VC含量、過氧化物酶、過氧化氫酶、丙二醛等的影響，為從理論上解釋高壓靜電場的保鮮作用拓寬了范圍。

3 高壓靜電場保鮮技術(shù)研究前景展望

食品工程中的各種操作單元隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展都在向著高效率、低能耗、商品化等方向發(fā)展，許多領(lǐng)域的新興技術(shù)都在不斷地向食品工業(yè)滲透。隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展，由于當(dāng)今世界石油、煤炭和天然氣等自然資源的不可再生性，高壓靜電場以其能耗低、衛(wèi)生、容易操作控制、操作使用過程中維護(hù)費低等特點，將可能逐漸成為食品工業(yè)發(fā)展的主流之一。高壓靜電場處理技術(shù)除可對果蔬進(jìn)行保鮮貯藏之外，還可用于食品的殺菌、干燥、加速冷凍食品的解凍過程等許多食品工業(yè)的操作單元之中。在人們越來越重視高效、節(jié)能和環(huán)保的今天，其應(yīng)用開發(fā)前景十分廣闊，尤其是將其應(yīng)用于延長果蔬產(chǎn)品的貨架期方面更是有誘人的潛力和開發(fā)前景。

由于該技術(shù)目前在國內(nèi)外仍是出于對其應(yīng)用開發(fā)的探索階段，特別是其作用機(jī)理問題更是該技術(shù)運用和推廣的關(guān)鍵核心問題之一，又由于靜電場貯藏保鮮以及其他作用效應(yīng)受到諸多因素的影響，所以研究起來難度不小，導(dǎo)致前期研究進(jìn)展及在實踐中推廣運用等方面不是很理想，進(jìn)程較慢。所以今后有待于進(jìn)行更加深入的研究，將高壓靜電場在食品工業(yè)中的應(yīng)用推上一個更高的水平。

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Abstract： In recent years high-voltage static technology is gradually used in food industry. This paper analyzed the principle of high-voltage electrostatic field preservation technology from the aspects of cytomembrane potential， electric field inside fruit and vegetables and water structure， summarized the application status of high-voltage electrostatic field technology used in preservation and freshness of fruit and vegetables. It also looked into the future of high-voltage electrostatic field technology， so as to provide reference for further research on this technology in future.

Key words： high-voltage electrostatic field； preservation； fruit and vegetables； principle； status； prospect