高壓脈沖電場技術對液體食品品質的影響研究進展

鄭人偉，肖洪，劉士健，*，楊秦，王錦云，葉揚

（1.西南大學食品科學學院/重慶市農產品加工重點實驗室，重慶400715；2.北京正博和源科技有限公司，北京102400；3.北京正博和源科技有限公司重慶分公司，重慶400716）

高壓脈沖電場技術對液體食品品質的影響研究進展

鄭人偉1，肖洪2，3，劉士健1，*，楊秦1，王錦云1，葉揚1

（1.西南大學食品科學學院/重慶市農產品加工重點實驗室，重慶400715；2.北京正博和源科技有限公司，北京102400；3.北京正博和源科技有限公司重慶分公司，重慶400716）

高壓脈沖電場技術是國際上最為先進的食品非熱加工技術之一，具有效率高、處理溫度低、對食品的色澤，風味和營養成分保存效果好、能耗低等一系列優點。文章介紹高壓脈沖電場技術的殺菌機理，影響其殺菌效果的主要因素，對液體食品品質的影響以及對高壓脈沖電場技術應用前景的展望。

高壓脈沖電場；液體食品；食品品質

隨著人們生活水平的不斷提高，由于現在食品工業上傳統的熱殺菌技術如蒸煮，高溫高壓，巴氏滅菌等技術對食品的營養成分和感官性狀的不良影響較大，越來越難以滿足人們對食品質量的要求。非熱加工技術能在保證食品安全的同時更大限度地維持食品的新鮮度，降低殺菌過程對食品感官品質的影響，因而近年來國際食品加工界掀起了研究非熱加工技術在食品工業上應用的熱潮。

高壓脈沖電場（High voltage pulsed electric fields，HPEF）技術是目前世界上最具有工業化應用前景的非熱加工技術之一，具有低能耗、殺菌徹底、處理快速、無輻射污染、對食品的感官性狀和營養成分影響較小等特點，但HPEF設備造價高昂，且目前技術應用不十分成熟，另一方面，由于HPEF對冷鮮肉類的整體殺菌效果仍存在爭議和食品處理的可操作性和安全性等問題，當前對HPEF的研究應用主要集中于液體食品加工上，不僅在液體食品的殺菌，鈍酶應用方面進行了研究，同時在提高果汁的出汁率，酒類催陳[1]，農藥殘留降解[2]等方面取得了一系列的研究成果。目前發達國家對HPEF裝置設備的研究已經可以建立起準工業化生產線。本文對HPEF的殺菌機理，影響其殺菌效果的主要因素以及對液體食品品質的影響作一概述，并對HPEF的應用前景作出展望。

1 HPEF的殺菌機理

至今為止，國內外已經對HPEF加工機理進行了近50年的研究，對于HPEF殺菌機理的假說主要有電崩解理論、電穿孔理論、臭氧效應、電解產物效應和粘彈極性形成模型等，其中電崩解理論和電穿孔理論最為廣大學者所接受，并且在主要應用于食品殺菌的同時，還在胞內物質提取，提高果汁出汁率等方面有所應用[3-4]。

1.1 電崩解理論

微生物的細胞可以看作是一個注滿電介質的電容器，外加電場可以使細胞膜上的跨膜電位差增大，隨著電場的增強，此電位差也會增大，導致細胞膜厚度減小，而在達到臨界崩解電位差時，細胞膜就會開始破裂穿孔，而在電位差作用下的小范圍的細胞膜破裂是可逆的。如果作用時間過長，會導致細胞膜大面積不可逆破裂而致死微生物細胞[5]。也有研究認為細胞膜的電崩解導致的細胞膜破裂是造成膜穿孔的基礎[6]。

1.2 電穿孔理論

HPEF作用于微生物細胞膜會改變脂肪分子的結構，增大部分蛋白質通道的開度，并使細胞膜收縮形成小孔，HPEF所產生的電穿孔效應具有累積效應，并且隨著電場強度和脈沖寬度的增加而增加，可使細胞膜形成大量小孔，破壞細胞膜的半透膜性質，進而小分子物質進入細胞，胞內物質外流，導致微生物死亡，起到殺菌作用[7]。

1.3 臭氧效應

HPEF作用下液體介質會電解產生臭氧，而臭氧能有效殺滅食品中的微生物。該理論有其獨到之處，但不夠完善，不被大多數學者所接受[8]。

1.4 電解產物效應

HPEF處理裝置電極附近介質中的電解質會發生電離，產生活躍的陰陽離子，這些離子會與細胞內的蛋白質、核酸等結合，導致細胞內生命物質變性[9]。

1.5 粘彈極性形成模型

在強烈電場作用下，微生物的細胞膜會發生劇烈振蕩，同時介質中會產生等離子體并且等離子體會急劇膨脹，產生劇烈的沖擊波，沖擊波超過細胞膜的彈性極限而使微生物細胞破碎[10]。

2 影響HPEF殺菌效果的主要因素

2.1 微生物的特性

微生物的特性主要指微生物的種類，細胞面積、形狀和生長周期。不同種類的微生物對HPEF處理的敏感性一般不同，所以針對不同的微生物處理的條件也不同；微生物細胞面積、形狀決定了如細胞膜臨界電崩解電位差等參數，是影響微生物對HPEF敏感性的微觀表現；處于不同生長周期的微生物細胞對HPEF的抗性不同，故而對HPEF的處理效果有重要影響[11]。

2.2 食品的特性

食品的特性主要包括液體食品的電導率，水分活度，pH值和處理介質的成分。其中液體食品的電導率影響HPEF的處理強度，而水分活度，pH和處理介質的成分主要決定了微生物的生長環境，影響了微生物細胞對HPEF處理的抗性[11]。

2.3 處理技術參數

電場強度，處理時間，脈沖波形、寬度、頻率和能量，處理溫度等是HPEF殺菌系統的技術參數。其中電場強度和處理時間是影響HPEF殺菌效果的關鍵因素，隨著電場強度的增加和作用時間的增長，殺菌效果明顯增強[12-13]。而選擇合適的脈沖參數能獲得更好的殺菌效果，同時其他工藝條件相同的條件下，殺菌效果隨溫度升高而升高[14]。HPEF的各項工藝參數不僅對殺菌效果有巨大影響，還影響著食品加工的成本。

2.4 與其他技術結合應用

HPEF可以與其他技術結合使用以獲得更好的殺菌效果。如采用HPEF與脈沖強光（High intensity light pulses，HILP）殺菌技術相結合處理蘋果汁，最多可以使微生物總數降低6.22個對數，殺菌效果較兩種技術單獨使用更好，且HPEF與HILP結合處理果汁能保持果汁的色澤，較好地保留果汁中的花青素[15-16]。將HPEF技術與冷凍濃縮技術相結合的HPEF集成冷凍濃縮技術能提供低溫環境，抑制HPEF處理后存在的亞致死微生物，同時避免HPEF處理過程中的產熱對食品造成的影響[17]。

將不同的食品加工技術相結合可以彌補各自的不足，將HPEF與不同的食品加工技術相結合，能夠優化HPEF處理的效果，使HPEF在食品加工領域的應用更進一步。

3 HPEF處理對液體食品品質的影響

3.1 HPEF處理對微生物的影響

目前研究者們對HPEF已經進行了比較深入的研究，尤其是對殺菌的應用研究，研究發現HPEF對大腸桿菌的致死作用是由于HPEF對微生物細胞的損傷積累所致，即HPEF處理后會對細胞造成亞致死性損傷，這也與電崩解理論中微生物細胞膜的可逆性破裂相印證，實驗表明，HPEF處理可有效殺滅果蔬汁，牛奶和茶飲料中的多種微生物[18]。

研究HPEF對梨汁的殺菌效果發現，在一定條件下（200 Hz，30 kV/cm，10℃）處理時，梨汁中大腸桿菌和釀酒酵母總數分別下降了4.6、2.7個數量級，而在其它工藝條件一樣時，提高溫度協同處理（10℃上升到40℃）能使微生物的致死率提高1.0到2.0個數量級[19]。用HPEF處理藍莓汁，當工藝參數為（30 kV/cm，60 μs）時，藍莓汁中的滅菌率在99%以上[20]。丁宏偉等[21]在進行HPEF對牛奶的殺菌實驗時發現，影響HPEF處理對牛奶殺菌效果的因素按相關性從大到小依次為電場強度，溫度和脈沖數，且殺菌效果與這三個因素均呈正相關。應用HPEF處理對普洱茶進行殺菌時發現HPEF對霉菌的殺滅效果最差，具有良好的滅活選擇性[22]。采用HPEF處理草莓汁中的亞損傷細胞時，草莓汁中大腸桿菌受處理條件的影響較大，在（25 kV/cm，200 μs，10℃）的處理條件下，大腸桿菌亞致死對數值最高達到1.339，但釀酒酵母亞致死對數均低于0.4，亞致死細胞產生數目較大腸桿菌少[23]。HPEF用于石榴汁殺菌，在相同的工藝條件下，不同微生物對HPEF處理的敏感程度從大到小依次為大腸桿菌、酵母菌、霉菌，當工藝條件為（35 kV/cm，100 Hz，200 μs，溫度≤18℃）時，大腸桿菌、酵母菌與霉菌總數分別下降3.62、2.34和0.74個數量級；而將頻率提高至333 Hz時，霉菌總數下降1.82個數量[24]。由此可見，HPEF處理對液體食品中的主要微生物如大腸桿菌和釀酒酵母等有較好的殺滅效果，且可以通過優化工藝參數，在保證食品質量的同時獲得更好的殺菌效果。

3.2 HPEF處理的鈍酶作用

食品中的酶尤其是果蔬中的酶對食品的貯藏屬性有重要影響，酶促褐變就是影響食品質量的一個重要酶促反應。HPEF處理可以使食品中的大多數酶鈍化，目前研究者已經對HPEF鈍化酶的機理以及HPEF處理對酶結構的影響進行了深入的研究。

應用HPEF對鮮榨胡蘿卜汁品質影響實驗時發現，在一定條件下（40 kV/cm，800 μs）處理后，鮮榨胡蘿卜汁中POD和LOX的相對酶活性分別降至46.97%和23.22%，與經過巴氏殺菌的數值相近，但后者處理過的胡蘿卜汁品質明顯降低[25]。經HPEF處理后的蘋果汁，其POD和PPO活性均會下降，且隨著場強的增加，酶活性下降越顯著，直到場強達到35 kV/cm，脈沖上升時間為2 μs時，POD和PPO完全失活[26]。用HPEF處理西瓜汁，發現西瓜汁中POD，PME和PG均發生鈍化[27]；同樣，HPEF處理對番茄汁中的POD酶也有鈍化作用[28]。更為深入的研究表明HPEF處理會使酶分子的二級和三級結構發生改變，場強為22 kV/cm時HPEF處理700 μs～800 μs可以改變牛乳中堿性磷酸酶的三級結構，使其蛋白質分子展開和疏水基團外露[29]。經HPEF處理后，果膠酶酶活性顯著降低，而通過熒光光譜分析發現果膠酶熒光強度增強，表明HPEF處理可能引起果膠酶三級結構破壞，改變酶構象，使酶失去活性[30]。當場強為24 kV/cm，作用時間為320 μs處理時時，PPO活性降低69%，當作用時間為962 μs時，LOX活性降低88%，且通過圓二色譜分析二者的結構，發現二者的二級結構均發生了改變[31]。HPEF對PG的活性影響時得知經過HPEF處理，PG酶二級結構改變，α折疊結構減少，當處理條件作用達到一定強度時，PG酶蛋白凝聚，酶失活[32]。因此上述研究表明，HPEF可以鈍化果蔬汁中PE，PPO，POD，LOX等多種酶活性，推測可能是HPEF處理通過破壞酶的空間結構來使酶活性降低或失去活性，以達到延緩食品的腐敗變質，保持食品的感官品質，延長貨架期的效果。

3.3 HPEF處理對液體食品營養物質的影響

3.3.1 對蛋白質成分的影響

HPEF處理對食品中營養成分的損害較其他熱處理方式較小，但對蛋白質成分仍有一定影響，因為HPEF處理會改變蛋白質的結構和功能，同時使游離氨基酸的含量上升，但從蛋白質變性比例上來看對蛋白質的整體影響仍不顯著。

HPEF處理破壞蛋白質結構的機理不難理解，在有外加電場的情況下，蛋白質分子內部的帶電基團會受到電場力的作用，從而破壞蛋白質基團間的靜電平衡和帶電基團的定位，使蛋白質的二級和三級結構受到破壞，同時電場的作用也會破壞食品中蛋白質之外的其他帶電成分的原有分布，對蛋白質造成影響。進行HPEF對牛奶殺菌試驗時可知，一組處理條件為場強70 kV/cm，脈沖數10，70℃下處理70 s；另一組為70℃下處理70 s，未經電場處理，兩組處理過的牛奶蛋白質變性程度分別為4.9%和4.6%，即經HPEF處理的一組比較對照組，蛋白質變性程度增加了0.3%[21]。同樣用HPEF處理牛奶，在使微生物總數減少5.3個數量級的作用強度下，HPEF對牛奶免疫球蛋白的活性和結構的影響不顯著[33]。探究HPEF對乳鐵蛋白結合鐵能力的影響試驗表明，乳鐵蛋白的鐵結合能力大體隨電場強度、處理時間和脈沖寬度增加而降低，但在一定的處理參數下，乳鐵蛋白與鐵的結合能力達到對照樣的3.8倍，即HPEF處理會對生物活性蛋白的功能性質產生正面或負面的影響，選擇合適的工藝參數，有望提高其生物活性[34]。由此可見，HPEF處理對蛋白質有一定影響，但不顯著，且可以通過改變處理條件或者與其他處理方式協同作用，在達到預期處理效果的前提下減少對蛋白質的影響，而且HPEF處理對某些蛋白質功能性質的影響具有雙面性，有望據此開發出HPEF新的應用方向。

3.3.2 對脂質組分的影響

HPEF處理對食品中脂質影響的作用機理比較特殊，因為HPEF處理過程中會發生電極的電化學腐蝕，在HPEF處理食品的過程中，少量的鐵、鉻、鎳等金屬會從電極釋放到食品中，這決定了食品會在處理過程中發生電化學反應，產生自由基、活性氧等從而引發脂質等的氧化，生成復雜的氧化產物[35-36]。因此，HPEF處理過程中脂質發生的變化開始受到研究者的關注

HPEF處理過程中脂質的變化主要包括脂肪酸和油脂等的變化。Garde-Cerdán等[37]發現HPEF處理會引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少，其中月桂酸的變化最為為明顯。HPEF處理后蘋果脂肪含量降低，推測是由于細胞膜破裂導致膜滲漏，膜脂質過氧化加快，脂質含量降低[38]。HPEF處理花生油會導致一定程度的脂質氧化，過氧化值升高以及不飽和脂肪酸含量下降，但經電場處理的花生油較未經電場處理的對照樣在貯藏期間累積的酸敗產物少，脂肪酸成分變化小，且只有處理電場強度大于50 kV/cm時，才會使油脂的品質發生明顯下降[39]。HPEF處理對油酸發現，油酸的過氧化值隨著HPEF處理強度和貯藏時間的增加顯著增大，HPEF處理后，油脂酸價變化不明顯，羰基值在一周后迅速升高，碘價在貯藏2 d后有下降趨勢，總體表明HPEF處理對油酸的氧化進程產生了影響[40]。HPEF處理對食品油脂組分的影響比較復雜，不同于油脂的正常氧化進程，對油脂的品質影響無法一言而斷好壞，還有待研究者進行更多的研究和探討。

3.3.3 對其他營養組分的影響

當前關于HPEF處理對碳水化合物的影響的研究較少。經HPEF處理的蘋果碳水化合物含量較未處理的蘋果高，推測是HPEF處理使細胞的呼吸氧化進程和葡萄糖氧化酶活性受到抑制[38]。HPEF處理對葡萄汁中的還原糖含量幾乎無影響[37]。使用場強為25 kV/cm HPEF處理脫脂牛乳時，結果顯示牛乳中乳糖含量未發生明顯變化[41]。也有研究表明HPEF處理過的玉米淀粉分子結構發生改變和重排，更容易發生糊化[42]?？梢奌PEF處理對碳水化合物沒有明顯的不良影響。

也有研究表明，HPEF處理后食品中VC僅有少量損失，且能延緩食品中VC的降解，提高貯藏期間類胡蘿卜素和黃酮類物質含量[20，43-45]。Elez-Martínez等[43]發現場強35 kV/cm HPEF處理后橙汁中VC的保留率在87%以上；在通過HPEF處理牛乳和橙汁時發現場強為40 kV/cm HPEF處理后樣品中的維生素可保留90%以上[44]；HPEF對胡蘿卜汁品質的影響時，發現當場強為11.11 kV/cm進行處理時時，VC保留率高達97.8%[45]；而經HPEF處理的藍莓汁在4℃下貯藏30天后，花青素和VC的保留率均在80%以上[20]。因此可見HPEF處理不會對液體食品中的活性成分造成顯著影響，且有利于活性成分在貯藏期間的保留率。

3.4 HPEF處理對液體食品風味成分的影響

目前國內外對HPEF的研究發現，HPEF處理食品不僅能有效保持食品的營養成分和感官性質，甚至對某些食品的風味有積極作用，現在對HPEF酒類催陳的作用已有一定的研究。

對比鮮牛乳、UHT滅菌乳和HPEF處理乳（35 kV/ cm，400 μs，200 Hz），得知HPEF處理較UHT處理對牛乳中風味物質影響較小，同時產生更少的與蒸煮味相關的含硫化合物[46]。對梨汁的殺菌時發現與傳統熱處理相比，HPEF處理對梨汁中風味物質影響較小[19]。在場強35 kV/cm，750 μs的條件下處理橙汁，橙汁中類胡蘿卜素和黃酮類物質有所提高，總酸含量變化不大[47]。HPEF集成冷凍濃縮比真空蒸發濃縮更能保留茶湯的香氣成分[48]。用HPEF處理葡萄酒時發現，葡萄酒中的雜醇油含量下降，總酸、總酯和苯乙醇的含量上升，原花色素的變化趨勢基本符合自然陳釀的效果，整體來說陳香明顯增加[1，49]。白酒經HPEF處理后，總醇總酸含量都有所增加，陳香更加明顯，辛辣味減少，口感綿軟，貯存一年的白酒經HPEF處理后可達到與陳釀6年白酒相近的效果[50]。以上研究均表明，HPEF處理對食品的風味物質基本無影響，而且在酒類催陳方面有著較為廣闊的應用前景，同時也需要進行更多的實驗探究。

3.5 HPEF處理對食品安全性的影響

3.5.1 HPEF處理降解農藥殘留的作用

當前農藥殘留已經成為世界范圍內危及食品安全的難題之一，由于農作物病害和蟲害抗藥性增強超過了新型農藥的研發速度，農藥的過量使用已然不可避免。使用HPEF處理蘋果汁，發現PEF處理能顯著降解蘋果汁中殘留的甲胺磷和毒死蜱，并且降解作用與電場強度和脈沖數呈正相關[2]。用HPEF對紅葡萄酒中有機磷農藥殘留的降解作用時表明，HPEF處理對敵敵畏有一定降解作用[51]。經HPEF處理后，豆漿中甲胺磷、甲拌磷、樂果，二嗪磷、馬拉硫磷和毒死蜱均有不同程度的降解[11]。目前的研究結果雖然證實了HPEF處理對農藥殘留有一定降解作用，但對于具體的降解機制，最佳降解條件和降解動態等內容仍需進一步的研究。

3.5.2 減少食品添加劑的使用

HPEF處理食品能減少食品添加劑的使用，一方面是通過保持食品的色澤而減少護色劑和保鮮劑等的使用，主要是應用在綠色蔬菜的護色保鮮，一定強度的HPEF處理添加了75 mg/kg葡萄糖酸鋅的新鮮菠菜汁，可使菠菜汁較長時間保持綠色；另一方面HPEF處理食品能對食品的風味有一定影響，如使蛋白質降解為氨基酸增加鮮味，對于酒類的催陳也表明HPEF對食品風味有特殊作用[52]；此外，通過HPEF處理高蛋白的液態食品，可避免蛋白質沉淀的產生，如應用HPEF進行過一定處理的醬油可放置6個月無沉淀產生[53]。因此通過HPEF對某些食品進行處理，可減少或避免食品中相關食品添加劑的使用。

4 展望

目前，國內外的研究者們已經對HPEF在食品加工方面的應用進行廣泛的研究，一些發達國家已經開始實現HPEF技術應用向工業化的過渡，但HPEF處理對食品造成的影響仍有不明確的地方，如HPEF處理對脂肪酸和油脂的影響研究還不夠精確，食品成分是否會在HPEF處理會產生新的有害物質，HPEF處理是否會對遺傳物質造成改變也尚不明確，同時加工過程中由于電極腐蝕造成食品污染的問題也需要得到解決，這些問題都是限制HPEF技術進一步發展的關鍵。

雖然現在HPEF技術尚未成熟，但可以預見其在食品加工應用方面的廣闊前景。無論是殺菌鈍酶還是酒類催陳和農藥殘留降解，都是HPEF技術極具潛力的應用領域。在國內外研究者們的共同努力之下，相信實現HPEF的工業化應用為時不遠。

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Effect of High Voltage Pulsed Electric Field on the Quality of Liquid Food

ZHENG Ren-wei1，XIAO Hong2，3，LIU Shi-jian1，*，YANG Qin1，WANG Jin-yun1，YE Yang1
（1.Chongqing Key Lab of Agricultural Product Processing/College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Beijing Zhengboheyuan Technology Co.，Ltd.，Beijing 102400，China；3.Beijing Zhengboheyuan Technology Co.，Ltd.Chongqing Branch，Chongqing 400716，China）

High voltage pulse electric field is one of the most advanced nonthermal food technologies，with a series of attractive advantages：high efficiency，low treatment temperature，good preservation effect for the color，flavor and nutrients of original food and low energy consumption.Sterilization mechanism of high voltage pulsed electric field，the main factors affecting its bactericidal effect and the influence on the liquid food quality have been introduced in this paper，and its application prospect on food quality has been also summarized.

high voltage pulse electric field；liquid food；food quality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.048

2016-08-20

鄭人偉（1993—），男（漢），本科，食品質量與安全專業。

*通信作者：劉士?。?977—），男，講師，博士，研究方向：畜產品科學。