高壓靜電技術及其在肉類和果蔬保鮮中的應用進展

姜曉晨，霍英嬌，董士遠

（中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島 266000）

肉類和果蔬的營養成分豐富，是人體必需的蛋白質、維生素以及礦物質的重要來源[1]，但在加工、貯藏、運輸和銷售過程中，由于機械損傷、自身生理代謝、微生物侵染等因素，會造成食品變色、失水及腐敗變質等，從而降低其商品價值，造成經濟損失，且存在較大的食品安全風險[2-3]。目前，已開發應用多種方法進行食品保鮮，如冷藏保鮮[4]、氣調貯藏保鮮[5]、減壓貯藏保鮮[6]、涂層保鮮[7]、熱處理保鮮[8]和輻射處理保鮮[9]等。近年來，高壓靜電在果蔬保鮮、肉類解凍等方面呈現廣泛的應用前景[10]，研究表明，高壓靜電場處理能夠有效延長鮮切竹筍、小玉米、羊肚菌采后冷藏貨架期并延緩品質劣變[11-13]，有效抑制肉類食品體系中金黃色葡萄球菌、假單胞菌和鏈球菌的生長，延緩脂肪氧化，延長貯藏期[14-16]。然而，關于高壓靜電處理在肉品腌制方面的應用研究較少[17]。高壓靜電場作為外加電場作用于果蔬保鮮中，能使細胞內的電荷運動發生改變，從而果蔬的細胞代謝和呼吸作用受到影響[18-19]。已有研究表明，在肉類解凍過程中，添加高壓靜電場能夠保證食品品質，控制冰晶成核大小，降低冰晶對肉的結構傷害，同時能夠減少汁液流失，縮短解凍時間[20-22]。高壓靜電在處理食品時不會產生熱效應且能耗低，食品溫度變化較小，基本不影響食品品質[23]。

本文系統綜述了高壓靜電設備研究現狀，主要采用平板式、針狀式和線板式這三種形式。此外，本文還從改變酶活性、細胞膜的通透性、抑制冰晶形成等角度揭示高壓靜電的作用機理，進一步綜述了高壓靜電技術在肉類和果蔬保鮮中的應用進展。

1 高壓靜電場簡介

高壓靜電場（High voltage electrostatic field，HVEF）是一種人工綜合效應場，屬于物理場。HVEF最常用的設備主要由三個核心器件組成，即直流電源、高壓發生器和處理室[24]。目前研究的高壓靜電場的應用形式主要分為平板式、針狀式和線板式三種。電壓、放電電極的幾何形狀、兩個相鄰電極的間距等因素均會影響高壓靜電場的強度[25]。

目前，應用于食品保鮮研究的平板式高壓靜電場工作示意圖如圖1 所示。低壓電源經過多種電子線路變換，最終形成穩定的直流高電壓[26]。使用時高電壓連接在上下極板，形成回路，從而產生高壓靜電場，對場中的食品產生一定強度的靜電力。施加在正負極板間的電壓大小和兩極板間的間距可以改變電場強度，從而可以對不同的食品施加不同強度的高壓靜電[27]。目前，針狀式高壓靜電場裝置（圖2）在保鮮中應用較少，在電子、紡織、印刷等工業領域得到廣泛應用[28]，它具有離子氣流覆蓋面積大、靜電中和速度快等優點[29]。平板式形成的電場是均勻的，與此相比，針狀電極形成的電場為非均勻電場[30]。在高壓電場下，電荷集中聚集在帶電導體的表面，針尖表面的電荷密度遠大于其他部位，因此它附近的電場強度很強，在電場作用下，游離的電子或離子向極板以發散的形式運動，形成的電暈風是不均勻的，同時周圍空間中的電場強度迅速降低[31]。

圖1 平板式高壓靜電場工作示意圖Fig.1 Flat plate high voltage electrostatic field working schematic

圖2 針尖式高壓靜電場工作示意圖Fig.2 Pinpoint high voltage electrostatic field working schematic

目前，線板式高壓靜電場裝置（圖3）在食品保鮮方面呈現出較好的前景[32]，其中日本的DENBA+設備、山東“博美特”等開發的靜電設備已實現初步商業化應用[33]。在高電壓條件下，線極周圍氣體發生電離，造成大量離子逸出，離子在靜電室內加速運動，與顆粒發生碰撞后附著在顆粒表面，使顆粒帶電，電場力推動荷電顆粒向板電極遷移[34-36]。與平板式相比，線板式的線極發射出若干束狀靜電，促進放電并強化電場，線極附近的高電場強度區域擴大，從而得到了較大且均勻的電場密度分布[37]。此外，帶電粒子在電場作用下會加速產生離子風，離子風會在物體表面產生渦流，從而阻礙了物體與外界氣體的交換，產生一定的氣調效果[38-39]。

圖3 線板式高壓靜電場裝置Fig.3 Wire-board type high-voltage electrostatic field device

2 高壓靜電保鮮的作用機理

2.1 改變酶的活性

有研究表明，水是具有一定構造的物質[40]。施加電場后，水分子結構被破壞，同時影響了水與酶結合的狀態，從而使酶的活性喪失[41]。李里特等[42]、王頡等[43]認為，外加電場會影響細胞內電勢梯度的分布，改變細胞膜電位，使帶電粒子向兩極聚集，從而對酶的活性產生影響。此外，在酶催化的氧化還原反應中，酶分子內部電子轉移的耦合通路會隨著外加電場發生變化[44]。Evans 等[45]提出在質子傳遞中氧化還原酶改變自身結構從而節省能量。一系列研究表明，高壓靜電場改變酶活性的程度受酶的類型影響，不同種類的酶結構及作用部位有所差別，因而在相同的處理條件下酶失活程度也不同。然而，并非所有的酶都會受到高壓靜電場的影響，所以在高壓靜電場改變酶活性的酶種類方面還有待更深一步的研究。

2.2 改變細胞膜的通透性

細胞的跨膜電位因外加電場而發生改變，離子可通過載體經化學梯度和電勢梯度這兩種驅動力穿過細胞膜，這兩種電化學梯度決定離子的運動方向[46-47]。有研究表明，細胞的跨膜電位受電場的影響。電場強度與膜電位正方向相同時，膜電位差增加；電場強度與膜電位正方向相反時，膜電位差減小[48]。膜兩側的帶電粒子隨著膜電位的改變發生移動，產生的電流促進生化反應進行。Ko 等[49]發現，高壓靜電場可以改變細胞膜的通透性，從而抑制微生物的繁殖，在高壓靜電場環境中，羅非魚的菌落總數要明顯低于空白對照組。

不同菌種對電場的耐受力不同，但在高壓靜電場的作用下，大部分微生物的細胞膜會被擊穿形成小孔。另外，空氣介質在外加電場達到一定程度時會自發電離產生離子，電離產生的微量臭氧可以侵入菌體內部，細胞的結構遭到破壞，影響其正常生命活動，最終導致細菌死亡[50]。

2.3 抑制蛋白變性及水分流失

一些水分含量較高的食品，貯藏過程中易產生汁液流失而導致其品質下降[51]。在靜電場作用下，水分子會自發富集在電荷表面，產生荷電液滴，可以降低空氣中水分的過飽和度，阻止水分的流失[52]。趙良[53]研究發現，在長期貯藏過程中高壓靜電場能抑制魚類肌球蛋白的變性，減少水分和部分維生素、水溶蛋白等物質的流失。Jia 等[54]利用高壓靜電場處理豬里脊肉時發現，靜電組和對照組有不同的代謝物譜系，經高壓靜電處理的豬里脊肉的肌球蛋白未被氧化。Deng 等[55]借助高壓靜電場研究高壓靜電技術對豆腐的失水率時發現，高壓靜電技術解凍可以提高豆腐的持水量。對肉制品而言，高壓靜電場能抑制其蛋白的變性并減緩蛋白的分解速率，對提高肉類產品的保鮮品質有一定的效果。

2.4 抑制冰晶的生成

在低溫保鮮處理中，冰晶是影響肉質品質劣變的關鍵要素，大冰晶對周圍細胞產生擠壓，破壞肌肉纖維，極性水的平衡狀態因外加電場改變，食品的冰點降低，成核作用減弱，使冰晶變小，減少大冰晶對肌肉結構的損害，降低肉類保鮮時的品質損失。Xanthakis等[56]通過增加高壓靜電場的電壓，促使豬里脊肉中冰晶成核的溫度降低2.6 ℃，冰晶尺寸減小，可以降低冰晶對肌肉微觀結構的損傷。甄仌等[57]使用相場法模擬電場下冰晶的生長也證明了這點。高壓靜電技術通過抑制細胞內的水分子在降溫過程中成核，減緩細胞內的機械損傷，提高肉的保鮮品質。

2.5 臭氧

高壓電場能夠將空氣電離，產生微量臭氧。具有強氧化性的臭氧使細胞膜破裂，細胞的生命活動無法正常進行。此外，果蔬釋放的乙烯能與臭氧發生化學反應，延緩果蔬的老化，達到一定的保鮮效果[58]。丹陽[59]以毛霉為研究對象，探究高壓電場產生的臭氧對其影響時發現，臭氧對毛霉的生長有抑制作用，且抑制效果與電場強度成正比。李明科[60]發現，高壓靜電場形成的離子和臭氧能抑制葡萄的生理活性，延長貯藏期。蔣耀庭等[61]發現，電場產生的臭氧能抑制鮮切青花菜表面微生物的活動，此外，臭氧結合負離子能使青花菜釋放出來的氣體（乙烯、乙醛等）分解，延緩其采后衰老過程。臭氧雖能抑制微生物的生長，但效率較低，可以作為肉類及果蔬保鮮有效的補充，但不能滿足工業殺菌的要求。

3 高壓靜電在食品保鮮中的應用

3.1 在肉類保鮮方面的應用

高壓靜電場能夠加快肉類及肉制品的冷凍及解凍速度，延長保藏期。Hsieh 等[62]發現，使用高壓靜電輔助解凍雞腿肉所需的時間是普通解凍方式的2/3。馬堅[63]利用高壓靜電技術對牛里脊肉分進行凍結測試，發現與無電場下的凍結速率相比，高壓靜電場凍結牛肉的速率更快；此外不同的電場強度對凍結速率有著不同程度的影響，其中場強為150 kV/m時凍結速率效果最好。這為更有效地解凍肉制品提供了一種可行的新方法。Zhang 等[64]研究牛肉在高壓電場下的解凍特性時發現，高壓靜電場可以明顯的提高牛肉的解凍效率。這也為高壓靜電技術應用于解凍肉制品提供了理論支持和技術支撐。

同時許多研究者發現，與傳統保鮮方法相比，高壓靜電保鮮能對微生物生長起到有效的抑制作用，可以在一定程度上提高產品的品質。趙良等[65]研究高壓靜電場對羅非魚片品質的影響時發現，貯藏21 d后，不同場強（1.8、3.8 kV）靜電組的細菌總數均低于106CFU·g-1。Mq 等[14]研究發現，高壓靜電場能有效抑制食物系統中金黃色葡萄球菌的活性。張佰清等[66]在探尋高壓靜電場殺菌效果時發現，靜電場對大腸桿菌有明顯的致死作用，大腸桿菌的致死率與電壓和處理時間均呈正相關。利用高壓靜電處理，可明顯抑制肉類中細菌的生長，為今后靜電殺菌發展提供了思路。

高壓靜電能夠降低肉及肉制品的汁液流失率。岑劍偉[67]利用冰溫氣調結合高壓靜電場處理羅非魚片，發現高壓靜電能夠顯著降低魚肉的汁液流失，效果明顯優于常見的保鮮方法。姚薇等[68]研究高壓靜電場處理對肉糜品質的影響時發現，施加150 kV/m電場會降低肉糜18.71%的汁液流失率。孫芳等[36]也發現，與對照組相比，高壓靜電組解凍失水率減少7.0%。高壓靜電技術雖然在肉制品保鮮時降低汁液流失效果較好，但在選擇合適的高壓靜電場強方面還有待更深一步的研究。

高壓靜電能夠保持食品的質構特性和品質。李鵬等[69]等發現，高壓靜電場冷藏的白斬雞雞肉的硬度、彈性、咀嚼性較普通冷藏有顯著差異（P＜0.05），高壓靜電對保持雞肉固有的質構特性有較明顯的效果。熊宇飛等[70]發現施加高壓靜電能抑制刀額新對蝦貯藏期間發生的蛋白質降解、脂肪氧化和微生物生長等生化反應，從而使靜電組樣品表現出更好的顏色和質構特性。唐夢[71]在研究高壓靜電場解凍對羅非魚片品質影響中發現，由于高壓靜電場解凍均勻，隨著貯藏時間的延長，靜電組魚片的質構優于非靜電組。高壓靜電技術是一種新興的保鮮技術，其處理過程無熱效應、基本不影響食品品質，具有廣泛的應用前景。

3.2 在果蔬保鮮方面的應用

處于高壓靜電場的環境下，果蔬會產生臭氧和負離子，臭氧氧化分解乙烯，推遲其老化，同時負離子能夠抑制呼吸強度, 延長貯藏期。肖艷輝等[72]通過實驗發現，電場能較好地抑制草莓果實的呼吸速率，延長草莓的貯藏期。李里特等[42]以黃瓜、豇豆為試材進行高壓靜電場保鮮試驗，發現高壓靜電組黃瓜的瓜刺完好，豇豆出現的銹斑較少，延緩了果皮的老化。蔣耀庭等[61]在探尋高壓電場處理對鮮切青花菜保鮮的影響時發現，高壓靜電場放電產生的臭氧具有較強的穿透力，可阻礙糖代謝的正常進行，使鮮切青花菜的代謝水平有所降低，抑制其體內呼吸作用。但對于選擇合適的極間電壓、微電流以及處理時間等工藝參數以獲得最佳的保鮮效果，還需選用多種果蔬及大量的實驗進行驗證。

此外，高壓靜電場處理能減緩果蔬水分含量的降低，抑制多糖、維生素C 代謝相關酶的活性，而清除氧的相關酶活性被提高，從而有效維持多糖和維生素C 含量，延緩衰老腐敗進程。孫貴寶等[73]、王宗偉等[74]、黃洪云[75]分別以黃冠梨、香菇、冬棗等實驗材料，通過高壓靜電場貯藏果實，發現高壓靜電場能抑制內源性甲醛含量的積累，減緩果實可溶性固形物和維生素C 含量的降低，有效地控制果實腐爛的發生，延遲果實采后的衰老過程。高壓靜電場對抑制果蔬的維生素C 含量、多糖含量的降低有明顯的效果，但其微觀機理尚未十分清楚，還有待進一步研究。

高壓靜電能維持果蔬更好的感官品質。方勝等[76]研究發現，高壓靜電場處理能有效延長番茄貯藏時間，尤其是在電場強度為150 kV/m 的處理條件下能更好地維持番茄的硬度及感官品質。Liu 等[77]使用600 kV/m 的電場強度，在不同的時間下對甜柿進行處理，發現高壓靜電可以將重量損失率降低1.0～1.3 倍，表明高壓靜電具有延遲組織劣變的能力，而且其效果隨著處理時間的延長而增加。孫貴寶等[78]以青椒為實驗材料，發現高壓靜電能有效延緩其衰老過程，64 d 時，靜電組好果率高達90%以上。高壓靜電場處理能延長果實的貯藏期，達到保鮮的目的，且操作方便，但成本較高，在大面積推廣應用上存在一定困難。

4 總結與展望

高壓靜電技術作為一種非熱處理技術，在處理食品時不會產生熱效應且能耗低，食品溫度變化小、基本不影響食品品質，因此該技術在食品加工領域有較好的應用前景。高壓靜電能夠加快肉類的冷凍及解凍速度，抑制微生物生長，還能夠降低果蔬的呼吸強度，減緩水分含量的降低，維持食品較好的品質。目前，該技術主要應用在肉類和果蔬保鮮方面，但基本上處于實驗室研究階段，如何突破產學研瓶頸是一大難點，此外高壓場的參數如電壓、微電流及場強分布與食品的相互作用等也遠未闡明，建議應用食品組學等技術深入揭示靜電場對食品的作用機理、蛋白組學、酶活性、微觀結構等方面的探索，從而為高壓靜電的保鮮機理提供一定的依據。