高壓電場殺菌技術研究進展

鄺金艷　林穎　王麗　李宗軍

摘 要：高壓電場殺菌技術具有良好的應用前景，已在食品、衛生等領域受到越來越多的關注。本文介紹2 種常見的高壓電場殺菌技術的設備、殺菌機理和影響殺菌的相關因素，綜述高壓電場殺菌技術在不同電場條件下的殺菌效果和高壓電場技術在食品（肉類和水產品）殺菌中的應用，并探討高壓電場技術的發展前景和高壓電場技術聯用其他殺菌技術的殺菌效果，旨在為高壓電場技術在食品殺菌領域中的應用提供參考。

關鍵詞：高壓脈沖電場；高壓靜電場；殺菌機理；食品殺菌

Research Progress in High-Voltage Electric Field Sterilization Technology

KUANG Jinyan， LIN Ying， WANG Li， LI Zongjun*

（College of Food Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： High-voltage electric field sterilization technology has good application prospects and has received increasing attention in fields such as food and hygiene. In order to provide a reference for the application of high-voltage electric field in food sterilization， this article introduces readers to the equipment and working mechanisms of two common high-voltage electric field sterilization technologies and the factors influencing the sterilization efficiency， and it reviews the efficiency of high-voltage electric field sterilization technology under different electric field conditions and the application of high-voltage electric field technology in food （meat and aquatic products） sterilization. Furthermore， this review discusses future prospects for high-voltage electric field technology and the efficiency of high-voltage electric field technology combined with other sterilization technologies.

Keywords： pulsed electric field; high-voltage electrostatic field; sterilization mechanism; food sterilization

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2023）09-0052-08

引文格式：

鄺金艷， 林穎， 王麗， 等. 高壓電場殺菌技術研究進展[J]. 肉類研究， 2023， 37（9）： 52-59. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068.? ? http：//www.rlyj.net.cn

KUANG Jinyan， LIN Ying， WANG Li， et al. Research progress in high-voltage electric field sterilization technology[J]. Meat Research，

2023， 37（9）： 52-59. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068.? ? http：//www.rlyj.net.cn

原料采購、加工、貯藏等過程中存在的微生物污染問題是威脅食品安全和消費者健康的重要因素。微生物因素潛在的食品安全隱患不容忽視，因此殺菌處理是食品工業中必不可少的工序。殺菌技術不僅能延長食品貯藏時間，還能降低致病菌污染的風險[1-3]。隨著經濟水平的提高，消費者對食品品質和食品安全提出了更高的要求。傳統的食品熱殺菌技術對食品功能成分，如花青素和多酚等，以及食品感官品質破壞較大，不能滿足現代食品加工的需求[4]。傳統的熱殺菌技術，如巴氏殺菌技術、高溫殺菌技術、超高溫瞬時殺菌技術等是通過加熱對食品進行殺菌，殺菌效果好、適用廣泛，但食品顏色、口味、氣味等發生改變，營養成分損失，食用價值降低[5]。高壓電場技術殺菌效果好、殺菌時間較短、能耗小、環保無污染，且能最大限度地保持食品原有的營養成分和感官性狀，為傳統的熱殺菌提供了新穎的替代方案，在實際生產過程中具有廣闊的應用前景[6-7]。目前，國內外研究人員將電場技術應用于不同的食品領域，如殺菌[8-10]、冷凍解凍[11-12]、干燥[13]、有效成分提取[14]

和降低有害物質積累[15]等。本文重點闡述高壓靜電場（high voltage electrostatic field，HVEF）和高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）的裝置特點、殺菌機理、殺菌效果影響因素及其在食品殺菌中的應用研究進展，并聯合其他殺菌技術進行展開介紹。

1 高壓電場殺菌技術簡介

1.1 高壓電場殺菌機理

1.1.1 PEF殺菌機理

非熱加工技術中，PEF是研究最廣泛、最有發展前景的工藝之一。目前，人們普遍認為PEF的滅活機理主要集中在電崩解理論[16-17]和電穿孔理論[18-20]。然而現有研究認為，電崩解機理更能夠說明脈沖電場滅菌的原理和過程[21]。有研究者將細胞膜視為電容，細胞膜內外存在電勢差。電崩解理論是指在外加電場作用下，細胞膜兩側的異性電荷和電解質在細胞膜內外聚集，將會對細胞膜形成擠壓力，使膜的厚度減小。當跨膜電壓超過某個臨界值時，細胞膜就會開始崩解，形成崩解孔。崩解孔的面積占細胞膜的總面積較小時，細胞膜的崩解是可逆的[22]。

如果細胞膜的崩解孔面積過大且長時間處于電場作用下，就會導致其產生不可逆崩解，會導致細胞膜內物質與外部物質的大量、自由交換，最終細胞死亡[23]，如圖1

所示。微生物細胞膜主要是由蛋白質和磷脂雙分子層組成，細胞結構穩定。電穿孔理論是在電場的作用下，細胞膜磷脂雙分子層和蛋白質通道發生改變。電場擴大細胞膜上原有的膜孔并產生新的疏水性膜孔，最后變成穩定的親水性膜孔，細胞膜孔可以導電并產生局部焦耳熱，磷脂雙分子層從凝膠結構轉變為液晶結構，細胞膜通透性增加；電場作用后，電壓敏感的蛋白質通道打開，細菌細胞膜上形成小孔，使得細胞膜通透性增加，外部小分子物質通過小孔進入細胞內，使得細菌體積膨脹，細胞膜破裂，細菌內容物外泄，最終導致細菌損傷或死亡[24]，如圖2所示。

1.1.2 HVEF殺菌機理

HVEF作為一種新型的非熱加工技術，在食品工業中應用越來越廣泛，HVEF已被證實是一種有效的殺菌方

法[25]，并能保持食品的物理和感官特性[26-27]。HVEF殺菌機理有以下三方面：1）HVEF也具有類似于PEF殺菌的電崩解和電穿孔理論；2）芒刺-板型和線-板型HVEF中存在極強的電暈放電現象，在強電場作用下，空氣中存在的少量帶電粒子與中性分子或原子不斷發生碰撞，其中電子與氧分子碰撞產生的臭氧對食品表面微生物具有殺滅作用。臭氧導致細胞膜結構和成分發生變化，引起新陳代謝紊亂，細胞膜通透性變大，內環境穩態被破壞，最終導致細胞溶解、死亡[28-29]；3）電離產生的活性氧具有很強的氧化性，對殺菌至關重要，如過氧化氫能使微生物細胞膜氧化破裂，失去物質交換能力，使得微生物死亡。羥自由基是一種極強的氧化劑，能迅速氧化與之相鄰的核酸、糖以及細胞的多種組分。超氧陰離子自由基可以破壞微生物的細胞膜、細胞核、蛋白質和碳水化合物等，最終導致細菌突變、老化和死亡[30-31]。

1.2 影響高壓電場殺菌的因素

1.2.1 PEF殺菌效果的影響因素

PEF技術對于微生物的滅活效果影響因素包括PEF的處理參數、被處理介質條件及微生物自身的特性[24，32]。PEF處理參數包括脈沖電場波形、電場強度、脈沖處理時間和脈沖頻率等因素。介質條件也是PEF滅菌的重要影響因素，如被處理介質的狀態、電導率、離子強度、溫度、pH值和水分活度等。PEF殺菌的影響因素有很多，微生物種類、生長階段和微生物大小等都對PEF殺菌效果有影響[33]。PEF技術對食品殺菌效果的影響總結見表1。

1.2.2 HVEF殺菌效果的影響因素

研究發現，影響HVEF殺菌效果的因素是電場設備、處理對象的特性和微生物的生理特性[51]。電場設備中HVEF的電極板類型、電場強度和處理時間對殺菌效果有很大影響，芒刺-板型電極板尖端的氣體因電暈放電被電離成高能的離子和電子，芒刺-板型的滅菌效果明顯優于其他板型[52-53]。處理對象因素，如溫度、電導率和pH值等都對微生物的滅活起著重要作用。食品種類、處理溫度、微生物數量和生長階段等也是影響殺菌效果的重要因素。HVEF技術對食品滅菌效果的因素總結見表2。

2 高壓電場殺菌技術應用

2.1 不同PEF條件的殺菌效果

與傳統熱殺菌技術相比，PEF技術因對病原微生物的有效滅活以及延長產品保質期、保留新鮮度等優勢而被廣泛研究，用于食品殺菌和保存[63-64]。牛德寶[43]采用25 kV/cm的PEF處理醋酸菌6.0 ms，醋酸菌的滅活菌數達到3.66（lg（CFU/mL）），且電場強度對醋酸菌的致死效應較脈沖處理時間更為重要。此外，隨著初始溫度升高到42 ℃，PEF對醋酸菌的滅活效果最大，減少4.97（lg（CFU/mL））。Tao Xiaoyun等[65]采用35 kV/cm的PEF處理大腸桿菌和釀酒酵母90 μs，大腸桿菌和釀酒酵母的菌落數分別減少5.15、5.30（lg（CFU/g））。經研究分析，在相同的電場處理條件下，酵母的死亡率大于大腸桿菌，酵母對PEF更敏感，這與Evrendilek[66]和Qin Bailin[67]等的發現一致。Zhao Wei等[68]采用流式細胞術結合熒光技術，定量實時檢測PEF對大腸桿菌細胞和亞致死損傷微生物細胞的損傷程度，揭示了PEF滅活大腸桿菌的潛在機制。PEF誘導的亞致死損傷細胞在25 kV/cm時達到最大值，該研究表明，在較高的電場強度下，PEF誘導的亞致死損傷細胞轉為永久性膜損傷細胞。Zhu Ning等[69]對脈沖電場滅菌的處理室進行研究，發現隨著工作電壓升高到500 V，釀酒酵母和金黃色葡萄球菌數量分別下降5.42、4.77（lg（CFU/g））；對數生長期的釀酒酵母、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌比穩定期微生物對電場的變化更敏感，因為對數生長期的細胞迅速分裂并活躍生長。當PEF條件為脈沖頻率30.5 kHz、占空比2.3%、處理時間7 min和電場強度45 kV/cm時，PEF對調理牛肉中微生物致死率為87.33%，且調理牛肉的貨架期延長，感官品質無顯著降低，為調理肉制品的殺菌保藏提供了參考[70]。

2.2 不同HVEF條件的殺菌效果

與PEF相比，HVEF用于殺菌的電場強度不高，時間較長，殺菌效果不如PEF。通常情況下，增大電場強度和延長處理時間會提高HVEF殺菌效果。王云龍等[52]探討不同HVEF對大腸桿菌的誘變效應差異，結果表明，高壓芒刺電場在1 kV/cm處理大腸桿菌時突變率最高，是對照組的12 倍，HVEF在場強為4 kV/cm處理時突變率最高，為對照組的5.47 倍。該研究還表明，不同HVEF對大腸桿菌的突變效應由高到低分別為高壓芒刺電場、高壓變頻電場、HVEF。Huang Han等[71]研究HVEF對約氏不動桿菌的抗菌機制，結果表明，在30 kV/cm、15 min電場條件下，約氏不動桿菌數量減少2.06（lg（CFU/g））。白愛枝等[72]研究HVEF對大腸桿菌的損傷效應，場強為4 kV/cm時大腸桿菌的存活率和突變率的變化和對照組相比均達到極顯著水平，此條件下處理2 min時大腸桿菌的存活率最低，僅為（7.77±1.73）%。Liu Jiao等[54]利用HVEF輔助凍結蝦，在電場作用下產生小而均勻的冰晶，改善蝦質地同時抑制了微生物生長。在15、20 kV/cm時細菌群落結構變化顯著，低于其他組。因此，高強度HVEF（＞15 kV/cm）對細菌有抑制作用。Gao Wenqing等[73]研究可調并聯HVEF對羅非魚貯藏期間新鮮度的影響，HVEF處理可有效降低冷藏（4 ℃）羅非魚肉的微生物生長速度，隨著電場強度從10 kV/cm增加到900 kV/cm，這種抑制效果增加10 倍。HVEF在食品保鮮方面具有良好的使用潛力，因為它有效地保持了魚類的新鮮度。當電場強度為600 kV/cm或更高時，效果更佳。HVEF還運用于肉類凍藏及解凍，如胡裴裴[74]對比分析低壓靜電場與非靜電場條件輔助短期凍藏過程中豬肉的菌落總數變化，肉樣在－12、－18 ℃凍藏28 d時的菌落總數較對照組菌落總數下降4.50、4.48（lg（CFU/g））。

何向麗[75]運用HVEF解凍豬里脊肉，并研究解凍后貯藏期間微生物的變化。結果表明，豬里脊肉在電壓為10 kV處理后的菌落總數比對照組的菌落總數減少0.45（lg（CFU/g）），在解凍后的1～3 d，對照組散發腐爛氣味，電場處理組仍保持得較新鮮。此外，Xie Changwei等[76]發現，HVEF解凍雞腿肉樣品中的微生物菌落數低于對照組。HVEF解凍似乎能有效抑制微生物活動并延緩肉類變質。還有研究報道了不同包裝形式的食品在貯藏期間的微生物變化不同，隨著時間的延長，靜電組樣品的菌落總數明顯低于未靜電組。貯藏8 d時，托盤靜電組樣品的菌落總數大于6（lg（CFU/g）），而其他組樣品在貯藏6 d時的菌落總數已接近或大于6（lg（CFU/g）），并且在貯藏8 d時的菌落總數已超過7（lg（CFU/g））[77]。關于PEF與HVEF在幾種典型食品中的殺菌效果對比見表3。

2.3 高壓電場技術與其他技術的聯用

微生物對電場技術的易感性不同，電場技術處理后觀察到3 種形式的細胞，即死亡、存活和亞致死損傷細胞。PEF和HVEF技術對于微生物殺菌均存在一定的局限性，單獨作用較難達到預期效果。因此，將電場技術與其他技術協同以強化殺菌效果，優化殺菌工藝，如電場技術與溫熱、冰溫、抑菌劑、紫外和脈沖光等技術協同。Niu Debao等[81]研究不同體積分數乙醇對醋酸桿菌細胞膜脂肪酸組成、脂質構象、膜流動性和脈沖電場抗性的影響。結果表明，醋酸桿菌的生長受到抑制。例如，用9%乙醇培養的醋酸桿菌（109 CFU/mL）

在PEF作用（20.0 kV/cm、6.0 ms）下，醋酸桿菌菌落數為5.17（lg（CFU/g）），而不用乙醇培養的菌落數為3.22（lg（CFU/g））。Pyatkovskyy等[82]探究高靜水壓（high hydrostatic pressure，HPP）、PEF和超聲（ultrasonic，US）處理對單核細胞增生李斯特菌的滅活效果，當PEF和HPP、US同時使用時觀察到協同效應。陳婧[44]以釀酒酵母為研究對象，研究柚皮苷協同PEF對微生物的致死作用。隨著電場強度的增強和電場處理時間的延長，對微生物的殺菌效果明顯增強。當場強為35 kV/cm、處理時間為2 400 μs時，菌落數減少1.89（lg（CFU/mL）），并且柚皮苷與PEF協同處理的菌落數減少量是PEF單獨處理時的3.15 倍。朱誠[83]將等離子體結合PEF滅菌，研究發現，二者結合具有顯著的協同抑菌效果，等離子體處理3 min，之后PEF（15 kV/cm、10 μs）處理的組合能夠分別殺滅5.98、5.82（lg（CFU/mL））金黃色葡萄球菌、大腸桿菌。段偉文等[84]將靜電場與冰溫技術結合對蝦進行保鮮，當貯藏時間延長至后期，電壓越高，靜電場結合冰溫對微生物的抑制效果越好，并能明顯抑制對蝦的腐敗和不良氣味的產生，同時能改善蝦肉色澤，抑制pH值上升等。何天夫[85]研究發現，PEF協同肉桂醛對大腸桿菌的滅活具有協同增效作用。當肉桂醛濃度為最小殺菌濃度的1/2且無PEF作用時，大腸桿菌滅活效果為0.04（lg（CFU/mL））。當場強為10、15、20、25 kV/cm時，殺滅效果分別為0.54、0.71、1.37、2.38（lg（CFU/mL））。相似地，劉英[51]研究高壓芒刺電場結合肉桂醛使用對單增李斯特菌的殺菌效果及殺菌機理，結果表明，高壓芒刺電場與肉桂醛結合處理可以提高殺菌效果。當電場強度為14 kV/cm、處理15 min條件下，結合不同濃度肉桂醛處理加劇了單增李斯特菌細胞內核酸、蛋白質等大分子外流、造成DNA的降解和細胞膜破損程度加劇，微生物致死效果增加。岑劍偉等[86]

探究HVEF聯合冰溫技術對鮮羅非魚片的保鮮效果。結果發現，冰溫氣調保鮮組在貯藏6 d時微生物數超過107 CFU/g，冰溫空氣包裝組在貯藏3 d時超過108 CFU/g，HVEF結合冰溫氣調條件下貯藏到30 d時微生物數量僅為104 CFU/g。Lin Yunian等[87]以紅鯛魚為研究對象，在魚片表面接種腐敗希瓦氏菌，研究US和HVEF抗菌活性，還研究了US和HVEF解凍對魚片品質特性的影響。結果表明，US和HVEF聯合處理對腐敗希瓦氏菌抗菌性最好，致死率為96.73%。此外，US和HVEF聯合使用可以最大限度減少解凍損失，保持魚片質地。目前，國內外研究表明，電場技術與其他殺菌技術的協同作用對微生物抑制更加有效，能延長食品的貨架期，更好保留食品的理化性質和營養成分，具有良好的應用前景。關于電場技術與其他技術聯用的殺菌效果見表4。

3 高壓電場殺菌技術發展前景

3.1 PEF殺菌技術的發展前景

許多研究表明PEF技術具有高效的殺菌作用，已取得較好的研究進展[90]。目前為止，PEF對液體和半固體食品殺菌效果較好[78]，這是因為帶電分子存在于液體中，電流在液體食品中更有效移動且固體食品含有豐富的離子、蛋白質和脂類，食品電導率增加，影響場強，液體食品中微生物比固體食品中微生物易滅活。電源電壓影響微生物殺菌效果，電源電壓需要上千至上萬伏，成本高且有安全隱患。為促進PEF技術工業化，需進一步改進高壓電源。研究表明，金屬電極對微生物的致死率較高，但是金屬電極（不銹鋼、鈦）長時間處于高電壓條件下易發生分解，影響食品安全和電極板使用壽命[28，91]，關于新型電極材料（碳材料）的應用仍需進一步研究。至今，PEF殺菌技術大多停留在實驗室水平，未能運用于工業化生產。同時，不同處理室間存在電場強度不均勻、場強過小等問題[28]。PEF處理過程中微生物細胞亞致死損傷的發生會嚴重影響PEF處理食品的微生物貨架期和食品安全[92]。說明PEF殺菌技術需要進一步優化，增強PEF的殺菌效果，推廣PEF電場技術的應用。最近幾年，低、中電場強度的電場技術引起了大多數研究者的

關注[69，93]。因此，今后的研究需朝著高質量、殺菌、經濟和可靠方向發展，并進一步探索PEF殺菌技術在食品、農業、衛生等相關領域的應用前景。

3.2 HVEF殺菌技術的發展前景

HVEF殺菌效果不如PEF，HVEF設備構造相對簡單、價格低、溫度變化幅度小、電源電壓低、電場強度不高，達到理想滅菌效果所需時間長。HVEF電源輸出電壓較低，殺菌的電場強度不高，在微生物滅活過程中也出現大量的亞致死損傷細胞，影響食品貨架期和消費者安全。電極板類型對微生物殺菌有很大影響，常見的不同電極板類型中，芒刺-板型HVEF殺菌效果最佳，能大幅度減少處理時間[52]。相對于PEF，HVEF對固體食品殺菌效果較好，對食品的組織結構和營養風味無破壞，在固體食品殺菌保鮮領域具有更廣闊的發展前景。HVEF設備簡單，經濟環保無殘留，是理想的非熱加工技術。同時，相比于PEF，HVEF用于殺菌研究相對較少，殺菌效果不及PEF，進一步技術優化或結合其他殺菌技術能發揮更大的研究價值和使用價值。

4 高壓電場裝置特點

4.1 PEF裝置特點

PEF是高壓脈沖電源在2 個電極板之間形成脈沖電場，PEF以較高的電場強度（10～50 kV/cm）、較短的脈沖寬度（0～100 μs）和較高的脈沖頻率（0～2 000 Hz）對物料進行處理。PEF裝置一般由高壓脈沖發生系統和高壓PEF處理室組成。處理系統的脈沖波形有振蕩波、指數衰減波、方波和雙極性波等。振蕩波形殺菌效率較差，在食品殺菌方面運用較少；指數衰減波是通過簡單的電容充放電路形成；方波峰值電壓持續時間長，殺菌效果好；雙極性波由一組正波和負波構成。處理室有平行盤式、柱-盤式、柱-柱式、線圈繞柱式和同心軸式等[94]。PEF技術處理食品殺菌效果好、處理時間短、無污染，能最大限度保留食品原有的營養成分[10]。PEF裝置示意圖如圖3所示。

4.2 HVEF裝置特點

HVEF是低壓電源（0～30 V）經電子線路處理產生高頻矩形波，再經過整流、濾波、多諧振變換和多級倍壓整流等電路，最終變換成穩定的直流高電壓（0～50 kV）。高壓電源施加在2 塊平行的電極板之間形成HVEF[94]。通過調節控制器改變輸出電壓或極板之間的距離改變電場強度[96]。常見的HVEF裝置有板-板型、線-板型和芒刺-板型，裝置示意圖如圖4所示。線-板型電極可產生較大電暈電流，但電流分布不均勻。板-板型電極板能產生較強的勻強電場，但幾乎不產生電暈電流，因此殺菌效果相對較差。芒刺-板型產生的電暈電流分布均勻且殺菌效果明顯優于以上2 種類型[51-53]。HVEF在食品工業中應用廣泛，展現出殺菌效果好、能耗小、產熱小、綠色無污染和對食品品質無影響等優勢[7]。

5 結 語

高壓電場技術不僅能保持食品原本的品質，還具有低能耗、低污染等優勢，未來具有廣闊的發展前景。PEF技術處理時間短，殺菌效果強大，一直深受國內外研究人員的青睞，但需要向應用食品范圍廣、降低生產成本、高壓電源和電極的調整等方向發展。HVEF技術構造相對簡單、成本較低、電源電壓較低等特點在食品領域應用廣泛。HVEF電極結構類型影響微生物殺菌效果，芒刺-板型HVEF在食品殺菌保鮮方面具有更加廣闊的前景。為了高壓電場技術實現大規模應用，高壓電場技術設備的優化與深入研究、結合其他殺菌技術增強殺菌效果有待進一步探索。相信通過不斷地研究與完善，高壓電場技術將在食品等各個領域發揮更大的作用。

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收稿日期：2023-07-11

基金項目：湖南省重點研發計劃項目（2022NK2035）

第一作者簡介：鄺金艷（1999—）（ORCID： 0009-0007-6011-8018），女，碩士研究生，研究方向為食品生物技術。

E-mail： 1186647408@qq.com

*通信作者簡介：李宗軍（1967—）（ORCID： 0000-0001-7495-3822），男，教授，博士，研究方向為食品生物技術。

E-mail： hnlizongjun@163.com