高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)及其在果蔬汁加工過程中的應(yīng)用進(jìn)展

崔素芬，廖 芬，張娥珍，黃茂康，孫 健，何全光，2，*

（1.廣西農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工所，廣西南寧 530007；

2.廣西作物遺傳改良重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007）

高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)及其在果蔬汁加工過程中的應(yīng)用進(jìn)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(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工所，廣西南寧 530007；

2.廣西作物遺傳改良重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007）

高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)（pulsed electric field，PEF）作為非熱處理技術(shù)之一，在殺菌鈍酶、活性物質(zhì)提取、保持食品原汁原味等方面顯示了很大的優(yōu)勢(shì)，近些年來成為食品科學(xué)與工程研究的熱點(diǎn)。文章就國(guó)內(nèi)外關(guān)于PEF技術(shù)及其在果蔬汁生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，以期為該技術(shù)應(yīng)用于果蔬汁工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

高壓脈沖電場(chǎng)，果蔬汁，非熱加工

目前食品工業(yè)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(zhì)遭到破壞，而不能滿足人們對(duì)食品新鮮度、營(yíng)養(yǎng)成分提高的需求。高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)（pulsed electric field，PEF），作為非熱加工工藝的一種，以其作用時(shí)間短、均勻、效率高，且最大限度的保有食品新鮮度的優(yōu)點(diǎn)，已被美國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家的眾多研究機(jī)構(gòu)研究，成為食品非熱處理方式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。PEF技術(shù)可以在低溫下，利用脈沖電場(chǎng)殺滅液態(tài)食品中的各種食源性病原體和致腐微生物，尤其對(duì)酸性食品中微生物的影響更大，但對(duì)細(xì)菌孢子影響比較小[1]。由于PEF處理食品時(shí)達(dá)到的最高溫度比巴氏殺菌方法低，對(duì)原料的風(fēng)味物質(zhì)影響較小，食品品質(zhì)變化不大。研究表明，PEF技術(shù)在物質(zhì)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(tài)蛋類等方面有很大的應(yīng)用前景[2]。另外，隨著果蔬汁市場(chǎng)份額的增加，PEF技術(shù)也逐步被研究應(yīng)用在各種果蔬汁生產(chǎn)過程中。目前PEF技術(shù)已被成功地應(yīng)用于一系列低粘度和低電導(dǎo)率的果蔬汁生產(chǎn)中，如蘋果汁、胡蘿卜汁、越橘汁等[3-4]，但生產(chǎn)規(guī)模較小。本文將綜述PEF技術(shù)應(yīng)用于果蔬汁加工過程中提取、滅菌、鈍酶的機(jī)理，以及PEF技術(shù)對(duì)果蔬汁營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，從而發(fā)掘PEF技術(shù)廣泛應(yīng)用于果蔬汁工業(yè)生產(chǎn)的潛力。

1 PEF技術(shù)在果蔬汁加工處理過程應(yīng)用機(jī)理研究

關(guān)于PEF造成細(xì)胞膜破損的機(jī)制有很多理論假說，如膜的介電擊穿理論、電穿孔理論、電機(jī)械壓縮及不穩(wěn)定理論、滲透不平衡理論、粘彈性模型、親脂親水性孔轉(zhuǎn)化理論、構(gòu)形轉(zhuǎn)化理論等[5]，其中，介電擊穿、電穿孔理論是目前普遍認(rèn)同的[6]。本文就電穿孔理論來闡述PEF技術(shù)在果蔬汁生產(chǎn)方面的應(yīng)用。

1.1 工作原理

高壓脈沖電場(chǎng)作用于細(xì)胞時(shí)，在細(xì)胞膜脂雙層上形成瞬時(shí)微孔，細(xì)胞膜的通透性和膜電導(dǎo)率瞬時(shí)增大，使正常情況下不易通過細(xì)胞膜的親水分子、病毒顆粒、DNA、蛋白質(zhì)以及染料顆粒等能通過細(xì)胞膜而進(jìn)出細(xì)胞，造成細(xì)胞死亡。有些細(xì)胞膜微孔可以修復(fù)，但細(xì)胞內(nèi)膜和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)各器官的膜仍會(huì)被破壞，細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等在細(xì)胞內(nèi)游離，導(dǎo)致細(xì)胞活性降低或致死。電場(chǎng)強(qiáng)度越大，細(xì)胞被破壞的程度越大。這一原理是PEF技術(shù)能夠應(yīng)用于輔助提取生物活性物質(zhì)、提高果蔬出汁率、滅菌鈍酶的重要依據(jù)[6]。

研究表明，大多數(shù)植物細(xì)胞在弱場(chǎng)強(qiáng)下可以存活，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過15000V/cm時(shí)，會(huì)被殺死；場(chǎng)強(qiáng)超過30000V/cm時(shí)，大多數(shù)細(xì)胞，如細(xì)菌和真菌的細(xì)胞也會(huì)被殺死。在動(dòng)態(tài)PEF電場(chǎng)處理液體食品時(shí)，由于泡沫的作用，電弧在電極間產(chǎn)生，易產(chǎn)生不良物質(zhì)，甚至致癌物。靜態(tài)PEF電場(chǎng)強(qiáng)度一般較小，在處理非液體物料時(shí)，即使在最大電場(chǎng)強(qiáng)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(shù)適用于低導(dǎo)電性、不含有或不產(chǎn)生氣泡、固體顆粒較小的液態(tài)物料。

1.2 工作過程

PEF處理系統(tǒng)是個(gè)簡(jiǎn)單的電路系統(tǒng)，包括一個(gè)高壓發(fā)生器、電容器組合、開關(guān)盒、處理室（見圖1），其中脈沖電場(chǎng)發(fā)生器是由一個(gè)或幾個(gè)電源（最高達(dá)60kV），交換器（放電管、晶閘管、四極管、火花隙、半導(dǎo)體）、電容器（0.1～10μF）、電感（30μH）、電阻（2Ω～10MΩ）構(gòu)成[4]。

圖1 PEF液態(tài)食品加工系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chartof a PEF liquid food processing system

2 控制參數(shù)

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

2.1 電場(chǎng)

電場(chǎng)由高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，大多數(shù)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生矩形波和雙極性波，雙極性波由于電場(chǎng)方向的突然反轉(zhuǎn)能改變細(xì)胞膜帶電基團(tuán)的移動(dòng)方向，造成膜結(jié)構(gòu)疲勞，增大細(xì)胞膜對(duì)電場(chǎng)的敏感性，具有耗能低，減少物料電解的優(yōu)點(diǎn)，但是雙極發(fā)生器成本是單級(jí)發(fā)生器的二倍。其他波形包括振蕩波和指數(shù)衰減波。指數(shù)衰減波容易產(chǎn)生，可以在瞬時(shí)達(dá)到峰值，釋放的能量比方波少。振蕩波殺菌效率最低，因?yàn)樗荒苁辜?xì)胞長(zhǎng)時(shí)間的暴露于高密度電場(chǎng)中[9]。但是由于方波與雙極性波發(fā)生電路過于昂貴，不適于規(guī)模化生產(chǎn)，而指數(shù)衰減電波可用簡(jiǎn)單的電容器產(chǎn)生，適于大規(guī)模生產(chǎn)。PEF技術(shù)產(chǎn)生的不同脈沖電場(chǎng)波形見圖2。

表1 工業(yè)上PEF技術(shù)處理液體食物的參數(shù)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(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度為25kV/cm、脈沖數(shù)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(dá)84.2%。

圖2 在PEF技術(shù)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(chǎng)的殺菌效率，溫度適宜（50～60℃）時(shí)，對(duì)PEF殺菌有增效作用，處理蘋果汁時(shí)溫度控制在50℃左右效果明顯。為保證PEF非熱殺菌優(yōu)勢(shì)，可對(duì)物料進(jìn)行冷卻[11]。葉麗珠等[12]利用PEF技術(shù)處理冷凍濃縮西瓜汁后，于-18℃下凍藏105d后，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌菌落總數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，處理后果汁品質(zhì)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(chǎng)達(dá)到20000V/cm時(shí)產(chǎn)生氣泡，壓力的增大能在促進(jìn)不同生物組織均勻分布的同時(shí)，提高果蔬原料的出汁率[13]。

2.4 處理時(shí)間

當(dāng)電場(chǎng)頻率固定時(shí)，液體原料經(jīng)過不同處理室，會(huì)受到不同脈沖電場(chǎng)的作用。處理器不同，形成的脈沖電場(chǎng)波形不同，物料處理時(shí)間亦不同。一般情況下，雙向波與雙極波下，物料在脈沖電場(chǎng)中處理時(shí)間較指數(shù)衰減波、振蕩波長(zhǎng)。物料在電場(chǎng)中處理時(shí)間越長(zhǎng)，殺菌效率越高。

3 PEF技術(shù)在果蔬汁加工過程中的研究進(jìn)展

3.1 PEF技術(shù)在果蔬汁活性物質(zhì)提取時(shí)應(yīng)用

由于細(xì)胞膜具有滲透性，PEF技術(shù)作用于細(xì)胞時(shí)可以提高物質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)，將低能量PEF應(yīng)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(guó)內(nèi)PEF在果蔬汁提取應(yīng)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(jīng)過機(jī)械擠壓和PEF（脈沖電壓為520V/cm，處理時(shí)間為100μs）處理后，出汁率明顯提高。PEF處理胡蘿卜時(shí)，其出汁率提高到60.1%～66.4%，同時(shí)產(chǎn)品中固形物可以增加13%～15%[17]。Susanne[18]對(duì)蘋果泥進(jìn)行低能量PEF處理，PEF電場(chǎng)能量輸出為10k J/kg，電場(chǎng)密度為3kV/cm，結(jié)合酶法浸泡，后機(jī)械擠壓，出汁率可達(dá)到83.0%；對(duì)葡萄進(jìn)行PEF處理，出汁率可達(dá)到87%。

PEF技術(shù)在提高果蔬汁提取率的同時(shí)，提高了果蔬汁中活性成分如VC、酚類物質(zhì)的保留率。原因是活性物質(zhì)提取情況受細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的影響，PEF細(xì)胞膜穿孔技術(shù)使細(xì)胞發(fā)生可逆或不可逆破壞，促使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物流出。利用PEF技術(shù)從果酒生產(chǎn)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(zhì)，進(jìn)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(zhì)的一種輔助手段。金哲雄[6]利用PEF技術(shù)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(zhì)的基本參數(shù)，發(fā)現(xiàn)提取率分別是水提取的1.91、1.10、1.05、1.32倍，表明PEF技術(shù)在功能成分提取方面有很大的應(yīng)用前景。PEF協(xié)同其他提取技術(shù)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(shù)與超聲波協(xié)同作用，從啤酒廢酵母中提取蛋白質(zhì)與核酸，提取率分別達(dá)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(chǎng)強(qiáng)度為20kV/cm、脈沖數(shù)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(dá)到93.2%；殷涌光等[21]利用PEF技術(shù)結(jié)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(zhì)的提取率分別是用水提法的1.91、1.11、1.05倍。

3.2 PEF技術(shù)在果蔬汁鈍酶方面的應(yīng)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(zhì)等氧化、褐變，分解果膠，產(chǎn)生不良風(fēng)味，影響果蔬汁品質(zhì)，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(shù)衰減型PEF技術(shù)，對(duì)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(jìn)行鈍化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，α-淀粉酶、脂肪酶失活率最高，達(dá)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(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，失活率增大；胃蛋白酶活性在40kV/cm，30個(gè)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(jié)果PME失活率達(dá)到88%。廖小軍[23]對(duì)蘋果汁中果膠酯酶（PE）、辣根過氧化酶（HRP）進(jìn)行鈍化，結(jié)果顯示，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)增大，鈍化效果增強(qiáng)，且HRP和PE酶活與脈沖數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度存在良好的相關(guān)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(jīng)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(jí)結(jié)構(gòu)改變。HRP和PE熒光強(qiáng)度增加，HRP和PE構(gòu)象發(fā)生改變。陳晨等[24]對(duì)比了PEF和高溫瞬時(shí)巴氏殺菌（HTST）對(duì)鮮榨胡蘿卜汁中LOX和POD的鈍化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度30kV，處理時(shí)間800μs條件下，LOX和POD相對(duì)酶活分別降至23.22%和46.97%，經(jīng)HTST（98℃，21s）條件處理下，LOX和POD相對(duì)酶活分別降至19.21%和48.08%，但此時(shí)胡蘿卜汁發(fā)生褐變，粘度增大，總酚含量顯著降低。

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

3.3 PEF技術(shù)在果蔬汁滅菌方面的應(yīng)用

將PEF技術(shù)應(yīng)用于抑菌方面已有近45年的歷史，它對(duì)細(xì)菌、酵母、霉菌等有明顯的抑制或殺滅作用，但是對(duì)細(xì)菌孢子影響不明顯[25]。

研究表明，在不同PEF處理?xiàng)l件下，對(duì)蘋果汁、橙汁、柑橘汁、胡蘿卜汁、梨汁進(jìn)行滅菌實(shí)驗(yàn)，菌落數(shù)目可下降了4～8個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)，且處理時(shí)間短，最長(zhǎng)不過1s，如在場(chǎng)強(qiáng)為33.33kV/cm，處理時(shí)間684μs條件下處理胡蘿卜汁，大腸桿菌菌落數(shù)可下降7.4個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)，而釀酒酵母則沒有檢出[26]。Rivas等[27]采用PEF技術(shù)在電場(chǎng)強(qiáng)度40kV/cm，時(shí)間700μs條件下對(duì)橙汁中大腸桿菌ATCC8739進(jìn)行滅菌，最高降低3.83個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)。劉翠等[28]比較了雙極性矩形脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度和殺菌時(shí)間對(duì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)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?zé)崽幚矸绞浇Y(jié)合或與乳鏈球菌素、溶菌酶等天然抗微生物制劑結(jié)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(shù)（UHP）與PEF技術(shù)聯(lián)合使用，對(duì)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(jīng)過PEF技術(shù)結(jié)合冷激處理可以使受損傷細(xì)胞進(jìn)一步失活，延長(zhǎng)食品在常溫下的貨架期。方婷等[32]對(duì)冷凍濃荔枝汁進(jìn)行PEF非熱殺菌研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過冷凍濃縮技術(shù)處理后荔枝濃縮汁電導(dǎo)率變低，荔枝汁經(jīng)貯藏30d后，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌數(shù)目開始下降，可能是高壓脈沖電場(chǎng)處理冷凍濃縮荔枝汁時(shí)沒有將細(xì)菌完全殺滅，而是有些細(xì)菌細(xì)胞受損，在-18℃貯藏后，無法自行修復(fù)，逐漸死亡。

PEF技術(shù)在果蔬汁滅菌方面的研究表明，PEF技術(shù)對(duì)果蔬中大多數(shù)微生物有很好的抑制作用，結(jié)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(chǎn)過程中廣泛利用提供了理論依據(jù)。

3.4 PEF技術(shù)對(duì)果蔬汁品質(zhì)的影響研究

果蔬汁加工一般要經(jīng)過熱處理殺菌和鈍化酶活處理過程，對(duì)果蔬汁中熱敏性成分和其生理特性有所破壞，甚至產(chǎn)生不良風(fēng)味，影響果蔬汁質(zhì)量，因此，近些年來，非熱殺菌、鈍酶方式成為研究熱點(diǎn)。PEF能溫和且高效地處理物料，最大程度上保留原料的營(yíng)養(yǎng)成分[33]，逐漸成為當(dāng)前最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)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(fā)現(xiàn)兩種處理方法得到的蘋果汁化學(xué)成分相似，但酚類物質(zhì)含量和抗氧化能力不同。PEF技術(shù)處理得到的蘋果汁，酚類物質(zhì)和果膠含量高，果渣的綜合利用程度高，另外，經(jīng)過PEF處理的蘋果汁保存40周后，果汁品質(zhì)沒有發(fā)生變化。VC含量是體現(xiàn)果蔬汁營(yíng)養(yǎng)的重要指標(biāo)，其含量高低受到人們的重視。潘東芬[26]研究發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)強(qiáng)和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，胡蘿卜汁中的VC含量下降，當(dāng)PEF電場(chǎng)強(qiáng)度為11.11kV/cm時(shí)，VC保留率為97.8%；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)33.33kV/cm，處理時(shí)間684s，VC保留率為92%；而熱處理后VC含量?jī)H為原料含量的76%。曾新安等[34]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖場(chǎng)強(qiáng)25kV/cm，溫度＜60℃條件下處理橙汁，VC保留率達(dá)到86.6%，比經(jīng)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(chǎng)和熱處理對(duì)鮮榨蘋果汁貯藏期品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種處理對(duì)蘋果汁的電導(dǎo)率、粘度、pH影響不顯著，但熱處理對(duì)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(fēng)味接近未處理樣品。殷涌光等[36]在探討PEF技術(shù)應(yīng)用于菠菜汁的提取過程中發(fā)現(xiàn)，高壓脈沖電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)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(zhǎng)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(gè)因素的影響，同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)雙極波的PEF處理對(duì)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(jīng)PEF技術(shù)處理后與熱處理及酶處理等傳統(tǒng)技術(shù)相比，品質(zhì)更接近于原汁，符合人們對(duì)食品原汁、原味、天然營(yíng)養(yǎng)的要求。經(jīng)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(guān)于PEF技術(shù)在果蔬其他方面的應(yīng)用

PEF技術(shù)在低電壓電場(chǎng)情況下，對(duì)果蔬組織如番茄、椰果、胡蘿卜、芒果、蘋果片進(jìn)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(xué)理論，結(jié)合蘋果單細(xì)胞模型，研究了PEF作用于果蔬的微觀機(jī)理，結(jié)果表明PEF處理果蔬的效果與物料性質(zhì)有關(guān)，果蔬細(xì)胞形狀、直徑、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等不同，細(xì)胞受力情況也不同；電場(chǎng)強(qiáng)度越大，細(xì)胞膜受到的應(yīng)力越大。該研究為PEF技術(shù)應(yīng)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?chǎng)┑萚42]利用PEF技術(shù)對(duì)楊梅進(jìn)行保鮮處理，結(jié)果表明，最主要的影響因素是高壓電場(chǎng)脈沖寬度，當(dāng)脈寬為10μs，頻率為80Hz，作用時(shí)間為10s時(shí)，保鮮效果最好。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研制的PEF設(shè)備[43]，處理液體物料能力可達(dá)到2000L/h，隨著對(duì)PEF設(shè)備研究的深入，PEF技術(shù)在果蔬加工過程中的應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣。

4 展望

PEF技術(shù)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(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究表明，PEF技術(shù)有望應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但是從實(shí)際生產(chǎn)來看，仍有許多問題需要解決，如高效脈沖發(fā)生器的研制和高功率系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是一個(gè)非常大的課題。PEF控制系統(tǒng)雖然操作簡(jiǎn)便，但是開發(fā)成本必須降低，才能廣泛的應(yīng)用于食品工業(yè)。對(duì)于飲料殺菌來說，由于PEF設(shè)備投入成本過高，目前用其完全替代熱殺菌方式應(yīng)用于果汁工業(yè)，無疑會(huì)增大生產(chǎn)商的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，而降低廠家利潤(rùn)。但是若在低能電場(chǎng)輸出的情況下，作為細(xì)胞破碎技術(shù)應(yīng)用在美容產(chǎn)品、細(xì)胞改造和高附加值的生物活性物質(zhì)的提取方面，利潤(rùn)空間將大幅度提高。隨著設(shè)備開發(fā)和工藝優(yōu)化，PEF技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于包括果蔬汁生產(chǎn)的食品工業(yè)各個(gè)方面。

[1]Lado B H，Yousef A E.Alternative food preservation technologies：Efficacy and mechanism[J].Microbes and Infection，2002（4）：433-440.

[2]劉鳳霞，孫建霞，李靜.高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用研究新進(jìn)展[J].食品與發(fā)酵工，2010，36（4）：138-142.

[3]Sadler G D，Parish M D，Wicker I.Microbial enzymatic，and chemical changes during storage of fresh and processed orange juice[J].Journal of Food Science，1992，57（5）：1187-1197.

[3]Hodgins A，MittalG，GriffithsM.Pasteurization of fresh orange juice using lowenergy pulsed electrical field[J].Journal of Food Science，1992，67（6）：2294-2299.

[4]Góngora-Nieto M M，Sepúlveda D R，Pedrow P，et al.Food processing by pulsed electric fields treatment delivery，inactivation level and，regulatory aspects[J].Lebensmittel-Wissenchaft und Technology-Food Science and Technology，2002，35（5）：375-388.

[5]盧家暄，連賓.高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理及影響因素分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（24）：7601-7603.

[6]金哲雄.高壓脈沖電場(chǎng)常溫快速提取動(dòng)植物成分工藝及機(jī)理研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[7]Gauri S M.Non-Thermal Food Processing with Pulsed Electruic Field Technology[J].Pro Quest Agriculture Journals，2009，16（2）：6-12.

[8]Raso J，Heinz V.Pulsed electric fields processing for the food industry，F(xiàn)undamentals and Application[J].Springer Science-Business Media，2006，39（7）：233-245.

[9]李汴生，阮征.非熱殺菌技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：155-175.

[10]韋漢昌，韋群蘭，韋善清.高壓脈沖電場(chǎng)提取豬皮膠原蛋白[J].廣西科學(xué)，2011，18（3）：235-237.

[11]Mertens B，Knorr D.Developments of non-thermal processes for food preservation[J].Food Technology and Biotechnology，1992，25（5）：124-133.

[12]葉麗珠，龔雪梅，陳錦權(quán).PEF處理對(duì)冷凍濃縮西瓜汁品質(zhì)影響的研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，28（6）：52-58..

[13]Wang W C，Sastry SK.Effects ofmoderate electro-thermal treatments on juice yield from cellular tissue[J].Innovative Food Science&Emerging Technologies，2002，3（4）：371-377.

[14]Ade-Omowaye B IO，Angersbach A，Eshtiaghi N M.Impact of high intensity electric field pulses on cell permeabilization and as pre-processing step in coconutprocessing[J].Food Science &Technology，2000，1（3）：203-209.

[15]Jemai A B，Vorobiev E.Pulsed Electric Field Assisted Pressing of Sugar Beet Slices：towards a Novel Process of Cold Juice Extraction[J].Biosystems Engineering，2006，93（1）：57-68.

[16]Tedjo W，Taiwo K A，Eshtiaghi M N，et al.Comparison of pre-treatmentmethods on water and solid diffusion kinetics of osmotically dehydrated mangos[J].Journal of Food Engineering，2002，53（2）：133-142.

[17]Knorr D，Angersbach A，Eshtiaghi M N，et al.Processing concepts based on high intensity electric field pulses[J].Trends in Food Science and Technology，2001，12（3）：129-135.

[18]Susanne S，Stefan T.Comparative study of juice production by pulsed electric field treatment and enzymatic maceration of applemash[J].Europe Food Researth Technol And Technology，2008，226（6）：1389-1398.

[19]謝閣，楊瑞金，盧蓉蓉.高壓脈沖電場(chǎng)和超聲波協(xié)同作用破碎啤酒廢酵母的研究[J].食品科學(xué)，2008，19（7）：133-137.

[20]韋漢昌，韋群蘭，何建華.高壓脈沖電場(chǎng)提取梔子黃色素的研究[J].食品工業(yè)科技，2011，32（8）：141-146.

[21]Ho SY，Mittal G S，Cross JD.Effects of high field electric pulses on the activity of selected enzymes[J].Journal of Food Engineering，1997，31（1）：69-84.

[22]Yeom H W，Sneaker C B，Zhang Q H，et al.Effects of PEF on the activities ofmicroorganisms and pectin methyl esterase in orange juice[J].Food Microbiology and Safety，2000，65（8）：1359-1363.

[23]廖小軍.高壓脈沖電場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其殺菌滅酶效果與對(duì)蘋果汁品質(zhì)影響研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[24]陳晨，趙偉，楊瑞金.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)鮮榨胡蘿卜汁的品質(zhì)和內(nèi)源酶活力影響[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（3）：28-32.

[25]Qin B L，Pothakamury U R，Barbosa-Canovas G V，et al. Non-thermal pasteurization of liquid foods using high intensity pulsed electric fields[J].International Journal of Food Sciences& Nutrition，1996，36（6）：603-627.

[26]潘東芬.高壓脈沖電場(chǎng)處理對(duì)胡蘿卜汁的殺菌效果及品質(zhì)影響研究[D].無錫：江南大學(xué)，2011.

[27]Rivas A，Sampedro F，Rodrigo D，et al.Nature of the inactivation of Escherichia coli suspended in an orange juice and milk beverage[J].European Food Research and Technology，2006，223（4）：541-545.

[28]劉翠，平雪良，楊瑞金.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)梨汁中微生物的滅菌效果分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（31）：13854-13856.

[29]Iu J，Mittal G S，Griffiths M W.Reduction in levels of Escherichia coli O157：H7 in apple cider by pulsed electric fields[J].Journal of Food Protection，2001，64（7）：964-969.

[30]Waite-Cusic JG，Diono B H，Yousef A E.Screening for Listeria monocytogenes Surrogate Strains Applicable to Food Processing by Ultrahigh Pressure and Pulsed Electric Field[J]. Journal of Food Protection，2011，74（10）：1655-1661.

[31]ZhaoW，Yang R，WangM.Cold storage temperature following pulsed electric fields treatment to inactivate sub-lethally injured microorganisms and extend the shelf life of green tea infusions [J].International Journal of Food Microbiology，2009，129（2）：204-208.

[32]方婷，龔雪梅，虞聰.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)冷凍濃縮荔枝汁非熱殺菌的研究[J].食品科技，2010，35（9）：83-87.

[33]Guderjan M，Topfl S，Angersbach A，et al.Impact of pulsed electric field treatment on the recovery and quality of plant oils [J].Journal of Food Engineering，2005，67（3）：281-287.

[34]曾新安，劉燕燕，李云.高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)和熱處理對(duì)橙汁維生素C影響比較[J].食品工業(yè)科技，2009，30（6）：123-129.

[35]鐘葵，廖小軍，梁楚霖.脈沖電場(chǎng)和熱處理對(duì)鮮榨蘋果汁貯藏期品質(zhì)的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30（8）：52-54.

[36]殷涌光，金哲雄，王春利，等.茶葉中茶多糖茶多酚茶咖啡堿的高壓脈沖電場(chǎng)快速提取[J].食品與機(jī)械，2007，23（2）：12-22.

[37]Ade-Omowaye B IO，Angersbach A，EshtiaghiN M.Impact of high intensity electric field pulses on cell permeabilization and as pre-processing step in coconutprocessing[J].Food Science &Technology，2000（3）：203-209.

[38]Rivas A，Sampedro F，Rodrigo D，et al.Nature of the inactivation of Escherichia coli suspended in an orange juice and milk beverage[J].European Rearch and Technology，2006，223（4）：541-545.

[39]Raso J，Heinz V.Pulsed electric fields processing for the food industry，F(xiàn)undamentals and application[J].Springer Science-Business Media，2006：233-245.

[40]Tedjo W，Taiwo K A，EshtiaghiM N，et al.Comparison of pre-treatmentmethods on water and solid diffusion kinetics of osmotically dehydrated mangos[J].Journal of Food Engineering，2002，53（2）：133-142.

[41]劉振宇，郭玉明.高壓矩形脈沖電場(chǎng)果蔬預(yù)處理微觀結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2009，187（10）：22-25.

[42]張?chǎng)?，韓其國(guó)，朱英俊.高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)在楊梅保鮮中的應(yīng)用研究[J].食品工業(yè)科技，2012，33（2）：373-379.

[43]Ramaswamy R，Jin Z T，Zhang H Q，et al.Pulsed Electric Field Processing Fact Sheet for Food Processors[J].Food Sciences and Technology&Extension Fact Sheet，2008：2-5.

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(lián)系人

崔素芬（1983-），女，碩士，助理研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。

廣西農(nóng)科院重點(diǎn)項(xiàng)目（2011YZ23）；2012公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)研究（201203092-05-01）。