高壓電場對生鮮食品保鮮機理研究進展

王麗平，李 苑，余海霞，楊水兵，胡亞芹,,*

（1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，馥莉食品研究院，浙江省食品加工技術與裝備工程中心，浙江省農產品加工技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310058；2.浙江大學舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）

高壓電場對生鮮食品保鮮機理研究進展

王麗平1，李 苑1，余海霞2，楊水兵2，胡亞芹1,2,*

（1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，馥莉食品研究院，浙江省食品加工技術與裝備工程中心，浙江省農產品加工技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310058；2.浙江大學舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）

生鮮食品新鮮程度直接影響市場需求，其產后腐敗帶來的經濟損失也不可估量，因此保鮮技術研究至關重要。高壓電場在處理食品時具有無熱效應、能耗極小、食品溫度上升幅度小、對食品本身品質基本無影響等特點，是目前生鮮保鮮領域應用前景最好的技術之一。本文介紹了高壓電場的基本原理，分別從膜電位、酶活性和微觀質地等方面系統(tǒng)分析了其在果蔬、水產品和肉類食品中的保鮮作用機理，并進一步對高壓電場未來的研究前景進行展望。

高壓電場；機理；果蔬；水產品；肉類制品

隨著社會的進步，人們的消費觀念的轉變，消費者對食品安全和營養(yǎng)愈加重視，生鮮食品的新鮮度成為購買時參考的重要因素，而我國因保鮮方法不當、物流冷鏈不到位等因素導致生鮮食品產后腐敗高達生產總量的40%～50%[1]，由此帶來的經濟損失不可估量。近年來，運用在生鮮食品保鮮方面的方法主要有生物保鮮劑、化學保鮮法和物理保鮮法[2-4]。其中高壓電場在處理食品時具有無熱效應、能耗極小、食品溫度上升幅度小、對食品本身品質基本無影響等特點，是一種應用較為廣泛的物理保鮮法。

1 高壓電場簡介

目前電場保鮮中應用較多的是高壓靜電場和高壓脈沖電場。高壓靜電場是一種人工綜合效應場，普通低壓電源（220 V）經電子線路處理后產生高頻矩形波，再經整流、濾波、多諧振變換和多級倍壓整流等電路，變換成連續(xù)可調的穩(wěn)定直流高電壓。電源正負極分別連接兩塊平行的電極板，通電后生成高壓靜電場。同時通過控制臺調節(jié)輸出電壓或改變兩極板間距離來調節(jié)電場強度，即E＝U/d（E為電場強度/（V/m）；U為電壓/V；d為板間距/m）。高壓靜電場裝置如圖1所示[5]。

圖1 高壓靜電場裝置[[55]]Fig.1 The device of high voltage static fi eld[5]

圖2 高壓脈沖形成系統(tǒng)原理圖[[66]]Fig.2 Schematic diagram of high voltage pulse formation[6]

高壓脈沖電場主要包括電源裝置、脈沖發(fā)生裝置、示波器、樣品處理室等系統(tǒng)[7-8]。高壓直流電源將220 V交流電通過變壓器變成幾十千伏的交流電，然后經過整流變成高壓直流電；脈沖發(fā)生器中由高壓直流電源向電容充電，貯存在電容器上的電能在高速電子開關的閉合瞬間向處理室釋放。即普通電源經充電模塊、能量儲存模塊、開關模塊、升壓模塊和負載模塊形成高壓脈沖（圖2）。不同的開關控制電路形成不同的脈沖形式，主要有方波、指數和交變脈沖3 種。處理室有平行盤式、線圈繞柱式、柱-柱式、柱-盤式、同心軸式等。脈沖電壓、電流及波形可通過示波器監(jiān)測，以期選擇合適的參數使食品單位體積受到脈沖電場作用后能夠保持產品新鮮度、延長貨架期。

2 高壓電場對生鮮食品的保鮮機理

2.1 果蔬

2.1.1 改變果蔬細胞膜電位

一般認為，外加電場能夠改變果蔬細胞中的跨膜電位。當離子穿過細胞膜時，可通過載體經兩種驅動力進行跨膜運輸：一是膜內外兩側本就存在的（濃度）化學梯度；二是由于透過膜的電荷運動所造成的電勢梯度。這兩種統(tǒng)稱電化學梯度并決定著離子的運動方向[9]。有研究表明電場會對細胞跨膜電位的影響，當外加電場強度與膜電位正方向相同時，膜電位差增加；當其與之相反時，膜電位差減小[10-11]。膜電位的變化導致膜兩邊帶電離子定向移動而產生生物電流，從而促進生化反應的進行。

李里特等[12]曾將黃瓜和豇豆放置在場強為150 kV/m，溫度為（9±1） ℃，相對濕度≥90%的電場中每天處理60 min，實驗結果證明電場能較好地保持黃瓜瓜刺完好、減少失水程度并推遲豇豆銹斑出現和豇豆果皮的老化。Parniakov等[13]利用高壓脈沖電場處理反復凍融的蘋果，發(fā)現果肉組織間滲透壓分布均勻、質感更佳且果皮顏色持久。高壓電場引起的去極化作用使它們細胞的膜電位差發(fā)生改變，從而改變了細胞代謝的生理過程，進而使得呼吸強度降低、衰老延遲。

2.1.2 影響果蔬呼吸系統(tǒng)電子傳遞

通常認為剛采摘的果實表面帶正電荷，果芯內部帶負電荷，且兩者所帶電荷等量異號。以蘋果為例，在外加負電場的作用下負電荷向果芯堆積，同時使果皮表面失去更多的負電荷而帶更多的正電荷，表現為果皮和果芯之間的電位差加大，電場感應加強[14]。生物體內的氧化還原反應主要以Fe原子作為電子傳遞體，利用Fe2＋和Fe3＋之間的循環(huán)轉變，從某反應物獲得電子再傳遞給另一反應物，實現細胞內的生化反應。果蔬貯藏中調節(jié)呼吸作用強弱的氧化酶輔基是含Fe的有機物，當處于負電場中時，Fe3＋極易得到一個電子變成還原態(tài)的Fe2＋，即控制果蔬呼吸的酶在外加電場作用下以Fe3＋為中心的構象發(fā)生變化，酶活力在一定程度上被降低，果蔬的呼吸作用減弱，其采后品質劣變速率減緩。

葉青[15]利用100 kV/m場強的靜電場每天對呼吸躍變型水果（蘋果、桃和鴨梨）處理2 h，實驗顯示3 種水果貯藏中均出現明顯的呼吸高峰，但它們呼吸強度的最大值與對照組相比都顯著降低。另外，水果在成熟期內可溶性糖含量上升，但它作為果實呼吸作用的底物隨著呼吸作用的進行而有所消耗。實驗發(fā)現高壓電場處理可抑制這3 種果實可溶性糖的積累，減緩了淀粉等物質向可溶性糖的轉化。果實呼吸作用是經糖酵解后在有氧條件下通過三羧酸循環(huán)生成水和二氧化碳，這一過程中產生的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和H＋不與游離氧分子結合，經呼吸鏈電子傳遞后方可結合。外加電場的作用下幾種果實的呼吸強度總體趨勢未改變，說明其未打亂原先的電子傳遞過程，只是減弱了電子傳遞的速率，從而影響NADH和H＋與游離氧分子的結合，控制呼吸強度。Benkeblia[16]認為與傳統(tǒng)的保鮮方法（冷藏、熏蒸和輻照）相比，高壓脈沖電場能有效降低棕櫚果呼吸速率、延長保質期。狄建兵等[17]研究高壓靜電場對草莓采后生理的影響時發(fā)現，電場明顯抑制草莓的乙烯釋放，使草莓果實的呼吸強度降低，保持了草莓果肉最大破斷應力。

2.1.3 水共鳴導致果蔬內酶失活

有研究表明水本身并非單純的液體，而是具有一定構造的物質[18]。從水的構造角度分析，外加能量場使水產生共鳴現象，引起水結構及水與酶結合狀態(tài)發(fā)生變化，最終導致酶失活。另外一些學者認為水和其他物質一樣具有固有的頻率，若施加高壓電場，水產生共鳴并改變構象，使酶失活或鈍化[19]。Leong等[20]在研究利用脈沖電場使酶失活，從而降低胡蘿卜切削力的實驗中發(fā)現，胡蘿卜樣品經磷酸鹽緩沖溶液預處理后放置于10 ℃低溫環(huán)境中，施加高壓脈沖電場后樣品溫度升高，當溫度達到25 ℃時停止加壓。當場強達0.8 kV/cm時，抗壞血酸氧化酶活力降低30%，過氧化物酶降低到8%～10%，胡蘿卜塊平行和垂直位上電流變化不同，即電場改變的微環(huán)境中水共鳴狀態(tài)，使得這兩種與呼吸作用有密切聯系的內源性酶極易失活。劉振宇等[21]利用高壓脈沖電場對蘿卜、胡蘿卜和蘋果進行預處理時發(fā)現電場強度和脈沖個數對VC氧化酶活性影響顯著，從而可以有效保持VC的含量。當高壓電場作用時，水的共鳴會間接引起酶分子活性部位的局部結構發(fā)生變化，如活性基團立體構型改變或其氫鍵、疏水鍵等受到破壞，從而導致酶的生物活性被鈍化或喪失。

2.1.4 臭氧的作用

高壓電場能夠電離空氣產生微量的臭氧，它具有一定的殺菌作用，同時會與果蔬釋放的乙烯發(fā)生反應生成CO2和水，抑制果蔬采后的成熟衰老，達到一定的保鮮效果[22-23]。丹陽[24]在探尋高壓電場產生的臭氧對毛霉作用規(guī)律時發(fā)現，高壓靜電場產生的臭氧對毛霉有抑制作用：當場強為50 kV/m時，抑菌率為2.03%；當場強為100 kV/m時，抑菌率為3.74%；當場強為150 kV/m時，抑菌率為8.69%。隨電場強度的升高，電場所產生臭氧對毛霉的抑制作用有所增強。臭氧雖能抑制毛霉菌生長，但效率較低，并不能滿足工業(yè)殺菌的要求，可視為是對保鮮有益的補充。漿果柔軟多汁，常溫條件下很難貯存（比如葡萄），李明科[25]建議利用高壓放電形成離子空氣和臭氧抑制其生理活性，延長貯藏期。蔣耀庭等[26]采用高壓靜電場處理鮮切青花菜發(fā)現電暈產生的臭氧對其表面微生物有明顯殺滅效果，和負離子結合能使青花菜釋放出來的乙烯、乙醇、乙醛等氣體氧化分解，延緩后熟和衰老。

2.2 水產品

2.2.1 細胞膜穿孔致細菌死亡

高壓電場滅菌的機理已較為深入，其中最成熟的理論觀點是細胞膜的電穿孔模型。外加電場作用下細胞膜跨膜電壓將增加，超過其自身絕緣強度時會在膜上形成微孔；跨膜電壓大過臨界值，微孔變大，細胞膜穿孔至無法愈合，膜通透性增強，細胞內質流出導致細胞死亡[27]。水產品中常見的致病微生物主要有副溶血性弧菌（Vibrio parahaemolyticus）、單核增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、沙門氏菌（Salmonella）、志賀氏菌（Shigella）、大腸桿菌（Escherichia coli）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等[28-29]。Dutreux等[30]發(fā)現大腸桿菌和李斯特菌經高壓脈沖電場處理后細胞表面變得粗糙，電子顯微鏡下可觀察到細胞外膜部分破損致使細胞的細胞質外泄。Tao Xiaoyun等[31]在研究高壓電場對大腸桿菌和釀酒酵母的滅菌率時發(fā)現，電場對它們具有顯著的滅活效果，可使細胞表面出現孔洞，且細胞內原生質體變形，細胞內蛋白質和核酸外滲，該結果也進一步支持了“膜穿孔”理論。Ko等[32]發(fā)現羅非魚在高壓靜電場中處理到第8天時實驗組菌落總數比對照組低一個數量級，殺菌效果明顯。

2.2.2 改變酶活性

魚蝦中含有豐富的酶類，與其自身的脂肪氧化、蛋白分解的速率密切相關。眾多研究高壓電場技術對酶活性影響的實驗表明，酶的失活程度與酶的類型有關。不同的酶其活性部位和結構都不同，從而使得在相同的操作條件和介質條件下酶的失活程度也不同[33]。鐘葵等[34]利用高壓脈沖電場處理脂肪氧化酶，其二級結構特征負峰顯著下降，三級結構熒光強度隨電場增加而增大，可見電場既破壞了該酶的二級結構又改變了它的三級結構。褚江永[35]發(fā)現電場對過氧化氫酶的三級結構沒有影響，但是會改變過氧化氫酶的二級結構，改變其活性。電場使酶活性中心的結合基團局部構象改變或酶活中心的催化基團局部構象改變，從而影響酶催化活性，這些酶活力的降低有利于魚蝦的保鮮與貯藏。然而，并非所有的酶都會受到高壓電場的破壞。最新研究表明，相比于對照組，高壓靜電場可以更有效地抑制羅非魚肌動球蛋白的Ca2＋-ATP酶活力下降（0.9 倍）且酶活力保持不變[36]。

2.3 肉類

2.3.1 細胞膜穿孔致細菌死亡

高壓電場對肉類的殺菌作用機理與水產品相似，借助兩個電極之間的瞬時高壓電場作用于微生物，使微生物的細胞膜遭到破壞，從而達到殺菌目的。高壓電場在肉制品殺菌方面的主要指示菌種有乳酸菌、金黃色葡萄球菌、霉菌、大腸桿菌和酵母菌等[37]。嚴志明等[38]建立微生物的存活率與電場強度的數學模型發(fā)現當細胞的跨膜電位達到1 V左右，細胞膜就會被擊穿形成小孔。酵母菌跨膜電位最易超過1 V被電場擊穿，大腸桿菌對電場耐受力強一些，比酵母存活率高。陳文波等[39]借助平板菌落計數、變性梯度凝膠電泳分析等手段分析高壓靜電場對白切雞貯藏中微生物生長的影響。白切雞中主要的腐敗菌為假單胞菌，分離純化后經電場處理也表現出了明顯的生長抑制，貨架期延長到5 d。

2.3.2 影響微觀結構并改善質地

2.3.2.1 抑制冰晶生長

外加電場對極性水分子施加力矩的作用后可破壞其在分子簇中的平衡狀態(tài)，能抑制水在降溫過程中成核[40]。采用低溫保鮮方法對肉品進行保鮮時輔以高壓電場處理，可以抑制冰晶生長趨勢，控制冰晶成核大小。Xanthakis等[41]通過增加高壓靜電場強度使豬里脊肉中冰晶成核的過冷度降低2.6 ℃，冰晶尺寸減小，對其周圍的細胞機械擠壓力減小，即高壓電場有助于降低冰晶對肉的微結構的傷害，提高肉的保鮮品質。Zhang Xiangxiong等[42]發(fā)現電場能促進冰核的形成且垂直于電場方向，說明單位時間和體積內能形成更多更細小的冰晶，從另一側面說明外加電場能減小冰晶對肌肉微觀結構的損傷。Mok等[43]利用高壓脈沖電場輔助凍結0.9%的氯化鈉溶液發(fā)現高頻率的脈沖能顯著減低其相變時間，冰晶尺寸更小更均勻。

2.3.2.2 嫩化肉質

已有研究表明電場刺激能夠是肌肉中肌纖維發(fā)生收縮舒張動作，在僵直期后促進牛、羊等肉的成熟[44]。但Suwandy等[45]采用不同電壓和頻率的高壓脈沖電場處理牛肉，其中肌鈣蛋白-T和結蛋白加速降解，牛肉剪切力減小19%，肉質明顯嫩化。該研究團隊隨后深入地研究了肌原纖維蛋白的分布和宰后牛肉蛋白水解情況，經高壓電場處理后牛肉保水率提高，并篩選出控制蛋白水解和肉質嫩化的最佳電場強度[46]。Arroyo等[47]在火雞宰殺1 d內對胸脯肉進行間歇高壓脈沖處理，其蛋白水解加快、脂質氧化減緩、肉質嫩化、顏色氣味均符合感官要求。Faridnia等[48]利用場強為140 kV/m，脈沖寬度為20 μs，頻率為50 Hz的高壓脈沖電場處理牛肉半腱肌，發(fā)現電場能極大地影響牛肉的保水性和肌肉微觀結構，貯藏7 d后，牛肉的剪切力顯著下降，肉質得到嫩化。Bekhit等[49]利用對牛里脊肉反復施加高壓脈沖電場（10 kV、90 Hz、20 μs），經過3 次處理的熟牛肉第3天剪切力降低，肉質嫩化，但若老化時間延長，效果會下降。姚薇等[50]研究發(fā)現在肉糜解凍過程中施加高壓靜電場會降低肉糜的汁液流失率，食用品質更佳；在凍結和解凍過程中均施加電場會使肉糜的色澤更好。

3 高壓電場的其他應用

除了生鮮食品保鮮，高壓電場還可用于食品干燥、解凍、天然產物提取和酒的快速陳化等方面。季旭等[51]為了使剛收獲的玉米含 水量降至14%以達到安全貯藏標準，利用針-盤狀高壓電場干燥玉米，不僅電場能量利用率高于9.3%，且干燥效率是熱風干燥的10余倍。Mousakhani-Ganjeh等[52]利用高壓靜電場解凍金槍魚，在提高解凍率的同時還可降低揮發(fā)性鹽基氮水平，硬度和咀嚼性等質構指標無明顯變化。Medina-Meza等[53]發(fā)現經高壓脈沖電場處理后，葡萄皮中花青素和類黃酮的提取量可提高數倍，生物活性及抗氧化性也相應提高。Yang Nannan等[54]采用高壓電場處理紅葡萄酒，酒中的酚類化合物和花色苷含量增加、顏色更為誘人、感官品質提高、葡萄酒成熟速率加快。在食品領域之 外，高壓電場也常被用于在育種、靜電除塵、材料制備等方向[55-57]。隨著研究的深入，這一技術定會在更深更廣的領域得到有效應用。

4 結 論

高壓電 場保鮮是一種簡單的物理保鮮過程，滿足熱敏性食品加工要求，能量使用率高，無藥物殘留，不會造成二次環(huán)境污染，因此該技術具有較好的工業(yè)化前景。但要大范圍的推廣和應用，仍存在一些問題有待解決：由于電壓較高，具有一定危險性，操作人員要具備一定的物理電學知識進行自我防護；若環(huán)境濕度較大，電場容易擊穿造成短路，損壞儀器；如電極直接與食品接觸，為防止金屬離子遷移對電極材料的耐腐蝕性有嚴格要求等。

高壓電場對生鮮食品保鮮作用主要體現在它的殺 菌效果上：一方面，高壓電場電離空氣產生微量的臭氧起到一定殺菌作用；另一方面，外加電場能使微細胞膜穿孔且無法愈合，細胞內質流出導致微生物死亡。其次，外 加電場可引起細胞膜電位差發(fā)生改變，從而減緩細胞代謝生理過程。對水產品而言，高壓電場改變了自身酶活性并減緩其脂肪氧化和蛋白分解速率。除滅菌作用，高壓電場主要通過抑制冰晶形成、嫩化肉質提高肉類產品的保鮮品質。目前，高壓電場在果蔬保鮮方面應用較為成熟，但對水產品和肉制品的研究不多，若能進一步加強對蛋白組學、酶活性、微觀結構等方面探索，將對其加工、運輸、銷售、出口等產生深遠影響，帶來更多經濟效益。

此 外值得關注的是，近年來在生物和醫(yī)學領域積極研究電場放電和電穿孔滅菌現象，相關研究 利用聚合酶鏈反應法分析發(fā)現把電場施加到副溶血性弧菌等病原性細菌上會影響其核糖核酸表達，進一步影響致病性[58]。這表明將來有望通過電場控制基因表達，開發(fā)新型功能性食品。基于高壓電場改變細胞膜通透性的機理，即膜電現象，將來有希望通過生物煉制進行材料解構、植物化學物質提取、發(fā)酵和沼氣生產等，實現食品、化 工、燃料等生物經濟的可持續(xù)發(fā)展[59]。

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Progress in the Knowledge of the Preservation Mechanism of Raw Fresh Foods by High Voltage Electric Field

WANG Liping1, LI Yuan1, YU Haixia2, YANG Shuibing2, HU Yaqin1,2,*
(1. Zhejiang R&D Center for Food Technology and Equipment, Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing, Fuli Institute of Food Science, College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Ocean Research Center of Zhoushan, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

The market demand is directly affected by food freshness and the post-harvest spoilage of raw fresh foods, which causes incalculable economic losses and therefore motivates the development of preservation technologies. High voltage electric fi eld (HVEF) is a safe and environment-friendly technology for food processing. HVEF is one of the most promising technologies to preserve raw fresh foods that requires very small energy consumption with no heat effect and only a small temperature increase in the processed foods and causes little effect on the quality of the foods themselves. This manuscript outlines the basic principle of HVEF and provides a systematic elucidation of its mechanism for preserving fruits and vegetables, aquatic products and meat products with respect to membrane potential, enzyme activities and microstructure. Furthermore, future research prospects are discussed.

high voltage electric fi eld; mechanism; fruits and vegetables; aquatic products; meat products

10.7506/spkx1002-6630-201703044

TS205.9

A

1002-6630（2017）03-0278-06

王麗平, 李苑, 余海霞, 等. 高壓電場對生鮮食品的保鮮機理研究進展[J]. 食品科學, 2017, 38(3)： 278-283. DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201703044. http：//www.spkx.net.cn

WANG Liping, LI Yuan, YU Haixia, et al. Progress in the knowledge of the preservation mechanism of raw fresh foods by high voltage electric field[J]. Food Science, 2017, 38(3)： 278-283. (in Chinese with English abstract)

10.7506/ spkx1002-6630-201703044. http：//www.spkx.net.cn

2016-03-31

浙江省重大科技專項計劃項目（2014C02017）；舟山市科技計劃項目（2015C51023）

王麗平（1992—），女，碩士研究生，研究方向為水產品加工。E-mail：zacamille@163.com

*通信作者：胡亞芹（1972—），女，教授，博士，研究方向為水產品加工。E-mail：yqhu@zju.edu.cn