脈沖電場技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)展

熊強(qiáng)，董智勤，朱芳州

（南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院，江蘇 南京 211800）

隨著新鮮、營養(yǎng)、健康的觀念深入人心，消費者對食品營養(yǎng)與安全的要求越來越高，這種需求也推動了新興綠色環(huán)保型食品加工技術(shù)的發(fā)展。目前，在食品工業(yè)上所廣泛使用的傳統(tǒng)熱加工和化學(xué)處理技術(shù)，如熱殺菌、熱風(fēng)干燥、化學(xué)萃取等，往往存在效率低、運行成本高、環(huán)境不友好等弊端[1]，較高的處理溫度也限制了其在溫度敏感型食品加工中的應(yīng)用，常導(dǎo)致食品感官質(zhì)量和營養(yǎng)發(fā)生不良改變。在此背景之下脈沖電場技術(shù)（pulsed electric field，PEF）應(yīng)運而生，作為一種新型非熱食品加工技術(shù)，PEF技術(shù)可以在處理過程中保持較低的溫度，對食品的色、香、味以及營養(yǎng)成分影響小，已經(jīng)成為目前研究開發(fā)的重點[2]。

電場技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用可以追溯到 20世紀(jì)20年代末對奶制品的殺菌處理，20世紀(jì)50年代開始利用高壓脈沖放電殺菌，上世紀(jì)90年代以來，隨著對PEF技術(shù)理論研究的深入，脈沖電場技術(shù)逐漸成為全球非熱加工領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)之一。與其他食品加工技術(shù)相比，PEF技術(shù)作為一種新興的物理加工技術(shù)，其主要優(yōu)點在于效率高、能耗小、副產(chǎn)物少，對環(huán)境無污染且在加工過程中食品溫度沒有明顯變化，對物料風(fēng)味特征進(jìn)行充分保護(hù)，因此，該方法幾乎可以應(yīng)用于任何對溫度敏感的食物基質(zhì)，例如水果和蔬菜。目前，脈沖電場技術(shù)已被證實在食品保鮮[3]、輔助發(fā)酵[4]、輔助提取[5]、輔助干燥[6]、輔助冷凍、解凍[7]以及抑制酶活[8]等領(lǐng)域具有可觀的效果。本文對PEF的原理、應(yīng)用機(jī)制和在食品工業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對其未來在食品行業(yè)的發(fā)展與推廣進(jìn)行了展望。

1 脈沖電場技術(shù)概述

脈沖電場（PEF）是一種將短脈沖電施加于兩個電極之間的電場技術(shù)，其脈寬往往在幾納秒到幾毫秒之間，電場強(qiáng)度一般為0.1～100 kV[9]。PEF處理系統(tǒng)主要由五個部分組成如圖1所示：1）高壓電源；2）用于能量存儲和放電的電容器組；3）提供給定電壓，波形和脈寬的脈沖發(fā)生器；4）用于設(shè)置和監(jiān)控條件的控制系統(tǒng)；5）至少配備放電電極和接地電極兩個電極的處理室，根據(jù)被處理樣品的狀態(tài)（固體、半固體、液體、半液體），可分為批量處理室和連續(xù)處理室[10]。脈沖電場的電極結(jié)構(gòu)通常遵循平面、同軸和軸向幾何的原則。脈沖波形一般有方波、指數(shù)衰減波以及鐘形波，其中方波和指數(shù)衰減波在實際應(yīng)用中較為常見[11]。方波是通過一系列輸送電線模擬的電感電容產(chǎn)生，而指數(shù)衰減波由簡單的電容充放電產(chǎn)生，相較而言，平方波的脈沖發(fā)生電路價格較昂貴，但方波比指數(shù)衰減波具有更高的能量和使細(xì)胞失活的效果。根據(jù)脈沖波極性的不同通?？煞譃閱螛O脈沖和雙極脈沖兩種典型，單極脈沖是一組正波或負(fù)波，而雙極脈沖是一組由一個正波和一個負(fù)波組成的脈沖對，與單極脈沖相比，雙極脈沖對細(xì)胞膜的通透性更有效。

電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、處理時間、脈沖波形、處理溫度和能量密度是影響脈沖電場處理效果重要的參數(shù)[12-13]。應(yīng)用于食品工業(yè)的脈沖電場其電場強(qiáng)度一般為0.1～80 kV/cm，可以通過改變電源輸出電壓、電極間的間隙以及電極的形狀得到較優(yōu)的脈沖處理方案。S.H O[14]等指出圓盤形、圓形邊緣的電極有助于將電場強(qiáng)度最小化，并降低流體食物的介電擊穿的可能性。針狀電極則被認(rèn)為更容易產(chǎn)生電暈放電、介電阻擋放電和表面放電[15]。

盡管電場技術(shù)通常被認(rèn)為是一種非熱加工技術(shù)，但在產(chǎn)生脈沖電場時依然不可避免地會產(chǎn)生一定程度的歐姆熱[16]，然而這一熱能的產(chǎn)生往往是可控的，F(xiàn)iala等[17]對基于脈沖電場的電-液耦合模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了幅值小于20 ℃的溫度上升，類似結(jié)果在Gerlach等[18]的研究中被發(fā)現(xiàn)，而在較快的脈沖電場處理中這一歐姆熱甚至難以被捕捉到。

2 脈沖電場應(yīng)用機(jī)制概述

脈沖電場的應(yīng)用機(jī)制仍在不斷的探索中，關(guān)于PEF在殺菌以及傳熱、傳質(zhì)方面存在很多種假說機(jī)制，包括細(xì)胞膜的電穿孔效應(yīng)、電崩潰模型、電磁機(jī)制理論、粘彈性模型、電解產(chǎn)物理論、臭氧效應(yīng)、電流體（電暈風(fēng)）效應(yīng)等[19]。本文主要論述了其中四種較為公認(rèn)的機(jī)制：一是生物細(xì)胞膜的電穿孔效應(yīng)；二是電暈放電產(chǎn)生電流體；三是PEF激發(fā)形成等離子體；四是PEF處理下電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和自由基激活。

2.1 電穿孔效應(yīng)

“電穿孔效應(yīng)”被認(rèn)為是PEF處理導(dǎo)致微生物細(xì)胞失活的關(guān)鍵因素，同時在優(yōu)化冰鮮食品冷凍工序、輔助萃取功效成分等方面發(fā)揮了重要作用。穿孔的形成主要可分為以下四個步驟：1）通過施加的外部電場產(chǎn)生跨膜電位差；2）在跨膜電位差產(chǎn)生后膜形成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的親水性小孔；3）在持續(xù)的電場處理過程中小孔逐漸變大，數(shù)量逐漸增加；4）細(xì)胞內(nèi)化合物（核酸、功效成分等）經(jīng)穿孔泄漏[20]。穿孔的形成要求細(xì)胞膜內(nèi)外存在足夠的電位差，Weaver等[21]指出形成穿孔所需的跨膜電位通常為0.5～1.5 V，這就要求電場必須達(dá)到一定的臨界電場強(qiáng)度（如圖2）[10]。實現(xiàn)電穿孔所需的電場強(qiáng)度取決于幾個因素，如食品的固有性質(zhì)（固態(tài)、液態(tài)，粘彈性，及介電特性）、電場處理參數(shù)（溫度、脈沖處理時間、脈寬和脈沖數(shù)）、細(xì)胞屬性（類型、大小、形狀）和膜特性（離子強(qiáng)度、厚度和結(jié)構(gòu)）等[20]。在低PEF強(qiáng)度下，電穿孔通常是可逆的，可逆穿孔往往在電場消失后自主恢復(fù)，而要形成不可逆穿孔則需要更高強(qiáng)度的PEF。不同的細(xì)胞形成不可逆穿孔所需的電場強(qiáng)度也不同，植物組織細(xì)胞形成不可逆穿孔大概需要 0.7～3 kV/cm，動物細(xì)胞大概需要 1～10 kV/cm，微生物細(xì)胞則需要10～40 kV/cm[9]。

2.2 電流體（Electrohydrodynamic，EHD）

在高輸入電壓條件下，小曲率半徑的電極尖端可以形成非均勻PEF，從而在放電電極與地電極之間的氣隙內(nèi)實現(xiàn)電暈放電[22]。當(dāng)發(fā)生電暈放電時，放電電極周圍產(chǎn)生電場感應(yīng)流或電流體（EHD），這是通過將動量從高速漂移離子轉(zhuǎn)移到周圍空氣分子而產(chǎn)生的，當(dāng)這一動量在氣隙內(nèi)積累到一定程度時便會引發(fā)“電子雪崩”，并將電子以“電暈風(fēng)”的形式投射至位于接地電極的物料表面，這一過程依賴于電暈漂移區(qū)電場、離子和氣體分子之間的相互作用（如圖3）[23]。當(dāng)電暈風(fēng)到達(dá)物料表面時會增強(qiáng)物料傳質(zhì)與傳熱，從而達(dá)到促進(jìn)干燥，加快冷凍與解凍的效果[24]。EHD的特點在于可以通過改變施加電壓實現(xiàn)對傳熱和傳質(zhì)的快捷控制，且適用于不同的環(huán)境空間，雖然 EHD理論上可以實現(xiàn)雙相介質(zhì)傳質(zhì)與傳熱性能的改變，但目前對于EHD的探索仍主要以單相介質(zhì)為討論對象[25]。

2.3 等離子體（Plasma）

高強(qiáng)度的PEF可以激發(fā)產(chǎn)生等離子體（Plasma），等離子體由中性或亞中性電離氣體形成，氣體在高強(qiáng)度的能量場（高壓脈沖電場）中發(fā)生解離，被電離的氣體可以是空氣、O2、N2或包含一定比例的稀有氣體（Ar，He或Ne）的混合物，電離可在大氣壓和接近環(huán)境溫度的條件下產(chǎn)生。雖然高壓電場是最常見的激發(fā)場，但實際上光、熱、輻射都可以對氣體產(chǎn)生電離。這些電離氣體包括光子、自由電子、正負(fù)離子、處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)的原子以及多種自由基，這些粒子結(jié)合起來具有滅活食品表面微生物的能力[26]。利用等離子體的有效處理時間約為3～300 s，食品的質(zhì)構(gòu)和化學(xué)組成、微生物種類、處理介質(zhì)、細(xì)胞數(shù)量和生理狀態(tài)、氣體成分和氣流量等是影響低溫等離子體處理效果及處理時間的主要因素[27]。各種研究表明，等離子體對革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細(xì)菌、酵母菌和真菌以及通常很難滅活的孢子具有良好的抗菌活性[28]。

2.4 電化學(xué)反應(yīng)與自由基激活假說

在PEF處理過程中食品組分中生物大分子結(jié)構(gòu)的改變通?？梢杂秒娀瘜W(xué)反應(yīng)與自由基激活假說解釋[29，30]。電極表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致正負(fù)電極周圍發(fā)生部分電解。當(dāng)電極間介質(zhì)存在水分子時，電解會產(chǎn)生H+和OH-，電解氧分子則會產(chǎn)生活性氧（ROS），包括超氧陰離子（O2-）、單線態(tài)氧（1O2）、過氧化基團(tuán)（H2O2）和臭氧（O3），進(jìn)一步暴露于PEF將促進(jìn)H2O2與O3進(jìn)行反應(yīng)生成羥自由基（·OH），當(dāng)電極間介質(zhì)為空氣時，將電解產(chǎn)生N2+、O2+、N+、O+和O2-離子[23]。帶電粒子如離子、蛋白質(zhì)大分子和其他聚電解質(zhì)會沿電場方向發(fā)生遷移，從而導(dǎo)致局部pH發(fā)生改變、引起生物大分子內(nèi)部發(fā)生靜電吸附，并引發(fā)大分子的構(gòu)象變化[31]。O3被認(rèn)為在殺菌和食品防腐領(lǐng)域是具有積極意義的，但值得注意的是O3、ROS和其他自由基的存在也會引起食品組分中蛋白質(zhì)的變性、脂質(zhì)氧化以及青花素類物質(zhì)的降解[10，32]。通過縮短 PEF處理時間或選擇雙極脈沖與短脈沖模式可以減少電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，直流電產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)往往比PEF更弱[33]。

3 脈沖電場在食品工業(yè)中的應(yīng)用

脈沖電場在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍隨著對其機(jī)制的不斷深入了解而逐漸擴(kuò)大，目前其應(yīng)用主要集中在食品保鮮，輔助干燥，冷凍、解凍，提取等方面，同時PEF技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合處理方法在食品工業(yè)上也不斷的出現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新。在食品工業(yè)中，PEF技術(shù)可有效的提高食品質(zhì)量與食品的安全性，為食品行業(yè)的發(fā)展開辟了新途徑。

3.1 食品保鮮

PEF有潛力作為其他傳統(tǒng)食品保鮮技術(shù)的替代品，在過去的幾年里，一些研究已經(jīng)證明了PEF處理可以獲得安全且貨架期穩(wěn)定的液體食品[13]。2006年美國建立了第一個商業(yè)化應(yīng)用的PEF系統(tǒng)用于果汁的保鮮，歐洲在2010年建立了應(yīng)用PEF保鮮技術(shù)的果汁生產(chǎn)線[12]。目前PEF技術(shù)已被證實在牛奶[34]、脫水果干[35]、果蔬汁[36]、鮮果奶昔[37]等食品的保鮮中表現(xiàn)出積極影響。引起食品腐敗變質(zhì)的因素很多，如微生物的增殖、食品內(nèi)源酶的作用、食品組分的氧化酸敗等，PEF對食品的保鮮作用主要體現(xiàn)在其對微生物的殺傷效應(yīng)以及酶活的抑制。

3.1.1 微生物滅活

一般來說，脈沖電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)是影響滅菌效果最主要的因素。隨著電場強(qiáng)度的增加，微生物的存活率迅速下降；而在相同的電場強(qiáng)度下，所施加的脈沖數(shù)越多殺菌效果越好。不同微生物對PEF的耐受性不同，革蘭氏陰性菌比革蘭氏陽性菌對高壓脈沖電場更為敏感，無芽孢的細(xì)菌較有芽孢的細(xì)菌更容易被殺滅，而且體積越大的微生物對PEF越敏感[38]。研究結(jié)果顯示，PEF處理對Escherichia coli，Staphylococcus aureus，Pseudomonas fluorescens，Salmonella Enteritidis，Listeria monocytogenes，Saccharomyces cerevisiae等均有明顯的殺傷與抑制效果[39]。Cregenzán-Alberti等[40]討論了 PEF處理對牛奶中E.coli，S.aureus，P.fluorescens的抑菌效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在 32.5 ℃下 40 kV/cm 處理E.coli，S.aureus89 μs，42.5 kV/cm處理P.fluorescens106 μs可分別導(dǎo)致約5.0 log CFU/mL的菌活下降。Tao等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，在 35 kV/cm脈沖電場下處理90 s，酵母菌（S.cerevisiae）和大腸桿菌（E.coli）的數(shù)量分別減少了5.30和5.15個數(shù)量級。Delsart等[42]對比了脈沖電場處理（PEF）和高壓放電（HVED）對葡萄酒的滅菌效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HVED在40 kV電壓下處理10 ms效果仍不如20 kV/cm PEF處理4 ms，后者足以滅活葡萄酒中的所有O.oeni，P.parvulus，B.bruxellensis，而對葡萄酒的成分沒有負(fù)面影響。李霜等[43]探究了PEF對調(diào)理牛肉的殺菌效果，結(jié)果表明調(diào)理牛肉的PEF最佳處理參數(shù)為：脈沖頻率30.5 kHz、占空比2.3%、處理時間7 min、電場強(qiáng)度45 kV/cm，此條件下PEF對調(diào)理牛肉中微生物致死率達(dá)到了87.33%，調(diào)理牛肉的貨架期延長了2 d，且其感官品質(zhì)無顯著降低。

表1 高壓脈沖電場技術(shù)在微生物滅活中的應(yīng)用匯總Table 1 Summary of the application of high-voltage pulsed electric field technology in microbial inactivation

表2 高壓脈沖電場技術(shù)在抑制酶活中的應(yīng)用匯總Table 2 Summary of the application of high-voltage pulsed electric field technology in enzyme inactivation

PEF技術(shù)還可以與超聲等方法協(xié)同使用，以提高滅菌效果延長食品貨架期。Manzoor等[44]分析了超聲處理（US）和脈沖電場（PEF）技術(shù)耦合效果，以提高菠菜汁的質(zhì)量和微生物安全性，與單獨使用US或PEF的處理相比，聯(lián)合（US-PEF）后的菠菜汁具有更高的礦物質(zhì)和總游離氨基酸含量，同時US-PEF處理顯著降低了菠菜汁的總菌數(shù)（3.83至 1.97 log CFU/mL），菠菜汁中的大腸菌群數(shù)從1.90 log CFU/mL下降至0.75 log CFU/mL，酵母菌和霉菌從 4.23 log CFU/mL下降至2.22 log CFU/mL）。Akdemir等人[45]研究了PEF、US和O3對酸櫻桃汁的聯(lián)合處理，并對電場條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明24.7 kV/cm PEF持續(xù)655 μs結(jié)合 US（35 kHz 處理 3 min）和 O3（20.2 g/m3）能夠較優(yōu)地實現(xiàn)農(nóng)殘消除和微生物滅活，在此條件下微生物滅活效果按以下順序排列：P.expansum（4.38 log CFU/mL）＞P.syringae（3.61 log CFU/mL）＞E.coli O157:H7（3.53 log CFU/mL）＞B.cereus（1.94 log CFU/mL）。

3.1.2 抑制酶活

酶的本質(zhì)是一種具有生物活性與催化效率的蛋白質(zhì)，大多數(shù)酶可視為球狀結(jié)構(gòu)，其活性位點埋在蛋白質(zhì)分子的疏水性中心部位，其往往存在金屬離子作為輔因子使酶發(fā)揮催化功能，氫鍵、非共價相互作用以及巰基和二硫鍵是穩(wěn)固酶的二級與三級結(jié)構(gòu)的主要分子間作用力。當(dāng)暴露于PEF中時，在電場力的牽引下，酶二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)被破壞，蛋白質(zhì)大分子展開并發(fā)生偏移和旋轉(zhuǎn)，分子與分子間發(fā)生團(tuán)聚，酶的構(gòu)象發(fā)生改變，催化位點失效[48，49]。Bi等[50]研究了 25、30、35 kV/cm的PEF處理對蘋果汁酶活性、維生素C、總酚、抗氧化能力、色澤等性質(zhì)的影響，上升沿為0.2 μs和 2 μs，結(jié)果發(fā)現(xiàn) PEF處理可以滅活多酚氧化酶（PPO），保持蘋果汁的維生素C、總酚含量、抗氧化能力和色澤，較短的上升沿可以更好的保持蘋果汁的品質(zhì)，但對于酶活的抑制也下降。Morales-de等[51]對冷藏果汁豆?jié){飲料進(jìn)行強(qiáng)脈沖電場處理，發(fā)現(xiàn)PEF處理后過氧化物酶（POD）活性下降了17.5%～29%，脂肪氧合酶活性下降了34%～39%。Manzoor等[8]研究了28 kV/cm PEF處理200 μs后杏仁乳的貯存性能，經(jīng)PEF處理的樣品脂氧合酶（LOX）和過氧化物酶（POD）分別被滅活了50%和45%，且經(jīng)過28 d的貯存后，PEF處理的樣品菌落總數(shù)與熱處理組相當(dāng)，而粒徑、游離氨基酸、脂肪酸等物化指標(biāo)要優(yōu)于熱處理組。PEF處理結(jié)合適度的預(yù)熱（50 ℃）可使新鮮蘋果汁中過氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）的滅活水平達(dá)到68%和71%，明顯高于常規(guī)的巴氏滅菌法（72 ℃；26 s），且POD和PPO的殘留活性隨電場強(qiáng)度（20、30、40 kV/cm）和處理時間（25、50、100 μs）的增加而降低[52]。

酶和微生物的活性關(guān)系到食品保鮮的效果，PEF在食品保鮮上已經(jīng)成功運用于流體食品如牛奶、果蔬汁、葡萄酒。在殺菌上，PEF對流體食品中的Escherichia coli、Salmonella Typhimurium、Listeria monocytogenes和Staphylococcus aureus有積極的殺菌效果，然而PEF對于新鮮蔬菜、水果、肉制品以及海產(chǎn)品的殺菌研究很少，可能與PEF處理的形式以及它的穿透能力有關(guān)。在抑制酶活上，酶活性與食物來源、分子大小、微觀結(jié)構(gòu)和PEF處理條件有很大的關(guān)系，且目前的研究也多發(fā)生在液體產(chǎn)品中。因此，我們以期對PEF的機(jī)制進(jìn)行深入的了解以擴(kuò)大其對食品加工中的應(yīng)用范圍。

表3 高壓脈沖電場技術(shù)在食品輔助干燥中的應(yīng)用匯總Table 3 Summary of the application of PEF-assisted drying in food industry

3.2 輔助干燥

傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥會對食品中的熱敏性成分和風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，造成營養(yǎng)流失和品質(zhì)劣變，區(qū)別于傳統(tǒng)干燥技術(shù)，PEF通過“電暈風(fēng)”作為驅(qū)動力，其在工作過程中不產(chǎn)生明顯的升溫效應(yīng)，電流體（EHD）被認(rèn)為是產(chǎn)生“電暈風(fēng)”的主要原因，在高壓電場作用下 EHD產(chǎn)生大量高能電子與離子，這些高能粒子與其他氣體分子不斷碰撞，并產(chǎn)生大量的次級激發(fā)態(tài)物質(zhì)，在電暈風(fēng)的裹挾下自放電電極流向接地電極[56]，這些被激發(fā)的粒子所攜帶的能量作用在食品物料上，已被證明是加速食品脫水和解凍的主要原因[10]。Wiktor等[57]研究了PEF處理對胡蘿卜干燥動力學(xué)及干燥后色澤和微觀結(jié)構(gòu)變化的影響，在5 kV/cm處理10個脈沖數(shù)后樣品的干燥時間縮短了8.2%，水?dāng)U散系數(shù)提高到了16.7%，同時干燥后的樣品保持了良好的色值。Rahaman[58]研究了PEF對李子干燥的對流干燥動力學(xué)發(fā)現(xiàn)隨著PEF強(qiáng)度（1～3 kV/cm）的增加，崩解指數(shù)從0.147提高到0.572，縮短了干燥時間，與未處理樣品相比，經(jīng)過PEF預(yù)處理有效的改善了李子干的色澤。Liu等[59]將胡蘿卜進(jìn)行PEF預(yù)處理（0.6 kV/cm；0.1 s）后進(jìn)行真空干燥動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)PEF處理可以加速胡蘿卜組織中水分的去除，在溫度為 25 ℃和90 ℃時，真空干燥時間分別減少了 55%和 33%。Yamada等[60]將傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥與PEF處理（0.4～3 kV）結(jié)合，研究了PEF對9種水果蔬菜和2種海產(chǎn)品在熱風(fēng)干燥過程中干燥速率的變化，結(jié)果表明，PEF預(yù)處理后的葉菜類干燥速率提高了，而根莖類蔬菜干燥速度沒有受到影響，這可能是由于細(xì)胞組織的物理特性不同造成的。Rybak等[61]對PEF處理后的甜椒汁及甜椒汁噴霧干粉進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEF處理后可以提高極性（Vc）和非極性（類胡蘿卜素）生物活性物質(zhì)的含量，但是過高的PEF能量輸入又會導(dǎo)致這些生物活性物質(zhì)的降解。

綜上所述，PEF已經(jīng)用于各種干燥過程中的預(yù)處理，如熱風(fēng)干燥、空氣對流干燥、真空干燥、冷凍干燥、噴霧干燥等，在對生物活性物質(zhì)的保留上，PEF預(yù)處理尚未發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢；在顏色保持上，PEF預(yù)處理樣品通常能夠更好的保持樣品原有的色澤，但這也取決于食品的結(jié)構(gòu)和加工條件；在質(zhì)地上，溫度的影響通常大于PEF對其的影響。

3.3 輔助冷凍/解凍

在凍結(jié)過程中，隨著溫度降低液態(tài)水進(jìn)入過冷狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生初始凍結(jié)時冰核突然生成，此后，以冰核為核心冰晶開始生長[66]，冰晶的形成對冷凍食品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，冰晶體積過大可能會對組織造成不可逆的損傷，導(dǎo)致解凍時汁液損失增加。PEF主要作用于過冷階段和初始凍結(jié)的發(fā)生，PEF的應(yīng)用可以改變過冷階段的吉布斯自由能（ΔG0）的改變，從而影響冰核的形成[10]。當(dāng)引入電場時，過冷狀態(tài)下的液態(tài)水吉布斯自由能（ΔG0）變化水平可用以下公式（1）描述[67]：

式中：

ΔG0——吉布斯自由能的變化；

r——液滴球面的半徑；

γ——流體界面的表面自由能；

ΔGv——液滴體積自由能；

P——系統(tǒng)極化強(qiáng)度；

E——外加電場電場強(qiáng)度。

在電場的作用下，結(jié)晶過程更加可控，水分子的極化和重新排列使冰晶的形成更加均勻和細(xì)小，同時與常規(guī)冷凍技術(shù)相比，電場輔助冷凍所需的能量更低[68]。Li等[69]研究了PEF處理對大西洋鮭魚冷凍及解凍品質(zhì)的影響，1 kV/cm的PEF被持續(xù)施加在10.0±1.5 g的新鮮魚塊上，同時在-18 ℃進(jìn)行冷凍，在10 ℃進(jìn)行解凍，結(jié)果表明，施加PEF后，從-2 ℃到0 ℃的解凍時間縮短了20 min，盡管在色度上表現(xiàn)出一定程度的劣變，但PEF處理組解凍后的樣品肌肉纖維保存更好，質(zhì)量總損失降低了 6%，表現(xiàn)出更好的貯藏新鮮度。Wiktor等[7]使用9種不同參數(shù)的PEF對新鮮蘋果組織進(jìn)行預(yù)處理，并用乙醇作為冷凍劑考察蘋果組織的凍融性能，結(jié)果指出PEF預(yù)處理可使冷凍時間縮短3.5%～17.2%，冷凍相變階段縮短33%，解凍時間縮短了71.5%，然而在冷凍前PEF處理的樣品均表現(xiàn)出不同程度的汁液損失，5 kV/cm處理50個脈沖數(shù)時汁液損失率達(dá)到了（8.9%），這可能是電穿孔引起胞內(nèi)物質(zhì)溶出導(dǎo)致的。Ammar等[70]將高滲溶液處理和 PEF處理（0.4 kV/cm）結(jié)合討論其對馬鈴薯組織的冷凍性能影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單純PEF處理對馬鈴薯感官質(zhì)量無明顯影響，而NaCl腌漬和PEF聯(lián)合處理后馬鈴薯組織表面形成了更多的粗糙顆粒，高滲處理和PEF聯(lián)合處理使馬鈴薯組織獲得了最高的冷凍速率和脫水速率。一種創(chuàng)新的將PEF（1.78 V/cm）和靜磁場（SMF）結(jié)合的凍結(jié)技術(shù)也被報道[71]，其結(jié)果表明，單純PEF處理在頻率為20 kHz時可使0.9% NaCl溶液具有最短相變時間（1443±2 s），而將PEF與SMF結(jié)合的處理方法可以使相變時間縮短至1004±3 s，且產(chǎn)生的冰晶尺寸更小，表現(xiàn)出更高的冷凍效率。

這些結(jié)果表明，PEF在輔助冷凍/解凍上有巨大的潛力，避免了傳統(tǒng)加工方法造成的一些問題，如速度慢、滴水損失高、能耗高等，但PEF也會引發(fā)一些高脂質(zhì)食品的脂質(zhì)的氧化以及顏色的變化等不良的效果。同時，PEF在輔助解凍中會形成“電暈風(fēng)”，明顯的加快食品的干燥，可能會造成食品產(chǎn)生異味以及變質(zhì)。因此，我們在利用PEF的同時需要考慮對食品本身的影響，針對不同食品不斷優(yōu)化最佳PEF的工藝參數(shù)。

表4 高壓脈沖電場技術(shù)在食品輔助冷凍/解凍中的應(yīng)用匯總Table 4 Summary of the application of PEF-assisted freezing/thawing in food industry

3.4 輔助提取

傳統(tǒng)的提取技術(shù)效率低，成本高昂且溶劑選擇困難，近年來，一些新的提取方法，如脈沖電場，高壓放電，脈沖歐姆加熱，超聲波，微波萃取，亞臨界和超臨界流體萃取等已被提出作為提取高附加值產(chǎn)物的替代方法[23]。PEF處理可以導(dǎo)致電穿孔，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)溶出[78]。此外，PEF增強(qiáng)傳質(zhì)以及極化生物大分子的能力也可能是其提高提取效率的重要原理。PEF已被用于改善水果和蔬菜中細(xì)胞內(nèi)化合物的提取，可有效的增加其多酚類、黃酮類、以及色素等的提取，并且可以有效的增加提取物的抗氧化活性。李圣橈等[79]優(yōu)化了PEF輔助提取藍(lán)靛果中花青素的工藝確定了當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)67%，電場強(qiáng)度20 kV/cm，脈沖數(shù)10個，液料比1:78 g/mL，此時花青素提取量最佳為34.20 mg/g，且與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)PEF輔助提取時具有溶劑消耗少、提取時間短、花青素提取量多的優(yōu)勢。Dastangoo等[80]利用PEF對胡蘿卜進(jìn)行糖的提取并對PEF處理條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在70 ℃下0.75 kV/cm PEF處理255 min可以達(dá)到最大糖提取率，此時提取率為74.61%。El Kantar等[81]研究了PEF對柑橘類水果（橙子、柚子和檸檬）多酚提取效率的影響，全果和果皮分別用3 kV/cm和10 kV/cm的PEF進(jìn)行處理，通過PEF處理橙汁、柚子汁和檸檬汁的出汁率分別提高了25%、37%和59%，結(jié)合50%乙醇進(jìn)行協(xié)同提取，全果和果皮中多酚的提取率較空白組均有提高。Martín-García等[82]以PEF作為預(yù)處理手段期望改善啤酒釀造廢渣酚類化合物的回收率，實驗表明使用 2.5 kV/cm，50 Hz的PEF處理14.5 s可以將游離酚和結(jié)合酚的總回收率分別提高2.7和1.7倍。Pataro等[83]的研究結(jié)果表明，在用丙酮或乳酸乙酯進(jìn)行溶劑萃取之前，采用中等強(qiáng)度（5 kV/cm；5 kJ/kg）PEF預(yù)處理可提高工業(yè)番茄副產(chǎn)物中類胡蘿卜素（尤其是番茄紅素）的產(chǎn)率，PEF預(yù)處理后樣品萃取率提高了27%～ 37%，番茄紅素回收率提高了12%～18%，抗氧化能力提高了18.0%～18.2%。Shorstkii等[84]對葵花籽施加了7 kV/cm的PEF（6.1 kJ/kg）使葵花籽油的提取率提高了2.3%，且樣品表現(xiàn)出更優(yōu)的萃取參數(shù)，PEF處理后萃取的葵花籽油在酸價、過氧化值、色度指標(biāo)上表現(xiàn)出較小的影響，多酚與生育酚含量增加。

綜上所述，PEF作為一種輔助提取的手段已經(jīng)顯示出較傳統(tǒng)提取方法的優(yōu)勢和潛力，但是由于PEF提取的有效性主要取決與細(xì)胞膜的通透性，所以單一的PEF處理應(yīng)用范圍比較狹窄，主要用于提取水溶性成分或不需要分離純化的混合物且所需的電場強(qiáng)度較高，相較而言，PEF輔助溶劑的提取可使PEF的強(qiáng)度以及溶劑的用量得到明顯的降低，但在輔助溶劑提取中也不可避免的會造成溶劑的殘留和污染，所以，我們可以接下來可以探究PEF與其他提取方法如酶法提取相結(jié)合，可能是一個有效的解決方法。

表5 高壓脈沖電場技術(shù)在食品輔助提取中的應(yīng)用匯總Table 3 Summary of the application of PEF-assisted extracting in food industry

3.5 輔助嫩化

肉的嫩度很大程度上依賴于肌肉細(xì)胞的完整性，PEF技術(shù)作為一種環(huán)境友好型物理手段，在對肌肉細(xì)胞進(jìn)行溫和破壁的同時盡可能的避免了氧化、異味、肌肉組織的結(jié)構(gòu)改變，這賦予了PEF技術(shù)在輔助嫩化肉質(zhì)領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力[12]。肌鈣蛋白-T和肌間線蛋白是維持肌肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性重要蛋白組分，多種研究表明 PEF處理后的牛肉在老化過程中肌鈣蛋白-T和肌間線蛋白的水解度增加[87-89]，這一結(jié)果同時伴隨著牛肉樣品嫩度、剪切性能的改善。PEF處理會導(dǎo)致溶酶體破裂從而釋放組織蛋白酶，PEF處理同樣會導(dǎo)致Ca2+離子的釋放從而激活Ca2+依賴蛋白酶、促進(jìn)糖酵解，這是PEF促進(jìn)肉品嫩化的重要機(jī)制[90]。PEF輔助嫩化的效果主要由電場強(qiáng)度、肉的種類以及肉的老化時間決定。Kantono等[91]研究了PEF處理后牛肉理化性能與感官性狀的改變，對新鮮牛肉樣品和解凍的牛肉樣品分別施加0.8～1.1 kV/cm的PEF（能量輸出為130 kJ/kg），脈寬為20 μs，頻率為50 Hz，盡管PEF處理后的樣品都表現(xiàn)出脂質(zhì)氧化水平的提高以及短鏈脂肪酸的增加，但牛肉樣品在嫩度與顏色的改善上表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果，肉樣的感官形狀得到了改善，表現(xiàn)得更加多汁。然而另一項研究指出，PEF處理對于改善鹿肉的嫩度并沒有顯著效果，在此研究中討論了0.2 kV/cm、0.5 kV/cm兩種PEF強(qiáng)度，總能量輸入分別為 1.93 kJ/kg 和 70.2 kJ/kg，與空白對照相比 PEF 處理后樣品剪切力和肌原纖維碎片化指數(shù)并明顯變化，雖然肌鈣蛋白-T和肌間線蛋白活性略有增加，伴隨蛋白水解度上升預(yù)示PEF具有提高產(chǎn)品嫩度的趨勢，但從酪蛋白酶譜分析、Western blotting和肌原纖維蛋白的改變程度上看，PEF處理對于改善鹿肉嫩度并無明顯作用，但這可能是因為電場強(qiáng)度過低導(dǎo)致的，且鹿肉肌肉纖維區(qū)別于牛肉等傳統(tǒng)肉品，這可能賦予了鹿肉對于PEF更高的抗性。另一項將PEF用于鹿肉處理的研究指出[92]，10 kV 50 Hz的PEF處理可以使鹿肉的嫩度提高約9%，PEF處理改變了鹿肉的微觀結(jié)構(gòu)，加速了傳質(zhì)，使產(chǎn)品的干燥效率也得到了改善，同時PEF處理后的鹿肉具有更高的食用質(zhì)量。

PEF輔助肉的嫩化首先通過電穿孔改變?nèi)獾奈⒂^結(jié)構(gòu)，促進(jìn)Ca2+離子的釋放，隨后鈣蛋白酶被激活導(dǎo)致老化過程中的蛋白水解和肉的嫩化，除此之外，我們?nèi)狈θ庵械囊恍┢渌x途徑的研究以進(jìn)一步解釋肉嫩化的機(jī)制。同時，PEF輔助嫩化過程中會不可避免的造成脂肪氧化水平的提高從而影響肉制品的營養(yǎng)以及感官且肉制品的種類不同也對PEF施加的條件產(chǎn)生影響，因此，我們需要根據(jù)不同的肉制品以及發(fā)生的不良反應(yīng)來優(yōu)化最佳的電場條件以實現(xiàn)肉制品更好的嫩化。

3.6 其他應(yīng)用

除了上述應(yīng)用，PEF處理在輔助壓榨、油炸、酒的催陳、淀粉及蛋白質(zhì)改性[93]等領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景。Eshtiaghi等[94]研究了PEF技術(shù)在甜菜壓榨處理中的應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用1.2～2.5 kV/cm的PEF處理1～100個脈沖數(shù)對于壓榨工藝具有關(guān)鍵作用，PEF處理后的甜菜具有更高的壓榨效率，壓榨后殘渣干物質(zhì)含量為 37%，明顯高于傳統(tǒng)壓榨處理的甜菜樣品（15%），且 PEF處理后殘渣中殘?zhí)歉?，能耗也更低。Genovese等[95]發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)焯水處理 PEF處理過的油炸馬鈴薯片丙烯酰胺含量比未經(jīng)處理的馬鈴薯片低約30%，PEF可通過促進(jìn)丙烯酰胺前體物質(zhì)的析出，從而抑制油炸過程中有毒化合物的形成，而僅僅在顏色和質(zhì)地上表現(xiàn)出輕微的品質(zhì)降低。鄭志超等[96]以玫瑰葡萄為試驗材料，探究了在 36個指數(shù)衰減波下，不同電場強(qiáng)度在浸漬過程中對葡萄汁品質(zhì)的影響，結(jié)果表明PEF處理可提高發(fā)酵汁中黃酮，單寧、總花色苷含量且降低了葡萄酒中的甲醇、揮發(fā)酸含量。在2 kV/cm處理條件下，葡萄酒中干浸出物含量為最高值23.37 g/L，且感官指標(biāo)為最佳。Xu等[97]對棗漿進(jìn)行PEF預(yù)處理，并對其對發(fā)酵動力學(xué)、組分和感官特性進(jìn)行了研究和比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1.5 kV/cm，1 Hz，10個指數(shù)脈沖的 PEF處理可以提高棗漿發(fā)酵后酚類化合物的提取率，尤其是咖啡因、桑色素和對羥基苯甲酸，花果香氣的揮發(fā)性物質(zhì)含量增加，而雜醇類化合物下降，這預(yù)示著PEF處理在葡萄酒釀造行業(yè)是一種極具前景的先進(jìn)技術(shù)。余雅倩等[98]利用PEF協(xié)同酶解制備多孔淀粉，發(fā)現(xiàn)通過PEF改性后的淀粉的水解率得到顯著提高且達(dá)到相同水解率 24.28%的酶解時間縮短一半，并且改性后的多孔淀粉其吸油率、比表面積和總孔容與原淀粉相比分別提高到了 145.11%、1.25 m2/g、4.31 cm2/g×10-3，為高效制備多孔淀粉提供了一個新思路。

4 結(jié)論與展望

4.1 從食品加工的適用性角度來看，PEF技術(shù)既能夠單獨使用，在食品保存、干燥、冷凍、萃取等方面都有良好的應(yīng)用，將其與其他加工技術(shù)相結(jié)合可以表現(xiàn)出更廣泛的適用性與更佳的處理效率，從而展現(xiàn)出更加廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。盡管如此，目前PEF技術(shù)的大多數(shù)研究只是處于實驗室階段，在大規(guī)模生產(chǎn)方面仍有一些瓶頸有待解決，開發(fā)具有穩(wěn)定工業(yè)規(guī)模的高強(qiáng)度PEF設(shè)備仍然是一項艱巨的任務(wù)。

4.2 首先，高功率高壓脈沖電源的開發(fā)是重點，這是確保產(chǎn)生高強(qiáng)度電場從而適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的基本保障；其次，針對不同類型的食品基質(zhì)設(shè)計合理的PEF處理室，探索最佳的工藝參數(shù)對獲得最佳的電場處理效率至關(guān)重要；此外，電極/介質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)往往會導(dǎo)致電極腐蝕以及電極材料向食品系統(tǒng)的遷移，這需要開發(fā)出更合適或更耐用的材料來代替常用的不銹鋼電極。最后，作為一門交叉學(xué)科，PEF技術(shù)的發(fā)展需要多學(xué)科領(lǐng)域的共同參與，在多領(lǐng)域?qū)W者的共同努力下未來PEF系統(tǒng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用將具有廣闊的發(fā)展前景。