高壓電場技術(shù)在食品殺菌中的應(yīng)用研究進(jìn)展

齊夢圓，劉卿妍，石素素，咸友花，袁 媛*

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

原料采集、加工等過程中存在的微生物污染問題是威脅食品安全的重要因素，因此殺菌處理是食品工業(yè)中一項(xiàng)必不可少的工序。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，消費(fèi)者對食品品質(zhì)和安全提出了更高的要求，現(xiàn)代食品加工工藝要求最小程度的加工和最大限度地保留食品的色、香、味及其營養(yǎng)成分；而傳統(tǒng)的食品熱殺菌方法對食品功能成分的生理活性以及食品感官品質(zhì)破壞大，已不能滿足現(xiàn)代食品加工的需求。高壓電場技術(shù)殺菌效果顯著、殺菌時間短、能耗低、無污染、無輻射作用，且能最大限度地保持食品原有的營養(yǎng)成分和感官性狀，為熱殺菌提供了商業(yè)可行的替代方案，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）和高壓靜電場（high voltage electrostatic field，HVEF）是食品殺菌中常用的兩種高壓電場類型，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。本文將重點(diǎn)介紹PEF與HVEF的特點(diǎn)和在食品殺菌中的應(yīng)用研究進(jìn)展，同時，針對PEF及HVEF在食品殺菌過程中存在的缺點(diǎn)，總結(jié)了研究人員對其電場裝置的改進(jìn)和完善情況，并就高壓電場與其他滅菌方式的聯(lián)用展開了詳細(xì)介紹。

1 高壓電場殺菌技術(shù)簡介

1.1 高壓電場裝置特點(diǎn)

1.1.1 PEF的裝置特點(diǎn)

PEF處理系統(tǒng)主要由6個部分組成：高壓脈沖電源、能量儲存電容器和高壓放電開關(guān)、通過脈沖形成網(wǎng)絡(luò)提供指定脈沖參數(shù)的脈沖發(fā)生器、用于設(shè)定和監(jiān)控的控制系統(tǒng)以及連接有電極的物料處理室。高壓電源（1～100 kV）由公用線路（110 V或220 V）轉(zhuǎn)換而成，大功率開關(guān)是儲存電容器和處理室之間的連接元件。電容器通過高壓電源完成儲能后，需要閉合開關(guān)將能量釋放至處理室中的待處理物料從而完成殺菌。實(shí)際應(yīng)用中的PEF設(shè)備會通過簡化元件或添加其他線路等來滿足實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)的需要（圖1）。它常以高電壓（0～50 kV）、高脈沖頻率（0～2 000 Hz）和短脈沖（0～100 μs）處理液態(tài)、半固態(tài)及固態(tài)食品，作用時間短、熱能消耗少，幾乎不會提高物料溫度，可以最大限度保留食品原有的風(fēng)味。

圖1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模PEF系統(tǒng)示意圖[6-7]Fig.1 Schematic diagrams of laboratory-scale PEF systems[6-7]

1.1.2 HVEF的裝置特點(diǎn)

HVEF設(shè)備要比PEF簡單，主要由直流電源、高壓發(fā)生器和處理室3個核心部分組成。直流電源產(chǎn)生的低壓（0～30 V）經(jīng)高壓發(fā)生器轉(zhuǎn)換為高壓（0～50 000 V），后經(jīng)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(wěn)定的直流高電壓，這種直流高電壓施加在兩塊平行的極板之間，即形成高壓靜電場，HVEF裝置示意圖如圖2所示。電場強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)控制器改變輸出電壓或調(diào)節(jié)極板間距離改變。HVEF同樣具有PEF殺菌的優(yōu)點(diǎn)，熱能消耗少、綠色無污染，可以在殺菌過程中保持食品原有的品質(zhì)。

圖2 HVEF裝置示意圖[9]Fig.2 Schematic diagrams of HVEF systems[9]

1.2 電場參數(shù)對殺菌效果的影響

1.2.1 PEF參數(shù)對殺菌效果的影響

方形波、衰減波和振蕩波是最常見的脈沖電場波形，研究表明，波形越接近于方形波，殺菌效果越好。單極和雙極是能產(chǎn)生高強(qiáng)度PEF的典型脈沖類型，單極脈沖是一組正波或負(fù)波，而雙極脈沖是一組脈沖對，由一個正波和一個負(fù)波組成。與單極脈沖相比，雙極脈沖對破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)更有效，這是由于脈沖極性的高頻脈沖反向?qū)е碌慕蛔儜?yīng)力會引起膜的結(jié)構(gòu)破壞。電場強(qiáng)度和作用時間也是影響殺菌效果的重要因素。一般情況下，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，殺菌效果越好。在一定時間范圍內(nèi)，殺菌效果與電場作用時間呈正相關(guān)，超過一定時間，滅菌效果不再繼續(xù)增強(qiáng)。脈沖參數(shù)是影響殺菌效果的重要原因，增加脈沖個數(shù)和脈沖頻率也能在一定程度上增強(qiáng)殺菌效果。

1.2.2 HVEF參數(shù)對殺菌效果的影響

HVEF電壓具有極性，負(fù)極性電壓殺菌效果優(yōu)于正極性電壓。一般情況下，增大電場強(qiáng)度和延長處理時間會提高電場殺菌效果。HVEF的電極結(jié)構(gòu)也會對殺菌效果有很大的影響，板-板型、線-板型和芒刺-板型是HVEF中常見的極板結(jié)構(gòu)，線-板型電極可產(chǎn)生較大電暈電流，但電流分布不均勻，而芒刺-板型電極產(chǎn)生的電暈電流分布更加均勻。在其他條件不變的情況下，板-板型電極板雖然能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的勻強(qiáng)電場，但幾乎不產(chǎn)生電暈電流，因此殺菌效果相對較差。在室溫空氣條件下，芒刺-板型結(jié)構(gòu)的滅菌效果明顯優(yōu)于板-板型和線-板型電極。芒刺電極尖端的氣體因電暈放電被電離成高能的離子和電子，這些高速粒子與其他氣體分子不斷碰撞產(chǎn)生大量的二次激發(fā)物，攜帶電流從一個電暈電極流向另一個。

1.3 高壓電場殺菌機(jī)理

1.3.1 PEF殺菌機(jī)理

PEF的滅菌機(jī)理尚不明確，基于細(xì)胞膜破裂的電崩解和電穿孔兩種解說目前最為人們所接受，之后的不少科研人員也對此做了探究與證實(shí)。電崩解假說認(rèn)為，在外加電場作用下，細(xì)胞膜上的膜電位差隨著電壓的增加而增大；當(dāng)外加電場達(dá)到臨界解體電位差時，瞬時放電使細(xì)胞膜上形成孔洞從而分解細(xì)胞膜。電穿孔假說是指在外加電場作用下，細(xì)胞膜被壓縮形成小孔，通透性增強(qiáng)，小分子進(jìn)入細(xì)胞，引起細(xì)胞體積膨脹，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，內(nèi)容物泄漏。此外，PEF還會對菌體酶活性、DNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等造成一定程度的破壞，從而影響細(xì)菌正常的生理活動，導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。

1.3.2 HVEF殺菌機(jī)理

由HVEF引起的細(xì)菌失活機(jī)理主要體現(xiàn)在3個方面。首先，HVEF也具有類似于PEF殺菌機(jī)理的電穿孔和電崩解現(xiàn)象。其次，由于線-板型和芒刺-板型HVEF中存在極強(qiáng)的電暈放電現(xiàn)象，在強(qiáng)電場的作用下，空氣中存在的少量帶電粒子與中性分子或原子不斷發(fā)生碰撞，其中電子與氧分子碰撞產(chǎn)生的臭氧對食品表面霉菌和細(xì)菌具有殺滅作用。另外，電離產(chǎn)生的活性氧對細(xì)菌具有極強(qiáng)的破壞作用，超氧陰離子自由基可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜、細(xì)胞核、碳水化合物及蛋白質(zhì)等，最終導(dǎo)致細(xì)菌突變、老化和死亡；HO則可使細(xì)菌細(xì)胞膜氧化破裂，失去物質(zhì)交換能力，從而促使細(xì)菌死亡。

2 高壓電場在食品中殺菌作用的研究進(jìn)展

2.1 PEF在食品中殺菌作用的研究進(jìn)展

2.1.1 在液體食品中的殺菌作用

PEF應(yīng)用于食品殺菌的研究在液體食品和固體食品中均有涉及，液體食品殺菌的研究明顯多于固體食品。果蔬汁是PEF殺菌實(shí)驗(yàn)的主要研究對象之一，其加工處理可以在食品工業(yè)中組成連續(xù)殺菌和無菌灌裝的生產(chǎn)線。PEF的殺菌效果在蘋果汁、梨汁、橙汁、藍(lán)莓汁、胡蘿卜汁中均有研究報道，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、單增李斯特菌等常見食源性致病菌均有顯著致死效果，25～40 kV 電場連續(xù)處理幾十到幾百微秒即可減少3～6（lg（CFU/mL））致病菌。同時，PEF能滿足果蔬汁熱敏性加工的要求，對果蔬汁感官品質(zhì)和營養(yǎng)成分的影響較小。研究表明，與熱加工果蔬汁相比，PEF加工果蔬汁保留更多的維生素、抗壞血酸、類胡蘿卜素、花青素、番茄紅素等營養(yǎng)成分，果蔬汁的感官特性（外觀、風(fēng)味、味道、回味、顏色和整體接受度）和理化性質(zhì)也沒有受到影響。李楠楠在研究中指出PEF殺菌后椪柑汁中的pH值、可溶性固形物含量、可滴定酸及總糖含量無顯著性變化，且相比于巴氏殺菌，PEF殺菌技術(shù)在達(dá)到理想殺菌效果的同時，對椪柑汁營養(yǎng)品質(zhì)有一定的提升作用。目前，美國市場已有在售PEF殺菌技術(shù)生產(chǎn)的蘋果汁、草莓汁等產(chǎn)品，該類產(chǎn)品產(chǎn)自Genesis Juice公司，已通過食品藥品管理局的認(rèn)證，其PEF設(shè)備的處理能力為200 L/h，產(chǎn)品貨架期為4 周。

PEF在醬油中也表現(xiàn)出較好的殺菌效果，研究表明在2.85 kV低電壓下作用0.1～0.4 ms即可造成90%的酵母菌死亡，且不會破壞醬油的風(fēng)味成分。對于紅酒、牛奶、果汁混合飲料、蛋液中的微生物，PEF也能起到強(qiáng)有效的殺菌作用。另有研究指出，低溫PEF對牛奶中微生物的殺滅及內(nèi)源酶和微生物酶的影響有限，且高強(qiáng)度PEF作用后牛奶會出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，可能需要聯(lián)合其他技術(shù)以達(dá)到更好的效果，這表明PEF在某些液體食品中的殺菌還需進(jìn)一步的條件優(yōu)化。

2.1.2 在固體食品中的殺菌作用

PEF對肉制品、鮮切水果、紫菜、茶葉等固體食品中的殺菌作用也有一定的研究報道。PEF在肉制品中的殺菌效果不及果汁、飲料等液體物料中，僅可減少肉胴體表面部分革蘭氏陰性菌。Haughton等用PEF處理雞肉塊，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組中彎曲菌屬、大腸桿菌和腸炎沙門氏菌的數(shù)量均沒有明顯的變化；李霜等優(yōu)化了PEF對調(diào)理牛肉的殺菌條件，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)條件（脈沖頻率30.5 kHz、處理時間7 min、電場強(qiáng)度45 kV/cm）下微生物的致死率僅為87.33%，即在遠(yuǎn)高于液體物料殺菌電場劑量的條件下，仍不能達(dá)到PEF對液體物料的殺菌效果。而低場強(qiáng)PEF即可達(dá)到改變肌纖維微觀結(jié)構(gòu)、改善肉質(zhì)嫩度的效果，因此PEF技術(shù)應(yīng)用于改善肉類品質(zhì)比用于肉類殺菌具有更好的發(fā)展?jié)摿?。王婷玉的研究結(jié)果顯示，30.5 kHz、45 kV/cm的PEF處理鮮切蘋果15 min可分別使大腸桿菌和沙門氏菌減少1.82、2.30（lg（CFU/g））。PEF處理茶葉時，在大幅度增加電場劑量的條件（處理時間20～60 min）下，可以達(dá)到90%左右的殺菌效果。比較可見，PEF在處理固體食品時所需的電場劑量明顯高于液體食品，然而殺菌效果卻遠(yuǎn)不及液體食品中。因此，相對而言，PEF殺菌技術(shù)在液體食品中的發(fā)展?jié)摿σ蟠髢?yōu)于固體食品。

2.1.3 PEF殺菌的發(fā)展前景

PEF技術(shù)在果汁、牛奶、紅酒等液體食品中具有高效的殺菌作用，已取得了較好的研究進(jìn)展，但高強(qiáng)度的電場可能會對牛奶等高蛋白食品品質(zhì)造成一定的損害；同時，PEF對固體食品遠(yuǎn)沒有對液體食品的殺菌效果好，這都說明PEF殺菌條件需要進(jìn)一步的探索與優(yōu)化。另外PEF設(shè)備體積大、造價高，且電極在高電壓下容易電解，嚴(yán)重阻礙了PEF工業(yè)化的推廣。要達(dá)到穩(wěn)定的殺菌效果，首先需要PEF處理室內(nèi)場強(qiáng)均勻，其次需要高電壓以達(dá)到足夠高的電場強(qiáng)度，這就對高壓脈沖發(fā)生器提出了較高的要求。因而研究改進(jìn)高壓電源，尋找新型電極，發(fā)展新技術(shù)、新裝備以克服當(dāng)前PEF殺菌中存在的問題是推廣其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

2.2 HVEF在食品中殺菌作用的研究進(jìn)展

HVEF對固體、液體食品均有一定程度的殺菌作用，與PEF相比，HVEF用于電場殺菌的電場強(qiáng)度不高，一般低于8 kV/cm，而電場處理時間則需長達(dá)幾到幾十分鐘。已有研究顯示，采用板-板型電極時，菌落數(shù)一般可減少1（lg（CFU/mL））/（lg（CFU/g））左右；而采用芒刺-板型電極時，在需要更低電場強(qiáng)度和更短處理時間的情況下，菌落數(shù)減少數(shù)可達(dá)3（lg（CFU/mL））/（lg（CFU/g））以上。關(guān)于PEF與HVEF在幾種典型食品中的殺菌效果對比見表1。

表1 PEF和HVEF在幾種常見食品中的殺菌效果Table 1 Sterilization efficiency of several foods in PEF and HVEF

2.2.1 在固體食品中的殺菌作用研究進(jìn)展

HVEF在果蔬保鮮方面有廣泛的應(yīng)用，除抑制果蔬新陳代謝、降低其呼吸強(qiáng)度、降低酶活性的作用外，HVEF對果蔬表面微生物的殺滅也是其具有保鮮作用的重要原因。已有報道表明HVEF對番茄、柿子、柑橘、梨等表面的微生物均有不同程度的抑制作用，可以延緩貯藏期間果實(shí)腐爛，并能起到一定改善果實(shí)采后品質(zhì)的作用。楊智超等的研究中，2～4 kV/cm的HVEF連續(xù)處理1～3 h，可使櫻桃番茄表面的大腸桿菌減少1.44～2.15（（lg（CFU/g）），同時能夠減少貯藏早期的乙烯釋放量，提高類黃酮、生物堿的含量，降低酚酸類物質(zhì)的含量，有助于改善櫻桃番茄果實(shí)的采后品質(zhì)。

HVEF在肉類抑菌的研究中也取得了一定的進(jìn)展，Qi Mengyuan等采用2.4 kV/cm的芒刺-板型HVEF處理三文魚、豬肉和香腸15～30 min，金黃色葡萄球菌的致死率可達(dá)92.1%～99.8%；Huang Han等的研究表明30 kV、15 min的HVEF處理能有效控制冷藏鯰魚片中微生物群落的數(shù)目并延長其貨架期，與對照組相比，HVEF處理的樣品組織損傷更小，硫代巴比妥酸反應(yīng)物含量更低，整個冷藏過程的保水能力更高。此外，HVEF對豆腐干、花粉、香辛料等的殺菌作用也有研究報道，菌落減少數(shù)在1～3（lg（CFU/g）），且不會對食品的色、香、味、形產(chǎn)生不良影響，適用范圍較為廣泛。

2.2.2 在液體食品中的殺菌作用研究進(jìn)展

HVEF應(yīng)用于酒、醋、醬油等釀造品，可以有效殺滅其中的細(xì)菌，且在保持釀造品的香氣和營養(yǎng)成分方面要明顯優(yōu)于熱殺菌。黃煒等采用5 kV/cm的HVEF處理水、果汁和牛奶1 h，細(xì)菌致死率分別可達(dá)97%、92%和90%。而在Hsieh等對果汁的研究中，1 kV/cm的HVEF并不能減少果汁貯藏期間的微生物菌落數(shù)，但可以維持其貯藏品質(zhì)和營養(yǎng)特性。近年來，HVEF在液體食品中的研究較少，可能是由于液體食品中殺菌效率低，與PEF殺菌技術(shù)和其他低溫殺菌技術(shù)相比缺乏競爭力。Qi Mengyuan等分別采用板-板型和芒刺-板型HVEF對液體和固體培養(yǎng)基中的金黃色葡萄球菌進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)兩種電場對液體中細(xì)菌的殺菌率均在60%以下，而芒刺-板型HVEF對固體培養(yǎng)基表面的殺菌效果可達(dá)99.9%以上，這正體現(xiàn)出HVEF在液體環(huán)境中殺菌的局限性。

2.2.3 HVEF殺菌技術(shù)的發(fā)展前景

與PEF相比，HVEF設(shè)備相對簡單、造價低，需要的電場強(qiáng)度也不高，然而大部分研究中HVEF殺菌效率較低，達(dá)到理想殺菌效果所需處理時間一般長達(dá)幾十分鐘甚至幾小時，極大地降低了HVEF殺菌技術(shù)在食品工業(yè)上應(yīng)用的競爭性。采用芒刺-板型HVEF可以有效提高殺菌效率，大幅度縮短處理時間，是未來HVEF技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。電暈放電是芒刺-板型HVEF的重要特征，若處理時間過長會產(chǎn)生明顯的輻照味，改進(jìn)儀器設(shè)備和調(diào)整處理參數(shù)以改善此類問題至關(guān)重要。通過與PEF在固體食品和液體食品中殺菌效果的對比可發(fā)現(xiàn)，HVEF技術(shù)在固體食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有更重大的研究價值和更廣闊的發(fā)展前景。同時，與PEF技術(shù)相比，HVEF殺菌技術(shù)研究相對較少，對食品品質(zhì)的影響研究也有待進(jìn)一步深入。

3 高壓電場技術(shù)的設(shè)備改進(jìn)研究進(jìn)展

近年來，針對高壓電場技術(shù)設(shè)備方面存在的缺陷與不足，國內(nèi)外不少研究人員對電場系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，以適應(yīng)未來高壓電場技術(shù)在食品領(lǐng)域的工業(yè)化需求。高壓電場技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)主要集中在對高壓電源、物料處理室和電極的調(diào)整與改變，改進(jìn)后的電場設(shè)備均能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備的不足。

3.1 高壓電源的改進(jìn)

3.1.1 PEF高壓電源的改進(jìn)

PEF電源需要為整個系統(tǒng)提供滿足滅菌要求的脈沖電壓，要想提供更高效的殺菌效果并滿足工業(yè)化的要求，適當(dāng)?shù)拿}沖波形、脈沖電壓幅值、脈沖寬度以及足夠的脈沖頻率和強(qiáng)大的脈沖負(fù)載能力是高壓電源所必須具備的條件，良好的可靠性與經(jīng)濟(jì)性也是高壓電源研發(fā)必須考慮的問題。

針對PEF殺菌設(shè)備工業(yè)化對脈沖電源的特殊要求，魏新勞等提出一種采用固態(tài)開關(guān)的新型高壓脈沖電源，可以通過較低的電壓獲得較高幅值的脈沖電壓，并從根本上解決了串聯(lián)固態(tài)開關(guān)開通一致性要求過于嚴(yán)苛的問題，能夠滿足工業(yè)用高壓脈沖電場滅菌的需求。

方形波是殺菌效果最好的脈沖波形，而國內(nèi)脈沖電場滅菌所使用的電源大多是輸出指數(shù)衰減波，因此研發(fā)有效輸出方形波的高壓電源是未來的一大趨勢。由于PEF處理的液體食品均為高導(dǎo)電性，因此在處理室內(nèi)易發(fā)生異常擊穿，影響脈沖電源的安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。針對這些問題，李玉龍?jiān)O(shè)計了一種新型高壓方波脈沖電源電路，該電路從原理上避免了異常擊穿對電源和系統(tǒng)造成的影響，并可以通過改變電路參數(shù)調(diào)節(jié)電壓幅值和方波程度。

在食品殺菌過程中，輸出方波的上升沿越短則殺菌效率越高，針對傳統(tǒng)的脈沖變壓器在使用過程中出現(xiàn)的漏感較大從而導(dǎo)致傳輸效率低下的問題，公群設(shè)計了一種高壓脈沖電源，它能在原有脈沖變壓器基礎(chǔ)上增加輔助繞阻來減少脈沖變壓器漏感，并改進(jìn)了大功率電源電路中會出現(xiàn)的大電流損壞開關(guān)器件問題，在一定程度上提高了殺菌效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.1.2 HVEF高壓電源的改進(jìn)

目前，國內(nèi)外的HVEF電源工作原理簡單，輸出電壓調(diào)節(jié)僅由旋轉(zhuǎn)電位器的角度來完成，使用不便，電壓調(diào)節(jié)誤差大，且易發(fā)生觸電現(xiàn)象。付喜錦利用單片機(jī)控制技術(shù)、紅外遙控技術(shù)、光電隔離技術(shù)和靜電屏蔽技術(shù)等，將原來高壓靜電場電源的手動調(diào)節(jié)裝置更改為紅外遙控精確調(diào)節(jié)，并可輸出高達(dá)60 kV的電壓。類似地，李本印設(shè)計了一種數(shù)控高壓靜電場電源，該電源通過單片機(jī)編程進(jìn)行零點(diǎn)檢測和占空比調(diào)整、控制晶閘管觸發(fā)，可產(chǎn)生0～55 kV的高壓靜電。

3.2 電極的改進(jìn)

金屬電極長期處在高電壓的環(huán)境下易發(fā)生電解，嚴(yán)重影響了電場系統(tǒng)的使用壽命，尤其是PEF設(shè)備多用于處理液體食品，電極電解產(chǎn)生的金屬離子或強(qiáng)氧化性物質(zhì)會對食品的安全和品質(zhì)造成影響。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PEF處理過的牛奶中鐵離子的含量是空白組的2 倍，而高頻率PEF處理后的紅酒中也可以檢測到鎳離子的存在。針對這一問題，科研人員致力于尋找新型電極，已有研究嘗試將碳材料電極應(yīng)用于PEF系統(tǒng)。最近的研究中，Tanino等設(shè)計了采用碳布電極的連續(xù)型PEF反應(yīng)器，用此設(shè)備處理清酒可以顯著滅活其中的酵母菌和乳酸菌。關(guān)于碳材料電極的研究仍需進(jìn)一步就殺菌效果、食品品質(zhì)變化以及設(shè)備運(yùn)行狀況等進(jìn)行深層次研究，其他類型新型電極材料的使用也亟待發(fā)掘。

3.3 PEF處理室的改進(jìn)

PEF處理室經(jīng)歷了從平板電極到同軸、同芯電極，間歇式到連續(xù)式的過程。連續(xù)式同芯處理室因其電容小、結(jié)構(gòu)簡單、不易放電等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛認(rèn)可，然而這些處理室大多也是僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的要求。處理室內(nèi)供液體流過的截面面積過小和兩電極之間各處電場強(qiáng)度相差較大等是主要問題所在，電場強(qiáng)度過高的部位可能產(chǎn)生電弧放電，電場強(qiáng)度過低的部位則難以達(dá)到理想的滅菌效果。針對以上問題，陳錦權(quán)等在兩個金屬空心管內(nèi)與絕緣體隔離環(huán)相鄰的部位分別連接兩根金屬導(dǎo)線，改進(jìn)后處理室中管中心等勢線和電場分布變得均勻，且流量大，避免了傳統(tǒng)處理室管中心等勢線稀疏、流體流速大而導(dǎo)致處理效果差的問題。方婷等則在PEF處理室中添加了兩對平行金屬導(dǎo)體，使處理室中電位和電場強(qiáng)度分布均勻，很大程度上提高了整個處理室的有效電場強(qiáng)度，改進(jìn)后的PEF處理室中，啤酒酵母、青霉菌和大腸桿菌的生存率更低且分布均勻。此外，PEF系統(tǒng)極板間距過大，要想達(dá)到理想的電場強(qiáng)度需要施加很高的電壓，針對這一問題，Zhu Ning等對微芯片的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、加工后封裝成一個動態(tài)微型PEF處理室，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前高場強(qiáng)區(qū)域面積顯著增加，可以實(shí)現(xiàn)在低電壓下有效致死大腸桿菌、釀酒酵母、金黃色葡萄球菌及藍(lán)莓汁中的腐敗微生物。

4 高壓電場技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)用

目前，將PEF與HVEF技術(shù)應(yīng)用于食品殺菌均存在一定的局限性，要想將其作為一類新型冷殺菌技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，以當(dāng)前的技術(shù)和設(shè)備水平，單獨(dú)作用很難達(dá)到預(yù)期的效果。除了積極進(jìn)行技術(shù)設(shè)備改進(jìn)外，將高壓電場技術(shù)與其他技術(shù)協(xié)同以強(qiáng)化殺菌效果也是未來PEF與HVEF發(fā)展的重要走向。

4.1 高壓電場技術(shù)與冷/溫?zé)釁f(xié)同

4.1.1 PEF與溫?zé)釁f(xié)同

PEF與溫?zé)釁f(xié)同是一種常見的強(qiáng)化殺菌方法，能夠在獲得理想殺菌效果的同時減少對食物本身的影響，在果蔬汁、液態(tài)蛋、蛋清中均有研究報道，Liu Xiaojun等在對動物副產(chǎn)品進(jìn)行殺菌時也采用了這種方法。研究表明，PEF處理在45～55 ℃的溫度范圍顯示出最有效的微生物致死效應(yīng)，這是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞膜磷脂層在這個溫度段由堅(jiān)硬的凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕ЫY(jié)構(gòu)。

近年來出現(xiàn)不少PEF與溫?zé)釁f(xié)同在果蔬汁中展開的研究。讓一峰等采用55 ℃溫?zé)釁f(xié)同PEF（20 kV/cm、處理時間400 μs）處理哈密瓜汁，對其中的霉菌酵母、大腸菌群及金黃色葡萄球菌可以達(dá)到與90 ℃熱處理同樣的殺菌效果，且基本不影響哈密瓜汁的理化指標(biāo)；且溫?zé)釁f(xié)同PEF處理的哈密瓜汁貨架期要顯著長于單獨(dú)PEF處理，證明了溫?zé)釁f(xié)同PEF可以有效地改善單純PEF的殺菌效果（表2）。Rezaeimotlagh等就蔓越莓汁中大腸桿菌的殺滅作用建立了電場能量輸入、時間和溫度的數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果顯示在恒定電場下提高果汁的溫度可以顯著提高大腸桿菌的致死率，并降低電場能量的消耗。電場協(xié)同熱處理在某些半固體食品中也顯示出較好的殺菌效果，張曉輝等采用60 ℃溫?zé)崤c20.14 kV/cm、109.25 μs的PEF協(xié)同處理使南瓜漿中菌落總數(shù)下降顯著，顯示出很好的協(xié)同作用（表2）。因此，PEF與溫?zé)釁f(xié)同處理能在低電場劑量下達(dá)到更好的殺菌效果，同時，對食品感官品質(zhì)和營養(yǎng)特性的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱處理，既降低了對PEF設(shè)備的嚴(yán)苛要求，又能保證了很好的殺菌效果。

表2 PEF與溫?zé)釁f(xié)同殺菌效果對比Table 2 Synergistic sterilization effect of PEF and mild heat

4.1.2 HVEF與冰溫技術(shù)協(xié)同

HVEF技術(shù)多與冰溫技術(shù)協(xié)同作用于果蔬、生鮮魚肉的抑菌保鮮。冰溫技術(shù)結(jié)合低電壓靜電場表現(xiàn)出優(yōu)異的保鮮效果，通過對微生物的抑制和對內(nèi)源代謝酶鈍化的協(xié)同作用能有效抑制微生物生長繁殖、減緩腐敗進(jìn)程中食物理化性質(zhì)的改變。已有研究報道HVEF結(jié)合冰溫技術(shù)在羅非魚、對蝦、水蜜桃中的殺菌保鮮表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，與單獨(dú)HVEF處理和單獨(dú)冰溫技術(shù)處理相比，二者協(xié)同作用對微生物抑制更加有效，能顯著延長食品的貨架期，需要的電場強(qiáng)度低于單獨(dú)HVEF作用，且能更好地保留食品的理化性質(zhì)與營養(yǎng)成分，具有良好的應(yīng)用前景。

4.2 高壓電場技術(shù)與抑菌劑協(xié)同

高壓電場技術(shù)與抑菌劑的協(xié)同滅菌有助于提高整體的滅菌效率，或者在維持相同的滅菌效果條件下，可降低PEF能量輸入和抑菌劑的使用濃度，達(dá)到節(jié)能減排和減少抑菌劑添加的效果。近年來，PEF技術(shù)在與抑菌劑協(xié)同抑菌方面取得了較好的研究進(jìn)展，而HVEF與抑菌劑的協(xié)同抑菌研究極少，有待于進(jìn)一步的探索與研究。

在細(xì)菌受到來自PEF的亞致死損傷時，抑菌劑的殺菌作用會更加有效，二者協(xié)同作用不僅可以加速殺菌，還可以使PEF作用后僅僅亞損傷的細(xì)菌徹底死亡，大大提高殺菌效率。肉桂醛是一種天然抑菌劑，有研究發(fā)現(xiàn)在與PEF協(xié)同抑菌的過程中，添加少量的肉桂醛可以在保持相同滅菌效果的前提下，有效減少輸入的PEF場強(qiáng)。汪浪紅研究發(fā)現(xiàn)PEF與柚皮素處理對橙汁、葡萄汁和荔枝汁中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的滅活存在一定的協(xié)同增效作用，且隨著貯藏時間的延長，協(xié)同處理組的兩種活菌數(shù)顯著低于兩種方法單獨(dú)處理組，一直維持在較低菌落水平，同時果汁品質(zhì)保持穩(wěn)定。類似地，Ait-Ouazzou等研究證實(shí)了PEF與香芹酚對蘋果汁、芒果汁、橙汁以及番茄汁中大腸桿菌的協(xié)同增效殺菌作用，果汁原有的理化性質(zhì)和營養(yǎng)特點(diǎn)也得以最大程度地保留。此外，菜花和柑橘的副產(chǎn)品浸出液以及茶多酚也能與PEF實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)同抑菌作用。將抑菌劑與電場協(xié)同不僅可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的殺菌作用，而且可以保持食品原有品質(zhì)、降低對電場強(qiáng)度的輸入要求，若采用天然抑菌物質(zhì)，還能在一定程度上為食品增加抗氧化、抗腫瘤等功能性優(yōu)勢，是一種有著巨大研究潛力的殺菌方法。

4.3 高壓電場技術(shù)與其他低溫殺菌技術(shù)協(xié)同

將高壓電場技術(shù)與其他低溫殺菌技術(shù)協(xié)同殺菌也是增強(qiáng)殺菌效果的重要思路。PEF與超高壓技術(shù)先后連續(xù)作用于李斯特菌只能產(chǎn)生加和效應(yīng)，而二者同時作用則可以產(chǎn)生高效的協(xié)同抑菌效果，這可能是由于機(jī)械壓力和電壓力同時作用于細(xì)胞膜導(dǎo)致了細(xì)胞的致命損傷。將紫外光或高強(qiáng)度脈沖光與PEF技術(shù)聯(lián)合也是研究人員廣泛探究的方法。紫外光、脈沖光以及PEF單獨(dú)作用可以使蘋果汁和蔓越莓汁中的大腸桿菌和畢赤酵母菌數(shù)目減少1.8～6.0（lg（CFU/mL）），而紫外光或脈沖光與PEF協(xié)同作用可以直接實(shí)現(xiàn)6（lg（CFU/mL））以上菌落數(shù)目的減少；然而，紫外光、脈沖光與PEF協(xié)同作用后的果汁貨架期分別只有14 d和21 d，而熱殺菌果汁貨架期長達(dá)35 d，這就意味著紫外和脈沖光與PEF技術(shù)的聯(lián)合需要經(jīng)過技術(shù)和條件優(yōu)化才能與熱殺菌技術(shù)競爭。Aadil等探究了超聲波技術(shù)與PEF技術(shù)的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合可以有效抑制西柚汁中的微生物數(shù)目，同時可以保護(hù)果汁中的活性成分。

目前，國外關(guān)于PEF技術(shù)與其他低溫殺菌技術(shù)的協(xié)同已取得了一定的研究成果，而國內(nèi)的研究相對較少。另外，有關(guān)HVEF技術(shù)與其他低溫技術(shù)的協(xié)同作用在國內(nèi)外幾乎處于空白狀態(tài)，有待于進(jìn)一步的探索發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié) 語

高壓電場技術(shù)作為一項(xiàng)新型低溫殺菌技術(shù)，具有其他技術(shù)手段所不具有的優(yōu)越性，正日益成為食品殺菌領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但高壓電場技術(shù)離在食品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化發(fā)展還存在一定的距離。PEF技術(shù)因其強(qiáng)大的殺菌效果和極短的殺菌時間，一直深受國內(nèi)外研究人員的青睞，通過積極進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)以及發(fā)展與其他技術(shù)的聯(lián)合作用從而彌補(bǔ)設(shè)備要求高、生產(chǎn)成本高的缺陷，是將PEF技術(shù)帶向工業(yè)化的關(guān)鍵所在。HVEF技術(shù)設(shè)備簡單、成本較低，在果蔬保鮮方面具有不錯的發(fā)展?jié)摿?。?板型HVEF在殺菌方面效率偏低，而芒刺-板型HVEF在僅改變一塊電極板的情況下就可大大縮短殺菌時間并提高殺菌效果，因而在食品殺菌方面具有更廣闊的前景。高壓電場技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)與優(yōu)化、與其他技術(shù)的聯(lián)合作用以及對食品品質(zhì)與安全的影響等仍需進(jìn)一步的深入研究。