高壓脈沖電場技術(shù)在食品加工及保藏中的應(yīng)用

王淑杰，趙子瑞，李文龍，張雅靜，孟慧雯，周 丹，周亞軍

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130022； 2.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引言

高壓脈沖電場是一種新興的、可持續(xù)的、環(huán)保的食品加工技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)食品加工技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的新技術(shù)之一[1]。它以高強(qiáng)度極短脈沖的形式將電能在短時間內(nèi)傳遞到放置在兩個電極之間的生物組織中，引起生物組織跨膜電位差，通過電滲透機(jī)制從而使細(xì)胞的滲透性增強(qiáng)。該技術(shù)因其具有非加熱特性，低能耗，加工時間短，能避免加熱對提取物的特性和純度造成的不良影響，最大程度地保持食品原有的色、香、味和營養(yǎng)價值等顯著優(yōu)點(diǎn)，在食品加工及保藏領(lǐng)域中被廣泛的關(guān)注[2]。高壓脈沖電場可作為單一處理或與其他技術(shù)結(jié)合使用，以協(xié)同作用來提高產(chǎn)品質(zhì)量、微生物穩(wěn)定性和產(chǎn)品產(chǎn)量[3]。目前，高壓脈沖電場技術(shù)在食品科學(xué)的許多領(lǐng)域都有新的應(yīng)用，具體包括應(yīng)用在食品保鮮滅菌、生物活性增強(qiáng)、生物活性成分提取、農(nóng)藥殘留降解、食品安全等方面。

一般情況下，高壓脈沖電場是通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、處理時間等工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)高壓脈沖電場處理，細(xì)胞膜發(fā)生電擊穿(即電穿孔)效應(yīng)，并產(chǎn)生作為導(dǎo)電通道工作的孔隙。最近的研究表明，電穿孔效應(yīng)的主要機(jī)制涉及細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層中含水孔、單個膜脂和蛋白質(zhì)發(fā)生系列變化[4]。具體是指，高壓脈沖電場觸發(fā)膜脂過氧化，導(dǎo)致膜脂尾水平發(fā)生變形，從而增加雙分子層對水、離子和其他小分子的滲透性。根據(jù)電場強(qiáng)度的不同，電穿孔過程具有可逆和不可逆兩種情況。在可逆情況下，細(xì)胞膜可能受損，但去掉處理?xiàng)l件后仍能恢復(fù)原狀態(tài)；而在不可逆情況下，細(xì)胞膜上形成永久性的電導(dǎo)通道，完整性喪失，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物發(fā)生滲透作用，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。根據(jù)處理過程的可逆程度，高壓脈沖電場技術(shù)在食品等領(lǐng)域中具有不同的應(yīng)用。在高電場強(qiáng)度(10～50 kV/cm)作用下的不可逆電穿孔可以用于使微生物發(fā)生失活等作用，替代傳統(tǒng)的熱處理，從而最大限度地保留食品原有的感官品質(zhì)。相反，在低電場強(qiáng)度(0.5～5.0 kV/cm)作用下的可逆電穿孔可以有效地用在干燥、冷凍、冷凍干燥和滲透脫水等工藝過程中以加強(qiáng)傳質(zhì)效率。

本文綜述高壓脈沖電場技術(shù)在食品加工及保藏領(lǐng)域研究的新進(jìn)展，明確指出該技術(shù)應(yīng)用存在的問題并對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 提取有效成分

一般情況下，天然產(chǎn)物如活性成分、色素、酶等高價值產(chǎn)品具有含量低、性質(zhì)不穩(wěn)定等問題，提取難度大。傳統(tǒng)的提取方法，如粉碎、超聲波會導(dǎo)致細(xì)胞完全破壞，從而造成細(xì)胞化合物的非特異性泄漏。高壓脈沖電場技術(shù)是一種非熱處理技術(shù)，它對細(xì)胞質(zhì)膜產(chǎn)生精確的沖擊作用，高效選擇性釋放細(xì)胞內(nèi)化合物，同時避免了加熱對提取物的特性和純度造成的不良影響。然而，高壓脈沖電場技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)每種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、大小等因素量身定制。因此，需要對高壓脈沖電場技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。ZHOU Yajun等[5-6]采用高壓脈沖電場技術(shù)提取藍(lán)莓加工廢棄物中的花青素，研究了料液比、脈沖數(shù)和電場強(qiáng)度對花青素含量的影響，得到最佳工藝參數(shù)為脈沖數(shù)10.00個，電場強(qiáng)度18.70 kV/cm，料液比為1∶6.31(V/V)，此時花青素的提取量達(dá)到最大值為223.13 mg/L；各因素對藍(lán)莓花青素提取量的影響順序依次為電場強(qiáng)度>料液比>脈沖數(shù)。并將高壓脈沖電場技術(shù)應(yīng)用在玫瑰精油的提取中，首先采用酶法對玫瑰細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)行預(yù)處理，接著進(jìn)行高壓脈沖電場處理，得到高壓脈沖電場協(xié)同酶法輔助提取玫瑰精油最佳工藝參數(shù)為脈沖數(shù)10.09個、電場強(qiáng)度20.96 kV/cm、蒸餾時間1.64 h，在此條件下精油得率達(dá)到最大值，為0.116 5%；同時對比了水蒸氣蒸餾法與高壓脈沖電場輔助蒸餾法所得玫瑰精油的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場通過靜電作用提高了玫瑰花中揮發(fā)性物質(zhì)的釋放率。HE Guidan等[7]利用高壓脈沖電場技術(shù)提取魚骨中的膠原物質(zhì)，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)，掃描電鏡結(jié)果顯示，高壓脈沖電場使樣品顆粒由分散、無序向均勻規(guī)律狀態(tài)轉(zhuǎn)變，但電場強(qiáng)度(>30 kV/cm)和脈沖數(shù)(>8)會導(dǎo)致樣品過度聚集成團(tuán)。采用半仿生法與高壓脈沖電場技術(shù)結(jié)合能夠高效地從魚骨中提取鈣、硫酸軟骨素和膠原蛋白等有效成分[8]。

許多學(xué)者利用高壓脈沖電場技術(shù)對酵母菌進(jìn)行處理，使酵母菌選擇性地高效釋放了各種化合物，包括蛋白質(zhì)、糖蛋白、糖類和色素等物質(zhì)，對經(jīng)高壓脈沖電場處理的酵母菌進(jìn)行電子顯微鏡分析，結(jié)果表明細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)遭到了破壞[9]。其他學(xué)者也利用了高壓脈沖電場技術(shù)從胡蘿卜中提取糖[10]。由于高壓脈沖電場對細(xì)胞質(zhì)膜有選擇性作用，因此可以選擇性地增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)某種化合物的釋放，而不損害細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)。因此，獲得的提取物通常純度更高，還簡化了純化工藝步驟，大大地縮短了試驗(yàn)進(jìn)程[9]。

2 殺菌作用

隨著社會的發(fā)展，消費(fèi)者越來越希望食品是綠色、新鮮、無污染和有營養(yǎng)的。傳統(tǒng)的高溫巴氏殺菌技術(shù)雖然能夠控制微生物數(shù)量，但熱處理會損害食品的熱敏物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)。高壓脈沖電場處理在過去的幾十年里被研究作為食品巴氏殺菌的替代方法，與傳統(tǒng)的熱巴氏殺菌技術(shù)相比，它對食品的損害程度會更小。許多研究報道了高壓脈沖電場技術(shù)在食品巴氏殺菌中的有效應(yīng)用，它有希望成為替代巴氏殺菌的一種新方法[11]。還有學(xué)者研究了不同初始溫度下高壓脈沖電場技術(shù)對釀酒酵母菌、大腸桿菌和芽孢桿菌的滅活效果[12]。結(jié)果表明，變溫可以降低微生物失活的臨界電場強(qiáng)度。微生物發(fā)生不可逆電穿孔后，由于細(xì)胞膜完整性遭到破壞，懸浮液中核酸和蛋白質(zhì)含量隨著失活率的增加而增多。有限元模擬證明了電場和溫度對分子輸運(yùn)有促進(jìn)作用。在相同的初始溫度和電參數(shù)(電場強(qiáng)度、脈沖寬度、脈沖數(shù))條件下，對不同微生物的致死效應(yīng)順序?yàn)獒劸平湍妇?大腸桿菌>芽孢桿菌。ESHTIAGHI M N等[13]研究了高壓脈沖電場技術(shù)對不同糖濃度蘋果汁中酵母菌的滅活作用。結(jié)果表明，高壓脈沖電場技術(shù)可以在室溫(20 ℃)條件下滅活酵母菌。其滅活效果與脈沖數(shù)、電場強(qiáng)度、脈沖寬度及糖濃度有關(guān)。脈沖數(shù)<20(12.6 kV/cm)對酵母菌失活沒有或具有非常小的影響。將脈沖數(shù)增加到400次會導(dǎo)致3 logs酵母菌失活。場強(qiáng)(10～30 kV/cm)是影響酵母菌失活的最重要因素。在給定電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)條件下，較長的脈沖寬度對微生物的失活有顯著影響。相比之下，當(dāng)蘋果汁中糖濃度>20%時，用高壓脈沖電場處理對酵母菌失活有負(fù)面影響。熱牛奶中的微生物和內(nèi)源酶對產(chǎn)品的品質(zhì)影響較大。最近，ALIREZALU K等[14]探索了高壓脈沖電場與溫和加熱(巴氏殺菌條件下)相結(jié)合的加工技術(shù)，表明高壓脈沖電場技術(shù)結(jié)合溫和加熱處理增強(qiáng)了牛奶及其衍生產(chǎn)品的安全性，對于和安全相關(guān)的酶、蛋白質(zhì)、乳脂球和營養(yǎng)物質(zhì)(特別是維生素)的影響很小，改善了牛奶和選定的衍生產(chǎn)品的保質(zhì)期。高壓脈沖電場與溫和加熱相結(jié)合的方法加工牛奶及其衍生產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景[15]。

3 降低有害物質(zhì)的積累

經(jīng)油炸后的馬鈴薯中含有丙烯酰胺這一致癌物質(zhì)，為了降低該物質(zhì)的含量和含油量，有研究者將高壓脈沖電場應(yīng)用到馬鈴薯加工中[16]。結(jié)果表明，電場強(qiáng)度對薯片的含油量和質(zhì)地有顯著的影響。在10 kV/cm電場強(qiáng)度作用下對薯片進(jìn)行預(yù)處理，薯片含油量降低21.2%，硬度和脆度明顯提高。薯片表面變得更光滑，截面孔隙率增加。制備的薯片丙烯酰胺含量較低，約為10 ng/g(鮮質(zhì)量)。動物源性食品中獸藥殘留是食品安全面臨的主要問題之一。如果人誤食了含有殘留抗生素的牛奶可引起過敏反應(yīng)，引起腸道菌群紊亂，產(chǎn)生耐藥性微生物。SHINDE G P等[17]研究發(fā)現(xiàn)，巴氏殺菌和高壓脈沖電場聯(lián)合處理對降低牛奶中的青霉素含量具有顯著的協(xié)同作用。由上可知，高壓脈沖電場可以作為一種獨(dú)特的處理手段來降解抗生素和丙烯酰胺等有毒物質(zhì)的殘留，同時保持著食品的營養(yǎng)與品質(zhì)。

4 提高農(nóng)產(chǎn)品原有品質(zhì)

近年來，高壓脈沖電場技術(shù)是一種越來越受到肉類工業(yè)關(guān)注的非熱效應(yīng)技術(shù)，因?yàn)楦邏好}沖電場技術(shù)能夠誘導(dǎo)肉品微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而改善了肉制品的功能特性，如保水能力、乳化能力及凝膠特性等。BALDI G等[4]評估了高壓脈沖電場技術(shù)對雞肉主要工藝性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過高壓脈沖電場處理對雞肉的pH值沒有影響，對雞肉的亮度和黃度影響較小。低強(qiáng)度高壓脈沖電場處理顯著提高了雞肉的持水能力，且不損害雞肉蛋白質(zhì)的完整性和功能。此外，LI Jiaheng等[18]評價了高壓脈沖電場處理對凍融三文魚質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，高壓脈沖電場技術(shù)的應(yīng)用使凍融時間縮短了20 min，凍融后的肌纖維保存較好，總損耗減少了6%。高壓脈沖電場處理對樣品質(zhì)地和TPB-N含量均有顯著影響。但由于高壓脈沖電場技術(shù)處理后發(fā)生氧化作用，b值和脂質(zhì)過氧化值略有增加。由此可見，高壓脈沖電場的合理應(yīng)用具有提高肉制品新鮮度和加工特性的效果。

在大米等糧油制品方面，高壓脈沖電場技術(shù)的運(yùn)用也顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢。有學(xué)者研究了高壓脈沖電場預(yù)處理對大米水解、結(jié)構(gòu)、多尺度和半晶層狀結(jié)構(gòu)、熱性能和風(fēng)味的影響[19]。高壓脈沖電場預(yù)處理后，熟米的淀粉水解度和血糖指數(shù)略有升高；蒸煮大米的硬度、彈性、粘結(jié)性和咀嚼性顯著提高。高壓脈沖電場處理降低了稻谷的晶胞結(jié)構(gòu)完整性，輕微改變了稻谷的糊化焓、相對結(jié)晶度、半晶層狀結(jié)構(gòu)，但沒有明顯改變稻谷的衍射圖形類型。高壓脈沖電場預(yù)處理使熟米中酚類和酮類含量減少，酸類和醛類含量增加。

利用高壓脈沖電場技術(shù)能提高紅葡萄酒中非酵母發(fā)酵劑的利用率，還能促進(jìn)酸奶的發(fā)酵作用[15，20]。

5 促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品保藏中酶失活

酶失活是食品保鮮中一個常見的工藝步驟。傳統(tǒng)滅酶的方法是加熱處理，但是該方法降低了農(nóng)副產(chǎn)品的感官性能和食用的品質(zhì)?；诖?，有學(xué)者將高壓脈沖電場技術(shù)應(yīng)用在酶非熱滅活方面[21]。通過比較電場、加熱和氧化對α-淀粉酶的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電場通過作用色氨酸靶向酶的活性部位，導(dǎo)致作用酶構(gòu)象破壞。ZHANG Chen等[22]利用高壓脈沖電場處理小麥，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場能有效滅活小麥籽粒中的脂肪酶。此外，高壓脈沖電場參數(shù)、電場強(qiáng)度、脈沖頻率、脈沖寬度和處理時間對溶解度、持水能力、持油能力、發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性、乳狀液穩(wěn)定性均有不同程度的影響。XU Feiyue等[23]發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場預(yù)處理能夠強(qiáng)化合成琥珀酰化乳清分離蛋白。因?yàn)楦邏好}沖電場把存在于蛋白質(zhì)內(nèi)部的氨基酸殘基結(jié)合位點(diǎn)更多地顯示出來，更適合于琥珀?；?。這些結(jié)果使人們對高壓脈沖電場作用于蛋白質(zhì)的機(jī)理有了全新的認(rèn)識，它可能將在食品工業(yè)或醫(yī)藥領(lǐng)域有新的應(yīng)用。

6 其他領(lǐng)域

高壓脈沖電場技術(shù)可以提高作物的生長速度和總產(chǎn)量，改變作物的營養(yǎng)成分。經(jīng)高壓脈沖電場技術(shù)處理的白牡蠣菇產(chǎn)量得到大幅度的提高，樣品的總收率有所提高，營養(yǎng)品質(zhì)略有提高，平均蛋白質(zhì)和脂肪含量高于對照組，該方法可作為白平菇規(guī)?；a(chǎn)的一種補(bǔ)充工藝進(jìn)行推廣。

在甲烷的生產(chǎn)中，木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)阻礙了纖維素酶的滲透。因此，在適當(dāng)?shù)募淄榘l(fā)酵之前必須對底物進(jìn)行預(yù)處理。有學(xué)者討論了高壓脈沖電場預(yù)處理對玉米青貯沼氣產(chǎn)量的影響[24]。試驗(yàn)表明，經(jīng)過高壓脈沖電場預(yù)處理后，基質(zhì)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量略有下降，導(dǎo)致液體基質(zhì)中碳水化合物含量升高，甲烷產(chǎn)率顯著提高。還有學(xué)者綜述了高壓脈沖電場在沼氣生產(chǎn)方面的研究新進(jìn)展[25]。

在干燥方面，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)經(jīng)高壓脈沖電場預(yù)處理后，胡蘿卜干燥時間得到顯著縮短，這有利于β-胡蘿卜素在干燥樣品中的保留，胡蘿卜干的質(zhì)量得到了提升[26]。對昆蟲進(jìn)行處理后，干燥速率顯著加快，提高了生物質(zhì)的提取效率[27]。與其他傳統(tǒng)干燥工藝相比，該方法具有節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量的特點(diǎn)，有希望在工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)上推廣應(yīng)用。

7 結(jié)束語

本文綜述了高壓脈沖電場技術(shù)在食品加工及保藏領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。高壓脈沖電場技術(shù)是一種低能耗的工藝，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理，擴(kuò)大處理能力。此外，高壓脈沖電場所需設(shè)備的操作簡單性、速度的可控性使其與其他方法相結(jié)合成為可能。一般來說，高壓脈沖電場預(yù)處理允許對各種物質(zhì)進(jìn)行處理。然而，這項(xiàng)技術(shù)也有一些缺點(diǎn)和局限性。高壓脈沖電場技術(shù)參數(shù)應(yīng)針對每個物種，考慮它們的結(jié)構(gòu)、大小和其他影響效率的因素，因此，必須對高壓脈沖電場技術(shù)參數(shù)及作用條件進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到預(yù)期的效果。另外，高壓脈沖電場技術(shù)并不是食品加工行業(yè)中的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，目前可用設(shè)備的成本造價較高。如果高壓脈沖電場技術(shù)將來成為食品加工及保藏領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用技術(shù)，還需要考慮如何進(jìn)行設(shè)計、制造來降低機(jī)械成本。