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研究生课程论文
课程名称：食品绿色加工
学 院：食品科学学院
专 业：生物与医药
学 号：xxx
姓 名：xx
2022 年12 月11 日
高压电场在食品加工的研究与应用
作者 曾全恒
西南大学食品科学学院，重庆 400715
摘要： 随着经济的发展，中国消费者对与食品的消费从“温饱”转变为注重“营养与健康”。传统的热加工技术并不能很好满足“绿色食品”的要求，因此就要求企业进行产业升级以此采用非热加工技术适应市场变化。高压电场技术作为非热加工处理技术的一种，由于其杀菌效率高、能耗小、无污染且对食品品质影响小，因而被人们所广泛关注研究。本文对常见的两种高压电场类型，高压静电场和脉冲电场在干燥、杀菌保藏、提取的研究应用以及目前局限性做一综述。
关键词： 非热加工技术；高压静电场；脉冲电场
Research and Application of High Voltage Electric Field in Food Processing
ZengQuanheng
College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract: With the development of economy, Chinese consumers ' consumption sense of food have changed from ' food and clothing ' to ' nutrition and health '.Traditional thermal processing technology does not meet the demands of ' green organic food’. Therefore, enterprises are required to improve the techniques in order to adopt non-thermal processing technology. As a kind of non-thermal processing technology, high voltage electric field technology has been widely concerned and studied because of its high sterilization efficiency, low energy consumption, no pollution and little impact on food quality. Two common types of high voltage electric field, high voltage electrostatic field and pulsed electric field in drying, sterilization, preservation, extraction of research applications and the current limitations are reviewed in this paper.
Key words: Non-thermal technology；high-voltage electrostatic field；pulsed electric field
一、引言
自加入WTO（世界贸易组织）以来中国经济不断的发展，居民消费能力稳步提升。相较于本世纪初，如今的消费者在食品消费上已经从以往的只为解决“温饱需求”，转变为了吃得更“营养与健康”[1]。这体现在当今市面上的轻食与“绿色食品”得到了越来越多的消费者青睐与认可[2]。迄今为止，热处理技术在食品工业中仍是一种应用广泛的加工方式，但是热处理往往会对某些食品自身具有负面影响，不仅如此热处理也不符合“绿色食品”的定义。因此我们需要对加工方式进行改良。非热加工技术对食品加工方式带来了巨大变革，非热加工的处理温度较低故而能有效地保留食品原有的品质（热敏性物质）[3]，但目前国内应用非热加工技术的企业还不多，相应食品加工企业应该尽快完成产业升级以便于更好的适配消费终端市场。
早在上世纪八十年代，高压电场就开始用于食品加工的研究。得益于高压电场的处理条件温和、操作简便、速度快、耗能小、容易实现规模化生产[4]等一系列优点，这种非热加工技术已被学界广泛研究和生产上部分应用。脉冲电场（pulsed electric field，PEF）和高压静电场（high voltage electrostatic field，HVEF）是食品加工中常用的两种高压电场类型。本文将就这两种高压电场技术在食品加工的最新研究应用与局限性作一综述，并讨论其当前的局限性。
二、正文部分
1.高压电场在食品干燥的研究与应用
1.1高压电场的干燥原理
高压电场干燥技术是1976年日本的浅川发现在施加电压后水的蒸发速度加快，进而发现的一种可用于食品干燥的技术。其主要的原理是，干燥时电极高电压下产生电晕风（即两个相邻高压电极之间发生电晕放电时因离子运动而产生的空气流动）[5]。导致电极附近环境中的空气粒子电离，这个单极带电粒子云被库仑力排斥（电离区），这些带电粒子向阳极运动过程中导致离子风产生雪崩效应[6],[7]。当一个电子从放电极(阴极)向收尘极(阳极)运动时，若电场强度足够大，则电子被加速，在运动的路径上碰撞气体原子会发生碰撞电。电荷离子在漂移过程中向接地电极加速，产生的电风冲击放置在接地电极上的湿物料，离子风导致湿物料中的水分向主体气流的扩散受到干扰[8],[9]。这一过程扰动了饱和边界层，导致水分子从食物中蒸发（平衡气压）。因此，电场与食品材料的放热相互作用导致食品中水分的快速蒸发[10]。在这个过程中降低了食品的体系熵。熵的降低使得干燥食品材料所需的温度降低，湿物料的水分能在不施加外部热量的电场环境下不断蒸发[11]。目前电场干燥主要是运用高压静电场进行。
1.2高压电场的干燥动力学
高压电场的干燥动力学与常规对流干燥相似，由于产生的离子风的性质，经历了一个恒定和下降速率的干燥阶段[12]。初始干燥：当湿物料以恒定的速度、温度和相对湿度暴露在离子气流中时，食品的初始含水率略有降低，称为初始干燥期。在此阶段，材料表面一层薄薄的水分蒸发通常由空气边界层控制。同时，由于蒸发冷却作用，材料的初始温度降低至湿球温度。恒速干燥：产品的含水率会发生急剧的线性下降，直至达到临界含水率。由于水分从芯部到材料表面的不间断转移，水分的蒸发保持恒定，该阶段被称为恒速干燥阶段。减速干燥：随着干燥的进行，水分向物料表面的迁移量逐渐减小，干燥速率也随着水分梯度的减小而减小。因此，降速干燥阶段以最终恒定含水率结束[5],[12]。电场干燥速率和食品本身的结构有关。小麦、油菜籽、苹果等生物材料在降速阶段完全干燥。与此相反，西红柿、蘑菇、人参等同时具有恒速干燥期和降速干燥期的特征[13]。线性干燥动力学意味着恒速干燥受对流传质限制，而指数干燥动力学意味着降速干燥受扩散限制。尽管电场在恒速干燥阶段有助于提高干燥速率，但大多数食品物料在此阶段的干燥时间较短[10],[14]。在叶类蔬菜中，自由水蒸发遵循线性动力学曲线。然而，浆果、苹果、蘑菇和胡萝卜等果蔬表现出指数干燥行为[12]。
1.3高压电场干燥技术研究现状
Martynenko等利用白色鲜菇研究了高压电场干燥技术对样品的干燥速率和复水性能的影响。并得出白色鲜蘑菇的干燥速率与初始含水率成正比，随电场强度的增大而增大，随相对湿度的增大而减小。并且电极的针尖密度对于白色鲜菇的干燥率有极为显著的影响[13]。Tamarit等将智利海参作为对象对比了高压电场干燥和其他干燥（晒干、冷冻干燥）对样品的复水能力的影响。他发现电场干燥后的海参复水和吸水具有非均相行为，并与干燥电压无关。参数为30 kV，30 min预处理的干燥效率较好，复水比也较高[15]。Ahmet等人用杏子研究了高压电场干燥对比空气对流干燥的效率提升。研究后得出结论为高压电场干燥速率是自然空气对流干燥效率的1.70~5.23倍，是强制空气对流干燥速 率的1.1~2.0倍[16]。白爱枝等人比较了高压电场干燥和热风干燥对马铃薯蛋白质二级结构的影响。在设置多种参数条件综合比对后，得到了高压电场干燥对马铃薯蛋白质二级结构的影响更小（相比于热空气干燥）[17]。为了确定高压电场干燥马铃薯的最佳操作参数，Yu等人进行了研究。他们从水分含量、微观结构、复水性能、糖含量和能耗等参数对高压电场干燥马铃薯做了系列研究。最后，在从干燥速率、产品品质和能耗等方面考虑，参数设置为电压20 kV、电极间距4cm，此工况下马铃薯片在高压电场有最好的效果[18]。然而并不是所有食品物料在高压电场干燥都有很好的效果，Yang等人对多孔介质材质的材料研究后发现。多孔介质因离子风作用，干燥速率提高40％；但离子风速超过一定阈值，干燥速率的增速会受到负面影响[19]。
2.高压电场在食品杀菌与保藏的研究与应用
脉冲电场和高压静电场是食品杀菌中常用的两种高压电场类型，两者对于一些致病细菌的杀灭都有较好的效果。下面本文将就两者的杀菌原理、效果与应用分别进行阐述。
2.1高压静电场
2.1.1高压静电场的杀菌机理
高压静电场引起的细菌失活机理主要体现在3个方面。首先，高压静电场具有电穿孔和电崩解现象[20]。其次，由于存在极强的电晕放电现象，在强电场的作用下空气中存在的少量带电粒子与中性分子或原子不断发生碰撞，其中电子与氧分子碰撞产生的臭氧对食品表面霉菌和细菌具有杀灭作用[21]。另外，电离产生的活性氧对细菌具有极强的破坏作用，超氧阴离子自由基可以破坏细菌的细胞膜、细胞核、碳水化合物及蛋白质等，最终导致细菌突变、老化和死亡；H2O2则可使细菌细胞膜氧化破裂，失去物质交换能力，从而促使细菌死亡[22]。
2.1.2高压静电场的研究现状
HVEF对固体、液体食品均有一定程度的杀菌作用，HVEF用于电场杀菌的电场强度不高，一般低于8 kV/cm，而电场处理时间则需长达几到几十分钟。对于果蔬保藏，高压静电场有很好的效果。中国台湾的谢长伟教授团队则针对柿子研究了高压电场处理对货架期的影响，高压静电场处理柿子果实的果胶酯酶活性更低，表明高压静电场延缓了果胶降解和柿果软化进程。结果表明，HVEF通过抑制二氧化碳产量，延缓柿果采后成熟衰老过程中发生的氧化和组织劣变，以此延长了柿子的货架期[23]。高压静电场在肉类保藏上一样能起到很好的效果。湖北农科院的汪兰教授团队研究发现，鲶鱼块采用高压静电场处理后，鲶鱼表面的优势菌群能发生改变同时抑制腐败菌生长，处理后货架期能延长一天左右[24]。齐梦圆等人采用2.4 kV/cm的芒刺-板型HVEF处理三文鱼、猪肉和香肠15～30 min，发现经过高压静电长处理后金黄色葡萄球菌的致死率可达92.1%～99.8%[22]。将高压静电场应用于酒、醋、酱油等酿造品，同样可以有效杀灭其中的细菌，且在保持酿造品的香气和营养成分方面要明显优于热杀菌[25]。
2.1.3高压静电场与其他技术联用
高压静电场技术多与冰温技术协同作用于果蔬、生鲜鱼肉的抑菌保鲜。冰温技术结合低电压静电场表现出优异的保鲜效果，通过对微生物的抑制和对内源代谢酶钝化的协同作用能有效抑制微生物生长繁殖、减缓腐败进程中食物理化性质的改变[26]。与单独高压静电场处理和单独冰温技术处理相比，二者协同作用对微生物抑制更加有效，能显著延长食品的货架期，需要的电场强度低于单独HVEF作用，且能更好地保留食品的理化性质与营养成分，具有良好的应用前景[27]。目前国外已有一些研究在朝着这个方向进行，但目前国内对于该联用技术还处于空白阶段尚未探索。
2.2脉冲电场
2.2.1脉冲电场的杀菌机理
目前关于脉冲电场的灭菌机理尚不明确，有两个假说人们较为接受。首先是基于细胞膜破裂的电崩解假说，该假说认为在外加电场作用下，细胞膜上的膜电位差随着电压的增加而增大；当外加电场达到临界解体电位差时，瞬时放电使细胞膜上形成孔洞从而分解细胞膜[28]。另一种则是穿孔假说，该假说是指在外加电场作用下，细胞膜被压缩形成小孔，通透性增强，小分子进入细胞，引起细胞体积膨胀，最终导致细胞膜破裂，内容物泄漏[29]。但可以确定的是，食品经过脉冲电场后会对细菌酶活性、DNA和蛋白质结构等造成一定程度的破坏，从而影响细菌正常的生理活动，导致细胞损伤或死亡[30]。
2.2.2脉冲电场的研究现状
脉冲电场应用于食品杀菌的研究在液体食品和固体食品中均有涉及，液体食品杀菌的研究明显多于固体食品。在液体食品中，脉冲电场常用于果汁的杀菌保藏处理。Mendes-Oliveira等人通过建模脉冲电场模拟大肠杆菌O157：H7和鼠伤寒沙门氏菌在果汁中的灭活，发现了在对果汁采取的脉冲电场处理的最佳参数[31]。Aadil等人通过研发了一种可用于连续巴氏杀菌的脉冲电场的可持续电穿孔器，并成功设计了可用于脉冲电场巴氏杀菌系统的关键工艺参数与技术，在对比传统热处理的果汁后得出了该系统设备是可以有效运用于生产[32]。目前，美国市场已有在售PEF杀菌技术生产的苹果汁、草莓汁等产品，该类产品产自Genesis Juice公司，已通过食品药品管理局的认证[27]。但并不是所有的液体食品都适用于高压脉冲杀菌，有研究指出低温脉冲电场处理对牛奶中微生物的杀灭及内源酶和微生物酶的影响有限，且高强度PEF作用后牛奶会出现分层的现象[33]。而关于脉冲电场在肉制品、紫菜、茶叶等固体食品中的杀菌研究则并不是那么多。因为脉冲电场在肉制品中的杀菌效果不及果汁、饮料等液体物料中，仅可减少肉胴体表面部分革兰氏阴性菌[27]。但无论是何种食品，脉冲电场都能对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、单增李斯特菌等常见食源性致病菌均有显著致死效果，25～40 kV 电场连续处理几十到几百微秒即可有效减少致病菌[34]。
2.2.3脉冲电场与其他技术联用
2.2.3.1脉冲电场与温热技术协同
PEF与温热协同是一种常见的强化杀菌方法，能够在 获得理想杀菌效果的同时减少对食物本身的影响。Liu等人在对动物副产品进行杀菌时也采用了这种方法。研究表明，在45～55℃的温度范围内处理能出现有效的微生物致死效应[35]。Trujillo的研究团队，就对该种技术处理蔓越莓汁中大肠杆菌进行了建模研究，研究结果显示在恒定电场下提高果汁的温度可以显著提高大肠杆菌的致死率，并降低电场能量的消耗[36]。因此，脉冲电场与温热协同处理能在低电场强度下达到更好的杀菌效果，同时对食品感官品质和营养特性的破坏程度远远小于热处理，既降低了对脉冲电场设备的严苛要求，又能保证了很好的杀菌效果[4]。
2.2.3.2脉冲电场技术与抑菌剂协同
高压电场技术与抑菌剂的协同灭菌有助于提高整体的灭菌效率，或者在维持相同的灭菌效果条件下，可降低脉冲电场能量输入和抑菌剂的使用浓度，达到环境友好绿色化学的目的。近年来，脉冲电场技术在与抑菌剂协同抑菌方面取得了较好的研究进展。在细菌受到来自脉冲电场的亚致死损伤时，抑菌剂的杀菌作用会更加有效，二者协同作用不仅可以加速杀菌，还可以使脉冲电场作用后仅仅亚损伤的细菌彻底死亡，大大提高杀菌效率。Pagán等人在苹果、芒果、橙子和番茄汁的脉冲电场处理中协同使用了具有抑菌效果的香芹酚，在测定大肠杆菌O157：H7后得出结论，香芹酚在与脉冲电场协同抑菌的过程中，保持相同效果下脉冲电场的场强和香芹酚用量都有所减少[37]。Rodrigo的研究团队发现在菜花和柑橘的副产品浸出液协同使用脉冲电场技术，也能起到很好的抑菌效果[38]。总之，抑菌剂与电场协同不仅可以实现强大的杀菌作用，而且可以保持食品原有品质、降低对电场强度的输入要求。
3.高压电场技术在辅助提取的研究与应用
3.1高压电场提取原理
高压电场技术也能用于一些有机物质的提取，在电场作用下可以显著提高提取效率。但是其中的原理，目前尚无确切结论[39]。仅有两种假说人们较为之接受，第一种假设认为液体可以发生解离或通过电子崩的局部汽化产生，是引起放电的主要原因；第二种假设放电直接让液体电离。两种假说都认为电场处理时会导致产生强烈发射高强度紫外光的局域热等离子体，并且水光解中产生羟基自由基。羟基自由基进一步造成细胞破碎、颗粒破碎和细胞结构破坏，细胞结构的破坏使得多酚、蛋白质等物质更容易被溶进萃取试剂[34],[40]。
3.2高压静电场辅助提取
来自四川大学的Yan Lianggong等人使用高压静电场技术对石榴皮中的酚类进行了提取，他们开发优化了一种用于石榴皮酚类化合物的连续提取体系，与常规提取方法进行比较高压静电场技术显著提高了产率[41]。此外，该团队还对花生皮中的黄酮提取辅以了高压静电场，不仅发现高压电场能提高花生皮中黄酮提取效率而且还确定了提取所需要的最佳工艺参数[42]。Lonˇcari ́等人以蓝莓为对象探讨了影响高压静电场提取的多种因素，发现溶剂、时间、频率均能对提取率产生影响[43]。
3.3脉冲电场辅助提取
脉冲电场提取是一种绿色技术，可在无热条件下从多种食品原料中提取植物化学物质。近年来，该技术已被用于分析草莓等果蔬中的许多生物活性化合物，Aganovic等人发现对对富含多酚的果汁进行脉冲电场加工后降低了可溶性蛋白的溶解性，使得这些蛋白更容易被分离出来[44]。Liu Zhiwei等人和Liu Zhibin等人分别对洋葱和新鲜茶叶中的生物活性物质使用脉冲电场提取，两个团队均得出类似结论使用脉冲电场辅助提取能提高提取率、缩短提取时间[45],[46]。
4.高压电场技术的局限性
4.1电源与电极材料
首先是电源问题，工业上需要先进的电源系统提供稳定连续的高强度电场以适应大规模工业生产，因此还需要进一步优化电源设备的设计，降低生产的成本。高压静电场需要有精准的电压调节装置，脉冲电场则需要选择好适当的脉冲波形与频率，这些都还是掣肘生产使用的大问题[27]。
在电极材料上，金属电极长期处在高电压的环境下易发生电解，严重影响了电场系统的使用寿命，尤其是高压脉冲设备用于处理液体食品，电极电解产生的金属离子或强氧化性物质会对食品的安全和品质造成影响。因此还需要对电极材料进行改进[33],[39],[47]。
4.2高压电场作用机制与处理室改进
高压电场处理固体食品的机理尚未完全阐明。许多关于机理的研究，都已经是二十年前的文献了，电穿孔理论及电场对蛋白质的影响也尚不明确[39]。
电场处理室经历了从平板电极到同轴、同芯电极，间歇式到连续式的过程。连续式同芯处理室因其电容小、结构简单、不易放电等优点而得到广泛认可，然而这些处理室大多也是仅停留在实验室水平，远未达到工业化应用的要求。处理室内供液体流过的截面面积过小和两电极之间各处电场强度相差较大等是主要问题所在，电场强度过高的部位可能产生电弧放电，电场强度过低的部位则难以达到理想的灭菌效果[3],[39]。
三、结论
综上所述，尽管目前高压电场在食品加工中的研究已有了很大进展，高压电场处理既能处理固体食品又能处理液体食品，其作为一项非热加工处理技术能在保留食品最大风味与营养的前提下满足干燥、杀菌与保藏的工艺要求。除用于食品加工外，其在生物活性物质提取上也具有广阔的应用前景。不仅如此，高压电场还可以与其他加工技术协同提高加工效率和食品品质，但对于食品协同处理后的安全性、完整性还有待进一步研究探索。同时，高压电场掣肘于电源、电极、设备和机制的问题，目前尚不能实现大规模工业化的生产要求。希望研究人员能尽早突破技术难关，实现规模化生产应用。
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