高壓脈沖電場對胡蘿卜汁的殺菌效果及類胡蘿卜素含量的影響*

陳拓，楊瑞金，張莎，趙偉，陳錦權(quán)，方婷

1(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

3(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州，350002)

高壓脈沖電場對胡蘿卜汁的殺菌效果及類胡蘿卜素含量的影響*

陳拓1，楊瑞金2，張莎1，趙偉2，陳錦權(quán)3，方婷3

1(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

3(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州，350002)

研究了高壓脈沖電場(PEF)對胡蘿卜汁的殺菌效果及其對類胡蘿卜素的影響。結(jié)果表明，PEF處理場強(qiáng)、處理時(shí)間和溫度是影響PEF殺菌效果的主要因素。在4℃水浴，處理場強(qiáng)為30 kV，處理時(shí)間為500 μs條件下，PEF的殺菌效果可達(dá)5.9個(gè)對數(shù)。隨著處理場強(qiáng)和處理時(shí)間的增加，殺菌效果明顯增強(qiáng)。溫和熱與PEF處理有較好的協(xié)同作用，溫度提高到20℃時(shí)殺菌效果可增加1個(gè)對數(shù)。高壓脈沖電場能顯著增加胡蘿卜汁中類胡蘿卜素的含量，30 kV，500 μs的條件下，類胡蘿卜素含量與對照相比可增加55.66%。

高壓脈沖電場，胡蘿卜汁，大腸桿菌，類胡蘿卜素

胡蘿卜被認(rèn)為果蔬中的“小人參”，其富含多種維生素，大大優(yōu)于蘋果、梨、桃。其中類胡蘿卜素的含量更是居于水果之首[1］。在藥用價(jià)值上，胡蘿卜有降血糖、防治白內(nèi)障、消除炎癥等作用。其大量的維生素A和維生素B?？捎糜诿髂?，預(yù)防夜盲癥，治療眼干燥、小兒軟骨病和皮膚粗糙[2］。胡蘿卜汁作為最受歡迎的果蔬汁之一[3］，飲用方便，營養(yǎng)豐富，而胡蘿卜資源豐富，所以胡蘿卜汁的開發(fā)利用日益受到人們重視。

在最近10年中，非熱殺菌因其對果蔬的原始營養(yǎng)物質(zhì)保留和延長貨架期的顯著作用受到業(yè)界的重視。在眾多非熱處理技術(shù)中，高壓脈沖電場(PEF)是最具工業(yè)發(fā)展前景的非熱技術(shù)之一[4］。PEF不僅對食品中的微生物和酶有很好的殺滅和鈍化效果，而且能最大程度地保留食品的風(fēng)味和品質(zhì)，延長了食品的儲(chǔ)藏期[5］。目前PEF對微生物的作用機(jī)理尚不清楚，被大部分專業(yè)人士所認(rèn)可的殺菌機(jī)理是PEF通過外部電場與微生物細(xì)胞膜直接作用，在極端時(shí)間內(nèi)，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，形成“電穿孔”而導(dǎo)致微生物滅活[6］。

目前國內(nèi)外許多研究者在模擬體系和真實(shí)體系中，對PEF殺菌鈍酶機(jī)理，處理后產(chǎn)品的理化性質(zhì)如營養(yǎng)成分、風(fēng)味、色澤和貨架期等的變化做了大量研究。人們對PEF在果蔬汁加工中的應(yīng)用研究較多，如趙瑾等研究了PEF對鮮榨梨汁的殺菌效果及其對產(chǎn)品品質(zhì)的影響[7］，鐘葵等研究了PEF對鮮榨蘋果汁貯藏期品質(zhì)的影響[8］，殷涌光等研究了PEF對桃汁的殺菌效果及對桃汁品質(zhì)的影響[9］。研究結(jié)果表明，電場強(qiáng)度、脈沖特性、處理時(shí)間、處理溫度、果蔬汁和微生物種類與特性等可影響高壓脈沖電場的殺菌滅酶效果，而且PEF對食品的原有感官品質(zhì)幾乎無影響。

本文以大腸桿菌為目標(biāo)微生物，研究PEF對鮮榨胡蘿卜汁的殺菌效果，確定PEF處理胡蘿卜汁的工藝參數(shù)，并在此工藝條件下研究了PEF處理對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料:市售新鮮胡蘿卜，色澤紅潤，成熟度為七至八成。胡蘿卜的制備:將胡蘿卜洗凈后，去皮，切成1～2 cm薄片，再熱燙5 min，用果汁機(jī)榨汁，制得胡蘿卜汁滅菌后使用。胡蘿卜汁電導(dǎo)率為2000 μs/cm左右，弱酸性。

PEF殺菌設(shè)備:本實(shí)驗(yàn)采用OSU-4L型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模PEF連續(xù)處理設(shè)備(俄亥俄州立大學(xué)，美國)。儀器管路清洗采用4%NaOH、10%84消毒液和無菌水，清洗至無菌備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微生物接種與計(jì)數(shù)

1.2.1.1 目標(biāo)菌的選擇

大腸桿菌是典型的革蘭氏陰性菌，是最常見的腸道致病菌，也是食品檢測中最常見的目標(biāo)菌之一。所以本試驗(yàn)選用大腸桿菌作為脈沖電場處理的目標(biāo)微生物。

1.2.1.2 大腸桿菌接種

試驗(yàn)用大腸桿菌(ACTT 8973)由營養(yǎng)瓊脂斜面培養(yǎng)基移至營養(yǎng)肉湯，37℃搖床培養(yǎng)16 h至穩(wěn)定期，菌體濃度達(dá)到108～109CFU/mL。將上述10 mL培養(yǎng)液接到1 L滅菌胡蘿卜汁中，使樣品中菌體濃度達(dá)到106～107CFU/mL。菌種由江南大學(xué)食品學(xué)院酶學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2.1.3 微生物計(jì)數(shù)

根據(jù)GB/T4789.2-2003方法，對樣品在PEF處理前后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。大腸桿菌培養(yǎng)基為營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，殺菌效果用致死率來表示，殘存率計(jì)算公式:

式中:N為PEF處理后的微生物數(shù)，CFU/mL;N0為PEF處理前的微生物數(shù)，CFU/mL。

1.2.2 PEF殺菌參數(shù)的選擇

選擇6個(gè)連續(xù)處理腔，選擇電場強(qiáng)度為20、25、30和35 kV/cm，總處理時(shí)間為100、200、300、400、500 μs，脈沖寬度 2μs，脈沖頻率200 Hz;循環(huán)式冷卻水浴的溫度根據(jù)試驗(yàn)要求而改變。

電場強(qiáng)度E和總處理時(shí)間t計(jì)算方法:

式中:U為電壓，kV;d為電極間距，0.29 cm;Np為單個(gè)處理腔內(nèi)接收的脈沖數(shù);Nc為處理腔個(gè)數(shù)，6;Wp為脈沖寬度，s;Tr為停留時(shí)間，s;f為脈沖頻率，Hz;V為單個(gè)腔體積，0.012 cm3;F為物料流速，mL/s。

1.2.3 PEF殺菌對胡蘿卜汁類胡蘿卜素含量的影響測定

類胡蘿卜素通常是指C40的碳?xì)浠衔?胡蘿卜素)和它們的氧化衍生物(葉黃素)2類色素的總稱[10］。采用GB/T 12291-1990對果蔬汁類胡蘿卜素進(jìn)行全量的測定:吸取20 mL樣液加入3g石英砂，搖動(dòng)后用布氏漏斗過濾，5 mL水沖洗濾渣3次。分液漏斗萃取3次，合并有機(jī)相并定容至100 mL。在440 nm波長下測定提取液的最大吸光度A。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEF不同場強(qiáng)、處理時(shí)間對胡蘿卜汁殺菌效果的影響

圖1顯示了在4℃水浴下，脈沖頻率為200 Hz，處理時(shí)間為100 μs，電場強(qiáng)度分別為20、25、30和35 kV時(shí)，PEF處理對接種大腸桿菌的胡蘿卜汁總均數(shù)的影響。圖1表明，在20，25，30和35 kV時(shí)大腸桿菌菌落總數(shù)分別下降了1.1、1.5、2.7、3.2個(gè)對數(shù)。可見，電場強(qiáng)度是影響PEF殺菌效果的一個(gè)顯著因素，隨著電場強(qiáng)度的增加，殺菌效果明顯增強(qiáng)。

圖1 PEF在不同電場強(qiáng)度下對大腸桿菌殺菌效果的影響

圖2 為PEF不同處理時(shí)間對胡蘿卜汁中大腸桿菌殺菌效果的影響。圖2表明隨著處理時(shí)間的延長，殺菌效果逐漸遞增。在4℃水浴下，脈沖頻率為200 Hz，處理場強(qiáng)為30 kV的條件下，當(dāng)處理時(shí)間為100 μs時(shí)，總菌數(shù)下降了2.7個(gè)對數(shù)，上升到500 μs時(shí)，殺菌對數(shù)達(dá)到5.9個(gè)對數(shù)。

圖2 PEF不同處理時(shí)間對大腸桿菌殺菌效果的影響

2.2 溫和熱協(xié)同作用對PEF殺菌效果的影響

有研究表明，當(dāng)微生物處于較高溫度時(shí)，比處于較低溫度時(shí)對脈沖電更敏感。本實(shí)驗(yàn)在30 kV，20 Hz條件下，將水浴溫度由4℃提高至20℃、35℃，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著溫度的上升，溫和熱協(xié)同效應(yīng)越來越明顯。當(dāng)溫度由4℃提高至20℃時(shí)，大腸桿菌總數(shù)的下降提高了1個(gè)對數(shù)。在水浴溫度為35℃的條件下，處理腔的溫度不超過50℃，而且物料經(jīng)處理腔的時(shí)間極短，因此單純的微生物的熱致死效應(yīng)可忽略，殺菌效果的提高歸因于溫度對PEF殺菌的協(xié)同作用(見圖3)。從PEF的作用機(jī)理來看，適當(dāng)?shù)奶岣邷囟仁蛊浼?xì)胞膜的脂質(zhì)組成會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響到細(xì)胞膜的流動(dòng)性和黏彈性，進(jìn)而影響到細(xì)胞膜的韌性。

圖3 處理溫度對PEF殺菌效果的影響

由于細(xì)胞膜兩表面堆積的異種電荷相互吸引，引起膜的擠壓，當(dāng)這種電擠壓力大于膜的彈性力時(shí)就產(chǎn)生穿孔[11］。當(dāng)微生物處于較高溫度時(shí)，細(xì)胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)更具有流動(dòng)性，原生質(zhì)膜更脆弱，因此更容易發(fā)生穿孔，而且在溫度較高時(shí)物質(zhì)交換速度加快，膜內(nèi)物質(zhì)外流和膜外物質(zhì)滲入的速度加快，從而導(dǎo)致微生物對脈沖電場更敏感，PEF殺菌效果增加?？梢?，PEF與熱處理結(jié)合，可在冷殺菌的前提條件下，提高殺菌效果，避免高溫對果蔬汁營養(yǎng)物質(zhì)的損壞的同時(shí)保證了安全性。

2.3 PEF處理對胡蘿卜汁類胡蘿卜素含量的影響

圖4 PEF處理場強(qiáng)對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響

由圖4和圖5可以看出，類胡蘿卜素的含量隨著處理場強(qiáng)和處理時(shí)間的增加而增加。在PEF處理紅辣椒的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，PEF處理可使紅辣椒中β-胡蘿卜素的含量提高60%，甚至超過了酶法提取[12］。而在研究胡蘿卜和橙汁的混合果汁時(shí)發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素的增加是由其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，其中通過紫黃質(zhì)、新黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)。其中順-13-β胡蘿卜素增加的含量最多，而玉米黃質(zhì)也有顯著增加[13］。在PEF處理胡蘿卜汁的過程中，除了由于其他物質(zhì)的轉(zhuǎn)化從而提高了類胡蘿卜素含量外，PEF處理可使細(xì)胞破碎，從而使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)溶出，大幅增加了物質(zhì)的含量。這一點(diǎn)可以在PEF對胡蘿卜出汁率的提高上進(jìn)一步得到驗(yàn)證[14］。

圖5 PEF處理時(shí)間對胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量的影響

但在采用PEF處理其他含有類胡蘿卜素的果蔬汁的研究中發(fā)現(xiàn)，PEF對各果蔬汁的類胡蘿卜素含量的影響并不相同。有實(shí)驗(yàn)表明，PEF可降低由巴氏殺菌對橙汁類胡蘿卜素流失帶來的營養(yǎng)損害[15］。

在采用PEF處理果蔬汁中，PEF對其主要營養(yǎng)成分含量的影響一直是備受關(guān)注的:趙瑾等人對梨汁的研究發(fā)現(xiàn)，其有代表性的VC含量的保留率達(dá)91.5%，相比之下熱處理后VC保留率只有70.0%[7］。相似的，曾新安等人也發(fā)現(xiàn)，25 kV/cm下，橙汁VC含量保留率比熱殺菌高出24.4%，并認(rèn)為PEF對VC的影響只是使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度對其的影響[16］;殷涌光等人的研究數(shù)據(jù)顯示，PEF殺菌幾乎不對桃汁中VC含量造成影響，保留了鮮榨果汁的營養(yǎng)成分[9］。劉克放等人的研究表明，低場強(qiáng)，高流速，低電導(dǎo)率條件下，橙汁中VC被破壞的程度最小[17］。證明了改變PEF處理的參數(shù)，可進(jìn)一步改善產(chǎn)品品質(zhì)。

3 結(jié)論

PEF對胡蘿卜汁有良好的殺菌效果，其殺菌效果受電場強(qiáng)度、處理時(shí)間、處理溫度的影響。在4℃水浴，處理場強(qiáng)為30 kV，處理時(shí)間為500μs條件下，PEF的殺菌效果可達(dá)5.9個(gè)對數(shù)。溫和熱與PEF處理有較好的協(xié)同作用，溫度提高到20℃時(shí)殺菌效果可增加1個(gè)對數(shù)。另外，胡蘿卜汁中類胡蘿卜素含量隨著PEF處理電場強(qiáng)度、時(shí)間的增加而增，30 kV，500μs的條件下類胡蘿卜素含量可增加55.66%。

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ABSTRACTThis study evaluated the sterilizing effects of pulsed electric fields(PEF)on E.coli in carrot juice sample and its impact on the carotenoid content.The results showed that pulsed electric intensity，treatment time and temperature were the most influencing factors of PEF treatment.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs at 4℃ ，the reduction of E.coli is 5.9 lg.The sterilizing effect significantly increased with stronger pulsed electric intensity and longer treatment time.When raising the temperature to 20℃the reduction increased by 1.0 log.PEF treatments can significantly increase the carotenoid content of carrot juice.With PEF treatment at 30 kV/cm，500 μs，carotenoid content increased by 55.66%compared to the sample before treatment.

Key wordshigh intensity pulsed electric field(PEF)，carrot juice，E.coli，carotenoid

Effects of Pulsed Electric Fields on the Sterilization and Carotenoid Content of Carrot Juice

Chen Tuo1，Yang Ruijin2，Zhang Sha1，Zhao Wei2
1(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
3(College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

本科在讀(楊瑞金教授為通訊作者)。

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAD94B06);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20772049);國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA100405);江南大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目(JUSRP20910)

2010-03-22，改回日期:2010-04-29