高壓脈沖電場提取食品中天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展

盧沿鋼 董 全，2

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)國家食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶 400715）

高壓脈沖電場提取食品中天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展

盧沿鋼1董 全1，2

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)國家食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶 400715）

高壓脈沖電場是當(dāng)今國際上最熱門、最先進(jìn)的殺菌技術(shù)之一，它通過改變細(xì)胞的滲透性，而引起細(xì)胞死亡或加快細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的擴(kuò)散。目前已將PEF的非熱加工機(jī)理應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取中。文章介紹PEF在天然產(chǎn)物提取中的作用原理及其影響因素，主要綜述其提取作用在食品工業(yè)中的應(yīng)用，為PEF在天然產(chǎn)物提取方面的研究提供參考。

高壓脈沖電場；非熱加工；提取；天然產(chǎn)物

高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）是一種非熱處理技術(shù)，具有處理時(shí)間短，溫升小，能耗低和殺菌效果明顯等特點(diǎn)，是近幾年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1］。自從發(fā)現(xiàn)利用電場處理微生物的過程中并不存在熱力學(xué)效應(yīng)起，人們最早對于高壓脈沖電場的研究主要集中在對于低溫滅菌技術(shù)的研究上［2］。目前PEF技術(shù)在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如干燥效果的提高、酶的滅活、果蔬的保鮮和食品的解凍等，其中PEF技術(shù)在天然產(chǎn)物提取方面的應(yīng)用引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于PEF提取作用的研究也日益增多。

1 PEF的作用原理及其裝置圖

1.1 PEF的作用原理

天然產(chǎn)物（尤其是胞內(nèi)物）的提取，取決于外界條件對細(xì)胞壁損壞的程度，傳統(tǒng)的破壁方法有物理法、化學(xué)法和生物法，PEF作為一種新的破壁技術(shù)，具有時(shí)間短、能量需求低、快速傳質(zhì)等特點(diǎn)。目前PEF處理技術(shù)的精確的機(jī)制還未被完全了解，許多學(xué)者都提出過自己的理論，Qin等［3］提出了電磁機(jī)制模型，Sato等［4］提出了電解產(chǎn)物效應(yīng)模型，Somkuti等［5］提出了粘彈極性形成模型等，但是許多研究認(rèn)為細(xì)胞膜受損傷才是主要原因，具有代表性的是電介質(zhì)破壞理論與電穿孔理論。

Zimmermann等［6］提出電動(dòng)機(jī)械模型，即電介質(zhì)破壞理論，可以解釋高壓脈沖電場技術(shù)引起細(xì)胞膜上產(chǎn)生小孔的原因。在這個(gè)模型中，細(xì)胞膜被看作是一個(gè)絕緣的材料，阻隔了膜兩邊的離子和自由電荷。膜兩邊的自由電荷由于濃度差而產(chǎn)生了跨膜電壓，這種情況存在于自然生物細(xì)胞內(nèi)。當(dāng)對細(xì)胞施加一個(gè)外加電場時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的自由電荷就會(huì)人為的積聚在膜的兩側(cè)，正負(fù)電荷被隔離，使跨膜電壓增加，并且跨膜電壓增加的幅度與外加電場的強(qiáng)度成正比。同時(shí)，正負(fù)電荷具有相互吸引作用，促進(jìn)膜的壓縮，這些因素累加后，當(dāng)外加電場達(dá)到一定的限度時(shí)，就容易損傷細(xì)胞膜。Zimmermann［7］通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)跨膜電位將近1V（臨界跨膜電位）時(shí)，細(xì)胞膜就會(huì)發(fā)生損傷，并且膜上小孔的形成會(huì)使細(xì)胞膜的通透性增加，允許細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的交換，引起滲透的不平衡，加劇細(xì)胞的裂解。

Tsong等［8，9］從液態(tài)鑲嵌模型出發(fā)，提出電穿孔理論，認(rèn)為蛋白質(zhì)形成的通道打開和關(guān)閉時(shí)的電位大約是50mV，這是低于臨界跨膜電位的。PEF處理時(shí)，生物細(xì)胞細(xì)胞膜上的大部分蛋白質(zhì)通道將會(huì)打開，隨后高電壓引起的高電流和高阻熱將使通道變性。將細(xì)胞膜暴露于高壓電場中會(huì)導(dǎo)致其脂質(zhì)部分形成疏水和親水的孔隙，親水性的孔隙會(huì)引導(dǎo)產(chǎn)生高電流和局部熱量，熱量的產(chǎn)生或電位的變動(dòng)，或孔隙的形成均會(huì)使蛋白質(zhì)通道發(fā)生不可逆的變性。同時(shí)溫度的升高會(huì)使脂質(zhì)雙分子層上的熱量從凝膠構(gòu)造傳遞到脂質(zhì)晶體構(gòu)造，這也會(huì)減弱細(xì)胞膜半滲透的功能。變性會(huì)使蛋白質(zhì)通道永遠(yuǎn)保持打開，細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生流動(dòng)性交換，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)和細(xì)胞器流失，小分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，使?jié)B透不平衡而引起細(xì)胞體積膨脹，最終使細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞死亡。

1.2 PEF的裝置簡圖

PEF處理系統(tǒng)中最基本的元件包括高壓脈沖發(fā)生器、處理室、液體控制系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)4個(gè)部分（圖1），另外根據(jù)需要還可以加上加熱和冷卻裝置。高壓脈沖發(fā)生器主要是負(fù)責(zé)提供高壓脈沖的波形及電場強(qiáng)度；處理室最基本的功能是作為待處理樣品的存放空間，并可直接接受脈沖電場；連續(xù)式PEF系統(tǒng)都配置有導(dǎo)管和泵（液體控制系統(tǒng)），它們主要負(fù)責(zé)已經(jīng)處理或未處理樣品的傳送；PEF系統(tǒng)通常和電腦相連，這就是指揮控制系統(tǒng)，在電腦上可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，控制電閘及數(shù)據(jù)記錄等功能。

圖1 PEF處理系統(tǒng)裝置簡圖Figure 1 The device figure of PEF treatment system

2 PEF在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

2.1 直接提取天然產(chǎn)物

PEF是一種有效的破解生物細(xì)胞膜的方法，具有無需加熱、所耗時(shí)間短、連續(xù)性操作強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，可以很好地保持天然產(chǎn)物的活性，成為了提取天然產(chǎn)物最理想的方法之一。目前，PEF技術(shù)在蛋白質(zhì)、糖類、脂類和核酸等生物活性物質(zhì)的提取都已有應(yīng)用。

Ganeva等［10］在流動(dòng)系統(tǒng)中用PEF法提取酵母細(xì)胞內(nèi)的酶，研究表明在不需要任何前后處理情況下，PEF處理能將80%～90%的活性酶釋放出來，添加二硫蘇糖醇能加快β－D－半乳糖苷酶的提取速率。Yin等［11］用PEF技術(shù)從中國林蛙中提取林蛙多糖，結(jié)果顯示用0.5%KOH提取液，結(jié)合電場強(qiáng)度20kV／cm和脈寬6μs的PEF提取時(shí)，可以得到最大的提取率（55.59%），對比PEF法與堿法、酶法、復(fù)合酶法在林蛙多糖提取率和總糖含量方面的差異時(shí)發(fā)現(xiàn)，PEF法的林蛙多糖提取率和總糖含量均高于其它3種方法，其提取率是復(fù)合酶法1.77倍，總糖含量高于復(fù)合酶法26.34%，而且提取物中雜質(zhì)少。Yin等［12］用PEF方法對樺褐孔菌中的白樺脂醇進(jìn)行了提取，研究表明用75%溶劑結(jié)合PEF技術(shù)能夠?qū)Π讟逯歼M(jìn)行有效的提取，與傳統(tǒng)方法相比，能增加20%的產(chǎn)量和節(jié)省許多時(shí)間。Ohshima等［13］用PEF處理重組大腸桿菌使其釋放核酸分子，以提高質(zhì)粒DNA的制備，結(jié)果表明PEF法提取核酸分子可以在1min內(nèi)完成，這比任何普通方法所耗的時(shí)間都要短。Yin等［14］研究PEF對提取牛脾臟中DNA的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)PEF能加大DNA提取的速度，有效地縮減提取時(shí)間，其提取率是未經(jīng)PEF處理對照組的兩倍。

Fincan等［15］研究紅甜菜中紅色素的固液萃取時(shí)，將甜菜薄片置于電場強(qiáng)度1kV／cm、矩形脈沖數(shù)270、脈寬10μs、能量提供7kJ／kg的PEF下處理，最終甜菜中的總紅色素與離子物質(zhì)釋放率可達(dá)90%。Puértolas等［16］用PEF提取處于發(fā)酵階段葡萄酒中的花青素和酚類，研究發(fā)現(xiàn)用電場強(qiáng)度5kV／cm，供給能量3.67kJ／kg，脈寬10μs的PEF處理紅葡萄酒（赤霞珠品種）后，其花色苷和總酚濃度分別高于未經(jīng)PEF處理組的34%和40%，提取率隨電場強(qiáng)度的增加而升高。殷涌光等［17］研究PEF提取等外綠茶中茶多糖、茶多酚和茶咖啡堿時(shí)發(fā)現(xiàn)，在不同pH值的緩沖溶液下，3種物質(zhì)的最大提取率是水提法的1～2倍。

2.2 輔助提取

與微生物細(xì)胞相比，PEF對較大植物和動(dòng)物細(xì)胞具有更強(qiáng)的作用，更容易使它們的膜蛋白變性而改變細(xì)胞的通透性。PEF處理會(huì)使細(xì)胞內(nèi)容物的提取與表達(dá)效果提高，能提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)量。近年來，許多學(xué)者研究了PEF法在糖、果汁等的提取中的輔助作用。

2.2.1 輔助提取甜菜中的糖分 Eshtiaghi等［18］討論了PEF預(yù)處理對甜菜榨汁的影響，先將甜菜切成較大的塊后，用PEF（電場強(qiáng)度2.4kV／cm，頻率1Hz，脈沖數(shù)20）處理后，再切成不同形狀小片（5～10cm的V形條、1mm長5～7cm的小塊和長約為1mm的細(xì)塊），最后在液壓為2，5，30MPa下進(jìn)行一步、兩步或三步的壓榨提取，結(jié)果表明PEF預(yù)處理可以顯著提高V形條和小塊甜菜果汁的產(chǎn)率，但對細(xì)塊的卻不太明顯。El－Belghiti等［19］研究了PEF輔助前處理對提取甜菜中的糖的最佳參數(shù)，他們將甜菜切成小片后再用PEF在低溫下（1～10℃）處理，最后在室溫下進(jìn)行水溶劑攪拌提取，研究表明PEF前處理能顯著提高甜菜糖的提取率，PEF最佳參數(shù)是電場強(qiáng)度940V／cm，脈沖數(shù)240，耗能6～7kJ／kg，攪拌速度250r／min。López等［20］研究PEF處理在不同溫度下（20～70℃）對甜菜中蔗糖的提取動(dòng)力學(xué)的影響，研究表明固－液萃取效率不受頻率、脈沖寬度和脈沖波形影響，而是取決于電場強(qiáng)度和提取媒介的溫度，蔗糖產(chǎn)量隨著電場強(qiáng)度，提取時(shí)間和溫度增加而增加，用脈沖數(shù)目20與電場強(qiáng)度7kV／cm的PEF處理，在20，40℃溫度下與非PEF處理的樣品相比，最高產(chǎn)量分別提高了7倍和1.6倍。Loginova等［21］用PEF輔助“低溫”（T為30，50 ℃）提取甜菜中的糖分，并與傳統(tǒng)的“高溫”（T為70℃）的提取進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，應(yīng)用PEF輔助“低溫”提取時(shí)，膠體雜質(zhì)濃度較低（尤其是果膠），著色淺，甜菜汁的過濾性好，各種著色劑及其中間體的濃度隨著提取溫度下降而顯著降低。

2.2.2 輔助提取蘋果汁 Barsotti等［22］研究發(fā)現(xiàn)將蘋果搗碎后再使用PEF技術(shù)進(jìn)行處理，可以提高蘋果汁的產(chǎn)率，產(chǎn)量會(huì)從67%提高到73%，而且蘋果汁的顏色更清澈。Bazhal等［23］研究了電滲（EO）和適度的脈沖電場（PEF），對輔助壓榨蘋果汁的影響，研究表明兩種處理都能顯著增加蘋果的出汁率，而EO處理要比PEF處理耗能高50～100倍，處理過程中會(huì)發(fā)生明顯的電解和歐姆加熱，PEF處理沒有這些缺點(diǎn)，還能降低果汁的著色。Bazhal等［24］還研究了脈沖電場（PEF）聯(lián)合壓榨處理對經(jīng)過細(xì)切蘋果原料的果汁產(chǎn)率的影響，該研究表明不論在什么階段用進(jìn)行PEF處理，都能提高果汁的產(chǎn)量，蘋果切片后進(jìn)行兩次壓榨，中間穿插PEF處理所得果汁的質(zhì)量最好。Lebovka等［25］研究PEF結(jié)合熱處理對蘋果組織結(jié)構(gòu)和蘋果汁表達(dá)特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)輕度熱處理結(jié)合PEF技術(shù)，能顯著的破壞蘋果的組織，通過對比單獨(dú)使用PEF處理和熱處理對果汁產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)PEF處理更能明顯提高果汁的產(chǎn)量，蘋果組織在中溫（323K）下結(jié)合PEF（電場強(qiáng)度約500V／cm）預(yù)處理，最后壓榨，果汁的提取率明顯提高。

2.2.3 輔助提取其它成分 Grimia等［26］采用PEF處理結(jié)合不同組合的清洗和壓榨程序從胡蘿卜片中提取其物質(zhì)成分，結(jié)果表明PEF能增加胡蘿卜的出汁率和糖度，但是這些影響只見于初始損傷程度較小而且較大的胡蘿卜片，PEF的處理時(shí)間會(huì)影響其萃取動(dòng)力學(xué)、果汁濁度和含糖度。在清洗－壓榨或壓榨－清洗－壓榨程序之前用PEF進(jìn)行處理，可以獲得最大的提取率和高純度果汁。Yin等［27］用高強(qiáng)度脈沖電場（PEF）從骨頭里輔助提取了可溶性鈣，研究發(fā)現(xiàn)可溶性鈣提取量在一定范圍隨脈沖數(shù)和電場強(qiáng)度的增加而加大，在電場強(qiáng)度70KV／cm和脈沖數(shù)12的PEF處理?xiàng)l件下，可溶性鈣的含量可達(dá)4 324.8mg／L，PEF輔助提取明顯優(yōu)于煎煮法和微波法。López等［28］研究PEF和其它操作參數(shù)對提取紅甜菜中甜菜堿的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)用電場強(qiáng)度7kV／cm，脈沖數(shù)5和脈寬2μs的PEF處理時(shí)，樣品在300min內(nèi)可釋放出90%的甜菜堿，比未經(jīng)過PEF處理樣品的提取速率快5倍。Moubarik等［29］研究了PEF輔助水溶液萃取小茴香中溶質(zhì)，結(jié)果表明PEF處理能顯著提高茴香溶質(zhì)的提取，采用電場強(qiáng)度350V／cm和脈沖數(shù)350的PEF處理，能獲得最大的溶質(zhì)出汁率（98%）。Loginova等［30］討論了溫度 （T為30～80℃）對于經(jīng)過或未經(jīng)過PEF處理紅甜菜中色素的降解及其提取動(dòng)力學(xué)的影響，研究證實(shí)PEF處理能有效的加速紅甜菜色素提取從而減少提取時(shí)間。熱處理在加速色素提取的同時(shí)，色素的降解也在加快，例如未經(jīng)PEF處理的樣品，若要得到較高的提取率（80%），就需升高溫度，但色素的降解會(huì)加速（降解率為40%～60%）。PEF輔助提取能夠克服以上缺點(diǎn)，它能加快色素在低溫下的擴(kuò)散，獲得較高的提取率和較低的降解率。

3 天然產(chǎn)物提取中影響PEF作用的因素

3.1 PEF設(shè)備的參數(shù)

3.1.1 電場強(qiáng)度 PEF的電場強(qiáng)度是影響天然產(chǎn)物提取效果的重要因素之一［4］，因?yàn)樵黾与妶鰪?qiáng)度能夠增強(qiáng)對細(xì)胞組織的破壞［30］。但研究［31］表明采用PEF技術(shù)提取時(shí)，電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)不宜過大，隨著處理強(qiáng)度和時(shí)間的延長，提取率反而下降，其原因是較大的電場強(qiáng)度和較長處理時(shí)間會(huì)使大分子物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)斷裂，從而影響細(xì)胞大分子物質(zhì)的提取率［32］，并且高電場強(qiáng)度會(huì)造成所處理液體的絕緣效果變?nèi)醵a(chǎn)生火花和不利反應(yīng)［33］。

3.1.2 處理時(shí)間 脈沖寬度是指脈沖持續(xù)的時(shí)間，數(shù)值上等于脈沖寬度與脈沖個(gè)數(shù)的乘積。當(dāng)外界電場大于或等于臨界電場強(qiáng)度時(shí)，適當(dāng)?shù)卦龃竺}沖寬度或脈沖個(gè)數(shù)能提高處理效果。但長時(shí)間的脈沖易引起電解反應(yīng)和電極沉淀［34］，為了防止出現(xiàn)上述情況，進(jìn)行PEF處理時(shí)最好選用短脈沖并控制好處理時(shí)間。

3.1.3 脈沖波形 PEF技術(shù)中常用的脈沖波形有兩種：矩形波形與冪減波形，兩種波形都能以單極或雙極的方式存在，一般認(rèn)為矩形脈沖要優(yōu)于冪減脈沖。有研究［35］表明對于兩種波形而言，雙極波都要比單極波更有效。

3.2 作用物質(zhì)的性質(zhì)

作用物質(zhì)的性質(zhì)包括物質(zhì)的材料性質(zhì)與作用介質(zhì)條件兩個(gè)方面。生物材料性質(zhì)是指生物的種類、細(xì)胞的大小以及生物材料的電導(dǎo)率和電阻等，如體積越大的細(xì)胞對高壓脈沖電場越敏感，這是因?yàn)榧?xì)胞尺寸大小與電場在膜上誘導(dǎo)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度成正比［36］。作用介質(zhì)條件主要包括提取溶劑的溫度、pH值、離子強(qiáng)度、電導(dǎo)率和黏度等。提高介質(zhì)溫度也能增加提取率，因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁分解，從而加快構(gòu)成細(xì)胞壁或膜成分物質(zhì)的提取，如寡糖與多分子聚合物［21］。

4 展望

作為一種新興的提取技術(shù)，PEF大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離商業(yè)化還有一定的距離。應(yīng)該將PEF與其它學(xué)科緊密結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化條件，擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，爭取早日將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

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Development of pulsed electric field on extraction of natural products in food

LU Yan－gang1DONG Quan1，2

（1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing400715，China；2.National Representative Center of Experimental Teaching of Food Science and Engineering，Southwest University，Chongqing400715，China）

Now the pulsed electric field is one of the most popular and advanced sterilization technologies in the world，which can lead to cell death or accelerate intracellular solute diffusion by changing the cell permeability.Currently the non－thermal processing mechanism of PEF has used in the extraction of natural products.This article described the principle and influence factors of extracting natural products by using PEF technology，and the application of PEF extraction in food industry were mainly discussed，both of which would provide a reference for the research of extracting natural products by PEF technology.

pulsed electric field；non－thermal processing；extraction；the natural products

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.064

重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：CSTC2010AC1008）

盧沿鋼（1987－），男，西南大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：luyangang00＠163.com

董全

2011－11－01