脈沖電場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用于果蔬汁殺菌的研究進(jìn)展

馬亞琴，李楠楠，張 震

（1.西南大學(xué)柑桔研究所，重慶 400712；2.國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400712）

隨著人們對(duì)于生活品質(zhì)需求的提高，含有豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的果蔬汁越來越受到消費(fèi)者的青睞。果蔬汁含有較高的有機(jī)酸、維生素和酚類物質(zhì)，已占據(jù)飲料市場(chǎng)的主導(dǎo)地位[1]，膳食類黃酮的攝入量與冠狀心臟病死亡率呈負(fù)相關(guān)，其有降低心肌梗死發(fā)生率的作用；總黃酮與血漿總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇濃度呈負(fù)相關(guān)。因此，較多攝入含抗氧化活性的物質(zhì)可有效降低癌癥、心血管病及炎癥等疾病患病率。

果蔬汁在生產(chǎn)加工及貯藏過程中，微生物的污染問題尤為重要。20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期，美國(guó)、加拿大和荷蘭的多個(gè)區(qū)域都相繼爆發(fā)了鮮榨果蔬汁中致病菌所引發(fā)的食物中毒事件[2]。1995年美國(guó)發(fā)生了一起因食用未殺菌鮮榨橙汁引起的沙門氏菌感染事件，62 人被確認(rèn)感染；1996年美國(guó)爆發(fā)了由飲用未殺菌蘋果汁引起隱孢子蟲病事件；1999年加拿大和美國(guó)的一起沙門氏菌感染事件中，造成至少207 人患病，其原因也是食用了被污染而未殺菌的鮮榨橙汁[3]。為了控制微生物對(duì)果蔬汁安全性和穩(wěn)定性造成的嚴(yán)重威脅，食品工業(yè)上常用巴氏殺菌等傳統(tǒng)熱處理方式來滅活果蔬汁中的微生物，但熱殺菌技術(shù)在延長(zhǎng)保質(zhì)期的同時(shí)也破壞了其營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性，如蛋白質(zhì)變性、非酶褐變以及維生素和功能性物質(zhì)的損失。Saikia等[4]比較分析非熱殺菌與熱殺菌后果汁的品質(zhì)變化，結(jié)果表明，熱殺菌后5 種果汁中酚酸均發(fā)生了不同程度的降解，與鮮榨果汁相比，熱殺菌后菠蘿汁和荔枝汁中的總黃酮發(fā)生顯著性降解，降解率分別為13.7%、67.1%。趙玉紅等[5]研究巴氏殺菌處理對(duì)黑加侖果汁品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，伴隨著殺菌溫度（70～90 ℃）的升高和處理時(shí)間（6～10 min）的延長(zhǎng)，果汁紅色加深且濁度增大，巴氏殺菌對(duì)果汁顏色變化影響顯著；果汁中的多酚、單寧、花色苷含量和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除率，隨殺菌溫度的升高和殺菌時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，并且溫度越高降低越快。此外，還有研究者們報(bào)道了熱殺菌對(duì)橙汁、草莓汁和西瓜汁感官品質(zhì)和生物活性成分均有不利影響[6-7]。因此，為滿足消費(fèi)者對(duì)天然健康、新鮮和高品質(zhì)食品的需求，最小加工量已成為現(xiàn)代食品保藏技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo)，這促進(jìn)了非熱加工技術(shù)的迅猛發(fā)展。脈沖電場(chǎng)（pulsed electric fi eld，PEF）技術(shù)作為新興的非熱加工技術(shù)，不僅具有良好的殺菌效果，而且處理時(shí)間短、能量消耗少、食品理化性質(zhì)變化小、營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味變化不顯著，在果蔬汁這類高熱敏性食品殺菌中具有高度適用性。

PEF技術(shù)在食品殺菌中的應(yīng)用最早可追溯到20世紀(jì)初。1925年，有研究者驗(yàn)證了在3～4 kV的電場(chǎng)條件下可以對(duì)牛奶進(jìn)行殺菌，并證實(shí)溫度不是影響殺菌效果的關(guān)鍵因素[8]。研究者發(fā)現(xiàn)不同能量的PEF對(duì)大腸桿菌、鏈球菌、枯草芽孢桿菌、耐輻射微球菌處理均有一定的滅活效果[9]。Heinz[10]研究發(fā)現(xiàn)不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞存活的抑制作用具有顯著性差異，其中抑制動(dòng)物和植物源細(xì)胞需要高強(qiáng)度的脈沖，而抑制微生物細(xì)胞只需中等強(qiáng)度的脈沖；Sale等[11]報(bào)道了在不同電場(chǎng)強(qiáng)度、電導(dǎo)率、電流密度和能量的條件下，PEF處理對(duì)細(xì)菌和酵母菌的影響，證實(shí)PEF可以將電能轉(zhuǎn)化為脈沖形式作用于微生物并使之失活，但對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)成分及各種特性影響甚微，此外還發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間是影響殺菌效果最顯著的兩個(gè)因素。Hülsheger等[12]研究報(bào)道，細(xì)菌和酵母細(xì)胞在20 kV/cm的條件下持續(xù)幾毫秒的脈沖，其致死率就可以達(dá)到99.99%。20世紀(jì)80年代以來，PEF的研究包括設(shè)備的開發(fā)、處理?xiàng)l件的優(yōu)化、應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，隨著各個(gè)方面不斷成熟完善，PEF成為全球非熱加工領(lǐng)域最受關(guān)注的技術(shù)之一。20世紀(jì)末期，將PEF應(yīng)用于各種液體食品的研究日益增加，涉及果蔬汁、液蛋、茶湯和牛奶[13]。2005年，PEF技術(shù)通過了美國(guó)食品藥品管理局技術(shù)認(rèn)證，極大地推動(dòng)了其在市場(chǎng)化應(yīng)用的發(fā)展。

本文綜述近年來國(guó)內(nèi)外PEF殺菌技術(shù)在果蔬汁中的研究應(yīng)用，主要從殺菌機(jī)理、影響因素、處理效果及與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用等方面進(jìn)行敘述，并探討了PEF技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 PEF技術(shù)殺菌機(jī)理

PEF殺菌技術(shù)的研究表明，PEF處理過程中引起細(xì)胞膜不可逆破損而導(dǎo)致細(xì)胞失活是該技術(shù)殺菌作用的關(guān)鍵。目前，關(guān)于細(xì)胞膜破損的機(jī)制有以下幾種假說：電穿孔假說、電擊穿假說、空穴假說、臭氧效應(yīng)、電磁機(jī)理模型和黏彈極性形成模型等，其中電穿孔假說和電擊穿假說得到研究者的普遍認(rèn)可。

1.1 電穿孔假說

電穿孔假說認(rèn)為，脈沖電場(chǎng)會(huì)使細(xì)胞膜上形成親水孔和強(qiáng)制打開蛋白質(zhì)通道從而造成細(xì)胞膜半滲透功能的破壞，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[8]。外加電場(chǎng)的存在使細(xì)胞膜上的磷脂構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致膜分子的重排和親水孔的形成，同時(shí)跨膜電位還影響細(xì)胞膜蛋白質(zhì)通道的開啟和閉合。在施加電場(chǎng)期間，蛋白質(zhì)通道不僅打開，而且通過局部焦耳加熱或官能團(tuán)的電修飾造成其變性。細(xì)胞膜形成小孔導(dǎo)致其通透性增強(qiáng)，從而使小分子物質(zhì)透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，導(dǎo)致細(xì)胞逐漸膨脹破裂，胞內(nèi)的物質(zhì)外泄，最終造成微生物死亡。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們致力于驗(yàn)證電穿孔假說。王翠華等[14]在研究脈沖放電對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響中發(fā)現(xiàn)，在PEF作用下，絕大多數(shù)細(xì)胞發(fā)生電穿孔現(xiàn)象，產(chǎn)生不可逆變性，僅少數(shù)細(xì)胞雖然外圍結(jié)構(gòu)完整，但細(xì)胞內(nèi)含物受到破壞，導(dǎo)致程序性死亡。宋艷波等[15]基于電子顯微鏡觀察結(jié)果及介質(zhì)理論分析高壓PEF處理果蔬機(jī)理認(rèn)為，因PEF為重復(fù)周期信號(hào)，這種周期性的策動(dòng)力對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生某種諧振，或是與蛋白質(zhì)的構(gòu)象振蕩同步，從而形成電穿孔，振蕩形成的作用力超過某一閾值時(shí)，在膜上形成一定半徑的穿孔，膜上微孔量增大，大量的離子通過膜的離子通道，打破了細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡，引起各種細(xì)胞破裂等現(xiàn)象的發(fā)生。Vernier[16]、Kotnik[17]等利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了電脈沖對(duì)細(xì)胞膜磷脂雙分子層的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水分子在該過程中起著重要作用，初期水分子有效降低了磷脂雙分層“能壘”，從而誘導(dǎo)磷脂分子重新排列并形成親水性小孔。這些研究結(jié)果證實(shí)了電穿孔理論，說明PEF處理可使細(xì)胞膜形成大量小孔，進(jìn)而胞內(nèi)物質(zhì)外流，導(dǎo)致微生物死亡，起到殺菌作用。

1.2 電擊穿假說

細(xì)胞膜類似于一個(gè)充滿電解質(zhì)的電容器，細(xì)胞質(zhì)的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于細(xì)胞膜（細(xì)胞質(zhì)的介電常數(shù)是細(xì)胞膜的6～8 倍），細(xì)胞膜兩側(cè)不同的介電常數(shù)使其產(chǎn)生10 mV的跨膜電位。當(dāng)外部電場(chǎng)施加在細(xì)胞兩端時(shí)，跨膜電位增加，并且在膜兩側(cè)相反極性的離子產(chǎn)生相互吸引力，這種力擠壓膜兩側(cè)會(huì)使膜的厚度減小，即膜兩側(cè)電荷間的距離減小[18]。隨著電場(chǎng)繼續(xù)作用，跨膜電位持續(xù)增加，相應(yīng)的電荷吸引作用也隨之增大，細(xì)胞膜壓縮程度的增加勢(shì)必會(huì)造成其產(chǎn)生相反方向的彈性回復(fù)力，假定擠壓力比細(xì)胞膜產(chǎn)生的彈性回復(fù)力增加得快很多，則細(xì)胞膜厚度顯著降低，其結(jié)果是造成細(xì)胞膜局部被破壞。根據(jù)處理強(qiáng)度是否超過臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，形成可逆或不可逆的細(xì)胞膜擊穿孔?？赡娴募?xì)胞膜擊穿孔可以自我愈合，同時(shí)利于促進(jìn)細(xì)胞對(duì)胞外大分子的吸收；而不可逆的細(xì)胞膜擊穿孔如繼續(xù)增大會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)外泄，造成微生物死亡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)殺菌作用。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們通過研究細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化來驗(yàn)證PEF作用微生物的滅活機(jī)理。曾新安等[19]研究了沙門氏菌對(duì)PEF的抵抗性作用，結(jié)果表明，PEF技術(shù)在有效殺菌的同時(shí)，不僅增大了細(xì)胞膜的通透性，還造成細(xì)胞膜流動(dòng)性降低，最終引起微生物的死亡。劉志偉[20]采用脂質(zhì)體模擬細(xì)胞來研究PEF致死微生物的機(jī)理，結(jié)果表明，PEF殺菌效果與細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞膜流動(dòng)性及其細(xì)胞膜組成直接相關(guān)。目前，PEF殺菌機(jī)理研究還處于理論計(jì)算推測(cè)和分子模擬階段，因此實(shí)現(xiàn)PEF作用微生物細(xì)胞膜在線實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)PEF殺菌機(jī)理研究具有突破意義。

2 影響PEF殺菌效果的因素

影響PEF殺菌效果的因素主要分為處理參數(shù)因素、微生物因素、樣品因素，具體參數(shù)見表1。在使用PEF技術(shù)處理果蔬汁時(shí)，應(yīng)綜合考慮多種因素的影響作用，以確定最佳的PEF參數(shù)，從而獲得理想的殺菌效果。PEF對(duì)果蔬汁中常見微生物的處理效果見表2。

表1 影響PEF殺菌效果的因素Table1 Factors affecting the bactericidal effect of PEF

表2 PEF對(duì)果蔬汁中常見微生物的處理效果Table2 Effect of PEF on killing common microorganisms in fruit and vegetable juice

2.1 處理參數(shù)因素

2.1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度

大量研究表明，電場(chǎng)強(qiáng)度是影響PEF殺菌效果的主要因素，增大電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)象處理物料中微生物的存活率明顯下降。田野[29]研究PEF對(duì)鮮榨草莓汁殺菌效果的影響中得出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度從15 kV/cm增加到30 kV/cm時(shí)，草莓汁中大腸桿菌致死率從0.72增加到1.22，這說明隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，PEF對(duì)草莓汁中大腸桿菌的鈍化效果也增強(qiáng)。Huang Kang等[22]利用數(shù)值模擬比較不同電場(chǎng)強(qiáng)度下PEF對(duì)葡萄汁中微生物的影響，研究結(jié)果表明，在電場(chǎng)強(qiáng)度12～24 kV/cm的條件下，微生物對(duì)PEF處理的耐受力由強(qiáng)到弱依次為：金黃色葡萄球菌＞大腸桿菌＞釀酒酵母，并隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加抑菌效果增強(qiáng)。在產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)，電流對(duì)殺菌可能產(chǎn)生的影響也被關(guān)注，目前電流對(duì)PEF殺菌作用的影響鮮有報(bào)道，Sepulveda等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，在其他影響因素不變的情況下，電流對(duì)PEF殺菌幾乎不起作用，但這方面的研究作為一個(gè)新的研究點(diǎn)值得深入探究。

2.1.2 作用時(shí)間

作用時(shí)間是指各次放電釋放脈沖時(shí)間的總和，其長(zhǎng)短決定微生物滅活的程度。隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)象處理物料中微生物的存活率急劇降低，隨后趨于平緩，再延長(zhǎng)作用時(shí)間殺菌效果不再顯著。田野[29]在研究PEF對(duì)鮮榨草莓汁殺菌效果的影響中得出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，處理時(shí)間從100 μs延長(zhǎng)到400 μs時(shí)，草莓汁中大腸桿菌致死率從0.28增加到0.35，結(jié)果表明，PEF對(duì)草莓汁中大腸桿菌的鈍化效果隨作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)。Xiang等[34]研究了PEF技術(shù)對(duì)胡蘿卜汁理化性質(zhì)及微生物滅活效果的影響，發(fā)現(xiàn)不同作用時(shí)間對(duì)大腸桿菌具有不同的殺菌效果，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，延長(zhǎng)作用時(shí)間可表現(xiàn)出較好的殺菌效果。李靜等[35]在研究PEF對(duì)蘋果汁中的微生物鈍化效果中也得出類似的研究結(jié)論。

2.1.3 脈沖參數(shù)

關(guān)于脈沖的研究?jī)H局限于動(dòng)力學(xué)模型中，建立殺菌效果與這些參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，實(shí)際上，脈沖參數(shù)對(duì)于PEF技術(shù)的處理效果具有重要影響。

2.1.3.1 脈沖能量

輸入脈沖能量密度的高低與PEF鈍化微生物的效果呈正相關(guān)，輸入能量越高，PEF處理效果也相對(duì)較好。Timmermans等[32]研究相同溫度下PEF處理對(duì)蘋果汁的影響，當(dāng)輸入脈沖能量從0 kJ/kg增大到100 kJ/kg，蘋果汁中巴拿馬沙門氏菌和釀酒酵母的致死率分別提高了7、5（lg（CFU/mL））。劉新雨等[27]研究PEF處理荔枝汁中釀酒酵母的效果得出了相一致的結(jié)論，即輸入脈沖能量越高，PEF處理效果越好。盡管增強(qiáng)脈沖能量輸入能夠提高殺菌效果，但是提高能量也隨之引起物料溫度的升高，進(jìn)而影響食品的感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)也會(huì)增加成本的消耗。因此，脈沖能量的選擇應(yīng)根據(jù)物料理化性質(zhì)和感官品質(zhì)的需求進(jìn)行綜合考慮。

2.1.3.2 脈沖寬度

脈沖寬度可以在一定程度上影響PEF抑制微生物的活性。Korolczuk等[36]研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV/cm的條件下，脈沖寬度從0.05 μs增加到3 μs時(shí)，腸炎沙門氏菌的致死率也逐漸增大。Zhang Ruobing等[37]研究了PEF處理過程中脈沖上升時(shí)間對(duì)金黃色葡萄球菌殺菌的影響，研究表明，上升時(shí)間較短的方形波脈沖對(duì)金黃色葡萄球菌的鈍化效果更好，可提高0.5（lg（CFU/mL））。

2.1.3.3 脈沖波形

PEF電路系統(tǒng)的差異導(dǎo)致脈沖波形的不同，常見的脈沖波形有方形波、衰減波和振蕩波。相關(guān)研究表明，方形波對(duì)微生物的致死性最好且能量利用效率高，衰減波其次，振蕩波最差[41]。目前，研究者們所選用的脈沖波形也多為方形波[29-31]。

2.1.3.4 脈沖個(gè)數(shù)、頻率

在其他條件固定的情況下，增加脈沖個(gè)數(shù)、頻率可以顯著提高PEF技術(shù)的殺菌效果。劉珂舟等[38]研究脈沖頻率分別為1、10、100 Hz時(shí)，增大脈沖頻率，大腸桿菌存活率降低。Mosqueda-Melgar等[39]研究PEF對(duì)大腸桿菌滅菌優(yōu)化條件時(shí)，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率越大，振蕩效應(yīng)越明顯，滅菌效果相應(yīng)越好。

2.2 微生物因素

微生物對(duì)PEF處理的敏感度主要依賴于其細(xì)胞特征，例如微生物種類、生長(zhǎng)條件、生長(zhǎng)時(shí)期及微生物最初的污染程度。微生物種類的不同造成其對(duì)PEF的抗性不同，所處不同生長(zhǎng)周期的微生物對(duì)PEF的敏感程度也不盡相同，生長(zhǎng)條件也會(huì)影響PEF的殺菌效果。

2.2.1 種類和形態(tài)

迄今為止，很少有學(xué)者系統(tǒng)地研究微生物種類對(duì)PEF殺菌作用的影響。微生物種類的差異決定了其組織結(jié)構(gòu)的差異，最終造成對(duì)電場(chǎng)的敏感性不同[40]。陶曉贇[41]比較分析了PEF處理對(duì)革蘭氏陽性菌（大腸桿菌）、革蘭氏陰性菌（金黃色葡萄球菌）和真菌（酵母菌）的鈍化效果，金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁較厚，約為20～80 nm；大腸桿菌細(xì)胞壁較薄，約為10～15 nm；酵母菌細(xì)胞壁雖厚，約為0.1～0.3 μm；又因細(xì)胞壁中的組成成分不同，酵母菌細(xì)胞壁雖厚，但不含肽聚糖，因此PEF的滅活效果依次為：酵母菌＞大腸桿菌＞金黃色葡萄球菌。

微生物形態(tài)對(duì)于PEF的殺菌效果同樣具有顯著影響，一般情況下，桿形細(xì)胞的跨膜電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度均大于擁有相同長(zhǎng)徑和短徑的橢球形細(xì)胞。在具有相同長(zhǎng)徑和短徑的微生物細(xì)胞中，桿形細(xì)胞的跨膜電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度均大于球形細(xì)胞[41]。

2.2.2 含菌量

原料中最初的污染物水平是影響處理后殘菌量的最重要參數(shù)，在相同處理?xiàng)l件下，不同的微生物含量造成不同的處理效果。劉志偉[20]發(fā)現(xiàn)，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間和脈沖條件下，經(jīng)PEF分別處理不同含菌量的樣品，結(jié)果表明，含菌量多的樣品殘菌量下降的對(duì)數(shù)值比含菌量低的更顯著。

2.2.3 生長(zhǎng)條件

微生物生長(zhǎng)條件影響微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而影響PEF技術(shù)的殺菌效果，其中微生物的生長(zhǎng)條件包括溫度、生長(zhǎng)培養(yǎng)基的成分、氧濃度和恢復(fù)期的條件等。Ohshima等[42]研究PEF處理不同溫度培養(yǎng)的大腸桿菌時(shí)得出，大腸桿菌的致死率受到培養(yǎng)溫度的影響，且最佳培養(yǎng)溫度為37 ℃時(shí)大腸桿菌對(duì)PEF處理的抗逆性最強(qiáng)。劉志偉[20]探索了培養(yǎng)溫度對(duì)大腸桿菌對(duì)PEF致死抗性影響機(jī)理，研究表明，不同生長(zhǎng)溫度下，不同生長(zhǎng)周期的大腸桿菌對(duì)PEF表現(xiàn)出截然不同的抗性。穩(wěn)定期時(shí)，大腸桿菌對(duì)PEF抗性受培養(yǎng)溫度的影響顯著；對(duì)數(shù)期時(shí)，培養(yǎng)溫度對(duì)對(duì)數(shù)期大腸桿菌的殺菌效果幾乎無影響，PEF對(duì)不同培養(yǎng)溫度大腸桿菌保持一致的高殺滅效果。

2.2.4 生長(zhǎng)周期

對(duì)象處理物料中微生物的生長(zhǎng)周期不同導(dǎo)致其對(duì)電場(chǎng)的敏感程度具有差異性。有研究報(bào)道，處于穩(wěn)定期的細(xì)菌比對(duì)數(shù)期的對(duì)PEF處理更具抵抗性[43]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，PEF處理荔枝汁中不同生長(zhǎng)周期的釀酒酵母時(shí)，釀酒酵母對(duì)電場(chǎng)敏感程度由強(qiáng)到弱依次為：穩(wěn)定期＞對(duì)數(shù)期＞衰亡期＞調(diào)整期[27]。針對(duì)不同種類的微生物，PEF的滅活效果有所不同，其生長(zhǎng)周期對(duì)PEF殺菌效果的影響有待進(jìn)一步研究。

2.3 樣品因素

2.3.1 酸堿度

目前，樣品酸堿度對(duì)PEF技術(shù)殺菌效果的影響尚不清晰，有研究者報(bào)道酸堿度對(duì)微生物無影響作用，也有研究者報(bào)道微生物在酸性環(huán)境下PEF的滅菌效果較好。Timmermans等[32]采用連續(xù)流動(dòng)PEF系統(tǒng)，在電場(chǎng)強(qiáng)度為20 kV/cm的條件下，對(duì)蘋果汁（pH 3.5）、橙汁（pH 3.7）和西瓜汁（pH 5.3、3.6）中的李斯特氏菌進(jìn)行滅活，結(jié)果表明，與高pH值的西瓜汁微生物的失活曲線相比，低pH值的西瓜汁中微生物的失活曲線形狀與蘋果汁和橙汁的相似，說明該差異是由酸堿效應(yīng)引起的，即果汁pH值降低時(shí)，李斯特氏菌對(duì)PEF的抵抗性降低。根據(jù)微生物的種類不同，產(chǎn)品的酸堿性對(duì)于微生物失活的影響表現(xiàn)出一定的差異性。

2.3.2 電導(dǎo)率

物料電導(dǎo)率的高低一定程度上影響PEF處理過程中物料的發(fā)熱程度，且在較低電場(chǎng)強(qiáng)度下，PEF處理電導(dǎo)率低的物料時(shí)其能量利用率較高，可達(dá)到較好的處理效果。Wouters等[43]分別在不同電導(dǎo)率條件下處理植物乳酸桿菌，結(jié)果表明在相同能量輸出的情況下，對(duì)低電導(dǎo)率液體的微生物滅活效果比高電導(dǎo)率的液體更好。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，電導(dǎo)率并不會(huì)增強(qiáng)PEF對(duì)微生物的滅活效果，電導(dǎo)率增大會(huì)降低PEF對(duì)微生物的鈍化效果。電導(dǎo)率本身受很多條件的影響，例如果汁濃度及溫度等。電導(dǎo)率對(duì)殺菌效果的影響相對(duì)比較復(fù)雜，有待深入研究。

2.3.3 物料濃度

物料濃度的變化會(huì)影響處理室內(nèi)物料的流動(dòng)特性，進(jìn)而影響PEF的處理效果。Ferrer等[44]研究PEF對(duì)橙汁和胡蘿卜汁混合飲料進(jìn)行殺菌作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)強(qiáng)度為20 kV/cm時(shí)，胡蘿卜汁含量的多少對(duì)大腸桿菌的作用效果具有重要影響，即果汁濃度越高殺菌效果越低。造成的原因可能是因?yàn)榧哟笪锪蠞舛龋瑺I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更加充足導(dǎo)致微生物含量增加，影響高濃度物料的殺菌效果。

3 PEF對(duì)果蔬汁品質(zhì)的影響

PEF技術(shù)可有效殺滅果蔬汁中的腐敗菌和致病菌，同時(shí)可最大限度維持原汁的品質(zhì)特性，擴(kuò)大果蔬汁的消費(fèi)市場(chǎng)，以滿足消費(fèi)者對(duì)果蔬汁的需求。大量研究表明，PEF處理對(duì)果蔬汁的pH值和可溶性固形物、總酸、總糖含量及電導(dǎo)率均無顯著性影響[8,28,45]。

3.1 對(duì)果蔬汁中生物活性成分的影響

已有的研究表明PEF處理對(duì)果蔬汁中生物活性成分沒有顯著性影響。Bansal等[28]用PEF和熱殺菌處理余甘子汁，結(jié)果表明果汁的pH值和可溶性固形物含量均無顯著性變化，其中PEF能夠保留果汁中63% VC和88.9%的抗氧化活性，而熱殺菌后的余甘子果汁中VC和抗氧化活性發(fā)生顯著降解。Leong等[46]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PEF處理后葡萄汁中的總酚、VC含量和抗氧化性均有所增加。Agcam等[45]利用PEF與熱處理橙汁中的酚酸，發(fā)現(xiàn)經(jīng)PEF和熱處理后的橙汁，總酚含量均有所增加，除丁香酸和新橙皮苷外，其他酚酸含量也有所增加。因此，PEF處理果蔬汁對(duì)其生物活性沒有顯著性影響，在一定條件下還有利于提升生物活性成分的含量。

3.2 對(duì)果蔬汁感官品質(zhì)的影響

食品的天然芳香化合物是最重要的品質(zhì)指標(biāo)之一，消費(fèi)者的選擇和可接受性通常取決于食品的風(fēng)味和外觀。陶曉贇[41]采用電子鼻、電子舌技術(shù)客觀分析鮮榨、熱處理及PEF處理的藍(lán)莓汁氣味及味道，利用軟獨(dú)立模型分析可知熱處理后的藍(lán)莓汁與對(duì)照組、PEF處理的藍(lán)莓汁具有顯著性差異；雷達(dá)圖譜和散點(diǎn)圖的分析結(jié)果顯示經(jīng)熱處理后的藍(lán)莓汁味道變化最大，PEF處理的藍(lán)莓汁與對(duì)照組接近。同樣，應(yīng)用PEF處理櫻桃汁，處理時(shí)間分別為0、66、131、210 μs時(shí)，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，櫻桃汁的色澤和味道都未發(fā)生顯著性變化（P＞0.05）[47]。Garde-Cerdán等[48]采用電場(chǎng)強(qiáng)度7.4 kV/cm，作用時(shí)間分別為10、20 μs的PEF處理不同品種（‘Grenache’、‘Tempranillo’、‘Graciano’）的葡萄汁，結(jié)果表明，PEF處理對(duì)‘Grenache’的芳香組成及其單萜類的含量有積極影響；對(duì)‘Tempranillo’和‘Graciano’的（E）-4-（2,6,6-三甲基環(huán)己烯-1-基）、丁-3-烯-2-酮、總酯和苯類化合物含量也有積極影響，但沒有顯著改變C6化合物以及揮發(fā)性成分的含量。

3.3 對(duì)果蔬汁貨架期的影響

PEF殺菌技術(shù)在處理過程中能最大限度地保留果蔬汁的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和感官特性，進(jìn)而延長(zhǎng)了果蔬汁的貯藏期限。Kayalvizhi等[49]研究PEF對(duì)甘蔗汁的影響中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的新鮮甘蔗汁的感官特征只能保持2 d，但經(jīng)PEF處理后的甘蔗汁，其保質(zhì)期延長(zhǎng)至7 d。Guo Mingming等[50]研究了經(jīng)PEF技術(shù)處理的石榴汁微生物穩(wěn)定性、生物活性物質(zhì)、理化性質(zhì)及消費(fèi)者接受度，發(fā)現(xiàn)在4 ℃為期12 周的貯藏條件下，總菌落數(shù)小于2.5（lg（CFU/mL）），且沒有檢測(cè)出酵母和霉菌。Vallverdú-Queralt等[51]研究發(fā)現(xiàn)，與未處理和熱處理的番茄汁相比較，經(jīng)過PEF處理后的番茄汁在貯藏期間依然能夠維持較高的類胡蘿卜素含量。PEF處理還可抑制或緩解褐變程度，有效降低褐變產(chǎn)物的生成。Vervoort等[52]研究報(bào)道，經(jīng)PEF處理后的混合橙汁-胡蘿卜汁在貯藏期間沒有檢測(cè)出5-羥甲基糠醛。Agcam等[53]研究了PEF與熱處理對(duì)橙汁中酚酸含量的影響，結(jié)果表明，貯藏期間，PEF處理后橙汁中酚酸的含量無顯著性變化，但熱處理后橙汁中的酚酸含量則隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降解。趙瑾[54]通過分析PEF處理前后梨汁多項(xiàng)指標(biāo)的變化，發(fā)現(xiàn)PEF處理對(duì)梨汁的理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分和揮發(fā)性香氣成分幾乎沒有影響，處理后梨汁基本保留了原有風(fēng)味和品質(zhì)；貯藏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PEF處理與4 ℃低溫結(jié)合，可使梨汁的貨架期達(dá)到2 個(gè)月以上。

綜上可見，PEF技術(shù)作用于果蔬汁，不僅殺菌效果好，還可降低果蔬汁貯藏期間的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及風(fēng)味成分的損耗，并減少有害物質(zhì)的生成。

4 PEF與其他技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

在果蔬汁加工過程中，各種處理技術(shù)都存在著一定的不足，為了達(dá)到更好的處理效果，獲得更佳的果蔬汁品質(zhì)，近幾年來，研究者們致力于將PEF與其他技術(shù)相結(jié)合來提高處理效果，以期為消費(fèi)者提供滿足需求的果蔬汁。

4.1 熱處理的協(xié)同作用

盡管PEF殺菌技術(shù)是非熱加工技術(shù)的一種，溫度也是影響其處理效果的重要參數(shù)，將PEF與溫和熱相結(jié)合，更有利于發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，提高殺菌效果。PEF處理樣品之前，將溫度從室溫提高到35～60 ℃之間，此時(shí)PEF與溫度可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，更有利于滅活果蔬汁中的微生物[55]。劉珂舟等[56]采用PEF和熱殺菌相結(jié)合的方式，將大腸桿菌在45 ℃條件下預(yù)熱5 min后，再進(jìn)行PEF滅菌，大腸桿菌的存活率已降至13.69%；該殺菌方式既節(jié)約能源，又適用于一些熱敏性高的食物滅菌，互補(bǔ)了兩種殺菌方法的不足，繼而達(dá)到更好的處理效果。溫度對(duì)微生物的影響是基于對(duì)細(xì)胞膜通透性的改變。當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，細(xì)胞膜的磷脂雙分子結(jié)構(gòu)緊密有序，并具有凝膠結(jié)構(gòu)；隨著溫度的升高，結(jié)構(gòu)變得不那么有序，失去它的彈性性質(zhì)，并轉(zhuǎn)化成液晶狀態(tài)。PEF與熱處理的結(jié)合作用于微生物細(xì)胞膜的磷脂雙分子層，使細(xì)胞膜變薄導(dǎo)致穿孔，最終造成微生物的死亡[20]。

4.2 聯(lián)合其他非熱加工技術(shù)

4.2.1 集成冷凍濃縮技術(shù)

PEF強(qiáng)度的強(qiáng)弱受果蔬汁電導(dǎo)率的直接影響，冷凍濃縮后的果蔬汁電導(dǎo)率降低，有利于提高PEF的殺菌效果[57]。鐘海榮[58]采用Wilcoxon Test方法對(duì)PEF+熱處理的枇杷汁進(jìn)行感官分析，結(jié)果表明，冷凍濃縮+PEF處理的枇杷汁的感官品質(zhì)更接近于原汁，從溫升角度比較，冷凍濃縮果汁甚至優(yōu)于枇杷原汁。PEF與冷凍濃縮相結(jié)合的處理技術(shù)，相對(duì)減少了能量耗散，能得到更高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.2 聯(lián)合超聲作用

將PEF的電穿孔效應(yīng)與超聲的空穴效應(yīng)相結(jié)合也可以有效滅活果蔬汁中的微生物，并一定程度上降低果蔬汁理化品質(zhì)的變化。Aadil等[59]將PEF技術(shù)與超聲作用聯(lián)合在一起，研究了其對(duì)葡萄柚果汁的處理作用，結(jié)果表明，與未處理果汁相比，經(jīng)PEF與超聲聯(lián)用處理后果汁的pH值、可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性固形物含量及色差值均未發(fā)生顯著性變化，但是經(jīng)聯(lián)合處理后果汁的濁度和非酶褐變值均增加。

4.3 添加抗菌素

添加抗菌素等物質(zhì)可以提高PEF滅活微生物的效果。陳婧等[60]研究了柚皮苷與PEF對(duì)釀酒酵母的協(xié)同致死作用，柚皮苷與PEF對(duì)釀酒酵母細(xì)胞分別有一定的抑制或致死作用，當(dāng)二者相結(jié)合時(shí)，其致死效果得到顯著提升。Salda?a等[24]研究PEF技術(shù)結(jié)合Nα-月桂酰乙酯對(duì)蘋果汁中大腸桿菌的抑制效果，結(jié)果表明，添加Nα-月桂酰乙酯后PEF的殺菌效果顯著提高。Gurtler等[25]研究證明，與單獨(dú)使用PEF技術(shù)相比，結(jié)合使用防腐劑（苯甲酸鈉、山梨酸鉀或質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.7%檸檬酸）可更好地殺滅草莓汁中的大腸桿菌，并減少微生物的亞致死性損傷的產(chǎn)生。

5 結(jié) 語

基于已有的文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用PEF技術(shù)能達(dá)到理想殺菌效果的同時(shí)，還能有效保持果蔬汁的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和感官特性。同樣，利用PEF處理酒的研究發(fā)現(xiàn)，PEF處理不僅可以提高酒中多酚、花色苷、有機(jī)酸等功能性物質(zhì)含量，而且還能有效提升其物理化學(xué)特性和感官品質(zhì)，PEF較其他非熱技術(shù)在提高物料功能性物質(zhì)（特別是多酚）含量方面有明顯的優(yōu)勢(shì)[61]。但PEF工業(yè)化推廣還面臨著一些難題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）研究方向多局限于處理效果和理論推測(cè)方面，對(duì)于PEF處理微生物致死的機(jī)理尚不清楚，尤其是微生物亞致死性損傷有待深入研究；2）國(guó)內(nèi)PEF設(shè)備處于實(shí)驗(yàn)室階段，處理室裝置不完善，不適用于果蔬汁的商業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)PEF設(shè)備價(jià)格昂貴，不利于推廣應(yīng)用；3）PEF設(shè)備的金屬電極材料釋放金屬離子對(duì)處理的果蔬汁易造成污染；4）Dalvi-Isfahan等[62]認(rèn)為PEF技術(shù)在食品加工領(lǐng)域產(chǎn)生的積極作用在保持一致性和重復(fù)性方面需要標(biāo)準(zhǔn)化并確保安全，同時(shí)也要證明在工業(yè)化生產(chǎn)過程中高壓PEF技術(shù)的可持續(xù)性、成本效率、對(duì)企業(yè)投資者產(chǎn)生吸引力等。此外，PEF技術(shù)和其他非熱技術(shù)如微波、紫外線照射、高強(qiáng)度光脈沖等技術(shù)聯(lián)合處理對(duì)殺菌有很好的效果，同樣，PEF技術(shù)聯(lián)合熱處理也能達(dá)到滅菌效果[63]。因此，PEF技術(shù)聯(lián)合其他非熱處理或熱處理技術(shù)提升殺菌效果是未來研究的趨勢(shì)之一，研究各種方法聯(lián)合作用的互作機(jī)理有助于克服在工業(yè)化應(yīng)用中的局限性。

我國(guó)研究PEF殺菌技術(shù)相對(duì)滯后，果蔬汁殺菌的研究處于起步階段，但PEF殺菌技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的巨大應(yīng)用潛力引起了科研工作者和企業(yè)家的廣泛關(guān)注，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。未來PEF殺菌技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：1）實(shí)現(xiàn)PEF作用微生物細(xì)胞膜在線實(shí)時(shí)觀測(cè)其殺菌機(jī)理；2）研制功率大、精度高、可操控性強(qiáng)的PEF發(fā)生器及能夠?qū)崿F(xiàn)均勻而穩(wěn)定處理環(huán)境的動(dòng)態(tài)處理室，有效監(jiān)測(cè)PEF處理過程，從而使大規(guī)模生產(chǎn)果蔬汁成為可能；此外，研發(fā)廉價(jià)的PEF發(fā)生裝置，降低生產(chǎn)成本；3）尋找合適的電極材料，避免在加工過程中由于電極腐蝕而造成食品污染，對(duì)PEF處理的果蔬汁進(jìn)行食品安全性檢測(cè)。

總之，隨著PEF技術(shù)的不斷突破和PEF在食品領(lǐng)域的深入研究，可以預(yù)見PEF殺菌技術(shù)在果蔬汁工業(yè)化生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景。