高壓靜電技術(shù)及其在肉類和果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)展

姜曉晨，霍英嬌，董士遠(yuǎn)

（中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266000）

肉類和果蔬的營養(yǎng)成分豐富，是人體必需的蛋白質(zhì)、維生素以及礦物質(zhì)的重要來源[1]，但在加工、貯藏、運(yùn)輸和銷售過程中，由于機(jī)械損傷、自身生理代謝、微生物侵染等因素，會(huì)造成食品變色、失水及腐敗變質(zhì)等，從而降低其商品價(jià)值，造成經(jīng)濟(jì)損失，且存在較大的食品安全風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。目前，已開發(fā)應(yīng)用多種方法進(jìn)行食品保鮮，如冷藏保鮮[4]、氣調(diào)貯藏保鮮[5]、減壓貯藏保鮮[6]、涂層保鮮[7]、熱處理保鮮[8]和輻射處理保鮮[9]等。近年來，高壓靜電在果蔬保鮮、肉類解凍等方面呈現(xiàn)廣泛的應(yīng)用前景[10]，研究表明，高壓靜電場處理能夠有效延長鮮切竹筍、小玉米、羊肚菌采后冷藏貨架期并延緩品質(zhì)劣變[11-13]，有效抑制肉類食品體系中金黃色葡萄球菌、假單胞菌和鏈球菌的生長，延緩脂肪氧化，延長貯藏期[14-16]。然而，關(guān)于高壓靜電處理在肉品腌制方面的應(yīng)用研究較少[17]。高壓靜電場作為外加電場作用于果蔬保鮮中，能使細(xì)胞內(nèi)的電荷運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，從而果蔬的細(xì)胞代謝和呼吸作用受到影響[18-19]。已有研究表明，在肉類解凍過程中，添加高壓靜電場能夠保證食品品質(zhì)，控制冰晶成核大小，降低冰晶對(duì)肉的結(jié)構(gòu)傷害，同時(shí)能夠減少汁液流失，縮短解凍時(shí)間[20-22]。高壓靜電在處理食品時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)且能耗低，食品溫度變化較小，基本不影響食品品質(zhì)[23]。

本文系統(tǒng)綜述了高壓靜電設(shè)備研究現(xiàn)狀，主要采用平板式、針狀式和線板式這三種形式。此外，本文還從改變酶活性、細(xì)胞膜的通透性、抑制冰晶形成等角度揭示高壓靜電的作用機(jī)理，進(jìn)一步綜述了高壓靜電技術(shù)在肉類和果蔬保鮮中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 高壓靜電場簡介

高壓靜電場（High voltage electrostatic field，HVEF）是一種人工綜合效應(yīng)場，屬于物理場。HVEF最常用的設(shè)備主要由三個(gè)核心器件組成，即直流電源、高壓發(fā)生器和處理室[24]。目前研究的高壓靜電場的應(yīng)用形式主要分為平板式、針狀式和線板式三種。電壓、放電電極的幾何形狀、兩個(gè)相鄰電極的間距等因素均會(huì)影響高壓靜電場的強(qiáng)度[25]。

目前，應(yīng)用于食品保鮮研究的平板式高壓靜電場工作示意圖如圖1 所示。低壓電源經(jīng)過多種電子線路變換，最終形成穩(wěn)定的直流高電壓[26]。使用時(shí)高電壓連接在上下極板，形成回路，從而產(chǎn)生高壓靜電場，對(duì)場中的食品產(chǎn)生一定強(qiáng)度的靜電力。施加在正負(fù)極板間的電壓大小和兩極板間的間距可以改變電場強(qiáng)度，從而可以對(duì)不同的食品施加不同強(qiáng)度的高壓靜電[27]。目前，針狀式高壓靜電場裝置（圖2）在保鮮中應(yīng)用較少，在電子、紡織、印刷等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[28]，它具有離子氣流覆蓋面積大、靜電中和速度快等優(yōu)點(diǎn)[29]。平板式形成的電場是均勻的，與此相比，針狀電極形成的電場為非均勻電場[30]。在高壓電場下，電荷集中聚集在帶電導(dǎo)體的表面，針尖表面的電荷密度遠(yuǎn)大于其他部位，因此它附近的電場強(qiáng)度很強(qiáng)，在電場作用下，游離的電子或離子向極板以發(fā)散的形式運(yùn)動(dòng)，形成的電暈風(fēng)是不均勻的，同時(shí)周圍空間中的電場強(qiáng)度迅速降低[31]。

圖1 平板式高壓靜電場工作示意圖Fig.1 Flat plate high voltage electrostatic field working schematic

圖2 針尖式高壓靜電場工作示意圖Fig.2 Pinpoint high voltage electrostatic field working schematic

目前，線板式高壓靜電場裝置（圖3）在食品保鮮方面呈現(xiàn)出較好的前景[32]，其中日本的DENBA+設(shè)備、山東“博美特”等開發(fā)的靜電設(shè)備已實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)化應(yīng)用[33]。在高電壓條件下，線極周圍氣體發(fā)生電離，造成大量離子逸出，離子在靜電室內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)，與顆粒發(fā)生碰撞后附著在顆粒表面，使顆粒帶電，電場力推動(dòng)荷電顆粒向板電極遷移[34-36]。與平板式相比，線板式的線極發(fā)射出若干束狀靜電，促進(jìn)放電并強(qiáng)化電場，線極附近的高電場強(qiáng)度區(qū)域擴(kuò)大，從而得到了較大且均勻的電場密度分布[37]。此外，帶電粒子在電場作用下會(huì)加速產(chǎn)生離子風(fēng)，離子風(fēng)會(huì)在物體表面產(chǎn)生渦流，從而阻礙了物體與外界氣體的交換，產(chǎn)生一定的氣調(diào)效果[38-39]。

圖3 線板式高壓靜電場裝置Fig.3 Wire-board type high-voltage electrostatic field device

2 高壓靜電保鮮的作用機(jī)理

2.1 改變酶的活性

有研究表明，水是具有一定構(gòu)造的物質(zhì)[40]。施加電場后，水分子結(jié)構(gòu)被破壞，同時(shí)影響了水與酶結(jié)合的狀態(tài)，從而使酶的活性喪失[41]。李里特等[42]、王頡等[43]認(rèn)為，外加電場會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)電勢梯度的分布，改變細(xì)胞膜電位，使帶電粒子向兩極聚集，從而對(duì)酶的活性產(chǎn)生影響。此外，在酶催化的氧化還原反應(yīng)中，酶分子內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移的耦合通路會(huì)隨著外加電場發(fā)生變化[44]。Evans 等[45]提出在質(zhì)子傳遞中氧化還原酶改變自身結(jié)構(gòu)從而節(jié)省能量。一系列研究表明，高壓靜電場改變酶活性的程度受酶的類型影響，不同種類的酶結(jié)構(gòu)及作用部位有所差別，因而在相同的處理?xiàng)l件下酶失活程度也不同。然而，并非所有的酶都會(huì)受到高壓靜電場的影響，所以在高壓靜電場改變酶活性的酶種類方面還有待更深一步的研究。

2.2 改變細(xì)胞膜的通透性

細(xì)胞的跨膜電位因外加電場而發(fā)生改變，離子可通過載體經(jīng)化學(xué)梯度和電勢梯度這兩種驅(qū)動(dòng)力穿過細(xì)胞膜，這兩種電化學(xué)梯度決定離子的運(yùn)動(dòng)方向[46-47]。有研究表明，細(xì)胞的跨膜電位受電場的影響。電場強(qiáng)度與膜電位正方向相同時(shí)，膜電位差增加；電場強(qiáng)度與膜電位正方向相反時(shí)，膜電位差減小[48]。膜兩側(cè)的帶電粒子隨著膜電位的改變發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生的電流促進(jìn)生化反應(yīng)進(jìn)行。Ko 等[49]發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場可以改變細(xì)胞膜的通透性，從而抑制微生物的繁殖，在高壓靜電場環(huán)境中，羅非魚的菌落總數(shù)要明顯低于空白對(duì)照組。

不同菌種對(duì)電場的耐受力不同，但在高壓靜電場的作用下，大部分微生物的細(xì)胞膜會(huì)被擊穿形成小孔。另外，空氣介質(zhì)在外加電場達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)自發(fā)電離產(chǎn)生離子，電離產(chǎn)生的微量臭氧可以侵入菌體內(nèi)部，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響其正常生命活動(dòng)，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[50]。

2.3 抑制蛋白變性及水分流失

一些水分含量較高的食品，貯藏過程中易產(chǎn)生汁液流失而導(dǎo)致其品質(zhì)下降[51]。在靜電場作用下，水分子會(huì)自發(fā)富集在電荷表面，產(chǎn)生荷電液滴，可以降低空氣中水分的過飽和度，阻止水分的流失[52]。趙良[53]研究發(fā)現(xiàn)，在長期貯藏過程中高壓靜電場能抑制魚類肌球蛋白的變性，減少水分和部分維生素、水溶蛋白等物質(zhì)的流失。Jia 等[54]利用高壓靜電場處理豬里脊肉時(shí)發(fā)現(xiàn)，靜電組和對(duì)照組有不同的代謝物譜系，經(jīng)高壓靜電處理的豬里脊肉的肌球蛋白未被氧化。Deng 等[55]借助高壓靜電場研究高壓靜電技術(shù)對(duì)豆腐的失水率時(shí)發(fā)現(xiàn)，高壓靜電技術(shù)解凍可以提高豆腐的持水量。對(duì)肉制品而言，高壓靜電場能抑制其蛋白的變性并減緩蛋白的分解速率，對(duì)提高肉類產(chǎn)品的保鮮品質(zhì)有一定的效果。

2.4 抑制冰晶的生成

在低溫保鮮處理中，冰晶是影響肉質(zhì)品質(zhì)劣變的關(guān)鍵要素，大冰晶對(duì)周圍細(xì)胞產(chǎn)生擠壓，破壞肌肉纖維，極性水的平衡狀態(tài)因外加電場改變，食品的冰點(diǎn)降低，成核作用減弱，使冰晶變小，減少大冰晶對(duì)肌肉結(jié)構(gòu)的損害，降低肉類保鮮時(shí)的品質(zhì)損失。Xanthakis等[56]通過增加高壓靜電場的電壓，促使豬里脊肉中冰晶成核的溫度降低2.6 ℃，冰晶尺寸減小，可以降低冰晶對(duì)肌肉微觀結(jié)構(gòu)的損傷。甄仌等[57]使用相場法模擬電場下冰晶的生長也證明了這點(diǎn)。高壓靜電技術(shù)通過抑制細(xì)胞內(nèi)的水分子在降溫過程中成核，減緩細(xì)胞內(nèi)的機(jī)械損傷，提高肉的保鮮品質(zhì)。

2.5 臭氧

高壓電場能夠?qū)⒖諝怆婋x，產(chǎn)生微量臭氧。具有強(qiáng)氧化性的臭氧使細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞的生命活動(dòng)無法正常進(jìn)行。此外，果蔬釋放的乙烯能與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，延緩果蔬的老化，達(dá)到一定的保鮮效果[58]。丹陽[59]以毛霉為研究對(duì)象，探究高壓電場產(chǎn)生的臭氧對(duì)其影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，臭氧對(duì)毛霉的生長有抑制作用，且抑制效果與電場強(qiáng)度成正比。李明科[60]發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場形成的離子和臭氧能抑制葡萄的生理活性，延長貯藏期。蔣耀庭等[61]發(fā)現(xiàn)，電場產(chǎn)生的臭氧能抑制鮮切青花菜表面微生物的活動(dòng)，此外，臭氧結(jié)合負(fù)離子能使青花菜釋放出來的氣體（乙烯、乙醛等）分解，延緩其采后衰老過程。臭氧雖能抑制微生物的生長，但效率較低，可以作為肉類及果蔬保鮮有效的補(bǔ)充，但不能滿足工業(yè)殺菌的要求。

3 高壓靜電在食品保鮮中的應(yīng)用

3.1 在肉類保鮮方面的應(yīng)用

高壓靜電場能夠加快肉類及肉制品的冷凍及解凍速度，延長保藏期。Hsieh 等[62]發(fā)現(xiàn)，使用高壓靜電輔助解凍雞腿肉所需的時(shí)間是普通解凍方式的2/3。馬堅(jiān)[63]利用高壓靜電技術(shù)對(duì)牛里脊肉分進(jìn)行凍結(jié)測試，發(fā)現(xiàn)與無電場下的凍結(jié)速率相比，高壓靜電場凍結(jié)牛肉的速率更快；此外不同的電場強(qiáng)度對(duì)凍結(jié)速率有著不同程度的影響，其中場強(qiáng)為150 kV/m時(shí)凍結(jié)速率效果最好。這為更有效地解凍肉制品提供了一種可行的新方法。Zhang 等[64]研究牛肉在高壓電場下的解凍特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場可以明顯的提高牛肉的解凍效率。這也為高壓靜電技術(shù)應(yīng)用于解凍肉制品提供了理論支持和技術(shù)支撐。

同時(shí)許多研究者發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)保鮮方法相比，高壓靜電保鮮能對(duì)微生物生長起到有效的抑制作用，可以在一定程度上提高產(chǎn)品的品質(zhì)。趙良等[65]研究高壓靜電場對(duì)羅非魚片品質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，貯藏21 d后，不同場強(qiáng)（1.8、3.8 kV）靜電組的細(xì)菌總數(shù)均低于106CFU·g-1。Mq 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場能有效抑制食物系統(tǒng)中金黃色葡萄球菌的活性。張佰清等[66]在探尋高壓靜電場殺菌效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，靜電場對(duì)大腸桿菌有明顯的致死作用，大腸桿菌的致死率與電壓和處理時(shí)間均呈正相關(guān)。利用高壓靜電處理，可明顯抑制肉類中細(xì)菌的生長，為今后靜電殺菌發(fā)展提供了思路。

高壓靜電能夠降低肉及肉制品的汁液流失率。岑劍偉[67]利用冰溫氣調(diào)結(jié)合高壓靜電場處理羅非魚片，發(fā)現(xiàn)高壓靜電能夠顯著降低魚肉的汁液流失，效果明顯優(yōu)于常見的保鮮方法。姚薇等[68]研究高壓靜電場處理對(duì)肉糜品質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加150 kV/m電場會(huì)降低肉糜18.71%的汁液流失率。孫芳等[36]也發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，高壓靜電組解凍失水率減少7.0%。高壓靜電技術(shù)雖然在肉制品保鮮時(shí)降低汁液流失效果較好，但在選擇合適的高壓靜電場強(qiáng)方面還有待更深一步的研究。

高壓靜電能夠保持食品的質(zhì)構(gòu)特性和品質(zhì)。李鵬等[69]等發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場冷藏的白斬雞雞肉的硬度、彈性、咀嚼性較普通冷藏有顯著差異（P＜0.05），高壓靜電對(duì)保持雞肉固有的質(zhì)構(gòu)特性有較明顯的效果。熊宇飛等[70]發(fā)現(xiàn)施加高壓靜電能抑制刀額新對(duì)蝦貯藏期間發(fā)生的蛋白質(zhì)降解、脂肪氧化和微生物生長等生化反應(yīng)，從而使靜電組樣品表現(xiàn)出更好的顏色和質(zhì)構(gòu)特性。唐夢[71]在研究高壓靜電場解凍對(duì)羅非魚片品質(zhì)影響中發(fā)現(xiàn)，由于高壓靜電場解凍均勻，隨著貯藏時(shí)間的延長，靜電組魚片的質(zhì)構(gòu)優(yōu)于非靜電組。高壓靜電技術(shù)是一種新興的保鮮技術(shù)，其處理過程無熱效應(yīng)、基本不影響食品品質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 在果蔬保鮮方面的應(yīng)用

處于高壓靜電場的環(huán)境下，果蔬會(huì)產(chǎn)生臭氧和負(fù)離子，臭氧氧化分解乙烯，推遲其老化，同時(shí)負(fù)離子能夠抑制呼吸強(qiáng)度, 延長貯藏期。肖艷輝等[72]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電場能較好地抑制草莓果實(shí)的呼吸速率，延長草莓的貯藏期。李里特等[42]以黃瓜、豇豆為試材進(jìn)行高壓靜電場保鮮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓靜電組黃瓜的瓜刺完好，豇豆出現(xiàn)的銹斑較少，延緩了果皮的老化。蔣耀庭等[61]在探尋高壓電場處理對(duì)鮮切青花菜保鮮的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場放電產(chǎn)生的臭氧具有較強(qiáng)的穿透力，可阻礙糖代謝的正常進(jìn)行，使鮮切青花菜的代謝水平有所降低，抑制其體內(nèi)呼吸作用。但對(duì)于選擇合適的極間電壓、微電流以及處理時(shí)間等工藝參數(shù)以獲得最佳的保鮮效果，還需選用多種果蔬及大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，高壓靜電場處理能減緩果蔬水分含量的降低，抑制多糖、維生素C 代謝相關(guān)酶的活性，而清除氧的相關(guān)酶活性被提高，從而有效維持多糖和維生素C 含量，延緩衰老腐敗進(jìn)程。孫貴寶等[73]、王宗偉等[74]、黃洪云[75]分別以黃冠梨、香菇、冬棗等實(shí)驗(yàn)材料，通過高壓靜電場貯藏果實(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓靜電場能抑制內(nèi)源性甲醛含量的積累，減緩果實(shí)可溶性固形物和維生素C 含量的降低，有效地控制果實(shí)腐爛的發(fā)生，延遲果實(shí)采后的衰老過程。高壓靜電場對(duì)抑制果蔬的維生素C 含量、多糖含量的降低有明顯的效果，但其微觀機(jī)理尚未十分清楚，還有待進(jìn)一步研究。

高壓靜電能維持果蔬更好的感官品質(zhì)。方勝等[76]研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場處理能有效延長番茄貯藏時(shí)間，尤其是在電場強(qiáng)度為150 kV/m 的處理?xiàng)l件下能更好地維持番茄的硬度及感官品質(zhì)。Liu 等[77]使用600 kV/m 的電場強(qiáng)度，在不同的時(shí)間下對(duì)甜柿進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)高壓靜電可以將重量損失率降低1.0～1.3 倍，表明高壓靜電具有延遲組織劣變的能力，而且其效果隨著處理時(shí)間的延長而增加。孫貴寶等[78]以青椒為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)高壓靜電能有效延緩其衰老過程，64 d 時(shí)，靜電組好果率高達(dá)90%以上。高壓靜電場處理能延長果實(shí)的貯藏期，達(dá)到保鮮的目的，且操作方便，但成本較高，在大面積推廣應(yīng)用上存在一定困難。

4 總結(jié)與展望

高壓靜電技術(shù)作為一種非熱處理技術(shù)，在處理食品時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)且能耗低，食品溫度變化小、基本不影響食品品質(zhì)，因此該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。高壓靜電能夠加快肉類的冷凍及解凍速度，抑制微生物生長，還能夠降低果蔬的呼吸強(qiáng)度，減緩水分含量的降低，維持食品較好的品質(zhì)。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用在肉類和果蔬保鮮方面，但基本上處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，如何突破產(chǎn)學(xué)研瓶頸是一大難點(diǎn)，此外高壓場的參數(shù)如電壓、微電流及場強(qiáng)分布與食品的相互作用等也遠(yuǎn)未闡明，建議應(yīng)用食品組學(xué)等技術(shù)深入揭示靜電場對(duì)食品的作用機(jī)理、蛋白組學(xué)、酶活性、微觀結(jié)構(gòu)等方面的探索，從而為高壓靜電的保鮮機(jī)理提供一定的依據(jù)。