随着“饮食健康”理念的普及与深化,消费者对高质量营养食品的需求也日益增加。水果和蔬菜富含维生素、类胡萝卜素、矿物质和酚类化合物等生物活性物质,是天然抗氧化剂的良好来源,可以降低慢性病和退行性疾病的风险[1]。果蔬汁以其方便的摄入方式、良好的感官特性、丰富的营养价值深受消费者青睐。据报道[2],在过去几年中,果蔬汁的消费量明显增加,成为全球需求增长最快的加工产品之一。基于对健康、营养、安全的关注,消费者现在要求最少加工的高品质且具有新鲜感的食品。食品工业界一直在探索更高效的创新加工技术,力求在维持食品营养和感官质量的同时,保证其微生物安全性[3]。热加工(巴氏杀菌)是最常用的食品保藏方法,可以有效延长保质期,但其加工过程中的高温通常会对食品营养成分、理化属性、感官品质造成不利影响。与传统的加热技术相比,脉冲电场(pulsed electric field,PEF)技术以其非热特性被广泛应用于液体食品,不仅在保证微生物安全性的基础上最大限度地保持果蔬汁的色、香、味,且相比于其他非热工艺如超高压(设备成本高、生产半连续)[4],PEF处理还具有连续流动加工、温升小、时间短、能源效率高等优点[5],在果蔬汁这类高热敏性食品中应用前景广阔,有望成为传统热加工的替代技术。
早在1909年,就有学者讨论了电对悬浮在水和牛奶中的不同微生物的影响[6],其对微生物活性抑制的原理同欧姆加热,主要依赖电流通过时产生的热量。而在使用电处理法净化污水的研究中,通过观察高电位快速振荡电流下细菌活性的变化,发现了电效应本身对细胞膜的作用[7],这与BUCKOW等[8]的研究结果一致,一定场强下对牛奶杀菌,温度并非是影响杀菌效果的关键因素。20世纪40年代,FLAUMENBAUM[9]发现脉冲电场可以有效增加植物组织的渗透性,自此电场开始被用于除灭活微生物外的食品加工中。
20世纪50年代,ZAGORUL’KO[10]研究发现直接将交流或直流电流作用在甜菜组织上会引起甜菜组织细胞的选择性质壁分离,随即将脉冲电场应用于甜菜组织的电质分离研究,设计出了带式电等离子体裂解器,首次以非热处理的形式(处理0.001 s,温度增加约0.5 ℃)提高了甜菜组织出汁率。
PEF技术现多被用于乳制品、液蛋、果蔬汁和其他液体食品中减少微生物种群和降低酶活,以确保食品的安全性。除此之外,PEF还能用于原料的预处理以提高果蔬汁液或其中天然物质的提取效率。近二十年来,PEF技术在橙汁、西瓜汁、苹果汁、胡萝卜汁、菠菜汁、葡萄酒等果蔬制品加工工业中的应用引起了国内外的广泛关注,并取得了一定进展[11], PEF加工的菠萝汁已在欧盟市场上销售[12]。随着新技术、新材料的快速发展和突破,结合连续加工室的使用,PEF技术的应用前景广阔。本文综述了PEF技术在果蔬汁加工领域中的研究进展,探讨了其对果蔬汁理化品质、感官特性、营养品质的影响,展望了PEF在食品加工中的主要挑战和机遇,为PEF今后的研究方向提供科学依据和参考。
1 PEF技术简介
PEF技术是一种新型的非热加工技术,通过在处理室两电极间反复施加高电压短脉冲、形成脉冲电场,进而完成对处理室中物料的脉冲电场处理[13]。
标准的脉冲系统主要由高压脉冲电源、样品处理室、控制系统3部分组成。其中,高压脉冲电源在PEF处理中起着重要的作用,如存储电能、产生和传递各种波形的高压脉冲等[14]。根据处理方式可将处理室分为静态处理室和连续处理室。电极是处理室的重要组成部分,通常有平板式、同轴式和共场式3种形状[15]。选择电极材料时需考虑成本因素,可以选择导电性质佳、腐蚀性低的食品级材料,电极涂层可将食品基质与电极分离,有效防止电极腐蚀,并降低焦耳效应,从而在操作过程中保持温度[16]。控制系统可对工艺参数、样品流速、处理温度进行监控,以进行参数的改进和优化。其他系统也可提供一些辅助功能,如紫外杀菌系统,可保持加工过程处于无菌环境。
PEF的处理效果受多种因素的影响,主要取决于电场强度、脉冲宽度、脉冲频率、处理时间、极性、温度等关键工艺参数,其中果蔬汁基质是决定PEF工艺效率的重要因素[17]。在加工过程中需综合评估多种因素及其相互影响,进而确定最佳处理参数。
2 PEF处理对果蔬汁品质的影响
2.1 PEF对果蔬汁理化品质的影响
理化指标是衡量果蔬汁品质的重要依据,常用的指标包括出汁率、可溶性固形物、浊度、总酸、pH等。
热处理和添加酶制剂是提高果蔬出汁率的常用方法,虽能在一定程度上提高原料出汁率,但会导致果蔬汁风味的异变及营养物质的损失。基于电穿孔效应,PEF技术提升了果蔬出汁率,施加电场诱导植物组织的结构发生变化,增加了组织细胞的渗透性[18],有利于后续压榨、扩散、干燥以及渗透作用等[19]。长期施加电场引起的温升会丧失细胞中热敏性营养元素,长时间的电场应用也会增加能量消耗,而PEF技术由于其较高的电场强度(10～50 kV/cm)、较短的脉冲宽度(0～100 μs)和较高的脉冲频率(0～2 000 Hz),可以有效避免以上现象。MCLELLAN等[20]对比了脉冲电场处理、3种酶(果胶酶、纤维素酶、两酶联合)处理和热处理对苹果浆出汁率的影响,发现在相同的压榨条件下,经加热和脉冲电场处理的苹果果浆出汁更快,且产量比未处理组和酶处理高出几个百分点,但经电场处理得到的苹果汁颜色更鲜亮,浑浊稳定性更好。这与ALMOHAMMED等[21]的研究结果一致,相比传统的水蒸气扩散法,经PEF预处理(600 V/cm,100 μs)榨得的甜菜汁不仅产量高,纯度和色泽也更好。由此可见,在果蔬汁加工过程中,高压脉冲电场处理在提高出汁率、提升风味和保持营养品质方面优势明显。
MENESES等[22]对NaCl溶液施加外部电场,发现电流引起离子迁移,溶液pH值发生局部变化,继而对酶和微生物的活性造成影响。而SANCHEZ-VEGA等[23]的研究进一步表明,尽管PEF技术和超高温灭菌均能在一定程度上提高果汁pH值,但前者对果蔬汁品质(如色泽、酸度和可溶性固形物)的影响更小,橙汁和菠菜汁经PEF处理后,其可溶性固形物含量、pH和酸度均无显著性变化[24]。
浊度作为评价果蔬汁营养品质和稳定性的重要指标之一,在加工过程中受多种因素的影响,主要与果胶性质、处理温度、pH和原料的前处理方式等因素有关,根据浊度的不同可将果蔬汁分为清汁和浊汁[25],果蔬浊汁的浊度主要由多酚、蛋白、果胶等大分子复合而成的胶体颗粒决定[26]。果胶类多糖可作用于多酚、蛋白的聚集体,一定程度上可抑制其聚集沉淀。利用PEF处理橙汁其果胶含量增加了18.4%,果肉比率从8.75%增加到10.00%[27];胡萝卜汁果胶含量增加了13.07%[18],推测是脉冲电场引起的电穿孔增加了细胞组分的渗透性,提升了果胶含量。但ZHAO等[28]发现随着果胶含量的增加, 果胶颗粒之间会通过氢键和疏水相互作用而发生聚集。而AKDEMIR EVRENDILEK等[29]研究表明,相比未处理的果汁,经PEF处理的酸樱桃汁浊度无显著变化;钟葵等[30]进一步对比了未处理组、巴氏处理、PEF组处理的苹果汁,发现只有巴氏处理组的浊度值显著提高,这证实PEF可更好地调控果蔬汁浊度。
由此可见,相比巴氏杀菌和高温杀菌,PEF处理不仅有效提高了出汁率,还较好地保持了理化品质。
2.2 PEF对果蔬汁感官品质的影响
果蔬汁的风味及色泽在加工和储存过程中极易发生变化。传统热处理会引起美拉德反应,加剧氧化,进而对果蔬汁的挥发性化合物产生一定影响,呈味物质如糖、酸、多酚等也会随温升变化,影响消费者的香气感知。TIMMERMANS等[31]对比了热加工以及PEF技术对橙汁风味的影响,发现经过热处理的橙汁中特征香气物质β-肉桂烯和β-芳樟醇的相对浓度明显降低,甚至导致异味化合物α-萜品烯、4-萜品醇和α-萜品醇的形成;而在E=40 kV/cm的高强度PEF处理后,α-蒎烯、肉豆蔻烯、辛醛、柠檬烯和癸醛的浓度保持率比常规热处理后更好。E=20 kV/cm、τ=25 μs、能量输入为100或150 kJ/kg的PEF处理与95 ℃ 30 s的热处理相比,更好的保留了橙汁中的柠檬烯、β-肉豆蔻烯、α-蒎烯和戊烯。
除此以外,研究人员还发现 PEF处理(通常为>15 kV/cm)可显著促进发酵酒中硫醇、酸类、多酚类、酯类等香气成分的形成[11],提升番茄汁感官品质[32],增加了蔓越莓[3]脱酸过程中奎宁酸、原花青素和花青素在果汁中的保留率,提高了脱酸效率,降低了能耗。然而JIA等[33]发现30 kV/cm的PEF处理橙汁(240 μs/480 μs),会分别导致3%和9%的芳香族化合物损失。同样,牛奶和橙汁混合物在PEF(15～30 kV/cm, 50 ms)处理下也出现风味物质损失的现象[34]。也有研究发现PEF加工不同水果 (苹果[35]、番茄、西瓜[36]、草莓[37]、橙[38])果汁的风味或香气特征没有变化。
综上,对比热处理法,PEF处理后样品风味物质损失较小,或未产生影响,对风味提升有明显改善。
果蔬汁色泽、风味劣变与过氧化物酶和多酚氧化酶主导的酶促褐变、非酶褐变紧密相关。果蔬中主要的色素群是胡萝卜素、类胡萝卜素、花青素、叶绿素和酚类化合物[39],对热处理和氧化敏感,所以经传统热处理后果蔬汁中叶绿素、花青素等热敏色素的含量显著降低,颜色发生劣变。相比之下,BANSAL等[40]发现经PEF处理的余甘子汁非酶促褐变程度显著降低,FAISAL MANZOOR 等[24]则进一步观察到PEF可抑制菠菜汁中叶绿素的降解,这一结论与早期关于菠菜泥的研究一致,后者认为PEF处理后相关酶和微生物的破坏是叶绿素含量保持稳定的原因[41]。PEF处理前后,蔓越莓汁中的花青素含量无显著变化[3];ODRIOZOLA-SERRANO等[42]进一步研究发现PEF处理期间花青素的保留与极性、处理时间和脉冲频率宽度有关。与单极模式相比,PEF处理的草莓汁在双极模式下总花青素的保留量更高。不仅如此,一定参数下的PEF处理(1.32 bar, 8 min)还使蓝莓汁中花青素的总含量增加了55%[43]。由此可见,非酶促褐变对果汁的色泽变化的影响与处理方式及参数选择紧密相关,相比热处理,PEF可通过抑制不同色素的降解起到护色作用,有效改善果蔬汁的感官品质。
2.3 PEF对果蔬汁营养品质的影响
消费者对饮料的接受程度直接取决于感官和营养品质属性,而果蔬产品的营养价值通常基于多酚类生物活性化合物(bioactive compounds,BACs)、抗氧化能力(antioxidant capacity,AC)和维生素C含量等作为质量参数进行评估[44]。早期研究发现传统热处理会影响矿物质的溶解度,最终矿物质含量变化的程度取决于矿物的稳定性。经PEF处理的西兰花汁[45]中Fe、Mn和Zn的含量增幅最大,类似的现象也出现在啤酒中,经PEF处理后,Fe、Cr、Zn和Mn的浓度出现显著增加。除K、P外,其他矿物质含量受热处理影响较小,而经过一定条件的PEF处理后,所有矿物质的相对含量都有所增加或保持不变,这与电极上发生的电化学反应有关,且取决于电流大小、流体成分、脉冲形状和持续时间[46]。此外,单极脉冲可能引起电极腐蚀加剧,这与MORREN等[47]的研究结果一致,即通过施加双极脉冲可以限制电极的腐蚀。这说明PEF处理过程中矿物质的变化主要与电极腐蚀有关。此外,硒作为西兰花汁中最重要的矿物质之一,伴随着电场强度(15～25 kV/cm)的升高和处理时间(从500～2 000 μs)的延长,其含量显著增加,这表明PEF有利于硒保留在西兰花汁中。
高温会导致氨基酸发生羧化、脱氢等化学反应而降解[48],西兰花汁经热处理后游离氨基酸相对含量普遍降低。PEF对游离氨基酸含量的影响取决于处理参数(电场强度、处理时间、极性)及其相互作用的影响。随着处理时间(500～2 000 μs)的延长,低电场强度(15 kV/cm)处理的西兰花汁游离氨基酸的相对含量显著增加,而高电场强度(35 kV/cm)处理的则呈降低趋势[45],这与ZHAO等[49]研究结论类似,当电场强度从20 kV/cm增加到30 kV/cm,绿茶中总游离氨基酸浓度显著增加。但在30或40 kV/cm时,Asp、Glu、Ser、Gly、Thr等氨基酸的浓度均出现下降。这是由于不同酶的活性受场强影响各异,一定参数下可能会激活氨基酸合成相关酶的活性,提高氨基酸含量;同样,高强度处理可能会使脂加氧酶等酶活性降低,引起一系列反应,进而导致氨基酸含量减少。此外,单极模式会提高氧化反应导致自由基的形成,自由基与氨基酸反应,降低其含量。在适宜的电场条件下,双极模式处理得到的游离氨基酸含量更高,由此可见加工参数的合理选择对氨基酸含量的保持乃至提高至关重要。
维生素C是一种热敏性维生素,是评价果蔬及其制品中其他维生素损失的重要质量指标。一般来说,食物中维生素C的浓度与加工环境(如温度、氧气和光线)直接相关[50]。ELEZ-MART
NEZ等[51]对比了PEF和巴氏杀菌对维生素C含量的影响,发现两种方法都会引起柑橘汁中维生素C含量的损失,但经PEF处理的维生素C含量仅下降了8%,显著低于巴氏杀菌(17.2%)。同样, PEF处理后番茄汁中维生素C含量也高于热处理的样品[32]。相比热处理,PEF更有利于维生素C的保留,这与SERRANO等[42]的研究结论一致。维生素C的保留还与电场强度、频率、极性模式和脉宽等参数有关[52]。MARIANA等[1]发现经双极模式和较低的电场强度、处理时间、脉冲频率和宽度处理得到的产品维生素C浓度(84.5%～97.1%)较高;随着电场的增强和时间的延长(25～40 kV/cm, 30～340 ms),橙子-胡萝卜混合汁中维生素C含量随之下降[53]。
与未经处理的石榴汁相比,PEF处理后的石榴汁中总酚、花青素和抗氧化化合物没有发生显著改变[54],且经PEF处理的西柚汁中总酚和总类胡萝卜素含量甚至有所增加[2]。FAISAL等[24]发现在9 kV/cm,335 μs电场条件下处理的菠菜汁中类胡萝卜素含量显著高于未处理组;电场处理后,橙汁中的酚类含量相比未处理组增加了13.95%[27]。PEF提高了细胞渗透性,使营养组分更容易地转移到果蔬汁液中。综上所述,PEF技术可以有效提高果蔬汁的营养价值。
3 PEF处理对果蔬汁钝酶的效果
由于果蔬中的过氧化物酶(peroxidase,POD)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)、果胶甲基酯酶(pectinmethylesteras,PME)、脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,β-GLUC)等内源性酶在采后加工过程中仍保持活性,导致果蔬制品的颜色、质地、风味和营养成分发生劣变[55],控制加工和贮藏中果蔬汁的酶活意义重大。近期研究发现,单独使用高强度的PEF或与结合热处理等其他技术,可以使果蔬汁中的部分内源性酶失活。但也有研究发现在一定的处理条件下,PEF处理对某些酶的活性并无影响,还可能会使酶活力增强。
POD和PPO导致酚类化合物的氧化,从而导致营养和感官价值的丧失,如褐变和变质,故POD和PPO的失活是果蔬加工质量的重要前提和指标[44]。RIENER等[56]评估了PEF对苹果汁中POD和PPO失活的联合作用,发现其酶活性的最高降幅分别为68%和71%,显著高于常规巴氏消毒(分别为48%和46%),且二者活性随着电场强度和处理时间的增加而降低。TURK等[57]在室温下使用场强为1 kV/cm 的电场处理苹果浆100 μs后,发现其中PPO活性显著降低。而温度和PEF的结合处理对PPO的失活更有效。LIANG等[58]将鲜榨苹果汁在50 ℃下预热并在27 kV/cm的PEF下处理58.7 μs,观察到PPO活性显著下降33%;在40 kV/cm条件下预热苹果汁至50 ℃,处理时间为100 μs时,相比未预热的样品,POD活性下降幅度最高,达到68%[56]。而MANNOZZI等[50]研究表明,在20 ℃和40 ℃预热后再进行PEF处理并不能降低胡萝卜和苹果汁的POD活性,而经过60 ℃预热后则观察到其活性的显著降低。当处理温度达到80 ℃时,榨出的苹果汁中POD几乎没有活性,对比ELEZ-MARTINEZ等[51]报道,35 kV/cm、1 500 μs PEF处理橙汁后,POD完全失活,推测后者的强钝酶效果与高强度电场带来的热效应有关。
已有研究表明,PEF处理会引起局部pH变化,而PPO活性对pH值的变化非常敏感。MENESES等[22]观察到经PEF处理后的PPO相对活性变化与处理室内的采样位置直接相关,处理室阳极的样品PPO大量失活,而阴极和中心并没有发现PPO失活现象,所以PEF处理引起的pH值变化也是PPO失活的影响因素之一。该处理条件下电场对酶活的影响并未体现,这与设备差异以及食品基质特性有关,后续需要继续探究。
LOX对果汁风味品质也有重要影响,然而PEF处理对LOX活性的抑制是有限的。经220 Hz、1.0 μs条件处理后的西瓜汁中LOX残留活性最低为50%[59]。经PEF处理后的LOX活性增强,甚至高于热处理[60]。在β-葡萄糖苷酶的研究中也观察到类似的现象,草莓汁中β-葡萄糖苷酶活化的最佳温度≥60 ℃,而经PEF处理(低于35 ℃)后的草莓汁中β-葡萄糖苷酶活性显著提升[60],这些研究都表明PEF处理除了钝酶以外还有激活酶的作用。
酶活性的变化通常与酶的结构有关,YEOM等[61]探索了PEF处理后木瓜蛋白酶失活的机制,推测可能与α-螺旋结构的丧失有关。VALLE等[62]用分子动力学模拟研究了PEF对超氧化物歧化酶的影响,证明低强度电场(108 V/m) 可对酶的反应中心产生静电修饰作用,5×108 V/m以上的高强度电场可使酶在折叠态和部分变性态之间快速转变,当场强达到7×108 V/m时,观察到酶的二级结构向未展开状态发生不可逆转变。PEF可能激活、降低或不引起酶活性的变化,其处理效果主要取决于酶自身的理化性质和PEF处理参数。不同研究中关于PEF对酶活性影响的结论不一致,这与实验设备、工艺参数以及不同介质有关。目前PEF对酶影响的机理还不够明确,需要进一步研究热效应、电化学反应以及自由基的形成等其他PEF副作用对酶活性的影响,为了达到有效的电场处理,PEF工艺参数可根据酶和目标产品进一步优化。
4 PEF处理对果蔬汁杀菌的效果
PEF工艺参数(电场强度、处理时间、比能量、脉冲形状、脉冲宽度、频率和温度)、处理过的食物样品(pH值和电导率)和靶细胞(大小、形状、膜和包膜结构)[11]均会影响微生物。
4.1 处理参数因素
目前最被广为接受的PEF杀菌机理假说为电击穿理论。脉冲电场的施加使跨膜电位增大,电荷吸引作用也随之增加,对细胞膜造成挤压,细胞膜厚度被降低,进而产生击穿孔洞[63]。临界电场强度即微生物失活所需的最小电场强度,是影响微生物失活的关键因素。
RAZOLA等[39]发现随着脉冲数的增加,大麦青汁中细菌的存活率逐渐降低。在场强从30 kV/cm增加至40 kV/cm时,将存活率降低到10%所需的脉冲数从80次减少至30次,这说明在30 kV/cm条件下难以灭菌的小型细菌在电场强度增加的情况下被成功灭活。由此,电场强度越强,青汁杀菌所需时间越短,同样的,POOJARY等[64]观察到,经过9 kV/cm的场强处理,需氧嗜温菌种群(总平板数)从1.50×105(lg CFU/mL) 下降到1.20×105 (lg CFU/mL),在13 kV/cm的场强下达到菌群数量最低值3.5×104 (lg CFU/mL)。而13 kV/cm的电场强度并未达到微生物细胞的临界电场强度,可能会导致PEF处理后细菌的耐药性增加或复活,在较高的电场强度(20～50 kV)下才得以发生不可逆的电穿孔。该现象与临界电场强度有关。根据施加的电场强度是否超过临界电场强度,来判断细胞膜形成可逆或不可逆的电穿孔[65]。不可逆的电穿孔会使细胞膜破裂、细胞内容物不断外渗,进而细胞死亡;而可逆电穿孔会导致细胞出现亚致死状态,适当的条件下细胞仍可以恢复活性。由此可见在PEF处理中,电场强度的设定至关重要。
TIMMERMANS等[66]使用不同强度和宽度的电场处理橙汁,对比其微生物失活情况,发现使用较宽的中等强度(2.7 kV cm-1 000 μs)比窄脉冲宽度但高强度的电场(20 kV cm-2 μs)更有效,不同微生物种类的失活程度差异更小。ZHANG等[67]进一步指出,上升时间较短的方形脉冲对金黄色葡萄球菌灭活效果更好,能量效率更高[19]。
尽管PEF为非热工艺,但研究表明低温范围内的温升也会对处理效果产生一定影响。JEYAMKONDAN等[68]发现微生物在不同温度下进行PEF处理时,其活性随着处理温度的升高而减小。除此以外,PEF处理后的储存温度也是影响PEF诱导的亚致死损伤细胞修复过程的一个重要因素。GARCA等[69]发现,PEF损伤的大肠杆菌O157:H7细胞对低温敏感。推测是温度较低时,膜相关的代谢过程随之变得缓慢,从而阻碍损伤细胞的修复。低温贮藏(4 ℃)也可以有效抑制经PEF处理的亚致死损伤微生物的恢复。
4.2 微生物因素
PEF杀菌效果的指示微生物主要有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、酵母菌等,不同类型和生长阶段的微生物对PEF的敏感性具有一定差异。QIN等[70]通过比较研究发现,革兰氏阴性菌(金黄色葡萄球菌)、革兰氏阳性菌(大肠杆菌)、真菌(酵母菌)对PEF的敏感性依次递增,基于细胞壁厚度与组成成分的差异,陶晓赟[71]的研究结论与此一致。POTHAKAMURY等[72]进一步观察到,相比于稳定期和调整期,对数期的大肠杆菌细胞对PEF处理更为敏感。
4.3 样品因素
GARCIA等[69]已经证明,除了微生物特性,PEF处理下亚致死膜损伤的发生还取决于介质的pH值,如大肠杆菌在酸性pH值下(与中性pH值相比)表现出更高的抗PEF能力,这与其修复破坏的细胞膜能力有关。同样,通过LI等[54]研究发现,一定PEF条件下处理哈密瓜汁时,pH 7.0时酿酒酵母的失活率和亚致死率分别为1.4个对数和1.8个对数;在pH 4.0时,酿酒酵母细胞被杀死的比例更高,且PEF诱导的亚致死损伤细胞无法恢复并死亡,这表明,酿酒酵母细胞对低pH敏感,培养基的pH值会影响受试菌株对PEF的抗性。PUCIHAR等[73]还指出,在相同处理参数下,PEF对低电导率样品的杀菌效果比高电导率样品更好。
5 PEF与其他技术联用
尽管脉冲电场技术以其热效应低的特点、在保持食品的色泽、风味、营养物质有很大的优势,但也存在一定的技术缺陷,如难以彻底杀死病原菌、杀菌强度大时易造成升温等,尤其是过高的电场强度会击穿液体电介质,不仅缩减高压脉冲源的使用寿命,还会导致电极腐蚀,影响果蔬汁品质,限制了其应用范围。因此,将脉冲电场技术和其他技术联用以克服其劣势成为当前的研究热点。
5.1 与热处理联用
PEF技术与温和热处理结合可以将热与非热效应优势互补,在不影响果蔬汁中热敏物质的前提下提升杀菌钝酶效果。RIENER等[56]将苹果汁预热至50 ℃后再用PEF处理(40 kV/cm,100 μs),其中的POD活性下降幅度最高(68%);相比之下PPO的PEF抗性较强,当PEF和60 ℃预处理相结合时,实验室规模的PEF处理会导致苹果汁中的PPO活性完全失活。LI等[54]将带有酿酒酵母的哈密瓜汁在20 kV/cm的PEF处理200 μs后,在50 ℃或55 ℃的水浴中孵育5 min,然后在4 ℃保存,亚致死损伤细胞从1.5个对数(仅PEF处理)下降到0.8个对数 (PEF处理联合50 ℃)和0.3个对数(PEF处理联合55 ℃)。这说明温度和PEF的协同作用也可以有效抑制亚致死细胞的恢复能力,增加微生物的致死率,达到与热巴氏杀菌相同的效果,且与单独PEF处理相比,更好地保存了哈密瓜汁的理化性质和维生素C含量。
5.2 与其他非热加工技术联用
陈梅英等[74]根据Wilcoxon Test方法评定PEF技术与集成冷冻浓缩技术结合制取浓缩果汁,发现其品质、风味显著优于巴氏杀菌结合PEF处理的果汁,同时大大降低了能耗,节约生产成本。AADIL等[75]将超声与PEF技术结合处理葡萄柚汁,发现在超声空化作用以及PEF技术的电穿孔作用的综合影响下,所得葡萄柚汁中的可滴定酸、可溶性固形物含量、pH值以及色差值并未发生显著改变,浊度稳定性增加,但非酶褐变加剧。MANZOOR等[24]研究发现相比于未处理或经超声、PEF单一技术处理,超声-PEF联用显著提高了菠菜汁的营养特性与贮藏稳定性。
5.3 与抗菌素联用
PEF技术与细菌素、抗真菌肽、精油、香料和有机酸等天然抗菌剂联合使用,可以增强其对果蔬汁中微生物的杀灭效果。LI等[54]将PEF处理(20 kV/cm, 200 μs)后的酿酒酵母细胞置于柠檬酸-磷酸盐缓冲液中,添加茶多酚或纳他霉素并在30 ℃下孵育4 h,观察到其联合作用可增强酿酒酵母的失活并降低亚致死损伤细胞的水平;JIN等[76]将经中试规模PEF处理后的石榴汁储存在由一定比例的山梨酸钾、苯甲酸钠构成的混合物作为抗菌涂层的抗菌瓶中,显著延长了石榴汁的货架期。
6 PEF的商业化应用
PEF技术自被发现其杀菌作用以来,因其独特的加工特性一直深受国内外学者的关注。随着对PEF灭菌机制的不断探索,20世纪80年代后, 国际上,欧美等国开启了PEF设备的研发。俄亥俄州立大学研发出 OSU 系列小型实验用 PEF 设备;华盛顿州立大学的食品非热加工中心(CNPF)研发了一个处理量为100 L/h的连续PEF加工系统带无菌包装系统,已应用于苹果汁的处理过程中。一些具有代表性的企业如美国的Diversified Technologies公司、PurePulse Technologies公司,荷兰的Pulsemaster公司等也开始关注并投入研发PEF工业设备,其中PurePulse Technologies 公司开发了处理量10 L/h和200 L/h的“CoolPure”PEF 处理体系。PEF设备开发有效的促进了食品基质的加工和产业化应用。
2005年,美国俄勒冈州Genesis Juice公司利用PEF技术生产的果汁也通过了食品药品管理局认证,并在波兰市场上正式销售,其产品有苹果汁、草莓汁等,所用 PEF系统为OSU-5型,处理速率约200 L/h,货架保存期为4周。极大地推进了PEF加工技术的商业化进程。
相比国外,国内有关高压脉冲技术的研究起步较晚,关于果蔬汁的PEF加工大部分还在实验室研究阶段或中试阶段,距离产业化有一定差距。目前,中国农业大学、江南大学、浙江大学等院校对 PEF应用于果蔬汁杀菌钝酶效果及机理已开展了研究,清华大学、西安交通大学、华南理工大学等院校在PEF设备设计方面也取得一定进展,其中华南理工大学研制出的高强脉冲电场提取装备高效稳定,推动了国内该技术的产业化。此外,国家科技部在“十三五、十四五”国家科技创新规划中将“非热加工”等技术列入我国科技创新的重点领域,推动非热技术和装备的研发与应用;国务院发布的《“健康中国2030”规划纲要》中亦大力支持食品加工创新技术。基于政、产、学、研的合作,协同创新,为非热加工技术和装备的产业化、商业化带来了无限可能。
7 挑战与展望
综上,果蔬汁加工过程中应考虑抑制PEF处理后亚致死微生物恢复过程的因素。PEF可以协同加工因子、果蔬基质因素以及其他因子(环境条件、设备性能、货架期等),从而有针对性地开拓更为实用的杀菌方法。果蔬汁的市场需求稳步上升,随着鲜榨果汁、冰沙以及现制“新茶饮”的推广,对新型非热杀菌工艺的需求也愈发迫切。相比传统的热加工方式,PEF技术具有最大限度地保留果蔬汁色、香、味的优势;相比其他非热加工技术,应用于果蔬汁以及液态食品的PEF技术具有连续化完成其加工、杀菌的优势。PEF技术是当前食品加工领域的研究热点,其商业化应用潜力巨大。但目前仍存在一些挑战,阻碍了PEF技术在食品工业过程中的规模化进程:
(1)PEF系统复杂,电源等设备的投资及运营成本以及扩大规模过程中的技术都阻碍了PEF技术在食品工业过程中的商品化,目前理论研究和技术研发联系不够紧密,装备和生产线研发滞后,而良好的脉冲处理系统是PEF加工技术得以应用的前提,应当优化PEF的设备设计、降低成本,促进实验室成果向工业化应用的转变;
(2)PEF处理中电极上发生的电化学反应可能会导致电极腐蚀,造成产品污染,故需要开发其他更耐用的电极材料以替代传统的不锈钢电极;
(3)PEF技术杀菌钝酶的机理尚未阐明,需要继续探究电场对微生物及酶结构和活性的影响因素和机制,以期在确保产品安全性的同时提升其贮藏稳定性、延长保质期;
(4)PEF技术可与其他热、非热加工技术联用,提升杀菌钝酶效果,并探究应用多种技术协同作用的机理,以克服单一技术处理导致的局限性;
(5)目前关于PEF在果蔬汁加工中的应用研究众多,但缺乏系统性,导致不同研究人员的结论缺乏规范可比性。现有的PEF设备、参数、介质,为不同操作和不同种类的果蔬汁制品单独设定PEF参数、完善PEF产品标准提供可能,进而促进了多个研究团队的协同合作与创新,推动PEF技术以及PEF加工果蔬汁的发展,早日赢得制造商、零售商和消费者的认可。
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