图1 高压静电场装置
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Fig.1 The device of high voltage static fi eld
[5]
王丽平 1，李 苑 1，余海霞 2，杨水兵 2，胡亚芹 1,2,*
（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，馥莉食品研究院，浙江省食品加工技术与装备工程中心，浙江省农产品加工技术研究重点实验室，浙江 杭州 310058；2.浙江大学舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）
摘 要：生鲜食品新鲜程度直接影响市场需求，其产后腐败带来的经济损失也不可估量，因此保鲜技术研究至关重要。高压电场在处理食品时具有无热效应、能耗极小、食品温度上升幅度小、对食品本身品质基本无影响等特点，是目前生鲜保鲜领域应用前景最好的技术之一。本文介绍了高压电场的基本原理，分别从膜电位、酶活性和微观质地等方面系统分析了其在果蔬、水产品和肉类食品中的保鲜作用机理，并进一步对高压电场未来的研究前景进行展望。
关键词：高压电场；机理；果蔬；水产品；肉类制品
随着社会的进步，人们的消费观念的转变，消费者对食品安全和营养愈加重视，生鲜食品的新鲜度成为购买时参考的重要因素，而我国因保鲜方法不当、物流冷链不到位等因素导致生鲜食品产后腐败高达生产总量的40%～50% [1]，由此带来的经济损失不可估量。近年来，运用在生鲜食品保鲜方面的方法主要有生物保鲜剂、化学保鲜法和物理保鲜法 [2-4]。其中高压电场在处理食品时具有无热效应、能耗极小、食品温度上升幅度小、对食品本身品质基本无影响等特点，是一种应用较为广泛的物理保鲜法。
目前电场保鲜中应用较多的是高压静电场和高压脉冲电场。高压静电场是一种人工综合效应场，普通低压电源（220 V）经电子线路处理后产生高频矩形波，再经整流、滤波、多谐振变换和多级倍压整流等电路，变换成连续可调的稳定直流高电压。电源正负极分别连接两块平行的电极板，通电后生成高压静电场。同时通过控制台调节输出电压或改变两极板间距离来调节电场强度，即E＝U/d（E为电场强度/（V/m）；U为电压/V；d为板间距/m）。高压静电场装置如图1所示 [5]。
图1 高压静电场装置
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Fig.1 The device of high voltage static fi eld
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图2 高压脉冲形成系统原理图
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Fig.2 Schematic diagram of high voltage pulse formation
[6]
高压脉冲电场主要包括电源装置、脉冲发生装置、示波器、样品处理室等系统 [7-8]。高压直流电源将220 V交流电通过变压器变成几十千伏的交流电，然后经过整流变成高压直流电；脉冲发生器中由高压直流电源向电容充电，贮存在电容器上的电能在高速电子开关的闭合瞬间向处理室释放。即普通电源经充电模块、能量储存模块、开关模块、升压模块和负载模块形成高压脉冲（图2）。不同的开关控制电路形成不同的脉冲形式，主要有方波、指数和交变脉冲3 种。处理室有平行盘式、线圈绕柱式、柱-柱式、柱-盘式、同心轴式等。脉冲电压、电流及波形可通过示波器监测，以期选择合适的参数使食品单位体积受到脉冲电场作用后能够保持产品新鲜度、延长货架期。
2.1 果蔬
2.1.1 改变果蔬细胞膜电位
一般认为，外加电场能够改变果蔬细胞中的跨膜电位。当离子穿过细胞膜时，可通过载体经两种驱动力进行跨膜运输：一是膜内外两侧本就存在的（浓度）化学梯度；二是由于透过膜的电荷运动所造成的电势梯度。这两种统称电化学梯度并决定着离子的运动方向 [9]。有研究表明电场会对细胞跨膜电位的影响，当外加电场强度与膜电位正方向相同时，膜电位差增加；当其与之相反时，膜电位差减小 [10-11]。膜电位的变化导致膜两边带电离子定向移动而产生生物电流，从而促进生化反应的进行。
李里特等 [12]曾将黄瓜和豇豆放置在场强为150 kV/m，温度为（9±1） ℃，相对湿度≥90%的电场中每天处理60 min，实验结果证明电场能较好地保持黄瓜瓜刺完好、减少失水程度并推迟豇豆锈斑出现和豇豆果皮的老化。Parniakov等 [13]利用高压脉冲电场处理反复冻融的苹果，发现果肉组织间渗透压分布均匀、质感更佳且果皮颜色持久。高压电场引起的去极化作用使它们细胞的膜电位差发生改变，从而改变了细胞代谢的生理过程，进而使得呼吸强度降低、衰老延迟。
2.1.2 影响果蔬呼吸系统电子传递
通常认为刚采摘的果实表面带正电荷，果芯内部带负电荷，且两者所带电荷等量异号。以苹果为例，在外加负电场的作用下负电荷向果芯堆积，同时使果皮表面失去更多的负电荷而带更多的正电荷，表现为果皮和果芯之间的电位差加大，电场感应加强 [14]。生物体内的氧化还原反应主要以Fe原子作为电子传递体，利用Fe 2＋和Fe 3＋之间的循环转变，从某反应物获得电子再传递给另一反应物，实现细胞内的生化反应。果蔬贮藏中调节呼吸作用强弱的氧化酶辅基是含Fe的有机物，当处于负电场中时，Fe 3＋极易得到一个电子变成还原态的Fe 2＋，即控制果蔬呼吸的酶在外加电场作用下以Fe 3＋为中心的构象发生变化，酶活力在一定程度上被降低，果蔬的呼吸作用减弱，其采后品质劣变速率减缓。
叶青 [15]利用100 kV/m场强的静电场每天对呼吸跃变型水果（苹果、桃和鸭梨）处理2 h，实验显示3 种水果贮藏中均出现明显的呼吸高峰，但它们呼吸强度的最大值与对照组相比都显著降低。另外，水果在成熟期内可溶性糖含量上升，但它作为果实呼吸作用的底物随着呼吸作用的进行而有所消耗。实验发现高压电场处理可抑制这3 种果实可溶性糖的积累，减缓了淀粉等物质向可溶性糖的转化。果实呼吸作用是经糖酵解后在有氧条件下通过三羧酸循环生成水和二氧化碳，这一过程中产生的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和H ＋不与游离氧分子结合，经呼吸链电子传递后方可结合。外加电场的作用下几种果实的呼吸强度总体趋势未改变，说明其未打乱原先的电子传递过程，只是减弱了电子传递的速率，从而影响NADH和H ＋与游离氧分子的结合，控制呼吸强度。Benkeblia [16]认为与传统的保鲜方法（冷藏、熏蒸和辐照）相比，高压脉冲电场能有效降低棕榈果呼吸速率、延长保质期。狄建兵等 [17]研究高压静电场对草莓采后生理的影响时发现，电场明显抑制草莓的乙烯释放，使草莓果实的呼吸强度降低，保持了草莓果肉最大破断应力。
2.1.3 水共鸣导致果蔬内酶失活
有研究表明水本身并非单纯的液体，而是具有一定构造的物质 [18]。从水的构造角度分析，外加能量场使水产生共鸣现象，引起水结构及水与酶结合状态发生变化，最终导致酶失活。另外一些学者认为水和其他物质一样具有固有的频率，若施加高压电场，水产生共鸣并改变构象，使酶失活或钝化 [19]。Leong等 [20]在研究利用脉冲电场使酶失活，从而降低胡萝卜切削力的实验中发现，胡萝卜样品经磷酸盐缓冲溶液预处理后放置于10 ℃低温环境中，施加高压脉冲电场后样品温度升高，当温度达到25 ℃时停止加压。当场强达0.8 kV/cm时，抗坏血酸氧化酶活力降低30%，过氧化物酶降低到8%～10%，胡萝卜块平行和垂直位上电流变化不同，即电场改变的微环境中水共鸣状态，使得这两种与呼吸作用有密切联系的内源性酶极易失活。刘振宇等 [21]利用高压脉冲电场对萝卜、胡萝卜和苹果进行预处理时发现电场强度和脉冲个数对VC氧化酶活性影响显著，从而可以有效保持VC的含量。当高压电场作用时，水的共鸣会间接引起酶分子活性部位的局部结构发生变化，如活性基团立体构型改变或其氢键、疏水键等受到破坏，从而导致酶的生物活性被钝化或丧失。
2.1.4 臭氧的作用
高压电场能够电离空气产生微量的臭氧，它具有一定的杀菌作用，同时会与果蔬释放的乙烯发生反应生成CO 2和水，抑制果蔬采后的成熟衰老，达到一定的保鲜效果 [22-23]。丹阳 [24]在探寻高压电场产生的臭氧对毛霉作用规律时发现，高压静电场产生的臭氧对毛霉有抑制作用：当场强为50 kV/m时，抑菌率为2.03%；当场强为100 kV/m时，抑菌率为3.74%；当场强为150 kV/m时，抑菌率为8.69%。随电场强度的升高，电场所产生臭氧对毛霉的抑制作用有所增强。臭氧虽能抑制毛霉菌生长，但效率较低，并不能满足工业杀菌的要求，可视为是对保鲜有益的补充。浆果柔软多汁，常温条件下很难贮存（比如葡萄），李明科 [25]建议利用高压放电形成离子空气和臭氧抑制其生理活性，延长贮藏期。蒋耀庭等 [26]采用高压静电场处理鲜切青花菜发现电晕产生的臭氧对其表面微生物有明显杀灭效果，和负离子结合能使青花菜释放出来的乙烯、乙醇、乙醛等气体氧化分解，延缓后熟和衰老。
2.2 水产品
2.2.1 细胞膜穿孔致细菌死亡
高压电场灭菌的机理已较为深入，其中最成熟的理论观点是细胞膜的电穿孔模型。外加电场作用下细胞膜跨膜电压将增加，超过其自身绝缘强度时会在膜上形成微孔；跨膜电压大过临界值，微孔变大，细胞膜穿孔至无法愈合，膜通透性增强，细胞内质流出导致细胞死亡 [27]。水产品中常见的致病微生物主要有副溶血性弧菌（Vibrio parahaemolyticus）、单核增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、沙门氏菌（Salmonella）、志贺氏菌（Shigella）、大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等 [28-29]。Dutreux等 [30]发现大肠杆菌和李斯特菌经高压脉冲电场处理后细胞表面变得粗糙，电子显微镜下可观察到细胞外膜部分破损致使细胞的细胞质外泄。Tao Xiaoyun等 [31]在研究高压电场对大肠杆菌和酿酒酵母的灭菌率时发现，电场对它们具有显著的灭活效果，可使细胞表面出现孔洞，且细胞内原生质体变形，细胞内蛋白质和核酸外渗，该结果也进一步支持了“膜穿孔”理论。Ko等 [32]发现罗非鱼在高压静电场中处理到第8天时实验组菌落总数比对照组低一个数量级，杀菌效果明显。
2.2.2 改变酶活性
鱼虾中含有丰富的酶类，与其自身的脂肪氧化、蛋白分解的速率密切相关。众多研究高压电场技术对酶活性影响的实验表明，酶的失活程度与酶的类型有关。不同的酶其活性部位和结构都不同，从而使得在相同的操作条件和介质条件下酶的失活程度也不同 [33]。钟葵等 [34]利用高压脉冲电场处理脂肪氧化酶，其二级结构特征负峰显著下降，三级结构荧光强度随电场增加而增大，可见电场既破坏了该酶的二级结构又改变了它的三级结构。褚江永 [35]发现电场对过氧化氢酶的三级结构没有影响，但是会改变过氧化氢酶的二级结构，改变其活性。电场使酶活性中心的结合基团局部构象改变或酶活中心的催化基团局部构象改变，从而影响酶催化活性，这些酶活力的降低有利于鱼虾的保鲜与贮藏。然而，并非所有的酶都会受到高压电场的破坏。最新研究表明，相比于对照组，高压静电场可以更有效地抑制罗非鱼肌动球蛋白的Ca 2＋-ATP酶活力下降（0.9 倍）且酶活力保持不变 [36]。
2.3 肉类
2.3.1 细胞膜穿孔致细菌死亡
高压电场对肉类的杀菌作用机理与水产品相似，借助两个电极之间的瞬时高压电场作用于微生物，使微生物的细胞膜遭到破坏，从而达到杀菌目的。高压电场在肉制品杀菌方面的主要指示菌种有乳酸菌、金黄色葡萄球菌、霉菌、大肠杆菌和酵母菌等 [37]。严志明等 [38]建立微生物的存活率与电场强度的数学模型发现当细胞的跨膜电位达到1 V左右，细胞膜就会被击穿形成小孔。酵母菌跨膜电位最易超过1 V被电场击穿，大肠杆菌对电场耐受力强一些，比酵母存活率高。陈文波等 [39]借助平板菌落计数、变性梯度凝胶电泳分析等手段分析高压静电场对白切鸡贮藏中微生物生长的影响。白切鸡中主要的腐败菌为假单胞菌，分离纯化后经电场处理也表现出了明显的生长抑制，货架期延长到5 d。
2.3.2 影响微观结构并改善质地
2.3.2.1 抑制冰晶生长
外加电场对极性水分子施加力矩的作用后可破坏其在分子簇中的平衡状态，能抑制水在降温过程中成核 [40]。采用低温保鲜方法对肉品进行保鲜时辅以高压电场处理，可以抑制冰晶生长趋势，控制冰晶成核大小。Xanthakis等 [41]通过增加高压静电场强度使猪里脊肉中冰晶成核的过冷度降低2.6 ℃，冰晶尺寸减小，对其周围的细胞机械挤压力减小，即高压电场有助于降低冰晶对肉的微结构的伤害，提高肉的保鲜品质。Zhang Xiangxiong等 [42]发现电场能促进冰核的形成且垂直于电场方向，说明单位时间和体积内能形成更多更细小的冰晶，从另一侧面说明外加电场能减小冰晶对肌肉微观结构的损伤。Mok等 [43]利用高压脉冲电场辅助冻结0.9%的氯化钠溶液发现高频率的脉冲能显著减低其相变时间，冰晶尺寸更小更均匀。
2.3.2.2 嫩化肉质
已有研究表明电场刺激能够是肌肉中肌纤维发生收缩舒张动作，在僵直期后促进牛、羊等肉的成熟 [44]。但Suwandy等 [45]采用不同电压和频率的高压脉冲电场处理牛肉，其中肌钙蛋白-T和结蛋白加速降解，牛肉剪切力减小19%，肉质明显嫩化。该研究团队随后深入地研究了肌原纤维蛋白的分布和宰后牛肉蛋白水解情况，经高压电场处理后牛肉保水率提高，并筛选出控制蛋白水解和肉质嫩化的最佳电场强度 [46]。Arroyo等 [47]在火鸡宰杀1 d内对胸脯肉进行间歇高压脉冲处理，其蛋白水解加快、脂质氧化减缓、肉质嫩化、颜色气味均符合感官要求。Faridnia等 [48]利用场强为140 kV/m，脉冲宽度为20 μs，频率为50 Hz的高压脉冲电场处理牛肉半腱肌，发现电场能极大地影响牛肉的保水性和肌肉微观结构，贮藏7 d后，牛肉的剪切力显著下降，肉质得到嫩化。Bekhit等 [49]利用对牛里脊肉反复施加高压脉冲电场（10 kV、90 Hz、20 μs），经过3 次处理的熟牛肉第3天剪切力降低，肉质嫩化，但若老化时间延长，效果会下降。姚薇等 [50]研究发现在肉糜解冻过程中施加高压静电场会降低肉糜的汁液流失率，食用品质更佳；在冻结和解冻过程中均施加电场会使肉糜的色泽更好。
除了生鲜食品保鲜，高压电场还可用于食品干燥、解冻、天然产物提取和酒的快速陈化等方面。季旭等 [51]为了使刚收获的玉米含 水量降至14%以达到安全贮藏标准，利用针-盘状高压电场干燥玉米，不仅电场能量利用率高于9.3%，且干燥效率是热风干燥的10余倍。Mousakhani-Ganjeh等 [52]利用高压静电场解冻金枪鱼，在提高解冻率的同时还可降低挥发性盐基氮水平，硬度和咀嚼性等质构指标无明显变化。Medina-Meza等 [53]发现经高压脉冲电场处理后，葡萄皮中花青素和类黄酮的提取量可提高数倍，生物活性及抗氧化性也相应提高。Yang Nannan等 [54]采用高压电场处理红葡萄酒，酒中的酚类化合物和花色苷含量增加、颜色更为诱人、感官品质提高、葡萄酒成熟速率加快。在食品领域之 外，高压电场也常被用于在育种、静电除尘、材料制备等方向 [55-57]。随着研究的深入，这一技术定会在更深更广的领域得到有效应用。
高压电 场保鲜是一种简单的物理保鲜过程，满足热敏性食品加工要求，能量使用率高，无药物残留，不会造成二次环境污染，因此该技术具有较好的工业化前景。但要大范围的推广和应用，仍存在一些问题有待解决：由于电压较高，具有一定危险性，操作人员要具备一定的物理电学知识进行自我防护；若环境湿度较大，电场容易击穿造成短路，损坏仪器；如电极直接与食品接触，为防止金属离子迁移对电极材料的耐腐蚀性有严格要求等。
高压电场对生鲜食品保鲜作用主要体现在它的杀 菌效果上：一方面，高压电场电离空气产生微量的臭氧起到一定杀菌作用；另一方面，外加电场能使微细胞膜穿孔且无法愈合，细胞内质流出导致微生物死亡。其次，外 加电场可引起细胞膜电位差发生改变，从而减缓细胞代谢生理过程。对水产品而言，高压电场改变了自身酶活性并减缓其脂肪氧化和蛋白分解速率。除灭菌作用，高压电场主要通过抑制冰晶形成、嫩化肉质提高肉类产品的保鲜品质。目前，高压电场在果蔬保鲜方面应用较为成熟，但对水产品和肉制品的研究不多，若能进一步加强对蛋白组学、酶活性、微观结构等方面探索，将对其加工、运输、销售、出口等产生深远影响，带来更多经济效益。
此 外值得关注的是，近年来在生物和医学领域积极研究电场放电和电穿孔灭菌现象，相关研究 利用聚合酶链反应法分析发现把电场施加到副溶血性弧菌等病原性细菌上会影响其核糖核酸表达，进一步影响致病性 [58]。这表明将来有望通过电场控制基因表达，开发新型功能性食品。基于高压电场改变细胞膜通透性的机理，即膜电现象，将来有希望通过生物炼制进行材料解构、植物化学物质提取、发酵和沼气生产等，实现食品、化 工、燃料等生物经济的可持续发展 [59]。
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Progress in the Knowledge of the Preservation Mechanism of Raw Fresh Foods by High Voltage Electric Field
WANG Liping
1, LI Yuan
1, YU Haixia
2, YANG Shuibing
2, HU Yaqin
1,2,*
(1. Zhejiang R&D Center for Food Technology and Equipment, Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing, Fuli Institute of Food Science, College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Ocean Research Center of Zhoushan, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)
Abstract：The market demand is directly affected by food freshness and the post-harvest spoilage of raw fresh foods, which causes incalculable economic losses and therefore motivates the development of preservation technologies. High voltage electric fi eld (HVEF) is a safe and environment-friendly technology for food processing. HVEF is one of the most promising technologies to preserve raw fresh foods that requires very small energy consumption with no heat effect and only a small temperature increase in the processed foods and causes little effect on the quality of the foods themselves. This manuscript outlines the basic principle of HVEF and provides a systematic elucidation of its mechanism for preserving fruits and vegetables, aquatic products and meat products with respect to membrane potential, enzyme activities and microstructure. Furthermore, future research prospects are discussed.
Key words：high voltage electric fi eld; mechanism; fruits and vegetables; aquatic products; meat products
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201703044
中图分类号：TS205.9
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）03-0278-06
引文格式：
王丽平, 李苑, 余海霞, 等. 高压电场对生鲜食品的保鲜机理研究进展[J]. 食品科学, 2017, 38(3)： 278-283. DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201703044. http：//www.spkx.net.cn
WANG Liping, LI Yuan, YU Haixia, et al. Progress in the knowledge of the preservation mechanism of raw fresh foods by high voltage electric field[J]. Food Science, 2017, 38(3)： 278-283. (in Chinese with English abstract)
DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201703044. http：//www.spkx.net.cn
收稿日期：2016-03-31
基金项目：浙江省重大科技专项计划项目（2014C02017）；舟山市科技计划项目（2015C51023）
作者简介：王丽平（1992—），女，硕士研究生，研究方向为水产品加工。E-mail：zacamille@163.com
*通信作者：胡亚芹（1972—），女，教授，博士，研究方向为水产品加工。E-mail：yqhu@zju.edu.cn