高压脉冲电场提取食品中天然产物的研究进展

卢沿钢 董 全，2

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.西南大学国家食品科学与工程实验教学示范中心，重庆 400715）

高压脉冲电场提取食品中天然产物的研究进展

卢沿钢1董 全1，2

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.西南大学国家食品科学与工程实验教学示范中心，重庆 400715）

高压脉冲电场是当今国际上最热门、最先进的杀菌技术之一，它通过改变细胞的渗透性，而引起细胞死亡或加快细胞内溶质的扩散。目前已将PEF的非热加工机理应用于天然产物的提取中。文章介绍PEF在天然产物提取中的作用原理及其影响因素，主要综述其提取作用在食品工业中的应用，为PEF在天然产物提取方面的研究提供参考。

高压脉冲电场；非热加工；提取；天然产物

高压脉冲电场（pulsed electric field，PEF）是一种非热处理技术，具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等特点，是近几年来国内外研究的热点［1］。自从发现利用电场处理微生物的过程中并不存在热力学效应起，人们最早对于高压脉冲电场的研究主要集中在对于低温灭菌技术的研究上［2］。目前PEF技术在食品工业中得到了广泛的应用，如干燥效果的提高、酶的灭活、果蔬的保鲜和食品的解冻等，其中PEF技术在天然产物提取方面的应用引起了国内外众多学者的关注，关于PEF提取作用的研究也日益增多。

1 PEF的作用原理及其装置图

1.1 PEF的作用原理

天然产物（尤其是胞内物）的提取，取决于外界条件对细胞壁损坏的程度，传统的破壁方法有物理法、化学法和生物法，PEF作为一种新的破壁技术，具有时间短、能量需求低、快速传质等特点。目前PEF处理技术的精确的机制还未被完全了解，许多学者都提出过自己的理论，Qin等［3］提出了电磁机制模型，Sato等［4］提出了电解产物效应模型，Somkuti等［5］提出了粘弹极性形成模型等，但是许多研究认为细胞膜受损伤才是主要原因，具有代表性的是电介质破坏理论与电穿孔理论。

Zimmermann等［6］提出电动机械模型，即电介质破坏理论，可以解释高压脉冲电场技术引起细胞膜上产生小孔的原因。在这个模型中，细胞膜被看作是一个绝缘的材料，阻隔了膜两边的离子和自由电荷。膜两边的自由电荷由于浓度差而产生了跨膜电压，这种情况存在于自然生物细胞内。当对细胞施加一个外加电场时，细胞内的自由电荷就会人为的积聚在膜的两侧，正负电荷被隔离，使跨膜电压增加，并且跨膜电压增加的幅度与外加电场的强度成正比。同时，正负电荷具有相互吸引作用，促进膜的压缩，这些因素累加后，当外加电场达到一定的限度时，就容易损伤细胞膜。Zimmermann［7］通过试验研究发现当跨膜电位将近1V（临界跨膜电位）时，细胞膜就会发生损伤，并且膜上小孔的形成会使细胞膜的通透性增加，允许细胞内外物质的交换，引起渗透的不平衡，加剧细胞的裂解。

Tsong等［8，9］从液态镶嵌模型出发，提出电穿孔理论，认为蛋白质形成的通道打开和关闭时的电位大约是50mV，这是低于临界跨膜电位的。PEF处理时，生物细胞细胞膜上的大部分蛋白质通道将会打开，随后高电压引起的高电流和高阻热将使通道变性。将细胞膜暴露于高压电场中会导致其脂质部分形成疏水和亲水的孔隙，亲水性的孔隙会引导产生高电流和局部热量，热量的产生或电位的变动，或孔隙的形成均会使蛋白质通道发生不可逆的变性。同时温度的升高会使脂质双分子层上的热量从凝胶构造传递到脂质晶体构造，这也会减弱细胞膜半渗透的功能。变性会使蛋白质通道永远保持打开，细胞内外发生流动性交换，细胞内的物质和细胞器流失，小分子物质进入细胞，使渗透不平衡而引起细胞体积膨胀，最终使细胞膜破裂，细胞死亡。

1.2 PEF的装置简图

PEF处理系统中最基本的元件包括高压脉冲发生器、处理室、液体控制系统和指挥控制系统4个部分（图1），另外根据需要还可以加上加热和冷却装置。高压脉冲发生器主要是负责提供高压脉冲的波形及电场强度；处理室最基本的功能是作为待处理样品的存放空间，并可直接接受脉冲电场；连续式PEF系统都配置有导管和泵（液体控制系统），它们主要负责已经处理或未处理样品的传送；PEF系统通常和电脑相连，这就是指挥控制系统，在电脑上可以实现设备参数的设置，控制电闸及数据记录等功能。

图1 PEF处理系统装置简图Figure 1 The device figure of PEF treatment system

2 PEF在天然产物提取中的应用

2.1 直接提取天然产物

PEF是一种有效的破解生物细胞膜的方法，具有无需加热、所耗时间短、连续性操作强等诸多优势，可以很好地保持天然产物的活性，成为了提取天然产物最理想的方法之一。目前，PEF技术在蛋白质、糖类、脂类和核酸等生物活性物质的提取都已有应用。

Ganeva等［10］在流动系统中用PEF法提取酵母细胞内的酶，研究表明在不需要任何前后处理情况下，PEF处理能将80%～90%的活性酶释放出来，添加二硫苏糖醇能加快β－D－半乳糖苷酶的提取速率。Yin等［11］用PEF技术从中国林蛙中提取林蛙多糖，结果显示用0.5%KOH提取液，结合电场强度20kV／cm和脉宽6μs的PEF提取时，可以得到最大的提取率（55.59%），对比PEF法与碱法、酶法、复合酶法在林蛙多糖提取率和总糖含量方面的差异时发现，PEF法的林蛙多糖提取率和总糖含量均高于其它3种方法，其提取率是复合酶法1.77倍，总糖含量高于复合酶法26.34%，而且提取物中杂质少。Yin等［12］用PEF方法对桦褐孔菌中的白桦脂醇进行了提取，研究表明用75%溶剂结合PEF技术能够对白桦脂醇进行有效的提取，与传统方法相比，能增加20%的产量和节省许多时间。Ohshima等［13］用PEF处理重组大肠杆菌使其释放核酸分子，以提高质粒DNA的制备，结果表明PEF法提取核酸分子可以在1min内完成，这比任何普通方法所耗的时间都要短。Yin等［14］研究PEF对提取牛脾脏中DNA的影响时，发现PEF能加大DNA提取的速度，有效地缩减提取时间，其提取率是未经PEF处理对照组的两倍。

Fincan等［15］研究红甜菜中红色素的固液萃取时，将甜菜薄片置于电场强度1kV／cm、矩形脉冲数270、脉宽10μs、能量提供7kJ／kg的PEF下处理，最终甜菜中的总红色素与离子物质释放率可达90%。Puértolas等［16］用PEF提取处于发酵阶段葡萄酒中的花青素和酚类，研究发现用电场强度5kV／cm，供给能量3.67kJ／kg，脉宽10μs的PEF处理红葡萄酒（赤霞珠品种）后，其花色苷和总酚浓度分别高于未经PEF处理组的34%和40%，提取率随电场强度的增加而升高。殷涌光等［17］研究PEF提取等外绿茶中茶多糖、茶多酚和茶咖啡碱时发现，在不同pH值的缓冲溶液下，3种物质的最大提取率是水提法的1～2倍。

2.2 辅助提取

与微生物细胞相比，PEF对较大植物和动物细胞具有更强的作用，更容易使它们的膜蛋白变性而改变细胞的通透性。PEF处理会使细胞内容物的提取与表达效果提高，能提高目的产物的产量。近年来，许多学者研究了PEF法在糖、果汁等的提取中的辅助作用。

2.2.1 辅助提取甜菜中的糖分 Eshtiaghi等［18］讨论了PEF预处理对甜菜榨汁的影响，先将甜菜切成较大的块后，用PEF（电场强度2.4kV／cm，频率1Hz，脉冲数20）处理后，再切成不同形状小片（5～10cm的V形条、1mm长5～7cm的小块和长约为1mm的细块），最后在液压为2，5，30MPa下进行一步、两步或三步的压榨提取，结果表明PEF预处理可以显著提高V形条和小块甜菜果汁的产率，但对细块的却不太明显。El－Belghiti等［19］研究了PEF辅助前处理对提取甜菜中的糖的最佳参数，他们将甜菜切成小片后再用PEF在低温下（1～10℃）处理，最后在室温下进行水溶剂搅拌提取，研究表明PEF前处理能显著提高甜菜糖的提取率，PEF最佳参数是电场强度940V／cm，脉冲数240，耗能6～7kJ／kg，搅拌速度250r／min。López等［20］研究PEF处理在不同温度下（20～70℃）对甜菜中蔗糖的提取动力学的影响，研究表明固－液萃取效率不受频率、脉冲宽度和脉冲波形影响，而是取决于电场强度和提取媒介的温度，蔗糖产量随着电场强度，提取时间和温度增加而增加，用脉冲数目20与电场强度7kV／cm的PEF处理，在20，40℃温度下与非PEF处理的样品相比，最高产量分别提高了7倍和1.6倍。Loginova等［21］用PEF辅助“低温”（T为30，50 ℃）提取甜菜中的糖分，并与传统的“高温”（T为70℃）的提取进行了比较，结果表明，应用PEF辅助“低温”提取时，胶体杂质浓度较低（尤其是果胶），着色浅，甜菜汁的过滤性好，各种着色剂及其中间体的浓度随着提取温度下降而显著降低。

2.2.2 辅助提取苹果汁 Barsotti等［22］研究发现将苹果捣碎后再使用PEF技术进行处理，可以提高苹果汁的产率，产量会从67%提高到73%，而且苹果汁的颜色更清澈。Bazhal等［23］研究了电渗（EO）和适度的脉冲电场（PEF），对辅助压榨苹果汁的影响，研究表明两种处理都能显着增加苹果的出汁率，而EO处理要比PEF处理耗能高50～100倍，处理过程中会发生明显的电解和欧姆加热，PEF处理没有这些缺点，还能降低果汁的着色。Bazhal等［24］还研究了脉冲电场（PEF）联合压榨处理对经过细切苹果原料的果汁产率的影响，该研究表明不论在什么阶段用进行PEF处理，都能提高果汁的产量，苹果切片后进行两次压榨，中间穿插PEF处理所得果汁的质量最好。Lebovka等［25］研究PEF结合热处理对苹果组织结构和苹果汁表达特性的影响时发现轻度热处理结合PEF技术，能显著的破坏苹果的组织，通过对比单独使用PEF处理和热处理对果汁产量的影响，发现PEF处理更能明显提高果汁的产量，苹果组织在中温（323K）下结合PEF（电场强度约500V／cm）预处理，最后压榨，果汁的提取率明显提高。

2.2.3 辅助提取其它成分 Grimia等［26］采用PEF处理结合不同组合的清洗和压榨程序从胡萝卜片中提取其物质成分，结果表明PEF能增加胡萝卜的出汁率和糖度，但是这些影响只见于初始损伤程度较小而且较大的胡萝卜片，PEF的处理时间会影响其萃取动力学、果汁浊度和含糖度。在清洗－压榨或压榨－清洗－压榨程序之前用PEF进行处理，可以获得最大的提取率和高纯度果汁。Yin等［27］用高强度脉冲电场（PEF）从骨头里辅助提取了可溶性钙，研究发现可溶性钙提取量在一定范围随脉冲数和电场强度的增加而加大，在电场强度70KV／cm和脉冲数12的PEF处理条件下，可溶性钙的含量可达4 324.8mg／L，PEF辅助提取明显优于煎煮法和微波法。López等［28］研究PEF和其它操作参数对提取红甜菜中甜菜碱的影响时发现用电场强度7kV／cm，脉冲数5和脉宽2μs的PEF处理时，样品在300min内可释放出90%的甜菜碱，比未经过PEF处理样品的提取速率快5倍。Moubarik等［29］研究了PEF辅助水溶液萃取小茴香中溶质，结果表明PEF处理能显著提高茴香溶质的提取，采用电场强度350V／cm和脉冲数350的PEF处理，能获得最大的溶质出汁率（98%）。Loginova等［30］讨论了温度 （T为30～80℃）对于经过或未经过PEF处理红甜菜中色素的降解及其提取动力学的影响，研究证实PEF处理能有效的加速红甜菜色素提取从而减少提取时间。热处理在加速色素提取的同时，色素的降解也在加快，例如未经PEF处理的样品，若要得到较高的提取率（80%），就需升高温度，但色素的降解会加速（降解率为40%～60%）。PEF辅助提取能够克服以上缺点，它能加快色素在低温下的扩散，获得较高的提取率和较低的降解率。

3 天然产物提取中影响PEF作用的因素

3.1 PEF设备的参数

3.1.1 电场强度 PEF的电场强度是影响天然产物提取效果的重要因素之一［4］，因为增加电场强度能够增强对细胞组织的破坏［30］。但研究［31］表明采用PEF技术提取时，电场强度、脉冲数不宜过大，随着处理强度和时间的延长，提取率反而下降，其原因是较大的电场强度和较长处理时间会使大分子物质的空间结构断裂，从而影响细胞大分子物质的提取率［32］，并且高电场强度会造成所处理液体的绝缘效果变弱而产生火花和不利反应［33］。

3.1.2 处理时间 脉冲宽度是指脉冲持续的时间，数值上等于脉冲宽度与脉冲个数的乘积。当外界电场大于或等于临界电场强度时，适当地增大脉冲宽度或脉冲个数能提高处理效果。但长时间的脉冲易引起电解反应和电极沉淀［34］，为了防止出现上述情况，进行PEF处理时最好选用短脉冲并控制好处理时间。

3.1.3 脉冲波形 PEF技术中常用的脉冲波形有两种：矩形波形与幂减波形，两种波形都能以单极或双极的方式存在，一般认为矩形脉冲要优于幂减脉冲。有研究［35］表明对于两种波形而言，双极波都要比单极波更有效。

3.2 作用物质的性质

作用物质的性质包括物质的材料性质与作用介质条件两个方面。生物材料性质是指生物的种类、细胞的大小以及生物材料的电导率和电阻等，如体积越大的细胞对高压脉冲电场越敏感，这是因为细胞尺寸大小与电场在膜上诱导产生的电场强度成正比［36］。作用介质条件主要包括提取溶剂的温度、pH值、离子强度、电导率和黏度等。提高介质温度也能增加提取率，因为温度升高会导致细胞壁分解，从而加快构成细胞壁或膜成分物质的提取，如寡糖与多分子聚合物［21］。

4 展望

作为一种新兴的提取技术，PEF大多数的研究还处于实验室阶段，距离商业化还有一定的距离。应该将PEF与其它学科紧密结合，进一步优化条件，扩大试验规模，争取早日将其应用到实际生产中。

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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

重庆市科技攻关项目（编号：CSTC2010AC1008）

卢沿钢（1987－），男，西南大学在读硕士研究生。E－mail：luyangang00＠163.com

董全

2011－11－01