高压电场技术在食品加工中的应用研究进展

杨宇帆,陈 倩,王 浩,孔保华

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

随着食品工业的不断发展,食品加工技术得到了不断的优化与改进。同时,消费者也对食品品质提出了更高的要求,非热加工处理技术能够在保证食品安全的同时最大限度地保持食品原有的品质,因而受到了越来越多的关注。高压电场是一种重要的非热加工处理技术,由于其在处理过程中无热效应,故可应用于热敏性食品的加工。此外,食品加工中加热和制冷的过程通常涉及到产品和空气之间能量的传递,这些对流过程如干燥或冷冻需要较大风量、较高风速和特定的环境温度,而这会大大增加对能源的需求和消耗。高压电场技术能够在低能耗的情况下增强热量传递,缩短加工处理时间,从而降低生产成本。

图1 高压静电场装置Fig.1 The device of high voltage electrostatic field

图2 高压脉冲电场装置Fig.2 The device of high voltage pulsed electric field

高压电场技术于20世纪90年代就开始应用于食品加工领域。与传统的热加工技术相比,高压电场作为一种非热处理技术,最大限度地保留了食品的营养成分和风味,因而在众多的加工技术中脱颖而出,但最初仅限于食品杀菌和辅助食品解冻。随后,一些学者开始对高压电场技术进行研究,并将其在食品加工领域进行拓展应用,目前其应用范围包括食品杀菌[1]、物料干燥[2]、辅助冷冻解冻[3]、提取食品生物活性物质[4]等。该技术不仅应用广,而且在食品加工中展现出了巨大的优势,包括能耗小、效率高、无污染、对食品品质无影响等,因而在食品工业中具有很大的应用潜力。本文主要概述了高压电场技术的基本原理和高压电场对食品组分的影响,且该技术在食品加工中的应用研究进展及作用机制。

1 高压电场技术原理概述

食品加工中的高压电场技术可分为三类,包括高压静电场、高压脉冲电场和高压放电。高压静电场是一种人工综合效应场,先是低压电源经过电子线路处理产生高频矩形波,然后再经过整流、滤波、多谐振变换和多级倍压整流等电路,最终变换成稳定的直流高电压。使用时将高压电源加在两块平行的极板之间,即形成高压静电场。同时可通过调节控制器改变输出电压或极板间距离调节电场强度[5]。典型的高压静电场装置如图1所示。

高压脉冲电场是通过高压脉冲电源在两个电极之间形成脉冲电场,然后对两电极间的物料反复施加高电压的短脉冲进行处理。脉冲电场装置主要由高压脉冲发生系统和高压脉冲处理室组成,处理系统的脉冲有方波、指数衰减波、振荡波以及双极性波等;处理室有平行盘式、线圈绕柱式、柱-柱式、柱-盘式、同心轴式等[6-7]。典型的高压脉冲电场处理装置如图2所示。

高压放电是指电流从具有高电位的电极流入中性流体的过程,通过电离该流体,在电极周围形成等离子体区域。高压放电可发生部分或完全击穿,这两者在食品工业中均有应用。气体介质中的局部放电包括辉光放电、介质阻挡放电和电晕放电,其中电晕放电在食品工业中应用较为广泛[8]。

2 高压电场技术对食品组分的影响

食品中主要的组分包括蛋白质、脂质、碳水化合物等,这些组分直接影响到了食品的营养价值和风味。高压电场技术作为一种非热处理技术,凭借其众多优势,在食品加工领域得到了广泛的应用。但与此同时,其对食品组分的影响和安全性也引起了越来越多的关注。

2.1 高压电场技术对蛋白质的影响

高压电场能够影响蛋白质基团间的静电相互作用,因而会改变蛋白质的结构和功能。但从整体上来看,其对蛋白质的影响并不显著。Zhang等[9]利用脉冲电场对油菜籽进行预处理,发现处理后油菜籽蛋白的溶解度、持水能力、乳化能力、起泡性、泡沫稳定性等有显著地提升,同时蛋白质的二级和三级结构发生改变。类似地,赵伟等[10]研究了脉冲电场处理对蛋清蛋白功能性质的影响,发现25～35 kV/cm处理100～800 μs可引起蛋清蛋白结构改变,同时蛋清蛋白的起泡性和乳化性提高。当电场强度和处理时间进一步增加时,蛋白结构改变程度增加并形成蛋白质聚集体,最终导致蛋白质起泡性和乳化性下降。另外,一些研究表明脉冲电场能够通过破坏酶的二级和三级结构影响酶的活性[11-12]。

2.2 高压电场技术对脂质的影响

一些研究表明,高压电场处理会引起油脂、脂肪酸发生一些变化。曾新安等[13]利用脉冲电场对花生油进行处理,发现电场处理后的油脂在贮藏期间的氧化速率降低,酸败产物减少,当电场强度大于40 kV/cm时能在一定程度上保留脂质中不饱和脂肪酸及其营养价值。同样,梁琦等[14]研究了脉冲电场处理对油酸理化性质的影响,发现处理前后油酸的酸价无明显变化,过氧化值显著升高,碘价波动很大。在贮藏期间,油酸的过氧化值随着处理强度和贮藏时间的增加显著增大,而碘价在贮藏2 d后下降。目前,大部分研究表明高压电场对于脂质的氧化有一定影响,但由于脂质氧化过程较为复杂,仍需研究人员对其进行深入地研究与探讨。

2.3 高压电场技术对其他成分的影响

除蛋白质和脂质外,碳水化合物和维生素等对食品品质也具有重要影响。张鹰等[15]研究了脉冲电场处理对脱脂牛乳的影响,发现电场处理后牛乳中的乳糖含量几乎不受影响。Rivas等[16]利用脉冲电场对牛乳橙汁复合饮料进行处理,发现处理后样品中维生素在储存期间的稳定性显著提高,在60 d后仍可保留90%。

3 高压电场技术在食品加工中的应用

3.1 食品杀菌

食品的杀菌保鲜在人们的日常生活中有着非常重要的作用,食品的新鲜度不仅反映了食品的品质,还严重影响到其商业价值。常规的食品保鲜方法包括气调保鲜、低温保鲜、辐照保鲜、超高压保鲜等[17],但这些方法不仅效率低且能耗较大。高压电场技术由于其效率高、能耗小、无热效应、对食品品质基本无影响等特点,在食品保鲜领域具有较为广阔的应用前景。目前在食品保鲜中使用较多的高压电场技术是高压脉冲电场。

3.1.1 食品杀菌的机理 食品的保鲜主要通过杀菌和灭酶两种方式实现,高压电场则主要通过杀菌对食品进行保鲜。目前,普遍认同的杀菌机理是细胞膜的电穿孔杀菌理论,即在外加电场作用下,细胞膜跨膜电压逐渐增加,细胞膜变薄并形成微孔。当跨膜电压继续增加至超过临界值时,细胞膜发生崩解并导致细胞死亡[18-19]。

3.1.2 在食品杀菌方面的应用 高压脉冲电场主要应用于对液体或半固体食品的杀菌保鲜,如牛乳果汁等。丁宏伟[20]使用高压脉冲电场对牛乳进行杀菌,发现电场强度、温度和脉冲数都显著影响杀菌效果,且杀菌效果与这三个因素均呈正相关,最终通过正交试验确定了最优方案(电场强度为70 kV/cm,脉冲数为6,杀菌温度为70 ℃),在该条件下,乳中的微生物全部被杀灭。此外,赵瑾等[21]使用高压脉冲电场对梨汁进行杀菌保鲜,发现当电场频率为200 Hz,电场强度为30 kV/cm,处理时间为240 μs,温度为10 ℃时,梨汁中的大肠杆菌和酵母菌的数量分别下降4.6、2.7个数量级,并且提高温度可使微生物致死率进一步提高。陶晓赟等[22]研究了高压脉冲电场对蓝莓汁的杀菌效果,发现随电场强度和处理时间的增加,脉冲电场对蓝莓汁中大肠杆菌的杀灭效果增强,并且蓝莓汁的色泽、风味和营养成分不受影响。

3.2 食品物料干燥

干燥是一种古老的食品保藏技术,它可以充分降低水分活性,防止细菌滋生。食品加工中常用的干燥方法包括空气干燥和冷冻干燥,空气干燥效率低且加工时间较长,而冷冻干燥设备造价和运行费用都比较高,不利于大规模普及和使用[23]。干燥过程空气的温度和流速是影响干燥速度的重要参数。空气温度和流速的增加能增大传热和传质系数,加速干燥过程。但是,空气流速的增加通常是有限的,并且食品长时间暴露于较高温度可能会导致品质发生变化,例如褐变等。此外,空气温度和流速的增加会增加耗能,使生产成本增加。因此,在保证产品质量和安全性的同时,应优化空气流速和温度等能源方面的成本。

3.2.1 干燥物料的机理 高压电场作为一种新型干燥技术,对物料的色泽、营养成分、外形具有良好的保持效果。高压电场干燥与通常的加热干燥的“传热传质”的干燥机理截然不同,它与物料及其中所含水分的接触是靠高压电场,而不是直接与电极接触。

高压电场加速物料干燥主要是依靠不均匀高压电场产生的离子风对物料表面产生的冲击作用,即由于不均匀高压电场的作用,离子以一定的速度离开电极向接地电极运动。离子运动过程中与附近区域的其他气体分子发生碰撞,并带动其他分子一起做定向运动,最终形成具有一定速度的离子风。由于离子风的冲击,使物料表面水分蒸发加快,物料内部水分向表面的移动也加快,从而加快了物料的干燥速度[24]。

3.2.2 在食品物料干燥方面的应用 高压电场干燥物料过程中,不同的电场条件对干燥速率有很大的影响。白亚乡等[25]研究了不同电场条件对豆腐干燥速率的影响,发现采用线电极和针电极能获得较大的干燥速度,并且在相同电压下负高压大于正高压。同样,丁昌江等[26]采用不同的电极和电压对熟牛肉进行干燥试验,发现高压电场能够提高牛肉的干燥速率且干燥速率随电压升高而增大,针状电极对应的干燥速率大于平板状电极,并根据试验结果建立了干燥模型。此外,有研究发现高压电场干燥不仅能够加快物料的干燥速率,并且还能较好保持产品色泽[27]。

3.3 辅助食品冷冻

为了延长食品的保质期,食品加工中经常采用冷冻的方式。冷冻过程会对食品品质产生影响,这主要取决于冰晶的形成过程。冰晶颗粒的大小、生成速度以及分布的均匀程度都会影响冷冻食品的品质。在使用传统的冷冻方法时,食品中细胞内外溶液浓度不同,结晶所需的过冷度不同,使胞内结晶难以生成,胞外结晶不断生长直至破坏细胞结构,对食品品质造成不利影响[28]。此外,常规的冷冻方式冻结速率慢,易形成大体积冰晶并造成食品细胞结构的损伤,最终使食品品质下降[29]。而高压电场辅助冷冻不仅能缩短冷冻时间,还减小了冰晶的尺寸,从而最大限度地保持了食品的品质。

3.3.1 辅助食品冷冻的机理 高压电场辅助冷冻主要在静电场下进行,在冷冻期间将直流电源产生的高压电场施加到放置在两个电极之间的食品上。静电场能够影响水分子中氢键,因而会改变水的结晶过程。在静电冷冻条件下,电场能够诱导冰晶的形成,加速冻结过程。同时电场能够减小冰晶的尺寸使冰晶细小均匀,从而使食品中的细胞在冷冻过程中受到机械损伤减小,进而改善冷冻食品的质量。

3.3.2 在辅助食品冷冻方面的应用 目前,高压电场辅助冷冻主要应用于肉类。Xanthakis等[30]研究了在不同电压条件下高压静电场辅助冷冻猪肉的效果。结果表明,随着静电场强度的增加,肉的过冷度降低,冰晶尺寸也明显减小,因而肉微观结构的损伤较小,最终提高了冷冻猪肉的质量。此外,Dalvi-Isfahan等[31]研究了不同电场强度解冻对羔羊肉品质的影响,他们发现随着电场强度的增加,肉的液滴损失减少,在5.8×104V/m电场下肉的平均冰晶尺寸减小了60%,从而较好地保持了肉的品质。

3.4 辅助食品解冻

冷冻的食品在食用之前必须经过解冻过程,然而食品在解冻过程却经常会出现食品品质下降的现象,例如色泽和风味的变化。因此,在解冻过程尽可能使食品保持原有的新鲜状态是至关重要的。传统的解冻方法包括空气解冻法和水解冻法等,但是相对都存在一些弊端,例如水解冻法会导致冻肉水溶性营养物质流失,微生物污染等[32],这将会严重影响到食品的品质。因此,冷冻食品需要一种快速且能够最大限度保持食品品质的解冻方法。高压静电场解冻不仅解冻速度快、耗能低、营养物质损失少、且能够很大程度保持食品原有的新鲜程度[33-34]。

3.4.1 辅助食品解冻的机理 高压静电场加快解冻过程的机理目前尚不十分清楚,主要认为可能是以下两方面[35]:第一,由于电晕放电而形成的离子风的作用。离子风中存在大量高速运动的带电粒子,当这些粒子与冰表面相撞击时,其携带的能量就会被冰表面上的水分子吸收,因此这些水分子的动能会有所增加,从而使解冻速度加快。同时,这些带电粒子的沉积也会提高冰的导热速率,使其快速从周围环境中吸收热量,提高解冻速度。第二,由于电场的作用加快了冰中氢键的断裂,使冰以小冰晶形式存在,并很快转化为液体状态,从而加快解冻过程。

3.4.2 在辅助食品解冻方面的应用 在肉类方面,唐树培等[36]研究了不同电场强度解冻对羊胴体的影响,发现随着场强的增加,解冻时间缩短,汁液流失率降低且羊胴体解冻后的色泽新鲜。实验获得的最优场强为12.5 kV/m,使解冻时间缩短11.1%,汁液流失率降低49.6%,微生物菌落总数减少了一个数量级。Li等[37]研究了不同解冻方法对鲤鱼品质的影响,发现12 kV电压解冻时间最短,显著降低了鱼肉的微生物数量和水分损失,并且提高了AMP-脱氨酶活性,降低了酸性磷酸酶(ACP)活性,延缓了肌苷一磷酸(IMP)的降解。此外,也有研究表明高压电场辅助解冻不仅缩短解冻时间,还提高了肉中蛋白的溶解性和持水性[38]。在果蔬方面,郭衍银等[39]研究了高压静电场解冻对速冻冬枣品质的影响,发现电场强度为100 kV/m时解冻效果最好,解冻后冬枣的硬度、水分含量、有机酸含量、VC含量和可溶性糖含量均高于对照组。

3.5 辅助提取食品生物活性物质

许多植物性食品基质中含有丰富的生物活性物质,如多酚、多糖等。这些生物活性物质对人体健康具有很大的影响[40-41]。然而在通常情况下,这些生物活性物质的提取效率较低,因此需要采用一些方法进行辅助提取。

基于细胞膜穿孔理论,高压电场能够引起细胞破损,增强从细胞质中提取生物分子的传质过程,因此可用于辅助提取生物活性物质。Kantar等[42]利用脉冲电场辅助柑橘、柚子和柠檬榨汁,发现电场处理后果汁中的多酚含量明显增加,并且榨汁率也均有所增加。同样,Grimi等[43]用脉冲电场辅助压榨苹果汁,发现经脉冲电场处理不仅使果汁中可溶性总物质和多酚含量增加,还使果汁透明度显著提高。此外,有研究发现高压电场也能够辅助一些食品副产物提取生物活性物质,提高其利用率。Boussetta等[44]使用高压放电辅助提取葡萄渣中的溶质和多酚,发现高压放电辅助提取显著提高溶质和多酚的提取率,与对照组相比,溶质的提取率提高4倍,多酚提取率提高30%。Yan等[45]研究了连续高压放电辅助提取花生壳中黄酮类化合物,结果表明高压放电辅助提取比温浸法提取效率高,且对黄酮类化合物的组成没有影响。同时,也有研究表明高压放电和酶水解提取能够有效地结合,从而提高生物活性物质的提取率[46]。

3.6 其他方面应用

一些研究表明高压电场还具有嫩化肉质、加快腌制、降解农药残留等作用。Suwandy等[47]采用不同电压和频率的高压脉冲电场处理牛肉,发现肉中肌钙蛋白-T和结蛋白的降解速度加快,并且剪切力减小了19%,从而使肉质明显嫩化。Mcdonnell等[48]在腌制猪肉之前采用脉冲电场进行预处理,发现高压电场处理能够加快盐的扩散,从而加快了肉的腌制过程。Chen等[49]利用高压脉冲电场处理苹果汁,发现脉冲电场能显著降解苹果汁中残留的甲胺磷和毒死蜱,并且降解作用随电场强度和脉冲数的增加而加强。在食品领域外,高压电场技术也被用于农作物灭虫、育种等[50]。

4 结论与展望

高压电场是一种新颖的食品加工技术,能耗小、效率高、对食品品质几乎无影响,并且非热处理满足了热敏性食品加工的要求。该技术在食品杀菌、食品物料干燥、辅助食品冷冻解冻以及提取生物活性物质等方面都表现出了良好的应用前景。同时,一些研究还发现高压电场能够与其他技术联合使用,例如联合干燥、提取等,这在很大程度上开拓了高压电场技术的应用范围。但是,整体而言目前的研究都还只是处于初级阶段,并且都只是基于实验室水平,工业化的应用需要开发合适的仪器设备。因此,后续可以着重于深入研究高压电场对食品组分的影响机制以及开发适合食品工业应用的相关仪器设备,以期将高压电场技术应用于食品工业中。

另外,近些年通过高压电场静电纺丝制备纳米纤维材料也引起了许多科研人员的极大兴趣。在食品领域,一些研究人员通过电纺食品基质原料,如蛋白质和多糖等,制备纯基质或掺杂功能性物质的食品级纳米纤维材料。这些纳米纤维既可以用作食品包装材料也能作为载体携带食品活性成分,这将进一步推动纳米材料在食品领域的应用。