脉冲电场技术及其在食品加工中的研究进展

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张宇强，杨雷鹏，王恒，等.脉冲电场技术及其在食品加工中的研究进展[J].农产品加工，2025（21）：104-108.

基金项目

摘   要

脉冲电场（Pulsed electric field，PEF）技术作为一种非热处理技术，在食品加工领域具有非常广阔的应用前景。综述了国内外脉冲电场技术在不同食品中的应用研究进展，分析脉冲电场技术的优缺点，以期为脉冲电场的进一步研究和工业化应用提供参考。

关 键 词

脉冲电场；灭菌；果蔬汁；牛奶；肉类

正   文

为了有效遏制食品腐败、延长保鲜期限，在食品的生产与加工环节中对食品实施灭菌或抑菌处理显得尤为重要。传统的处理方式主要是物理法和化学法。一方面，化学处理往往需要向食品中添加化学药剂，这种做法容易引发公众对健康安全的担忧；另一方面，热处理作为工业领域内最为普及的物理灭菌方法，效果显著，却常常伴随着食品物理和化学性质的改变，如色泽、香气、味道及组织结构等的变化，甚至导致营养成分的流失^[1-2]。PEF技术作为一种非热灭菌方法，能够在低温条件下瞬间杀灭微生物，同时最大限度地减轻传统热处理对食品品质造成的不良影响。有研究表明，PEF处理的果蔬汁，能够很好地保留其维生素、抗坏血酸、花青素、多酚类成分及原有的感官特性^[3-4]。此外，PEF技术还展现出降低酶活性、提升肉类嫩度、缩短腌制周期及高效提取植物活性成分等多重优势。通过综述PEF装置的构造，探讨了其在不同类型食品中的应用研究进展，并深入分析PEF技术的优势与不足，以期为相关领域的研究提供一个更为清晰、深入的理论框架，促进PEF技术的进一步研究和应用。

1   PEF装置

PEF处理系统主要由PEF发生器和样本处理室组成，其作用方式主要是通过PEF发生器反复向2个电极施加高电压、短脉冲形成脉冲波的方式作用于电极间的样品发挥作用^[5]。

1.1   PEF发生器

PEF输出波形示意图见图1。

PEF发生器一般由电源、交换器、电容器、电感、电阻构成，所输出的多为方波和指数衰减波，其中方波灭菌效果显著，但电路设计复杂且成本较高；指数衰减波则以其相对低廉的制造成本和一定的灭菌效果，成为当前广泛使用的波形^[6]。

1.2   样本处理室

PEF处理室结构示意图见图2。

样本处理室主要由电极和绝缘2个部分组成。在选择电极材料时，应优先考虑如铂这类化学性质稳定的材质，不恰当的选材可能会引发电极的腐蚀，进而污染食品[7]。绝缘材料一般选择理化性质较为稳定的聚四氟乙烯。目前，常用的PEF处理室主要有平行板电极处理室和同轴圆柱处理室，其中平行板电极电场分布较为均匀，只能间歇处理样品，而同轴圆柱虽然能连续处理，但其存在电场分布不均匀、样品处理量小等问题，在一定程度上限制了工业化应用。

2   PEF对微生物和酶的作用

多数研究已证实，PEF技术能够有效灭活微生物、降低酶活性^[8-9]，从而阻止食品的腐败变质，延长食品的保质期。尽管PEF灭活微生物的作用机理尚未完全阐明，但电穿孔理论已被多数学者接受，认为PEF能增加细菌、真菌、酵母等微生物细胞膜的通透性，导致细胞膜功能受损、内容物泄漏，最终引发微生物死亡^[10-11]。PEF对酶的钝化机制也尚未有定论，部分学者推测这可能与电场处理导致酶的二、三级结构发生变化，从而降低酶活性有关^[3]。PEF灭活微生物的效果受多种因素的影响，主要包括电场参数（如波形、电场强度）、食品本身的性质（如pH值、温度）、微生物的特性（如种类、生长周期、数量）及食品的处理时间等。其中，电场强度是影响灭菌效果最为关键的因素之一，通常随着电场强度和处理时间的增加，PEF的灭菌效果也会相应增强^[12]。从PEF产生的波形来看，双极性方波具有最佳灭菌效果，可最大限度地减少因食品对能量的吸收而导致的食品温度升高现象^[13]。从食品自身特性来看，食品的pH值越低、温度越高，PEF的灭菌效果越显著^[14]。从微生物角度来看，酵母菌对PEF的抵抗力要弱于细菌，一些学者将其归因于酵母菌有更大的细胞直径^[15]。此外，不同种类和不同生长周期的细菌对PEF的敏感性也不同，处于对数生长期的细菌相比于平台期的细菌对PEF更为敏感；而革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌更敏感。一些学者猜测，革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌对电场敏感性的不同可能与两者细胞壁组成成分不同有关^[16]。影响PEF钝酶效果的因素与灭菌相似，电场强度仍是影响酶活性的主要因素^[17]，其次脉冲宽度、处理时间、处理温度、酶结构和样品中的介质也可能影响PEF对食品中酶的灭活效果^[18]。

微生物电穿孔过程示意图见图3。

3   PEF在食品加工中的应用

3.1   果蔬汁

果蔬汁的出现为人们摄入水果和蔬菜中的营养成分提供了便利。在果蔬汁加工领域，PEF的灭菌和钝酶效果备受瞩目。众多研究表明，PEF能在低温条件下有效杀灭果蔬汁中的微生物，降低酶活性，从而显著延长果蔬汁的保质期^[8-9]。然而，PEF处理是否会影响果蔬汁的理化性质、感官特性和营养成分一直是人们关注的焦点。

多数研究结果表明，PEF处理并不会导致果蔬汁的颜色、pH值、可滴定酸及可溶性固形物含量发生显著变化^[19-20]。AKDEMIR E G等人^[21]采用2种不同参数的PEF（24.7 kV/cm，327或655 μs）处理樱桃汁，发现与未处理组相比，处理后樱桃汁的颜色、香气、甜度、酸味和余味等指标均未发生显著变化。在PEF是否会影响果蔬汁中的营养成分的研究上，有些研究指出PEF处理不仅不会导致果蔬汁中花青素、黄酮类化合物和酚类化合物的减少^[3]，而且有助于植物中活性成分的提取。SEYDANI L M等人[22]用PEF处理油菜籽，不仅提升了菜籽油的产出率，还显著增加了菜籽油中的总酚含量。同样，PEIR?譫 S等人^[23]采用PEF处理柠檬皮，极大地提高了多酚类物质的提取率（300%），这一技术也被广泛应用于天然色素和多种生物活性物质的提取中^[24]。多数学者认为，这些积极效果主要归功于PEF的电穿孔效应，增强了细胞的通透性，使得细胞内容物得以充分释放。PEF能够在延长果蔬保质期的同时，最大程度地保留果蔬汁的理化性质、感官品质和其中的营养成分，为高品质果蔬汁的生产提供了技术支撑。

3.2   牛奶

牛奶中含有多种人体生长发育所需的营养成分，是人类饮食中的重要组成部分。新鲜牛奶营养丰富，但是保存时间较短，工业上普遍采用巴氏杀菌技术来延长其保鲜期。但该技术通过提升温度来实现微生物与酶的灭活，不可避免地会导致牛奶中热敏性物质的损失。相比之下，PEF技术作为一种非热杀菌手段，则能有效规避这一弊端。王艳芳等人^[25]通过对比高温瞬时杀菌（Ultra-high temperature instantaneous sterilization，UHT）和PEF处理（35 kV/cm，400 μs）对牛奶中风味物质的影响发现，在达到相同灭菌效果时，PEF处理对牛奶中风味物质的破坏程度远低于UHT处理，且产生的与蒸煮味相关的含硫化合物也更少。在营养成分上，GARCIA A L E等人^[26]研究表明，PEF处理对全脂生牛乳中的脂肪、蛋白质和乳糖含量并无显著影响，但也有研究指出PEF处理会导致脂肪球聚集，降低了全脂生牛乳中的脂肪含量，这可能是因为PEF处理时的氧化还原反应导致脂肪团块附着于电极所致^[27]。维生素稳定性相对较差，易受光照、氧化剂、还原剂及pH值和温度变化的影响而分解^[28]。因此，在牛奶加工中非热灭菌方式相较于常规热处理灭菌具有显著优势。BENDICHO S等人^[29]对比了PEF（22.6 kV/cm，400 μs）、低温巴氏杀菌（温度63 ℃，时间30 min）和高温巴氏杀菌（温度75 ℃，时间15 s）处理，对鲜牛乳中维生素含量的影响，结果表明，PEF处理和2种巴氏杀菌处理均对牛奶中的水溶性维生素（硫胺素和核黄素）和脂溶性维生素（胆钙化醇和生育酚）无显著影响，但是在抗坏血酸的保留率上，PEF（93.4%）要远高于低温巴氏灭菌（49.7%）和高温巴氏灭菌（86.7%）。这与RIENER J等人[30]的研究结果一致，采用PEF（15~35 kV/cm，12.5~75.0 s）处理新鲜牛乳后发现牛乳中的硫胺素、核黄素、视黄醇和α -生育酚含量无显著变化。PEF处理对牛奶中矿物质含量的影响尚未得到广泛研究，已有报道指出PEF处理并不会对牛奶中钙、锌、镁、铜、锰含量产生影响，却会增加牛奶中铁的含量，并猜测是因为电极发生电化学反应所致^[31]。

3.3   肉类

较于牛奶和果蔬汁这类相对均一的体系，肉类因其内部脂肪、肌肉与结缔组织在数量与分布上的差异，以及复杂的纤维走向，对PEF处理的有效性和能量需求带来了一定挑战，这或许是PEF在肉类中杀菌效果不尽如人意的原因之一^[32]。截至目前，PEF在肉类中的研究多集中于对肉感官特性、营养价值和色泽等方面的影响。PEF在改善肉类嫩度方面的作用仍是一个有争议的话题。KHAN A A等人^[33]尝试使用不同强度的PEF（2.5 kV和10 kV，20 μs）处理牛肉，却未能观察到嫩度的显著变化。而KA- NTONO K等人^[34]采用PEF（0.8~1.1 kV/cm，20 μs）处理牛肉，则显著提升牛肉的嫩度，与JEONG S H等人^[35]的研究结果相似，采用1.0，1.5，2.0 kV/cm的PEF处理牛肉可显著降低剪切力、硬度和咀嚼性，并指出牛肉嫩度的提升与电场强度成正比。关于PEF提高肉嫩度的机理暂未明确阐述，但一些学者推测是因为PEF破坏了肌肉的物理结构或者PEF促使细胞内容物流出，导致蛋白质水解，破坏了肉的超微结构^[36]。

细胞膜在维持盐平衡上扮演着至关重要的角色，一些学者根据PEF破坏细胞膜的电穿孔效应，开展了PEF对肉类腌制效果影响的研究。ZHANG Y等 人^[37]的研究结果显示，采用PEF（2.0 kV/cm）处理牛肉可提高牛肉中盐和水的扩散速率，将牛肉的腌制时间缩短了33%，WANG Y等人^[38]也得出了类似的结论，采用PEF（3.0 kV/cm）处理猪肉，将整个肉猪的腌制时间缩短了12 h。PEF对蛋白质结构的改变，引发了学者对于其对蛋白质消化速率潜在影响的关注。BHAT Z F等人^[39]采用不同强度PEF（5 kV和10 kV，20 μs）处理牛肉，并进行了体外消化试验。结果表明，经PEF处理的牛肉，其蛋白质的消化率可显著提高。BHAT Z F等人^[40]进一步探究了PEF处理对煮熟牛肉蛋白质消化速率的影响，得出了与前一年相同的结论。

4   PEF的优缺点

PEF技术在食品加工领域展现出显著优势，能在确保有效灭菌与酶钝化的同时不升高食品温度，从而更好地保留了食品的营养成分与感官品质^[4]，为热敏感食品保质期的延长提供了新的技术选择。其次，PEF处理无需提升食品温度，且处理时间极短（以秒计）^[12]，极大地提升了能源利用效率，显著降低了能耗。从设备构成来看，PEF系统相对简洁、所需空间较小，为工业化应用提供了空间上的便利。

然而，在探索PEF的优势时，也应充分认识PEF的不足之处。首先，PEF的作用方式是2个电极直接与待处理食品接触，向待处理食品施加PEF，这一过程可能引发电化学反应，导致电极腐蚀，进而给食品安全带来隐患。魏新劳等人^[41]指出，相较于单极性脉冲，对灭菌处理室施加双极性脉冲能在一定程度上减轻电极的电化学腐蚀。MORREN J等人^[42]通过试验证实，减小脉冲宽度同样有助于缓解电化学腐蚀问题，但这2种方法均未能完全消除电化学腐蚀现象的发生。此外，液体食品在PEF处理中可能发生的异常击穿，是PEF面临的又一技术难题。异常击穿不仅污染食品，还可能损坏电场设备。魏新劳等人^[43]通过试验发现，液体食品所受压力及其流速是影响击穿现象发生的关键因素。其次，在应用范围上，PEF技术被指出不适用于含有气泡或易产生气泡的食品。因为气泡的产生会改变周围电场与电流密度的分布，从而影响灭菌效果^[44]。此外，PEF的作用效果与电场参数及食品特性紧密相关。不同食品要达到相同的处理效果，需采用不同的电场参数。这意味着在PEF处理前，需要对食品进行充分了解，匹配最适宜的电场参数。最后，通常来说要达到良好的灭菌效果，需较高的电场强度，要求两电极间距需保持在较小范围内，在一定程度上限制了工业化大批量处理食品的灵活性。

5   结语

PEF技术为热敏性食品的加工提供了新的技术选择。尽管前景广阔，PEF技术的工业化应用之路仍面临诸多挑战。近年来，众多学者致力于PEF发生器和放电室相关的研究，以期解决电化学腐蚀、电击穿等关键问题，并降低PEF放电设备的制造成本，从而加速该技术的工业化进程。同时，大量研究也聚焦于PEF在不同食品中的应用效果及其影响因素，为PEF技术的实际应用提供了大量的数据支持。尽管如此，PEF灭菌和降低酶活性的作用机理尚未完全清晰，仍需要国内外研究人员的持续探索和共同努力。相信在不久的将来，随着研究的不断深入和技术的继续完善，PEF技术将广泛应用于食品工业，为人们带来更高品质的食品。

参考文献：

[1]ARYA S S，NACHIAPPAN N，WAGHMARE R，et al. Recent progress and future perspectives on non-thermal apple juice processing techniques[J]. Food Production，Processing and Nutrition，2023（1）：1-13.

[2]PANDISELVAM R，MITHARWAL S，RANI P，et al. The influence of non-thermal technologies on color pigments of food materials：An updated review[J]. Current Research in Food Science，2023（6）：100529-100532.

[3]BRITO I P C，SILVA E K. Pulsed electric field technology in vegetable and fruit juice processing：A review[J]. Food Research International，2024（184）：114207-114213.

[4]DELSO C，BERZOSA A，SANZ J，et al. Two-step PEF processing for enhancing the polyphenol concentration and decontaminating a red grape juice[J]. Foods，2022，11（4）：621-624.

[5]黄艺，李丹丹，杨哪，等. 电场处理对酶活力的影响[J]. 中国食品学报，2021（21）：377-388.

[6]方婷. 高压脉冲电场杀菌动力学及处理室改进研究[D]. 福建：福建农林大学，2008.

[7]SAULIS G，RODAITE R R，SAULE R. Cytotoxicity of a cell culture medium treated with a high-voltage pulse using stainless steel electrodes and the role of iron ions[J]. Membranes，2022，12（2）：184-193.

[8]YILDIZ S，SHIN G Y，FRANCO B G，et al. Equivalent processing for pasteurization of a pineapple juice-coconut milk blend by selected nonthermal technologies[J]. Journal of Food Science，2023，88（1）：403-416.

[9]RIENER J，NOCI F，CRONIN D A，et al. Combined effect of temperature and pulsed electric fields on apple juice peroxidase and polyphenoloxidase inactivation[J]. Food Chemistry，2008，109（2）：402-407.

[10]ZIMMERMANN U. Electrical breakdown，electropermeabilization and electrofusion[J]. Reviews of Physiology，Biochemistry and Pharmacology，1986（105）：176-256.

[11]ASHRAFUDOULLA M，ULRICH M S I，TOUSHIK S H，et al. Challenges and opportunities of non-conventional tec-hnologies concerning food safety[J]. World's Poultry Science Journal，2023，79（1）：23-26.

[12]PICART L，DUMAY E，CHEFTEL J C. Inactivation of listeria innocua in dairy fluids by pulsed electric fields：Influence of electric parameters and food composition[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2002（4）：357-369.

[13]吴国延. 液体食品灭菌用双极性方波脉冲电源的研制及应用[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2023.

[14]TIMMERMANS R A，NIEROP G M，NEDERHOFF A L，et al. Pulsed electric field processing of different fruit jui-ces：Impact of pH and temperature on inactivation of sp-oilage and pathogenic micro-organisms[J]. International Journal of Food Microbiology，2014（173）：105-111.

[15]HULSHEGER H，POTEL J，NIEMANN E G. Electric field effects on bacteria and yeast cells[J]. Radiation and Environmental Biophysics，1983，22（2）：149-162.

[16]LADO B H，YOUSEF A E. Alternative food-preservation technologies：Efficacy and mechanisms[J]. Microbes and Infection，2002（4）：433-440.

[17]MIN S，MIN S K，ZHANG Q H. Inactivation kinetics of tomato juice lipoxygenase by pulsed electric fields[J]. Journal of food science，2003，68（6）：1995-2001.

[18]MIN S，EVRENDILEK G A，ZHANG H Q. Pulsed electric fields：Processing system，microbial and enzyme inhibition，and shelf life extension of foods[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2007，35（1）：59-73.

[19]JIN T Z，ABOELHAGGAG R M，GUO M. Apple juice pr-eservation using combined nonthermal processing and anti-microbial packaging[J]. Journal of Food Protection，2021， 84（9）：1528-1538.

[20]AKDEMIR E G，AGCAM E，AKYILDIZ A. Effects of pu-lsed electric fields on sour cherry juice properties and formations of furfural and hydroxymethylfurfural[J]. International Journal of Food Engineering，2021，17（3）：217-226.

[21]AKDEMIR E G，KESKIN E，GOLGE O. Interaction and multi-objective effects of multiple non-thermal treatments of sour cherry juice：Pesticide removal，microbial inactivation，and quality   preservation[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2020，100（4）：1653-1661.

[22]SEYDANI L M，GHARACHORLOO M，ASADI G. Use of pulsed electric field to extract rapeseed oil and investigation of the qualitative properties of oils[J]. Journal of Food Process Engineering，2022，45（11）：312-316.

[23]PEIRO S，LUENGO E，SEGOVIA F，et al. Improving polyphenol extraction from lemon residues by pulsed electric fields[J]. Waste and Biomass Valorization，2019， 10（4）：889-897.

[24]KARIMI S I，MEHRNOOSH F，RASUL N H，et al. Pulsed electric field-assisted extraction of natural colorants；principles and applications[J]. Food Bioscience，2024（61）：104746-104753.

[25]王艳芳，杨瑞金，赵伟，等. 高压脉冲电场对牛奶中风味物质的影响[J]. 食品科学，2009（30）：43-46.

[26]GARCIA A L E，PRIMO M A R，BARBOSA C G V，et al. Effect of nonthermal technologies on the native size distribution of fat globules in bovine cheese-making milk[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2009， 10（4）：491-494.

[27]MOHAMAD A，SHAH N，SULAIMAN A，et al. The impact of pulsed electric fields on milk's macro and micronutrient profile：A comprehensive review[J]. Foods，2023， 12（11）：143-149.

[28]SCHNELLBAECHER A，BINDER D，BELLMAINE S，et al. Vitamins in cell culture media：Stability and stabilization strategies[J]. Biotechnol Bioeng，2019，116（6）：1537-1555.

[29]BENDICHO S，ESPACHS A，ARANTEGUI J，et al. Effect of high intensity pulsed electric fields and heat treatments on vitamins of milk[J]. Journal of Dairy Research，2002，69（1）：113-123.

[30]RIENE J，NOCI F，CRONIN D A，et al. Effect of high intensity pulsed electric fields on enzymes and vitamins in bovine raw milk[J]. International Journal of Dairy Technology，2009，62（1）：1-6.

[31]SALVIA T L，MORALES D L P M，ROJAS G A，et al. Mineral and fatty acid profile of high intensity pulsed electric fields or thermally treated fruit juice-milk beverages stored under refrigeration[J]. Food Control，2017（80）：236-243.

[32]ASIK C E，COMLEKCI S，CAN S A. Effect of moderate intensity pulsed electric field on shelf-life of chicken breast meat[J]. British Poultry Science，2022，63（5）：641-649.

[33]KHAN A A，RANKHAWA M A，CARNE A，et al. Effect of low and high pulsed electric field on the quality and nutritional minerals in cold boned beef M. longissimus et lumborum[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2017（41）：135-143.

[34]KANTONO K，HAMID N，OEY I，et al. Physicochem-ical and sensory properties of beef muscles after pulsed electric field processing[J]. Food Research International，2019（121）：1-11.

[35]JEONG S H，KIM E C，LEE D U. The impact of a consecutive process of pulsed electric field，sous-vide cooking，and reheating on the properties of beef semitendinosus muscle[J]. Foods，2020（11）：1674-1683.

[36]ZHANG Z，ZHANG B，YANG R，et al. Recent Developments in the preservation of raw fresh food by pulsed electric field[J]. Food Reviews International，2022，38（S1）：247-265.

[37]ZHANG Y，WANG R，WEN Q，et al. Effects of pulsed electric field pretreatment on mass transfer and quality of beef during marination process[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2022（80）：103061-103065.

[38]WANG Y，TAO Y，CHEN Q，et al. Accelerated pork salting using needle electrode-derived pulsed electric fiel-ds[J]. Food Bioscience，2024（59）：103994-103999.

[39]BHAT Z F，MORTON J D，MASON S L，et al. Pulsed electric field：Role in protein digestion of beef biceps fe-moris[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2018（50）：132-138.

[40]BHAT Z F，MORTON J D，MASON S L，et al. Pulsed electric field：A new way to improve digestibility of cooked beef[J]. Meat Science，2019（155）：79-84.

[41]魏新劳，郭政良，王浩然. 双极性高频高压方波脉冲电源研究述评[J]. 重庆大学学报，2017（40）：36-46.

[42]MORREN J，ROODENBURG B，DE H S W H. Electrochemical reactions and electrode corrosion in pulsed electric field（PEF）treatment chambers[J]. Innovative Food Sc-ience & Emerging Technologies，2003（3）：285-295.

[43]魏新劳，李军辉，王浩然，等. 脉冲电压作用下液体食品击穿特性研究[J]. 中国科技论文，2017（12）：1262-1268.

[44]RODRIGUEZ O I，COBELLI P，OLAIZ N. Bubble formation in pulsed electric field technology may pose limitati-ons[J]. Micromachines，2022，13（8）：1234-1237. ◇