高压静电场处理在食品中的应用研究进展

近年来利用静电场处理对食品进行加工处理的研究和开发取得了很大的发展。静电场处理随着高电压下离子化技术的发展得到了广泛的应用。高压静电场对食品的加工可分为静电分离、静电熏制、静电干燥、静电保鲜、静电解冻等,它们的原理都是使离子化的气体在电场内移动,传递物质的散体微粒(尘埃、熏烟等) 。这样的带电粒子再受电场作用,从一极向另一极进行定向移动,从而达到加工所需目的[ 1 ] 。本文将就近年来食品行业中静电场处理的应用现状进行综述。 1 高压静电场在杀菌方面的应用在强电场的作用下,空气中存在的少量带电粒子与中性分子或原子不断发生碰撞。电子与氧分子碰撞可产生臭氧,静电灭菌的主要原因就是臭氧的杀菌作用和活性氧的杀菌作用。张佰清等利用自制直流高压静电场装置对啤酒酵母进行杀菌实验研究。研究表明, 在极板间距3cm,电压3kV,处理时间为3min的条件下,啤酒酵母的致死率达到9911%。并使用显微照相技术和电镜技术,初步分析了高压静电场下啤酒酵母的杀菌机理[ 2 ] 。蒋耀庭等用高压静电场对生酱油进行人工处理,可以有效地杀灭酱油中的细菌。在场强为270kV /m,处理时间48min或场强420kV /m,处理时间24min的处理条件下,既可以达到酱油灭菌的卫生指标、保持酱油的营养成分,又可以增加酱油的香气,该方法优于加热处理法[ 3 ] 。Mizuno A等研究了一种在几分钟内对物体表层进行杀毒的方法和设备。将待杀菌物体表面置于绝缘电极与接地电极之间,当高压应用于绝缘电极时, 在绝缘电极和接地电极间产生介质阻挡放电。杀菌表面同样可以用水或H2O2 湿润,以促进- OH 的产生,并促进杀菌效果[ 4 ] 。Zhan Bai- Qing等将高压静电处理应用到抑制水果中(如柑橘类水果)青霉病菌的生长中,发现当高压静电强度> 62000V /m、作用60min时可以明显的抑制孢子的生长[ 5 ] 。高压静电场杀菌对食品的色、香、味、形不会产生不良影响,然而该技术要应用于食品工业,还存在一定的距离,还有许多设备以及处理方式的研究工作需要进行,对食品品质的影响研究也还有待进一步的深入。2高压静电场在干燥脱水方面的应用传统的热风方法干燥会导致蔬菜的热伤害,严重影响食品质地、颜色、香气成分及营养价值,而冷冻干燥虽然保证了食品的质构特性,但成本高的问题使其不适合普通食品的干燥生产。高压电场干燥技术作为一种新型的干燥技术, 以它独特的常温干燥特性,对物料的色泽、营养成分、状态等具有良好的保持作用; 而其设备造价低廉,运行费用低的优点使其更容易进入工农业生产中,能发挥重大的作用[ 6 ] 。211 高压电场对液体类物料的浓缩实验研究李里特等研究了高压静电场(针-盘式)对蒸馏水蒸发过程的影响。实验结果表明:蒸馏水在施加电场后,蒸发速度是不施加电场的114倍,当针状电极至蒸馏水液面的距离不变时,蒸发速度随施加电压的增高而增高,但不是线性关系;当施加电压保持不变时,蒸发速度随针状电极至液面距离的增加而呈现“M”形变化,即此时存在最佳距离,在此距离下,蒸发速度最大。施加电场后的蒸发效果是不施加电场时蒸发效果与电场单独作用时蒸发效果的线性叠加[ 7 ] 。丁昌江等利用高压电场在常温下进行浓缩液体物料的实验;高压电场干燥同热风干燥相比,干燥速度加快,并可最大限度保留有效成分;若把高压电场干燥与真空冷冻干燥组合使用,可以大大提高物料的浓缩速度,从而节约浓缩成本[ 6 ] 。212 高压电场对农作物种子的干燥实验研究丁昌江等根据高压电场干燥实验的机理研究发现,高压电场自身不会使种子升温,种子的干燥温度仅仅取决于所复合的热温度。静电干燥不仅速度快,还有助于保持种子的活性。因此,高压电场对种子干燥将是一种新型的干燥技术[ 6 ] 。W1Cao等利用多针-盘式高压静电场研究了加速糙米干燥及对糙米破裂、发芽率的影响。该项高压静电处理(HVEF)是直流电压,包含了16个针点状阴极和一个不锈钢接地钢板阳极。电场处理过的糙米平均干燥速率在25、40、50℃下分别是未处理糙米的2183、1159、1163倍。在低温下,电场处理对糙米的破裂没有显著作用。电场处理不会显著影响破裂谷粒的含量及其发芽率( P > 0105) [ 8 ] 。Wei Cao等研究了高压静电场(HVEF)对小麦干燥工艺的影响。实验发现高压静电场干燥小麦的速率明显高于非电场处理。实验采用多针-盘式高压静电场干燥小麦,在分别采用10、715、5kV / cm 的电场强度下,电场处理的干燥速率分别是热风干燥处理的211、210、117倍。低温HVEF干燥处理比高温处理更有效。当电压增大,放电间隙减小时,干燥速率随之增大。研究还描述了高压静电场处理小麦干燥特性的衰退模式图[ 9 ] 。213 高压电场对蔬菜类的干燥实验研究Bajgai, T1R等利用多针式高压电场对萝卜进行干燥处理,并与热风干燥效果作了比较。高压电场采用25℃, 65%RH,热风处理条件为60℃。电场处理7h 后,鲜萝卜中水分含量蒸发了8715% ,而热风干燥为8619%。高压电场干燥的速率在2～6h间平均为01025g/min,比热风干燥高010012g/min。与热风干燥相比较,高压电场干燥的萝卜显示出更少的收缩、更高的吸水率及再水合能力,并且固形物损失低,保留更好的颜色等优点[ 10 ] 。高压静电场干燥是一种全新的

干燥技术,具有耗能低、杀菌等多种优点。特别是在浓缩热敏性液体类物料时,具有明显优点。因此,在液体类物料的干燥领域它将会有更广阔的应用前景。3高压静电场在保鲜方面的应用高压静电场保鲜是一种无污染的物理保鲜方法,其保鲜机理是利用高电压静电电离空气,使之产生离子雾和一定量的臭氧,其中的负离子具有抑制果蔬新陈代谢、降低其呼吸强度、减慢酶的活性等作用;而臭氧是一种强氧化剂,除具有杀菌能力外,还能与乙烯、乙醇和乙醛等发生反应,间接对果蔬起到保鲜作用[ 11 ] 。Atungulu, G等研究了电场处理对水果的影响(物理变化,腐败物及真菌的破坏) 。实验对一系列工艺参数进行了测定,包括电极构造,持续与间断处理,处理时间(成熟前或成熟后) ,结果显示,电场处理可以引起采后水果的生理变化,降低其损害率[ 12 ] 。Dan Yang等研究了高压静电处理对采后黄瓜的生理学影响。他们运用了100kV /m 高压静电处理0、015、1、115、2h。实验表明,在13℃, 90%RH冷藏条件下,短时间HVEF处理可以明显的控制原料质量的损失, 黄瓜皮传导率提高的现象也得到控制。HVEF处理对黄瓜的呼吸作用没有显著的影响。实验指出, 短时间HVEF 处理不适合于蔬菜水果的贮藏[ 13 ] 。Bajgai, T1R等研究了强度为430kV /m的交流电和直流电对Emblic (富含维生素C的水果)处理2h 后的影响,并测定了它在敞口袋中质量损失及水分损失等生理变化情况。在4、20、35℃的敞口与封口的聚乙烯袋贮藏过程中,电场处理对emblic的腐败情况、颜色及维生素C含量的影响均被测定。结果显示,交流电场可以延长该水果的货架期,并且电场处理后的水果要比未处理水果新鲜,并最大程度保留了营养价值[ 14 ] 。Wang J ie等研究了高压静电场对采后草莓质量的影响。草莓在10℃, 90%RH条件下贮藏至7d,并每天用50或100kV /m的高压静电场处理1h。在贮藏过程中,每天测定样品的呼吸强度、多聚半乳糖醛酸酶及纤维素酶的活性、果肉的硬度及插入破碎力观察电场对样品的影响。结果显示,电场处理后的草莓在贮藏过程中呼吸作用降低,两种酶的活性及水果的硬度均降低缓慢,在贮藏中的第7d,仅有5% 有损坏,而未处理的水果损坏率为15%[ 15 ] 。Kondrateva, S等利用离子电极技术对小麦进行保藏实验。对干、湿小麦的物化性质、生理变化、焙烤性质、发芽能力及微生物菌群进行了测定。实验发现,经电场处理的小麦,经密封包存可以持续6周(未经处理的在10～12d便出现发霉发芽状况) ,生理特性也没有恶化,并在一定方面有所改进,酪氨酸含量有所下降,然而发霉数降低了60% ,细菌总数降低了35%。总之,电场处理对谷物品质及焙烤特性具有良好的效果[ 16 ] 。4高压静电场在其他方面的应用411 高压静电场在发酵食品老熟中的应用蒋耀庭等将新产的高粱醋进行人工老熟,经过静电场处理发现,乙醛、乙醇和异丁醇含量均趋于下降,有利于减少新产食醋的刺激性气味和异味,具有柔和香味的乙醛含量增加,可提高食醋的香气成分; 总酸含量升高,有利于提高食醋的等级;总酯含量是食醋的香味物质,静电处理后,含量增加,可增加食醋的香气成分;静电处理后,氨基酸含量下降,这与自然老熟规律相同。笔者曾用高压静电场与激光联合对食醋进行人工老熟,亦取得了可喜的结果,“联合”老熟方法比单纯高压静电方法更好[ 17 ] 。412 高压静电场在食品解冻方面的应用Uemura J 等利用针- 盘式电场(采用了5、10、12kV三个电压)处理冻猪肉,以此来缩短解冻时间, 同时测定了解冻后肉的品质。电场处理使解冻速度加快,在10kV与12kV条件下解冻速率分别增大了2511%和2818%。20mm ×20mm ×20mm 的猪肉在5kV下解冻时间为86min, 10kV时为62min,在12kV 下为30min。解冻后, 10kV作用下的融化水pH下降0139, 12kV下降0189。融化水pH的下降可能是由电场作用下生成的氮氧化物溶于水造成的。电场处理后的猪肉在颜色、pH、水分含量及持水能力等方面没有显著变化[ 18 ] 。413 高压静电场在钝化酶活性方面的应用Castro, I1等利用电场处理研究了多酚氧化酶、脂肪氧合酶、果胶酶、碱性磷酸酶和β-半乳糖苷酶的灭活动力学,并与传统条件作了对比,所有被测酶均遵循酶活动力学一级反应。电场的应用没有影响碱性磷酸酶、果胶酶与β- 半乳糖苷酶的酶活动力学,而脂肪氧合酶与多酚氧化酶则受到显著影响,减少了酶失活的时间。因此,可以利用电场对酶效力进行控制,并使其工业化[ 19 ] 。414 高压静电场在面包加工中的应用Esaki, K1等研究了高压静电场对面包中水分活度的影响。面包生面团先在电场强度为50kV /m下发酵20min以使其保持水分,湿面筋在50kV /m下处理10、20、30、60min。经过50kV /m 的电场处理20min 的湿面筋,仍能观察到面筋纤维的微观结构, 而作用时间> 30min则观察不到。在焙烤过程中,经过电场处理的面团,温度升高速度更快,而两者的最高温度均为99℃。经电场处理的面包水分活度为01987 ±010056,比未处理的面包水分活度高01011。实验对面包中酒曲菌的增长情况也进行了测定,经电场处理的面包酒曲菌生长更为广泛,说明电场处理的面包具有更高的水分活度。电场处理增强了面筋纤维能力,而不是淀粉颗粒,

从而吸收保留水分, 使得电场处理的面包硬度比未处理的低[ 20 ] 。Aibara, S等研究了高压静电场对面包生面团的影响。将生面团在电场下初发酵,测定在4℃与20℃保存下面包的硬度及淀粉的结晶性。经电场处理, 两个贮藏条件下的面包硬度均降低。实验还发现: 两个贮藏温度下的面包,经电场处理后,在3d内硬度增大的同时, 20℃贮藏经电场处理的面包结晶速率相比未经电场处理的速率减缓,同条件下, 4℃贮藏经电场处理的面包结晶速率相对增大。该项结果说明面团的硬度在一定程度上取决于它的持水性, 而电场处理使面包更长时间的保持柔软状态。因此,面包硬度的增大与面包粉结晶性无显著相关性, 却更受贮藏温度的影响[ 21 ] 。415 高压静电场辅助提取方面的应用Bazhal, I1G等研究了电场强度及作用时间对从甜菜中提取糖工艺的影响。提取器中固液比率为1∶112～114;实验温度为49～50℃,电场的作用下,物料生成含较少有色物质的浸出液,浸出液的质量与电场强度和作用时间有关。实验发现,电场强度的增加与去除单位非糖物质耗费的能量成反比,电场强度< 10V / cm 时, 能量消耗变化不大, 电场强度> 10V / cm时,消耗显著增大,最适宜的电场强度为5～10V / cm[ 22 ] 。5展望高压静电场技术作为一项新兴技术,具有其他加工技术手段所不具有的优越性,正日益成为食品领域的研究热点,但静电场要广泛地应用于食品工业,还存在一定的距离,如高压静电场的干燥规律, 对物理加工的加工强度、加工量的控制,多针式电场的应用等设备和处理方式的研究工作以及对食品品质的影响研究均有待进一步的深入。