黃 藝，李丹丹*，楊 哪，陶 陽(yáng)，韓永斌

（1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院全谷物食品工程研究中心 南京210095 2 江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇無(wú)錫214122）

酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的、具有高效催化功能的一類特殊蛋白質(zhì)及某些核糖核酸。一方面，酶是生命活動(dòng)必不可缺的條件，生物體代謝的各種生化反應(yīng)幾乎都是在酶的催化作用下進(jìn)行的；另一方面，與常規(guī)的化學(xué)催化劑相比，酶具有高效、反應(yīng)條件溫和、高度專一性、受調(diào)節(jié)控制和對(duì)環(huán)境友好等特性，使其作為一種催化劑在食品、輕工、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、能源和科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。酶在食品工業(yè)中所起作用是雙方面的，有些酶催化的反應(yīng)不利于加工，例如多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶導(dǎo)致食品褐變；有些酶催化的反應(yīng)是加工過(guò)程需要的，如淀粉酶降解淀粉生產(chǎn)淀粉糖，蛋白酶降解蛋白生成風(fēng)味肽等[3]。如何在生產(chǎn)中利用酶的特性，促進(jìn)或者鈍化酶的催化作用，讓酶更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活具有深遠(yuǎn)意義。

電場(chǎng)處理是一種利用高電流或高電壓實(shí)現(xiàn)快速傳熱或傳質(zhì)的新型食品加工技術(shù)，具有“綠色、高效、連續(xù)化”等工業(yè)生產(chǎn)屬性[4-6]。通常地，低強(qiáng)度電場(chǎng)處理可改善酶活性，降低反應(yīng)的活化能，有利于酶促反應(yīng)的進(jìn)行；而高強(qiáng)度電場(chǎng)處理會(huì)嚴(yán)重破壞酶分子的結(jié)構(gòu)，使酶活性鈍化[7-8]。電場(chǎng)逐漸成為食品資源開(kāi)發(fā)與利用的重要手段，在酶促反應(yīng)領(lǐng)域有著重大的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。本文從電場(chǎng)技術(shù)入手，綜述電場(chǎng)在激活和鈍化酶促反應(yīng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出電場(chǎng)改變酶活力的關(guān)鍵影響因子及機(jī)理，以期為利用電場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)食品組分高效酶法改性和鈍化酶活力來(lái)改善食品貯藏性提供理論依據(jù)。

1 電場(chǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)介

食品領(lǐng)域常用的電場(chǎng)技術(shù)有脈沖電場(chǎng)（PEF）、歐姆加熱（OH）和感應(yīng)電場(chǎng)（IEF），其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。PEF 和OH 是通過(guò)在金屬電極兩端施加電壓的方式產(chǎn)生電場(chǎng)，屬于電極類電場(chǎng)技術(shù)[6]；IEF 是通過(guò)電磁誘導(dǎo)的方式產(chǎn)生電場(chǎng)，屬于磁電誘導(dǎo)類電場(chǎng)技術(shù)[9]。

1.1 脈沖電場(chǎng)（PEF）

PEF 是一種新型的非熱加工技術(shù)，通過(guò)反復(fù)向兩個(gè)平行金屬電極施加高電壓（0～50 kV）、短脈沖（0～100 μs）形成脈沖波的方式作用于食品中的微生物、酶和營(yíng)養(yǎng)成分[10-11]（圖1a）。脈沖波形有指數(shù)衰減波形、方波波形和阻尼RLC 脈沖波形3種。低強(qiáng)度脈PEF 處理可誘導(dǎo)酶分子極化，改善α-淀粉酶、麥芽β-淀粉酶等的活性，在食品組分高效酶法改性中有著較大應(yīng)用前景[12-14]。高強(qiáng)度PEF 處理會(huì)導(dǎo)致微生物細(xì)胞膜穿孔、裂解以及酶結(jié)構(gòu)的破壞，從而達(dá)到殺菌、鈍酶和延長(zhǎng)食品保存期的目的[7]。與傳統(tǒng)的熱力殺菌、鈍酶方式相比，PEF 處理時(shí)間極短，通常在幾十微秒之內(nèi)就可以完成，熱能損失少且不需要加熱，對(duì)食品成分的破壞較小，能夠最大限度的保留食品本身的風(fēng)味、色澤、口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[11，15]，在半固態(tài)或液態(tài)食品的連續(xù)殺菌、鈍酶中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 歐姆加熱（OH）

OH 又稱電阻加熱，焦耳加熱或電子加熱，是通過(guò)在電極兩端施加電壓，利用食品材料中電解質(zhì)溶液離子或熔融電解質(zhì)的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生焦耳熱的方式進(jìn)行加熱[16]，工作原理見(jiàn)圖1b。根據(jù)所施加電壓類型的不同，分為直流歐姆加熱（電壓：0～1 000 V/cm）和交流歐姆加熱（電壓：0～1 000 V/cm；頻率0～1 000 Hz，常用110 V/cm 或220 V/cm，50 Hz 或60 Hz）兩種。由于直流電往往會(huì)導(dǎo)致比交流電更嚴(yán)重的電極腐蝕，因此在實(shí)際生產(chǎn)中多采用交流歐姆加熱[17]。OH 過(guò)程中的電場(chǎng)亦稱作中強(qiáng)電場(chǎng)（MEF），目前MEF 與OH 的概念尚無(wú)明確的區(qū)分。與傳統(tǒng)加熱方式相比，OH 是物料直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程，不需要物體表面和內(nèi)部存在的溫度差作為傳熱的推動(dòng)力，而是在物料的整個(gè)體積內(nèi)自身產(chǎn)生熱量，具有加熱速度快、加熱均勻、能量利用率高等特點(diǎn)，且所得產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分損失少、品質(zhì)高[18-19]。除了熱效應(yīng)外，研究者也證明OH 會(huì)產(chǎn)生非熱效應(yīng)，導(dǎo)致蛋白等帶電大分子的極化以及細(xì)胞膜的電穿孔[20]。目前，OH 已廣泛用于殺菌、鈍酶、脫水、提取和有機(jī)合成等方面[21]。

圖1 常用電場(chǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of common electric field technology

1.3 感應(yīng)電場(chǎng)（IEF）

IEF 是以變壓器為基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)磁電誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)的方式對(duì)次級(jí)線圈中的液體樣品進(jìn)行處理，屬于電磁誘導(dǎo)類電場(chǎng)技術(shù)（圖1c）。該技術(shù)首先由Rosenbauer 于1997年提出，之后俄亥俄州立大學(xué)Sastry 等[22]于2000年分析了IEF 的優(yōu)勢(shì)：IEF 可在不使用金屬電極的情況下通過(guò)產(chǎn)生磁感應(yīng)電壓來(lái)處理液態(tài)食品，一方面與OH 產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率類似，也可強(qiáng)化食品的傳熱傳質(zhì)；另一方面，也可避免金屬電極類電場(chǎng)技術(shù)處理食品過(guò)程中可能導(dǎo)致的電極腐蝕和產(chǎn)品重金屬污染問(wèn)題。2013年，Pryor 博士[23]利用Comsol Multiphysics軟件模擬得知當(dāng)海水作為感應(yīng)電場(chǎng)次級(jí)線圈時(shí)，在初級(jí)線圈輸入激勵(lì)電壓后同樣可在海水中獲得感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。這些報(bào)道均表明IEF 可替代電極類電場(chǎng)加工技術(shù)，應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域?；诖?，Jin 等[24]于2015年搭建了連續(xù)流IEF 系統(tǒng)。張夢(mèng)月[25]證實(shí)了IEF 可有效鈍化蘋(píng)果汁中的多酚氧化酶和過(guò)氧化酶。Zhang 等[26]和Li等[27-28]研究表明IEF 的加工效率與其反應(yīng)單元、系統(tǒng)等效阻抗、輸出功率、加載功率因子以及溫度等因素相關(guān)。

2 電場(chǎng)處理改變酶活力的機(jī)理

目前，電場(chǎng)處理改變酶活力的機(jī)理尚不完全明確，普遍認(rèn)為與熱效應(yīng)、電化學(xué)和電解反應(yīng)以及酶分子的極化有關(guān)。

2.1 熱效應(yīng)

溫度的增加會(huì)顯著改變酶的構(gòu)象，從而增加或降低酶活。在電場(chǎng)處理過(guò)程中，電流通過(guò)有阻抗的物料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)。OH 處理會(huì)導(dǎo)致樣品溫度迅速增加，其產(chǎn)生的熱量與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方和樣品電導(dǎo)率成正比[19]。IEF 的電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率與OH 類似，因此也會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的熱效應(yīng)。Li 等[28]報(bào)道經(jīng)勵(lì)磁電壓75 V、勵(lì)磁頻率400 Hz 的IEF 處理30 min 后，多糖酸解液的溫度會(huì)增加大約25℃。PEF 脈沖短，處理時(shí)間短，屬于非熱加工技術(shù)，產(chǎn)生的溫升較小，通常低于5 ℃[6]。綜上，利用OH和IEF 處理酶時(shí)，熱效應(yīng)的影響不可忽略，然而利用PEF 時(shí)熱效應(yīng)的影響通?？珊雎浴?/p>

2.2 電化學(xué)反應(yīng)和電解反應(yīng)

電極表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極周圍發(fā)生部分電解[29-30]。水的電解會(huì)產(chǎn)生氫氣、氧氣以及離子（H+和OH-）[29]。氧氣經(jīng)過(guò)光解后形成活性氧（ROS）【包括超氧陰離子自由基（O2-）、單線態(tài)氧（1O2）和過(guò)氧化氫（H2O2）】。在電場(chǎng)作用下，H2O2與臭氧（O3）之間亦可反應(yīng)生成羥自由基（·OH）[31]。在活性氧或自由基的作用下，生物大分子的分子鏈可能被打斷，發(fā)生降解。Ma 等[29]報(bào)道經(jīng)PEF 處理后，果膠的酯化度和分子質(zhì)量均降低。此外，離子、蛋白質(zhì)和其它聚電解質(zhì)等帶電分子會(huì)沿著電場(chǎng)方向遷移，使局部pH 值發(fā)生改變并造成電極表面的腐蝕。離子的積聚也會(huì)改變生物大分子內(nèi)部的靜電相互作用，導(dǎo)致其構(gòu)象變化[32-33]。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生疏水作用和二硫鍵交聯(lián)作用造成蛋白質(zhì)聚集，溶解度下降，即產(chǎn)生蛋白聚集現(xiàn)象。靜電相互作用在聚集物的形成過(guò)程中起到非常重要的作用，疏水相互作用、氫鍵和二硫鍵同樣也是聚集物形成的作用力。吳梨[32]發(fā)現(xiàn)在PEF 處理過(guò)程中，蛋清蛋白分子的空間結(jié)構(gòu)逐漸展開(kāi)，內(nèi)部的疏水基團(tuán)和巰基逐漸外露，蛋白分子間發(fā)生聚集、形成不溶性的蛋白聚集體。

2.3 酶分子的極化效應(yīng)

在電荷分布不均勻的分子中，正、負(fù)電荷中心不重合，每個(gè)分子可以等效為一個(gè)電偶極子。在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用時(shí)，偶極距的取向是雜亂的；在有外加電場(chǎng)作用時(shí)，非極性分子中的正、負(fù)電荷向相反方向位移，產(chǎn)生感應(yīng)偶極距，而極性分子中分子固有偶極距趨向于沿電場(chǎng)方向排列[34]。Neumann等[35]的研究證實(shí)了電偶極距的形成以及離子環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)的極化是導(dǎo)致生物大分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變的原因。Barba 等[36]報(bào)道稱只有電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)，才可引起蛋白分子的極化。如圖2所示，在低強(qiáng)度PEF 作用下，蛋白分子沿著電場(chǎng)方向有序排列，然而其結(jié)構(gòu)變化較?。桓邚?qiáng)度PEF 可誘導(dǎo)蛋白分子極化，其內(nèi)部的疏水基團(tuán)外露；隨著電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加，極化蛋白分子間通過(guò)疏水相互作用絡(luò)合[36]。電場(chǎng)對(duì)酶分子的影響與介質(zhì)導(dǎo)電性和蛋白電荷密度有關(guān)[5]。金屬鹽可增加介質(zhì)導(dǎo)電性，提高電加工效率[37]，且金屬離子可與酶分子的活性部位結(jié)合，直接改變酶活力或通過(guò)改變酶分子的電荷密度影響電場(chǎng)的極化效應(yīng)[5，20，38-40]。

圖2 脈沖電場(chǎng)作用下蛋白質(zhì)的極化行為[36]Fig.2 Polarization behaviour of protein under pulsed electric field treatment[36]

3 電場(chǎng)處理改變酶活力的研究進(jìn)展

3.1 臨界電場(chǎng)強(qiáng)度（Ec 值）

Ec值是電場(chǎng)處理改變生物大分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和功能所需的閾值[36]。目前，描述Ec值主要基于電場(chǎng)強(qiáng)度[41-42]，然而其它加工參數(shù)對(duì)Ec值也有一定影響。對(duì)于脈沖電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，Ec值包括電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖數(shù)、脈沖頻率、處理時(shí)間、脈沖能量、總比能量輸入和處理溫度等參數(shù)[43]，其大小取決于電場(chǎng)處理系統(tǒng)配置、腔室?guī)缀涡螤睢㈦姌O和電場(chǎng)的傳遞速率、介質(zhì)電導(dǎo)率、介質(zhì)pH 值、底物帶電性質(zhì)等。例如，在PEF 分批處理系統(tǒng)（1）或連續(xù)處理系統(tǒng)（2）中可用特定的能量輸入（Q）來(lái)描述Ec值[43-44]：

式中，U——電壓，V；I——電流，A；tp——脈沖寬度，μs；n——脈沖數(shù)量；R——材料的電阻率，Ω；w——樣品質(zhì)量，g；f——脈沖頻率，Hz；m——產(chǎn)品質(zhì)量流量，mL/s。

近年來(lái)的研究證明Ec值是導(dǎo)致生物大分子結(jié)構(gòu)改變的原因，每種生物大分子的Ec值是特定的。若能準(zhǔn)確計(jì)算出某種酶的Ec值，即可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定電場(chǎng)加工參數(shù)以達(dá)到預(yù)期效果。Ec值通常代表酶活力開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變的電場(chǎng)參數(shù)。然而在涉及生物大分子修飾的研究中，想要準(zhǔn)確測(cè)定出電場(chǎng)參數(shù)實(shí)際值以描述其變化的開(kāi)始是十分困難的。目前大多數(shù)的研究都使用一組參數(shù)或單個(gè)設(shè)置值的范圍來(lái)定義變化的開(kāi)始和進(jìn)展。然而分子極化或自由基產(chǎn)生的時(shí)間序列在微秒范圍內(nèi)，在沒(méi)有快速檢測(cè)和鑒別方法的情況下，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定Ec值[36]。此外，生物大分子的結(jié)構(gòu)修飾可以在較低的強(qiáng)度下開(kāi)始，并在逐漸增強(qiáng)的電場(chǎng)處理過(guò)程中形成累積效應(yīng)。在電場(chǎng)處理期間，生物大分子構(gòu)象恢復(fù)到原始狀態(tài)或分解成其它形式的暫時(shí)性改變亦會(huì)使Ec值的準(zhǔn)確檢測(cè)復(fù)雜化[37]。盡管在正確建立測(cè)定體系方面仍存在困難，但Ec值的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)于促進(jìn)電場(chǎng)處理生物大分子修飾過(guò)程中的可預(yù)測(cè)性是必要的。

3.2 電場(chǎng)改善酶活力的研究

低強(qiáng)度電場(chǎng)處理可通過(guò)熱效應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)和極化效應(yīng)改善酶活力，然而這方面的報(bào)道相對(duì)較少，主要集中于淀粉酶和氧化酶這類耐熱性的酶。

3.2.1 脈沖電場(chǎng)（PEF）改善酶活力的研究 低強(qiáng)度PEF 處理提高酶活力的機(jī)制可能是維持酶蛋白分子結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵在電場(chǎng)作用下發(fā)生改變，酶分子重新折疊，更多色氨酸等芳香族氨基酸殘基暴露，使酶結(jié)構(gòu)更為有序和靈活，更加容易與底物結(jié)合，進(jìn)而使酶活性增加[45-46]。Ohshima 等[46]利用12～13 kV/cm 的PEF 處理過(guò)氧化物酶、烯醇化酶、β-半乳糖苷酶、乳酸脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和葡萄糖淀粉酶時(shí)發(fā)現(xiàn)，6 種酶的活力可提高5%～20%，然而隨著PEF 電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，酶活力降低。Gürsul 等[47]研究發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度PEF（600～1 200 V/cm）處理可改善番茄細(xì)胞中苯丙氨酸氨裂解酶活性，且改善效果與電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)顯著相關(guān)。田美玲等[48-49]研究了PEF 對(duì)α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和果膠酶活力的影響，結(jié)果表明分別在15 kV/cm、100 mL/min，15 kV/cm、80 mL/min，12 kV/cm、80 mL/min 的條件下處理，3 種酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，而二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，結(jié)構(gòu)有序性增加，活性分別增加22.13%，20.74%和21.89%，且3 種酶的貯藏穩(wěn)定性增強(qiáng)、最適溫度范圍增加。李超群等[13，50-51]研究發(fā)現(xiàn)PEF 處理有利于提高大麥萌發(fā)的活力。經(jīng)PEF 處理后，β-葡聚糖酶、α-淀粉酶和β-淀粉酶的活力最高增加21.46%，26.48%和23.57%；Ca2+可改善PEF 對(duì)麥芽淀粉酶活力的促進(jìn)作用，在電壓10 kV、頻率500 Hz、脈沖寬度7 μs 和處理時(shí)間12 min 時(shí)，α-淀粉酶的活力和糖化力分別提高了54.02%和12.65%?？傊?，低強(qiáng)度PEF 可通過(guò)改變酶的二級(jí)和空間結(jié)構(gòu)，增加其結(jié)構(gòu)有序性，從而改善某些酶尤其是耐熱淀粉酶的活力，且改善作用與電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、脈沖寬度、脈沖數(shù)、流速和金屬離子等因素有關(guān)。

3.2.2 歐姆加熱（OH）改善酶活力的研究 OH 處理時(shí)會(huì)快速產(chǎn)熱，主要用于鈍化酶。然而，有少量研究表明，在消除熱效應(yīng)時(shí)，OH 加熱過(guò)程中的MEF 也可改善酶活力。Varella 等[52]于1984年利用OH 處理來(lái)加速α-淀粉酶催化的木薯淀粉的液化過(guò)程。之后，Samaranayake 等[8]研究了MEF（1 V/cm）對(duì)α-淀粉酶活力的影響，結(jié)果表明在頻率1～60 Hz 時(shí)，淀粉酶的活力逐漸增加，最高可達(dá)41%（60 Hz），然而隨著頻率的進(jìn)一步增加，酶活力不變或略有下降。利用Matlab 軟件的Runge-Kutta算法編程分析淀粉酶在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)模式發(fā)現(xiàn)，酶分子在電場(chǎng)做平動(dòng)的同時(shí)由于受力不均勻會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)：當(dāng)頻率＜60 Hz 時(shí)，酶分子做沿著電場(chǎng)線方向平動(dòng)的位移大于水分子間的間距，酶活力增加；當(dāng)頻率＞60 Hz 時(shí)，電場(chǎng)方向快速變化限制了酶分子平動(dòng)的位移，酶活力不變或略有降低。我國(guó)的科學(xué)家也對(duì)MEF 在提高酶活力方面的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。楊慧等[53]利用60 Hz 的低頻電磁場(chǎng)促進(jìn)α-淀粉酶催化降解玉米淀粉，結(jié)果表明低頻電磁場(chǎng)對(duì)淀粉顆粒和結(jié)晶結(jié)構(gòu)無(wú)顯著影響，對(duì)淀粉酶一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響不顯著，對(duì)酶分子二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可逆性影響。何熙等[54]利用電場(chǎng)處理進(jìn)入發(fā)酵后期的瓶裝腐乳，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度低于300 V/cm 時(shí)，毛霉中的蛋白酶酶活性無(wú)明顯變化，然而在電場(chǎng)強(qiáng)度300～500 V/cm 下作用6 min，可以縮短15%的后發(fā)酵期。王志勇[55]利用分子動(dòng)力學(xué)手段研究了葡萄糖氧化酶在電場(chǎng)作用下（0.001 V/nm）的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明隨著電場(chǎng)處理時(shí)間的增加，該酶的總能量增加，運(yùn)動(dòng)性增加，氫鍵和二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，然而整體結(jié)構(gòu)變化不大。楊曉宇[56]利用分子動(dòng)力學(xué)手段研究了過(guò)氧化氫酶在電場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明在強(qiáng)度為0.001 V/nm 的電場(chǎng)作用下，過(guò)氧化氫酶內(nèi)部結(jié)構(gòu)中骨架原子及酶蛋白的旋轉(zhuǎn)、平動(dòng)等位置變化發(fā)生了一定的變化，然而整體結(jié)構(gòu)變化不顯著?？偟膩?lái)說(shuō)，消除熱效應(yīng)時(shí)，低強(qiáng)度電場(chǎng)對(duì)酶結(jié)構(gòu)的影響較小，可在一定程度上改善酶活，改善作用與頻率顯著相關(guān)。

3.2.3 感應(yīng)電場(chǎng)（IEF）改善酶活力的研究 IEF是基于磁電誘導(dǎo)構(gòu)建的無(wú)電極電場(chǎng)技術(shù)，是近年來(lái)新興的電場(chǎng)技術(shù)，在食品工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于IEF 激活酶的報(bào)道尚缺乏。張夢(mèng)月[25]研究發(fā)現(xiàn)，IEF 在50 ℃條件下時(shí)處理蘋(píng)果汁，多酚氧化酶的相對(duì)酶活力增加了15.12%，過(guò)氧化物酶的相對(duì)酶活力增加了26.01%。

表1 電場(chǎng)處理改善酶活力的研究Table 1 Studies on improving enzyme activity by electric field-based techniques

3.3 電場(chǎng)鈍化酶活力的研究

酶活力的鈍化是食品保藏中的一個(gè)關(guān)鍵加工工序。食品工業(yè)中通常采用加熱處理進(jìn)行滅酶，熱處理的溫度取決于酶的種類，然而大多數(shù)是在60～90 ℃之間采用高溫短時(shí)或超高溫瞬時(shí)滅酶。熱處理滅活效果好，然而高溫處理大大損壞了食品原有的風(fēng)味、品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分等且耗能高。電場(chǎng)處理是一種利用高電流或高電壓實(shí)現(xiàn)快速傳熱或傳質(zhì)的新型食品加工技術(shù)，不僅能夠改善酶鈍化效率，縮短酶鈍化時(shí)間，降低能量，還能夠較好地保留產(chǎn)品原有的色、香、味和功能性成分[15，18]。

3.3.1 脈沖電場(chǎng)（PEF）鈍化酶活力的研究 低強(qiáng)度PEF 可改善一些酶的活力，然而高強(qiáng)度PEF 處理可有效鈍化食品中的內(nèi)源酶。目前，PEF 已被證明對(duì)牛奶和大多數(shù)蔬菜水果中的內(nèi)源酶，如堿性磷酸酶、果膠甲基酯酶、聚半乳糖醛酸酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、脂氧合酶、氫過(guò)氧化物裂解酶和β-葡萄糖苷酶等均有較好的鈍化作用[7]。其中，多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶、果膠甲基酯酶和氫過(guò)氧化物裂解酶的活性可降低85%～100%，而聚半乳糖醛酸酶，脂氧合酶和β-葡萄糖苷酶的活力降低小于50%。值得注意的是，與PEF 滅活微生物相比，PEF 鈍化酶活力所需電場(chǎng)強(qiáng)度要高許多，通常要達(dá)到20 kV/cm 以上。PEF 處理過(guò)程產(chǎn)生的熱效應(yīng)較少，主要通過(guò)電化學(xué)和電解反應(yīng)以及極化效應(yīng)改變蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。Zhong 等[57]利用強(qiáng)度22 kV/cm、脈沖寬度1.5 μs、頻率10 Hz 的指數(shù)衰減PEF 處理辣根過(guò)氧化物酶，發(fā)現(xiàn)該酶活力的降低與其α-螺旋含量下降和熒光強(qiáng)度增加有關(guān)。有研究表明，PEF 處理對(duì)脂肪氧化酶[58]、果膠酯酶[59]和辣根過(guò)氧化物酶[60]結(jié)構(gòu)和活力均有影響，PEF 處理后3 種酶二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α-螺旋含量均顯著降低，熒光光譜強(qiáng)度下降，活力顯著降低，且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)增大，鈍化效果增強(qiáng)。董銘等[61]綜述了近年來(lái)關(guān)于PEF 處理食品蛋白質(zhì)的研究，表明脈沖電場(chǎng)可破壞維系蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵，導(dǎo)致蛋白分子內(nèi)部疏水基團(tuán)暴露，改變蛋白質(zhì)表面疏水性和溶解度等特性。脈沖電場(chǎng)對(duì)酶的結(jié)構(gòu)影響與酶的種類有關(guān)，不同酶因其結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)不同而對(duì)脈沖電場(chǎng)的敏感程度也不同。同時(shí)，脈沖電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、能量、脈沖波寬度和頻率、處理室體積等脈沖設(shè)備參數(shù)以及酶所在體系的pH值、電導(dǎo)率、濃度等物理化學(xué)環(huán)境等都會(huì)影響到PEF 對(duì)酶結(jié)構(gòu)的影響程度。電場(chǎng)處理模型的描述有助于建立合適的處理?xiàng)l件，從而得到希望的抑制效果。為此，學(xué)者們提出了一些經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)預(yù)測(cè)PEF 處理對(duì)酶活力的抑制效果，如下式所示[62]：

式中，RA——相對(duì)酶活力，%；RA0——酶的初始活力，%；kE、kt、k0、k1、k2、k3——抑制速率常數(shù)；t——處理時(shí)間，s；E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm。

在式（3）和（4）中，kE、kt分別與場(chǎng)強(qiáng)和處理時(shí)間成線性和指數(shù)關(guān)系。通過(guò)調(diào)整方程參數(shù)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在所有情況下，RA 與脈沖數(shù)量（n）有關(guān)，而與處理時(shí)間（t）無(wú)關(guān)。而k與RA 都同時(shí)與脈沖寬度有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可對(duì)假設(shè)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头匠讨猩婕暗降膮?shù)和等式關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，使其能很好的體現(xiàn)PEF 對(duì)酶活力的抑制效果。通過(guò)對(duì)電場(chǎng)鈍化酶活力動(dòng)力學(xué)模型的描述，可以靈活控制電場(chǎng)對(duì)酶活力的抑制程度，預(yù)測(cè)抑制效果，進(jìn)而有效避免能源浪費(fèi)和產(chǎn)品品質(zhì)受損等不良影響。

3.3.2 歐姆加熱（OH）鈍化酶活力的研究 傳統(tǒng)的燙漂工藝是利用沸水或熱蒸汽對(duì)食品原料進(jìn)行短時(shí)間的熱處理，以滅活或鈍化原料中的酚酶和過(guò)氧化物酶，從而達(dá)到延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期的目的。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，OH 可快速均勻產(chǎn)熱，并通過(guò)非熱效應(yīng)影響食品原料的組織和酶活力，縮短燙漂時(shí)間。例如，Mizrahi 等[63]利用OH 處理玉米，發(fā)現(xiàn)380 V 電壓處理5 min 后即可鈍化玉米中的多酚氧化酶，而水浴加熱處理則需17 min 才可達(dá)到相同的效果。Demirdoven 等[64]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)OH 處理后，果膠酯酶活性可降低96%，而水浴處理后其活性下降88.3%。最早商業(yè)化的OH 燙漂系統(tǒng)是由Svensson 等人于上世紀(jì)70年代研發(fā)的[65]。目前，OH 在美國(guó)被廣泛應(yīng)用于低酸性或高酸性食品的加工，在日本被用于酸奶、草莓、魚(yú)糜制品及豆腐的殺菌等，在國(guó)內(nèi)則主要被用于肉的解凍以及牛奶、豆?jié){的加熱殺菌。OH 已被證明可有效鈍化牛奶、豆?jié){和和大多數(shù)蔬菜水果中的內(nèi)源酶，如脲酶、脂肪氧化酶、堿性磷酸酶、果膠甲基酯酶、聚半乳糖醛酸酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、氫過(guò)氧化物裂解酶和β-葡萄糖苷酶等[20，66-67]。OH 主要通過(guò)熱效應(yīng)影響酶活，加熱過(guò)程的非熱效應(yīng)亦可改變生物大分子的分子間距離和鏈間相互作用，從而改變其結(jié)構(gòu)。然而，OH 過(guò)程中的非熱效應(yīng)似乎僅對(duì)含有金屬基團(tuán)的酶如含有Cu 的過(guò)氧化物酶、含有Fe 的脂肪氧合酶以及含有Zn 和Mg 的堿性磷酸酶有效[20，38-40]。Jakób 等[67]對(duì)OH 過(guò)程中牛奶、水果和蔬菜中的堿性磷酸酶、果膠甲酯酶和過(guò)氧化物酶失活動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱處理過(guò)程這幾種酶的失活動(dòng)力學(xué)亦可用于描述OH 過(guò)程中酶失活的動(dòng)力學(xué)，而參數(shù)存在差異。Makroo 等[20]亦報(bào)道了類似的結(jié)果。

表2 電場(chǎng)技術(shù)鈍化酶活力的研究Table 2 Studies on inactivation of enzyme activity by electric field-based technique

在傳統(tǒng)熱處理過(guò)程中，酶滅活的動(dòng)力學(xué)可用以下方程描述：

式中，CA——酶活力，U；CA0——酶的初始活力，U；t——處理時(shí)間，min；D——在某個(gè)恒定溫度下使酶失去其原有活性的90%所需要的時(shí)間，min；D1——在溫度T1時(shí)使酶失去其原有活性的90%所需要的時(shí)間，min；D2——在溫度T2時(shí)使酶失去其原有活性的90%所需要的時(shí)間，min；T1——處理溫度1，℃；T2——處理溫度2，℃；z——溫度敏感指數(shù)，℃；Ea——活化能，kJ/mol；k——速率常數(shù)，s-1；k0——前指數(shù)因子，s-1。

與傳統(tǒng)的熱處理、對(duì)流和輻射加熱不同，OH是通過(guò)誘導(dǎo)電流通過(guò)樣品產(chǎn)生焦耳熱的方式進(jìn)行快速而均勻的加熱。OH 過(guò)程中，z值可利用電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表征（公式10）。

式中，VG——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm；zv——電場(chǎng)強(qiáng)度校準(zhǔn)z值。

3.3.3 感應(yīng)電場(chǎng)（IEF）鈍化酶活力的研究 IEF是通過(guò)磁電誘導(dǎo)的方式產(chǎn)生電場(chǎng)，不存在電極表面腐蝕導(dǎo)致樣品重金屬污染的隱患，因而在食品工業(yè)中有著較大的潛在應(yīng)用。張夢(mèng)月[25]和金亞美等[68]分別研究了IEF 對(duì)蘋(píng)果汁和藍(lán)莓果泥中過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶活力的影響，結(jié)果表明IEF可在保留果汁天然色香味和營(yíng)養(yǎng)成分的基礎(chǔ)上，有效抑制這兩種酶的活性。此外，IEF 的電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率與OH 類似，也主要是通過(guò)熱效應(yīng)影響酶活力。因此，IEF 處理過(guò)程中酶的失活動(dòng)力學(xué)方程可參考OH。

4 結(jié)論

電場(chǎng)處理作為一類“綠色、高效、連續(xù)化”的物理場(chǎng)加工技術(shù)，在食品工業(yè)具有較大的應(yīng)用潛力。電場(chǎng)技術(shù)可通過(guò)熱效應(yīng)、電化學(xué)和電解反應(yīng)以及極化效應(yīng)影響維持酶分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的次級(jí)鍵，增加或降低其結(jié)構(gòu)有序性，從而增加或降低酶活力。低電場(chǎng)強(qiáng)度處理可改善酶活力，用于食品工業(yè)中酶法制備高附加值產(chǎn)品如淀粉糖、風(fēng)味肽等；而高強(qiáng)度電場(chǎng)處理（通常超過(guò)20 kV/cm）在保留食品色香味和營(yíng)養(yǎng)成分的同時(shí)有效地鈍酶、殺菌，因而在牛奶消毒、豆?jié){和果蔬汁殺菌鈍酶中有著廣泛應(yīng)用。Ec值是電場(chǎng)處理誘導(dǎo)酶分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化的閾值。每一種酶的Ec值都是特定的。如果能準(zhǔn)確測(cè)定出某種酶促反應(yīng)的Ec值，就能通過(guò)試驗(yàn)建立電場(chǎng)處理參數(shù)與酶結(jié)構(gòu)變化程度的構(gòu)效關(guān)系，從而根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定電場(chǎng)處理參數(shù)以達(dá)到預(yù)期效果，避免為了確定最優(yōu)處理?xiàng)l件而進(jìn)行大量重復(fù)性試驗(yàn)，提高效率。構(gòu)建準(zhǔn)確測(cè)定Ec值的方法對(duì)拓展電場(chǎng)技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。此外，雖然大量研究證明PEF 和OH 可有效激活或鈍化酶活力，但PEF 和OH 均屬于電極類電場(chǎng)技術(shù)。這類電場(chǎng)技術(shù)采用與被加工食品直接接觸的金屬電極作為電場(chǎng)激勵(lì)源，可能會(huì)因電化學(xué)反應(yīng)而引起金屬極板腐蝕和重金屬泄露并導(dǎo)致所加工食品被污染。IEF 是基于變壓器結(jié)構(gòu)建立的磁電誘導(dǎo)類電場(chǎng)技術(shù)，無(wú)需使用電極，因而可以避免PEF 和OH 加工技術(shù)的缺陷，作為一種綠色加工技術(shù)在食品工業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景。