高壓電場殺菌技術(shù)研究進(jìn)展

鄺金艷　林穎　王麗　李宗軍

摘 要：高壓電場殺菌技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，已在食品、衛(wèi)生等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。本文介紹2 種常見的高壓電場殺菌技術(shù)的設(shè)備、殺菌機(jī)理和影響殺菌的相關(guān)因素，綜述高壓電場殺菌技術(shù)在不同電場條件下的殺菌效果和高壓電場技術(shù)在食品（肉類和水產(chǎn)品）殺菌中的應(yīng)用，并探討高壓電場技術(shù)的發(fā)展前景和高壓電場技術(shù)聯(lián)用其他殺菌技術(shù)的殺菌效果，旨在為高壓電場技術(shù)在食品殺菌領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖電場；高壓靜電場；殺菌機(jī)理；食品殺菌

Research Progress in High-Voltage Electric Field Sterilization Technology

KUANG Jinyan， LIN Ying， WANG Li， LI Zongjun*

（College of Food Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： High-voltage electric field sterilization technology has good application prospects and has received increasing attention in fields such as food and hygiene. In order to provide a reference for the application of high-voltage electric field in food sterilization， this article introduces readers to the equipment and working mechanisms of two common high-voltage electric field sterilization technologies and the factors influencing the sterilization efficiency， and it reviews the efficiency of high-voltage electric field sterilization technology under different electric field conditions and the application of high-voltage electric field technology in food （meat and aquatic products） sterilization. Furthermore， this review discusses future prospects for high-voltage electric field technology and the efficiency of high-voltage electric field technology combined with other sterilization technologies.

Keywords： pulsed electric field; high-voltage electrostatic field; sterilization mechanism; food sterilization

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2023）09-0052-08

引文格式：

鄺金艷， 林穎， 王麗， 等. 高壓電場殺菌技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 肉類研究， 2023， 37（9）： 52-59. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068.? ? http：//www.rlyj.net.cn

KUANG Jinyan， LIN Ying， WANG Li， et al. Research progress in high-voltage electric field sterilization technology[J]. Meat Research，

2023， 37（9）： 52-59. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20230711-068.? ? http：//www.rlyj.net.cn

原料采購、加工、貯藏等過程中存在的微生物污染問題是威脅食品安全和消費(fèi)者健康的重要因素。微生物因素潛在的食品安全隱患不容忽視，因此殺菌處理是食品工業(yè)中必不可少的工序。殺菌技術(shù)不僅能延長食品貯藏時(shí)間，還能降低致病菌污染的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，消費(fèi)者對食品品質(zhì)和食品安全提出了更高的要求。傳統(tǒng)的食品熱殺菌技術(shù)對食品功能成分，如花青素和多酚等，以及食品感官品質(zhì)破壞較大，不能滿足現(xiàn)代食品加工的需求[4]。傳統(tǒng)的熱殺菌技術(shù)，如巴氏殺菌技術(shù)、高溫殺菌技術(shù)、超高溫瞬時(shí)殺菌技術(shù)等是通過加熱對食品進(jìn)行殺菌，殺菌效果好、適用廣泛，但食品顏色、口味、氣味等發(fā)生改變，營養(yǎng)成分損失，食用價(jià)值降低[5]。高壓電場技術(shù)殺菌效果好、殺菌時(shí)間較短、能耗小、環(huán)保無污染，且能最大限度地保持食品原有的營養(yǎng)成分和感官性狀，為傳統(tǒng)的熱殺菌提供了新穎的替代方案，在實(shí)際生產(chǎn)過程中具有廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。目前，國內(nèi)外研究人員將電場技術(shù)應(yīng)用于不同的食品領(lǐng)域，如殺菌[8-10]、冷凍解凍[11-12]、干燥[13]、有效成分提取[14]

和降低有害物質(zhì)積累[15]等。本文重點(diǎn)闡述高壓靜電場（high voltage electrostatic field，HVEF）和高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）的裝置特點(diǎn)、殺菌機(jī)理、殺菌效果影響因素及其在食品殺菌中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并聯(lián)合其他殺菌技術(shù)進(jìn)行展開介紹。

1 高壓電場殺菌技術(shù)簡介

1.1 高壓電場殺菌機(jī)理

1.1.1 PEF殺菌機(jī)理

非熱加工技術(shù)中，PEF是研究最廣泛、最有發(fā)展前景的工藝之一。目前，人們普遍認(rèn)為PEF的滅活機(jī)理主要集中在電崩解理論[16-17]和電穿孔理論[18-20]。然而現(xiàn)有研究認(rèn)為，電崩解機(jī)理更能夠說明脈沖電場滅菌的原理和過程[21]。有研究者將細(xì)胞膜視為電容，細(xì)胞膜內(nèi)外存在電勢差。電崩解理論是指在外加電場作用下，細(xì)胞膜兩側(cè)的異性電荷和電解質(zhì)在細(xì)胞膜內(nèi)外聚集，將會(huì)對細(xì)胞膜形成擠壓力，使膜的厚度減小。當(dāng)跨膜電壓超過某個(gè)臨界值時(shí)，細(xì)胞膜就會(huì)開始崩解，形成崩解孔。崩解孔的面積占細(xì)胞膜的總面積較小時(shí)，細(xì)胞膜的崩解是可逆的[22]。

如果細(xì)胞膜的崩解孔面積過大且長時(shí)間處于電場作用下，就會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生不可逆崩解，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)物質(zhì)與外部物質(zhì)的大量、自由交換，最終細(xì)胞死亡[23]，如圖1

所示。微生物細(xì)胞膜主要是由蛋白質(zhì)和磷脂雙分子層組成，細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。電穿孔理論是在電場的作用下，細(xì)胞膜磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)通道發(fā)生改變。電場擴(kuò)大細(xì)胞膜上原有的膜孔并產(chǎn)生新的疏水性膜孔，最后變成穩(wěn)定的親水性膜孔，細(xì)胞膜孔可以導(dǎo)電并產(chǎn)生局部焦耳熱，磷脂雙分子層從凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕ЫY(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜通透性增加；電場作用后，電壓敏感的蛋白質(zhì)通道打開，細(xì)菌細(xì)胞膜上形成小孔，使得細(xì)胞膜通透性增加，外部小分子物質(zhì)通過小孔進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，使得細(xì)菌體積膨脹，細(xì)胞膜破裂，細(xì)菌內(nèi)容物外泄，最終導(dǎo)致細(xì)菌損傷或死亡[24]，如圖2所示。

1.1.2 HVEF殺菌機(jī)理

HVEF作為一種新型的非熱加工技術(shù)，在食品工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，HVEF已被證實(shí)是一種有效的殺菌方

法[25]，并能保持食品的物理和感官特性[26-27]。HVEF殺菌機(jī)理有以下三方面：1）HVEF也具有類似于PEF殺菌的電崩解和電穿孔理論；2）芒刺-板型和線-板型HVEF中存在極強(qiáng)的電暈放電現(xiàn)象，在強(qiáng)電場作用下，空氣中存在的少量帶電粒子與中性分子或原子不斷發(fā)生碰撞，其中電子與氧分子碰撞產(chǎn)生的臭氧對食品表面微生物具有殺滅作用。臭氧導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化，引起新陳代謝紊亂，細(xì)胞膜通透性變大，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)被破壞，最終導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡[28-29]；3）電離產(chǎn)生的活性氧具有很強(qiáng)的氧化性，對殺菌至關(guān)重要，如過氧化氫能使微生物細(xì)胞膜氧化破裂，失去物質(zhì)交換能力，使得微生物死亡。羥自由基是一種極強(qiáng)的氧化劑，能迅速氧化與之相鄰的核酸、糖以及細(xì)胞的多種組分。超氧陰離子自由基可以破壞微生物的細(xì)胞膜、細(xì)胞核、蛋白質(zhì)和碳水化合物等，最終導(dǎo)致細(xì)菌突變、老化和死亡[30-31]。

1.2 影響高壓電場殺菌的因素

1.2.1 PEF殺菌效果的影響因素

PEF技術(shù)對于微生物的滅活效果影響因素包括PEF的處理參數(shù)、被處理介質(zhì)條件及微生物自身的特性[24，32]。PEF處理參數(shù)包括脈沖電場波形、電場強(qiáng)度、脈沖處理時(shí)間和脈沖頻率等因素。介質(zhì)條件也是PEF滅菌的重要影響因素，如被處理介質(zhì)的狀態(tài)、電導(dǎo)率、離子強(qiáng)度、溫度、pH值和水分活度等。PEF殺菌的影響因素有很多，微生物種類、生長階段和微生物大小等都對PEF殺菌效果有影響[33]。PEF技術(shù)對食品殺菌效果的影響總結(jié)見表1。

1.2.2 HVEF殺菌效果的影響因素

研究發(fā)現(xiàn)，影響HVEF殺菌效果的因素是電場設(shè)備、處理對象的特性和微生物的生理特性[51]。電場設(shè)備中HVEF的電極板類型、電場強(qiáng)度和處理時(shí)間對殺菌效果有很大影響，芒刺-板型電極板尖端的氣體因電暈放電被電離成高能的離子和電子，芒刺-板型的滅菌效果明顯優(yōu)于其他板型[52-53]。處理對象因素，如溫度、電導(dǎo)率和pH值等都對微生物的滅活起著重要作用。食品種類、處理溫度、微生物數(shù)量和生長階段等也是影響殺菌效果的重要因素。HVEF技術(shù)對食品滅菌效果的因素總結(jié)見表2。

2 高壓電場殺菌技術(shù)應(yīng)用

2.1 不同PEF條件的殺菌效果

與傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)相比，PEF技術(shù)因?qū)Σ≡⑸锏挠行缁钜约把娱L產(chǎn)品保質(zhì)期、保留新鮮度等優(yōu)勢而被廣泛研究，用于食品殺菌和保存[63-64]。牛德寶[43]采用25 kV/cm的PEF處理醋酸菌6.0 ms，醋酸菌的滅活菌數(shù)達(dá)到3.66（lg（CFU/mL）），且電場強(qiáng)度對醋酸菌的致死效應(yīng)較脈沖處理時(shí)間更為重要。此外，隨著初始溫度升高到42 ℃，PEF對醋酸菌的滅活效果最大，減少4.97（lg（CFU/mL））。Tao Xiaoyun等[65]采用35 kV/cm的PEF處理大腸桿菌和釀酒酵母90 μs，大腸桿菌和釀酒酵母的菌落數(shù)分別減少5.15、5.30（lg（CFU/g））。經(jīng)研究分析，在相同的電場處理?xiàng)l件下，酵母的死亡率大于大腸桿菌，酵母對PEF更敏感，這與Evrendilek[66]和Qin Bailin[67]等的發(fā)現(xiàn)一致。Zhao Wei等[68]采用流式細(xì)胞術(shù)結(jié)合熒光技術(shù)，定量實(shí)時(shí)檢測PEF對大腸桿菌細(xì)胞和亞致死損傷微生物細(xì)胞的損傷程度，揭示了PEF滅活大腸桿菌的潛在機(jī)制。PEF誘導(dǎo)的亞致死損傷細(xì)胞在25 kV/cm時(shí)達(dá)到最大值，該研究表明，在較高的電場強(qiáng)度下，PEF誘導(dǎo)的亞致死損傷細(xì)胞轉(zhuǎn)為永久性膜損傷細(xì)胞。Zhu Ning等[69]對脈沖電場滅菌的處理室進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著工作電壓升高到500 V，釀酒酵母和金黃色葡萄球菌數(shù)量分別下降5.42、4.77（lg（CFU/g））；對數(shù)生長期的釀酒酵母、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌比穩(wěn)定期微生物對電場的變化更敏感，因?yàn)閷?shù)生長期的細(xì)胞迅速分裂并活躍生長。當(dāng)PEF條件為脈沖頻率30.5 kHz、占空比2.3%、處理時(shí)間7 min和電場強(qiáng)度45 kV/cm時(shí)，PEF對調(diào)理牛肉中微生物致死率為87.33%，且調(diào)理牛肉的貨架期延長，感官品質(zhì)無顯著降低，為調(diào)理肉制品的殺菌保藏提供了參考[70]。

2.2 不同HVEF條件的殺菌效果

與PEF相比，HVEF用于殺菌的電場強(qiáng)度不高，時(shí)間較長，殺菌效果不如PEF。通常情況下，增大電場強(qiáng)度和延長處理時(shí)間會(huì)提高HVEF殺菌效果。王云龍等[52]探討不同HVEF對大腸桿菌的誘變效應(yīng)差異，結(jié)果表明，高壓芒刺電場在1 kV/cm處理大腸桿菌時(shí)突變率最高，是對照組的12 倍，HVEF在場強(qiáng)為4 kV/cm處理時(shí)突變率最高，為對照組的5.47 倍。該研究還表明，不同HVEF對大腸桿菌的突變效應(yīng)由高到低分別為高壓芒刺電場、高壓變頻電場、HVEF。Huang Han等[71]研究HVEF對約氏不動(dòng)桿菌的抗菌機(jī)制，結(jié)果表明，在30 kV/cm、15 min電場條件下，約氏不動(dòng)桿菌數(shù)量減少2.06（lg（CFU/g））。白愛枝等[72]研究HVEF對大腸桿菌的損傷效應(yīng)，場強(qiáng)為4 kV/cm時(shí)大腸桿菌的存活率和突變率的變化和對照組相比均達(dá)到極顯著水平，此條件下處理2 min時(shí)大腸桿菌的存活率最低，僅為（7.77±1.73）%。Liu Jiao等[54]利用HVEF輔助凍結(jié)蝦，在電場作用下產(chǎn)生小而均勻的冰晶，改善蝦質(zhì)地同時(shí)抑制了微生物生長。在15、20 kV/cm時(shí)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化顯著，低于其他組。因此，高強(qiáng)度HVEF（＞15 kV/cm）對細(xì)菌有抑制作用。Gao Wenqing等[73]研究可調(diào)并聯(lián)HVEF對羅非魚貯藏期間新鮮度的影響，HVEF處理可有效降低冷藏（4 ℃）羅非魚肉的微生物生長速度，隨著電場強(qiáng)度從10 kV/cm增加到900 kV/cm，這種抑制效果增加10 倍。HVEF在食品保鮮方面具有良好的使用潛力，因?yàn)樗行У乇３至唆~類的新鮮度。當(dāng)電場強(qiáng)度為600 kV/cm或更高時(shí)，效果更佳。HVEF還運(yùn)用于肉類凍藏及解凍，如胡裴裴[74]對比分析低壓靜電場與非靜電場條件輔助短期凍藏過程中豬肉的菌落總數(shù)變化，肉樣在－12、－18 ℃凍藏28 d時(shí)的菌落總數(shù)較對照組菌落總數(shù)下降4.50、4.48（lg（CFU/g））。

何向麗[75]運(yùn)用HVEF解凍豬里脊肉，并研究解凍后貯藏期間微生物的變化。結(jié)果表明，豬里脊肉在電壓為10 kV處理后的菌落總數(shù)比對照組的菌落總數(shù)減少0.45（lg（CFU/g）），在解凍后的1～3 d，對照組散發(fā)腐爛氣味，電場處理組仍保持得較新鮮。此外，Xie Changwei等[76]發(fā)現(xiàn)，HVEF解凍雞腿肉樣品中的微生物菌落數(shù)低于對照組。HVEF解凍似乎能有效抑制微生物活動(dòng)并延緩肉類變質(zhì)。還有研究報(bào)道了不同包裝形式的食品在貯藏期間的微生物變化不同，隨著時(shí)間的延長，靜電組樣品的菌落總數(shù)明顯低于未靜電組。貯藏8 d時(shí)，托盤靜電組樣品的菌落總數(shù)大于6（lg（CFU/g）），而其他組樣品在貯藏6 d時(shí)的菌落總數(shù)已接近或大于6（lg（CFU/g）），并且在貯藏8 d時(shí)的菌落總數(shù)已超過7（lg（CFU/g））[77]。關(guān)于PEF與HVEF在幾種典型食品中的殺菌效果對比見表3。

2.3 高壓電場技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)用

微生物對電場技術(shù)的易感性不同，電場技術(shù)處理后觀察到3 種形式的細(xì)胞，即死亡、存活和亞致死損傷細(xì)胞。PEF和HVEF技術(shù)對于微生物殺菌均存在一定的局限性，單獨(dú)作用較難達(dá)到預(yù)期效果。因此，將電場技術(shù)與其他技術(shù)協(xié)同以強(qiáng)化殺菌效果，優(yōu)化殺菌工藝，如電場技術(shù)與溫?zé)?、冰溫、抑菌劑、紫外和脈沖光等技術(shù)協(xié)同。Niu Debao等[81]研究不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對醋酸桿菌細(xì)胞膜脂肪酸組成、脂質(zhì)構(gòu)象、膜流動(dòng)性和脈沖電場抗性的影響。結(jié)果表明，醋酸桿菌的生長受到抑制。例如，用9%乙醇培養(yǎng)的醋酸桿菌（109 CFU/mL）

在PEF作用（20.0 kV/cm、6.0 ms）下，醋酸桿菌菌落數(shù)為5.17（lg（CFU/g）），而不用乙醇培養(yǎng)的菌落數(shù)為3.22（lg（CFU/g））。Pyatkovskyy等[82]探究高靜水壓（high hydrostatic pressure，HPP）、PEF和超聲（ultrasonic，US）處理對單核細(xì)胞增生李斯特菌的滅活效果，當(dāng)PEF和HPP、US同時(shí)使用時(shí)觀察到協(xié)同效應(yīng)。陳婧[44]以釀酒酵母為研究對象，研究柚皮苷協(xié)同PEF對微生物的致死作用。隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)和電場處理時(shí)間的延長，對微生物的殺菌效果明顯增強(qiáng)。當(dāng)場強(qiáng)為35 kV/cm、處理時(shí)間為2 400 μs時(shí)，菌落數(shù)減少1.89（lg（CFU/mL）），并且柚皮苷與PEF協(xié)同處理的菌落數(shù)減少量是PEF單獨(dú)處理時(shí)的3.15 倍。朱誠[83]將等離子體結(jié)合PEF滅菌，研究發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)合具有顯著的協(xié)同抑菌效果，等離子體處理3 min，之后PEF（15 kV/cm、10 μs）處理的組合能夠分別殺滅5.98、5.82（lg（CFU/mL））金黃色葡萄球菌、大腸桿菌。段偉文等[84]將靜電場與冰溫技術(shù)結(jié)合對蝦進(jìn)行保鮮，當(dāng)貯藏時(shí)間延長至后期，電壓越高，靜電場結(jié)合冰溫對微生物的抑制效果越好，并能明顯抑制對蝦的腐敗和不良?xì)馕兜漠a(chǎn)生，同時(shí)能改善蝦肉色澤，抑制pH值上升等。何天夫[85]研究發(fā)現(xiàn)，PEF協(xié)同肉桂醛對大腸桿菌的滅活具有協(xié)同增效作用。當(dāng)肉桂醛濃度為最小殺菌濃度的1/2且無PEF作用時(shí)，大腸桿菌滅活效果為0.04（lg（CFU/mL））。當(dāng)場強(qiáng)為10、15、20、25 kV/cm時(shí)，殺滅效果分別為0.54、0.71、1.37、2.38（lg（CFU/mL））。相似地，劉英[51]研究高壓芒刺電場結(jié)合肉桂醛使用對單增李斯特菌的殺菌效果及殺菌機(jī)理，結(jié)果表明，高壓芒刺電場與肉桂醛結(jié)合處理可以提高殺菌效果。當(dāng)電場強(qiáng)度為14 kV/cm、處理15 min條件下，結(jié)合不同濃度肉桂醛處理加劇了單增李斯特菌細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等大分子外流、造成DNA的降解和細(xì)胞膜破損程度加劇，微生物致死效果增加。岑劍偉等[86]

探究HVEF聯(lián)合冰溫技術(shù)對鮮羅非魚片的保鮮效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冰溫氣調(diào)保鮮組在貯藏6 d時(shí)微生物數(shù)超過107 CFU/g，冰溫空氣包裝組在貯藏3 d時(shí)超過108 CFU/g，HVEF結(jié)合冰溫氣調(diào)條件下貯藏到30 d時(shí)微生物數(shù)量僅為104 CFU/g。Lin Yunian等[87]以紅鯛魚為研究對象，在魚片表面接種腐敗希瓦氏菌，研究US和HVEF抗菌活性，還研究了US和HVEF解凍對魚片品質(zhì)特性的影響。結(jié)果表明，US和HVEF聯(lián)合處理對腐敗希瓦氏菌抗菌性最好，致死率為96.73%。此外，US和HVEF聯(lián)合使用可以最大限度減少解凍損失，保持魚片質(zhì)地。目前，國內(nèi)外研究表明，電場技術(shù)與其他殺菌技術(shù)的協(xié)同作用對微生物抑制更加有效，能延長食品的貨架期，更好保留食品的理化性質(zhì)和營養(yǎng)成分，具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)于電場技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用的殺菌效果見表4。

3 高壓電場殺菌技術(shù)發(fā)展前景

3.1 PEF殺菌技術(shù)的發(fā)展前景

許多研究表明PEF技術(shù)具有高效的殺菌作用，已取得較好的研究進(jìn)展[90]。目前為止，PEF對液體和半固體食品殺菌效果較好[78]，這是因?yàn)閹щ姺肿哟嬖谟谝后w中，電流在液體食品中更有效移動(dòng)且固體食品含有豐富的離子、蛋白質(zhì)和脂類，食品電導(dǎo)率增加，影響場強(qiáng)，液體食品中微生物比固體食品中微生物易滅活。電源電壓影響微生物殺菌效果，電源電壓需要上千至上萬伏，成本高且有安全隱患。為促進(jìn)PEF技術(shù)工業(yè)化，需進(jìn)一步改進(jìn)高壓電源。研究表明，金屬電極對微生物的致死率較高，但是金屬電極（不銹鋼、鈦）長時(shí)間處于高電壓條件下易發(fā)生分解，影響食品安全和電極板使用壽命[28，91]，關(guān)于新型電極材料（碳材料）的應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。至今，PEF殺菌技術(shù)大多停留在實(shí)驗(yàn)室水平，未能運(yùn)用于工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，不同處理室間存在電場強(qiáng)度不均勻、場強(qiáng)過小等問題[28]。PEF處理過程中微生物細(xì)胞亞致死損傷的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重影響PEF處理食品的微生物貨架期和食品安全[92]。說明PEF殺菌技術(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)PEF的殺菌效果，推廣PEF電場技術(shù)的應(yīng)用。最近幾年，低、中電場強(qiáng)度的電場技術(shù)引起了大多數(shù)研究者的

關(guān)注[69，93]。因此，今后的研究需朝著高質(zhì)量、殺菌、經(jīng)濟(jì)和可靠方向發(fā)展，并進(jìn)一步探索PEF殺菌技術(shù)在食品、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.2 HVEF殺菌技術(shù)的發(fā)展前景

HVEF殺菌效果不如PEF，HVEF設(shè)備構(gòu)造相對簡單、價(jià)格低、溫度變化幅度小、電源電壓低、電場強(qiáng)度不高，達(dá)到理想滅菌效果所需時(shí)間長。HVEF電源輸出電壓較低，殺菌的電場強(qiáng)度不高，在微生物滅活過程中也出現(xiàn)大量的亞致死損傷細(xì)胞，影響食品貨架期和消費(fèi)者安全。電極板類型對微生物殺菌有很大影響，常見的不同電極板類型中，芒刺-板型HVEF殺菌效果最佳，能大幅度減少處理時(shí)間[52]。相對于PEF，HVEF對固體食品殺菌效果較好，對食品的組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)風(fēng)味無破壞，在固體食品殺菌保鮮領(lǐng)域具有更廣闊的發(fā)展前景。HVEF設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保無殘留，是理想的非熱加工技術(shù)。同時(shí)，相比于PEF，HVEF用于殺菌研究相對較少，殺菌效果不及PEF，進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化或結(jié)合其他殺菌技術(shù)能發(fā)揮更大的研究價(jià)值和使用價(jià)值。

4 高壓電場裝置特點(diǎn)

4.1 PEF裝置特點(diǎn)

PEF是高壓脈沖電源在2 個(gè)電極板之間形成脈沖電場，PEF以較高的電場強(qiáng)度（10～50 kV/cm）、較短的脈沖寬度（0～100 μs）和較高的脈沖頻率（0～2 000 Hz）對物料進(jìn)行處理。PEF裝置一般由高壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)和高壓PEF處理室組成。處理系統(tǒng)的脈沖波形有振蕩波、指數(shù)衰減波、方波和雙極性波等。振蕩波形殺菌效率較差，在食品殺菌方面運(yùn)用較少；指數(shù)衰減波是通過簡單的電容充放電路形成；方波峰值電壓持續(xù)時(shí)間長，殺菌效果好；雙極性波由一組正波和負(fù)波構(gòu)成。處理室有平行盤式、柱-盤式、柱-柱式、線圈繞柱式和同心軸式等[94]。PEF技術(shù)處理食品殺菌效果好、處理時(shí)間短、無污染，能最大限度保留食品原有的營養(yǎng)成分[10]。PEF裝置示意圖如圖3所示。

4.2 HVEF裝置特點(diǎn)

HVEF是低壓電源（0～30 V）經(jīng)電子線路處理產(chǎn)生高頻矩形波，再經(jīng)過整流、濾波、多諧振變換和多級倍壓整流等電路，最終變換成穩(wěn)定的直流高電壓（0～50 kV）。高壓電源施加在2 塊平行的電極板之間形成HVEF[94]。通過調(diào)節(jié)控制器改變輸出電壓或極板之間的距離改變電場強(qiáng)度[96]。常見的HVEF裝置有板-板型、線-板型和芒刺-板型，裝置示意圖如圖4所示。線-板型電極可產(chǎn)生較大電暈電流，但電流分布不均勻。板-板型電極板能產(chǎn)生較強(qiáng)的勻強(qiáng)電場，但幾乎不產(chǎn)生電暈電流，因此殺菌效果相對較差。芒刺-板型產(chǎn)生的電暈電流分布均勻且殺菌效果明顯優(yōu)于以上2 種類型[51-53]。HVEF在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，展現(xiàn)出殺菌效果好、能耗小、產(chǎn)熱小、綠色無污染和對食品品質(zhì)無影響等優(yōu)勢[7]。

5 結(jié) 語

高壓電場技術(shù)不僅能保持食品原本的品質(zhì)，還具有低能耗、低污染等優(yōu)勢，未來具有廣闊的發(fā)展前景。PEF技術(shù)處理時(shí)間短，殺菌效果強(qiáng)大，一直深受國內(nèi)外研究人員的青睞，但需要向應(yīng)用食品范圍廣、降低生產(chǎn)成本、高壓電源和電極的調(diào)整等方向發(fā)展。HVEF技術(shù)構(gòu)造相對簡單、成本較低、電源電壓較低等特點(diǎn)在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。HVEF電極結(jié)構(gòu)類型影響微生物殺菌效果，芒刺-板型HVEF在食品殺菌保鮮方面具有更加廣闊的前景。為了高壓電場技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，高壓電場技術(shù)設(shè)備的優(yōu)化與深入研究、結(jié)合其他殺菌技術(shù)增強(qiáng)殺菌效果有待進(jìn)一步探索。相信通過不斷地研究與完善，高壓電場技術(shù)將在食品等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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收稿日期：2023-07-11

基金項(xiàng)目：湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022NK2035）

第一作者簡介：鄺金艷（1999—）（ORCID： 0009-0007-6011-8018），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。

E-mail： 1186647408@qq.com

*通信作者簡介：李宗軍（1967—）（ORCID： 0000-0001-7495-3822），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。

E-mail： hnlizongjun@163.com