陶曉赟，王寅，陳健，李路寧，孫愛(ài)東

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京，100083)

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁殺菌效果及品質(zhì)的影響

陶曉赟，王寅，陳健，李路寧，孫愛(ài)東

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京，100083)

研究了高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)對(duì)藍(lán)莓汁的殺菌效果及其對(duì)藍(lán)莓汁理化性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示:隨電場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間的增大，PEF對(duì)藍(lán)莓汁中大腸桿菌的殺滅效果增強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為35 kV/cm，處理時(shí)間為82μs時(shí)，藍(lán)莓汁中大腸桿菌致死率為5.12個(gè)對(duì)數(shù)。電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，電導(dǎo)率增大，PEF對(duì)大腸桿菌的鈍化效果略微下降。PEF對(duì)藍(lán)莓汁VC、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物及色澤等理化性質(zhì)沒(méi)有影響。

高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)，藍(lán)莓汁，大腸桿菌，理化性質(zhì)

藍(lán)莓(blueberry)，又稱越橘、藍(lán)漿果，果實(shí)多為深藍(lán)色，被白霜，近圓形，營(yíng)養(yǎng)豐富。藍(lán)莓中含有豐富的功能性成分，如維生素、果膠、SOD、礦物質(zhì)元素等，尤其是花青素含量居各種水果之冠，一般100 g鮮藍(lán)莓含有花色苷100～200 mg，被譽(yù)為“漿果之王”[1］。藍(lán)莓含有的花青素、多酚等活性物質(zhì)使之具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤、改善視力、保護(hù)神經(jīng)、預(yù)防心腦血管疾病、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等功能[2-6］，因此藍(lán)莓被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)確定為人類五大健康食品之一。

高壓脈沖電場(chǎng)(Pulsed Electric Fields，PEF)作為非熱加工技術(shù)的一種，具有營(yíng)養(yǎng)破壞少、風(fēng)味保持好、食品安全、溫度變化小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[7］。PEF殺菌效果與處理因素、產(chǎn)品因素、微生物因素有關(guān)[10］。目前，PEF殺菌機(jī)理尚不確定，大部分研究學(xué)者認(rèn)為PEF使細(xì)胞膜發(fā)生不可逆損傷是細(xì)胞失活的直接原因。當(dāng)微生物被置于高壓脈沖電場(chǎng)中時(shí)，由于高壓脈沖電場(chǎng)使微生物細(xì)胞膜發(fā)生電穿孔[9］或電滲透[10］，微生物細(xì)胞膜破裂，通透性改變，進(jìn)而死亡。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)PEF在果蔬汁中的應(yīng)用研究較多，包括PEF殺菌鈍酶機(jī)理、處理后產(chǎn)品理化性質(zhì)的變化[11-12］，但PEF對(duì)藍(lán)莓汁的殺菌研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究以大腸桿菌為目標(biāo)微生物，研究PEF對(duì)藍(lán)莓汁的殺菌效果，并從Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等方面分析PEF處理對(duì)藍(lán)莓汁理化性質(zhì)的影響，以期為實(shí)踐應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

藍(lán)莓，遼寧丹東市有機(jī)食品有限公司，果實(shí)成熟，紫黑色，于-80℃冷藏待用。將藍(lán)莓從冰箱中取出，常溫解凍，清洗，晾干，1∶6(質(zhì)量比)加水榨汁，離心過(guò)濾，用1 mol/L NaCl調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率為1.4、1.8 mS/cm。121℃殺菌20 min，冷卻后接種目標(biāo)微生物。藍(lán)莓汁的pH為3.3左右。

1.2 PEF殺菌設(shè)備

PEF殺菌設(shè)備(圖1)由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)與清華大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)，主要由高壓脈沖發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、處理室和無(wú)菌操作系統(tǒng)4部分組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)儀器管路清洗采用4 g/100 mL的NaOH清洗15 min，再用體積分?jǐn)?shù)為10%84消毒液清洗15 min，最后用無(wú)菌蒸餾水清洗20 min，同時(shí)無(wú)菌操作臺(tái)里紫外殺菌30 min，以保證無(wú)菌環(huán)境。

圖1 高壓脈沖電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菌種的處理與測(cè)定

實(shí)驗(yàn)用大腸桿菌菌種由北京林業(yè)大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室提供。用接種環(huán)將菌種移至營(yíng)養(yǎng)肉湯，37℃搖床培養(yǎng)14 h至生長(zhǎng)穩(wěn)定期，菌體濃度為109～1010CFU/mL。將20 mL此菌液接到2L已滅菌的藍(lán)莓汁中，使樣品中菌體濃度達(dá)107～108CFU/mL。將PEF處理前后的藍(lán)莓汁倒平板，大腸桿菌培養(yǎng)基為營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，37℃恒溫培養(yǎng)48 h后計(jì)數(shù)，殺菌效果用致死率對(duì)數(shù)值lg S表示:

式中:N0為PEF處理前的微生物數(shù)，CFU/mL;N為PEF處理后的微生物數(shù)，CFU/mL。

1.3.2 PEF殺菌參數(shù)的選擇

以大腸桿菌為研究對(duì)象，接種于藍(lán)莓汁中，電場(chǎng)強(qiáng)度為20、25、30、35 kV/cm，處理時(shí)間為27、54、82 μs，電導(dǎo)率為1.4、1.8 mS/cm。波形為單極性方波。

電場(chǎng)強(qiáng)度E和總處理時(shí)間t計(jì)算方法:

式中:U，實(shí)際電壓，kV;d，電極板間距0.4 cm;n，處理室個(gè)數(shù);V，處理腔體積，0.05 mL;f，頻率，Hz;W，脈寬，s;v，流速，mL/s。

1.3.3 PEF殺菌對(duì)藍(lán)莓汁理化性質(zhì)的影響

研究PEF處理后，藍(lán)莓汁Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等理化指標(biāo)的變化。

(1)Vc含量的測(cè)定:GB/T 5009.159—2003《食品中還原型抗壞血酸的測(cè)定》的方法測(cè)定;

(2)花青素含量的測(cè)定:采用pH示差法;

(3)可滴定酸的測(cè)定:采用電位滴定法;

(4)總酚含量測(cè)定:采用Folin-Ciocalteu`s法測(cè)定總酚含量;

(5)可溶性還原糖的測(cè)定:直接滴定法。

(6)可溶性固形物含量Brix的測(cè)定:采用折光計(jì)法，測(cè)量樣品溶液的溫度如果不在標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)，查溫度校正表進(jìn)行修正;

(7)CIE L*a*b*三刺激顏色測(cè)定:采用色差儀對(duì)藍(lán)莓汁的CIE L*(亮度)、a*(紅值)、b*(黃值)三刺激顏色進(jìn)行測(cè)定。

L*值表示亮度，范圍在0～100之間，L*值越高表明樣品表面越白。a*＞0表示紅值、a*＜0表示綠值。b*＞0表示黃值、b*＜0表示藍(lán)值。通過(guò)下述公式計(jì)算色調(diào)角hab、飽和度C*和總色差ΔE。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEF電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間對(duì)藍(lán)莓汁殺菌效果的影響

圖2顯示了電導(dǎo)率為1.4 mS/cm時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間對(duì)藍(lán)莓汁中大腸桿菌的鈍化效果。電場(chǎng)強(qiáng)度為20、25、30、35 kV/cm，處理時(shí)間為27、54、82 μs。由圖2可以看出，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，PEF對(duì)藍(lán)莓汁中大腸桿菌的鈍化效果隨處理時(shí)間的的增長(zhǎng)而增強(qiáng);當(dāng)處理時(shí)間一定時(shí)，PEF對(duì)藍(lán)莓汁中大腸桿菌的鈍化效果隨電場(chǎng)強(qiáng)度的的增大而增強(qiáng)。這與李靜[13］、陳拓[14］、Evrendilek[15］等人的研究結(jié)果一致。

本實(shí)驗(yàn)中，在電場(chǎng)強(qiáng)度為20 kV/cm，處理時(shí)間為27μs時(shí)，大腸桿菌菌落總數(shù)下降了1.06個(gè)對(duì)數(shù)，有研究表明大腸桿菌的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EC為15.9 kV/cm[13］和11.21～12.19 kV/cm[16］。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為35 kV/cm，處理時(shí)間為82 μs時(shí)，大腸桿菌菌落總數(shù)下降了5.12個(gè)對(duì)數(shù)。經(jīng)分析，電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間對(duì)大腸桿菌有顯著的鈍化效果，并且是影響PEF殺菌效果的主要因素。

圖2 PEF電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間對(duì)藍(lán)莓汁殺菌效果的影響

2.2 PEF電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率對(duì)藍(lán)莓汁殺菌效果的影響

由圖3可見(jiàn)，隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，PEF對(duì)大腸桿菌的鈍化作用增大;但在同一電場(chǎng)強(qiáng)度下，隨著導(dǎo)電率的增加，PEF對(duì)大腸桿菌的鈍化效果有所下降。這與Alvarz等[17］的研究結(jié)果一致。Alvarz等認(rèn)為，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，電導(dǎo)率并不會(huì)影響PEF對(duì)微生物的滅活，導(dǎo)電率增大會(huì)降低PEF對(duì)微生物的鈍化效果。分析原因:(1)電導(dǎo)率增大會(huì)使方波產(chǎn)生畸形，方波上升時(shí)間增大，對(duì)脈寬的影響不可忽略，故使有效作用時(shí)間減小。(2)電導(dǎo)率決定處理室的電阻，從而可以使電場(chǎng)強(qiáng)度減小，物料溫度發(fā)生波動(dòng)。(3)導(dǎo)電率越大，輸入能量密度越大，PEF鈍化效果越好[13］。所以，電導(dǎo)率是影響PEF殺菌效果的重要因素之一，其對(duì)PEF的影響也相對(duì)比較復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖3 PEF電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率對(duì)藍(lán)莓汁殺菌效果的影響

2.3 PEF對(duì)藍(lán)莓汁理化指標(biāo)的影響

為了探討高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁理化指標(biāo)的影響，并與加熱處理進(jìn)行比較，分別對(duì)藍(lán)莓汁原樣、加熱處理樣和高壓脈沖電場(chǎng)處理樣的Vc、花青素、總酚、可滴定酸、還原糖、可溶性固形物(Brix)及色澤等理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。PEF處理的條件選為:電場(chǎng)強(qiáng)度30 kV/cm、處理時(shí)間54 μs、電導(dǎo)率1.4 mS/cm，熱處理?xiàng)l件為90℃、15 s，對(duì)照組不做任何處理。

表1、表2顯示了高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁理化性質(zhì)的影響。由表1可見(jiàn)，PEF處理后藍(lán)莓汁的各項(xiàng)指標(biāo)與對(duì)照組相比幾乎不變。熱處理后，藍(lán)莓汁Vc含量降低了14.78%，花青素含量降低了3.64%。表2顯示了不同處理后，藍(lán)莓汁的顏色變化。PEF和熱處理后藍(lán)莓汁總色差ΔE分別變化了2.44和6.08，且熱處理后色調(diào)角由5.66增至15.45，b*值由3.17黃移至8.72。很明顯，PEF更好的保持了藍(lán)莓汁的紫紅色及藍(lán)莓汁的營(yíng)養(yǎng)成分;熱殺菌后的藍(lán)莓汁色澤發(fā)暗，具有煮熟味，Vc和花青素?fù)p失較大。

表1 高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁理化性質(zhì)的影響

表2 高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁色澤的影響

3 結(jié)論

1)高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁中大腸桿菌有明顯的鈍化效果。隨電場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間的增大，PEF對(duì)大腸桿菌的殺滅效果增強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為35 kV/cm，處理時(shí)間為82 μs時(shí)，藍(lán)莓汁中大腸桿菌致死率為5.12個(gè)對(duì)數(shù)。

2)電導(dǎo)率是影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌的一個(gè)重要因素，電導(dǎo)率會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度、脈寬和物料溫度，它們之間的相互關(guān)系需進(jìn)一步研究。

3)利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)藍(lán)莓汁進(jìn)行非熱殺菌是可行的，且不影響藍(lán)莓汁的色澤風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分。與熱殺菌相比，PEF處理更好地保護(hù)了藍(lán)莓汁中Vc、花青素等熱敏性成分。

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ABSTRACTThe study evaluated the sterilizing effect of pulsed electric fields(PEF)on Escherichia coli in blueberry juice and its impact on physicochemical property of blueberry juice.The results showed that the inactivation effect of Escherichia coli was enhanced when the electric field strength and total treatment time were increased.With PEF treatments at 35 kV/cm and 82 μs，the reduction of Escherichia coli was 5.12 logarithms.When the electric field strength was constant and the electric conductivity was increased，the inactivation effect of Escherichia coli declined slightly.PEF had no significant effect on the content of vitamin C，anthocyanin，total phenols，titratable acids，reducing sugar，and Brix in blueberry juice and its color.

Key wordspulsed electric fields，blueberry juice，Escherichia coli，physicochemical property

Effect of Pulsed Electric Fields on Sterilization and Quality of Blueberry Juice

Tao Xiao-yun，Wang Yin，Chen Jian，Li Lu-ning，Sun Ai-dong
(College of Biological Sciences and Biotechnology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

碩士研究生(孫愛(ài)東教授為通訊作者)。

2012-03-26，改回日期:2012-04-25