王輝，薛淑花，劉小花，朱麗霞，權娣紅，楊華峰*

（1. 塔里木大學食品科學與工程學院/南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室，新疆阿拉爾 843300；2. 新疆鄉(xiāng)都酒業(yè)有限公司/新疆海瑞盛生物工程股份有限公司，新疆庫爾勒 841000)

食品品質與安全是人民健康的重要保證。隨著人類生活水平的提高與現(xiàn)代食品工業(yè)技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的食品處理方式已無法滿足消費者對高質量天然食品的需求[1]。迄今為止，熱處理技術在食品工業(yè)中仍是一種應用廣泛的加工方式，雖然可以提高食品穩(wěn)定性和安全性，但是往往對某些食品自身具有負面影響[2]。如造成殺菌空間分布不均勻，食品中熱敏性物質變性導致食品天然品質與原有風味損失，甚至會形成有害物質等不利影響[3]。近年來，非熱加工技術對傳統(tǒng)食品加工方式帶來了巨大變革，較低的處理溫度能有效地保留食品原有的品質，可以使食品中熱敏性成分得以保存[4]。但是有些非熱加工技術仍具缺陷，如食品滅菌中的超高壓技術、超聲波技術、輻射技術會引起食品中某些成分的改變，且設備性能要求高；膜分離技術只局限于液體食品的處理；脈沖強光技術僅限于對食品表面的殺菌處理；食品保鮮中添加劑的使用容易造成殘留等均對食品營養(yǎng)物質造成影響[5-6]。為了保證食品在加工過程中的有效滅菌與保鮮效果，并能達到降低能耗與提高食品處理效率，眾多研究表明，高壓電場在食品干燥、殺菌、保鮮、鈍酶、改性、酒類催陳、農藥殘留降解等方面均具有十分重要的作用[3,7-12]。

早在20世紀60年代，就已有應用電流對食物進行處理的案例。電場最早應用于食品加工的研究由德國工程師Heinz Doevenspeck在1960年完成[13]。目前，高壓電場技術已應用在多種食品加工中，如乳制品、果汁類、酒類、肉類等[2]。高壓電場分為高壓靜電場（High voltage electrostatic field, HVEF）與高壓脈沖電場（High voltage pulsed electric field, HPEF）。高壓靜電場會根據(jù)食品的電磁學特性對微生物或有機食品細胞內外電荷排布產生影響，進而影響到食品干燥、保鮮、植物生物效應與次生代謝等過程[14]。對高壓脈沖電場的研究主要集中在殺菌、滅酶以及果蔬處理中，通過對電極之間施加高壓短脈沖使微生物與植物細胞形成跨膜電位，導致細胞結構破裂、內溶物泄露，對于殺菌與食品細胞中物質的釋放提供了有效的理論基礎[15]。

近年來，高壓脈沖電場技術在葡萄與葡萄酒產業(yè)中的應用研究備受關注，大多集中在高壓脈沖電場對葡萄酒品質的影響和在葡萄酒浸漬過程中的作用機理，以及葡萄酒人工催陳方面的研究。高壓脈沖電場具有處理條件溫和、操作簡便、速度快、耗能小、容易實現(xiàn)規(guī)模化生產等優(yōu)點[16]，這種新型食品加工技術的出現(xiàn)提升了食品質量與安全，降低了能源成本，提高了食品行業(yè)競爭力[17]。

1 高壓電場的作用機理

高壓電場殺菌機理假說主要包括電崩解理論、電穿孔理論、臭氧效應、電解產物效應和粘彈極性形成模型等[16]。目前普遍認同電崩解理論、電穿孔理論。電崩解理論認為，外加電場使細胞膜上的跨膜電位差達到臨界崩解電位差時，細胞膜會破裂穿孔。電穿孔理論認為，外加電場作用于微生物細胞膜會改變脂肪分子結構，擴大部分蛋白質通道開度，并使細胞膜收縮形成小孔[18]。在食品干燥處理中運用高壓脈沖電場處理會加快產品的干燥速度，主要是因為外加電場導致細胞破裂，胞內水分滲出，進而提高了物料的干燥速度[19]。高壓電場對生鮮食品保鮮作用主要體現(xiàn)在殺菌效果上，且通過改變酶活性減緩了脂肪氧化與蛋白分解速率，另外在對生鮮食品低溫冷凍時高壓電場的施加抑制了冰晶的形成，達到使食品保鮮的目的[9]；高壓電場處理也可以使食品中的某些酶鈍化，通過破壞酶的空間結構來使酶活性降低或喪失，以達到延緩食品腐敗變質、保持食品感官品質的目的[20]。高壓電場對酒類催陳方面主要由于電場可促使分子電離，降低反應所需的活化能，提高分子間的有效碰撞率，加快處于動態(tài)平衡的化學反應速率，在加速氧化還原、締合、水解等反應的同時，促進貯酒容器中各類化合物的浸取與擴散[21]。在農藥殘留降解方面是由于在高壓電場的作用下，液體會產生高能電子或粒子，這些高能電子或粒子與農藥分子彼此發(fā)生碰撞，最終將其降解成對環(huán)境無毒或毒性較小的分子，達到降毒的目的[14]。

高壓電場對物料處理的有效性取決于物料本身的特性與高壓電場的操作參數(shù)，如物料類型、細胞大小、電場強度、電場頻率、脈沖波形與極性、脈沖時間與寬度、比能量輸入等[22]。物料的電學特性會影響電流通過能力，包括處理室中物料密度與電導率的影響，一般來說，物料密度與電導率的增加均會導致電穿孔效應的降低[23-24]。植源性食品細胞的大小和形狀也會影響到高壓電場的處理效果，通常細胞體積越大、比面積越大，越容易在電場中失活[25]。電場強度是影響細胞膜電穿孔程度最關鍵的加工參數(shù)，對于平均大小在50～120 μm的植物細胞，一般使用0.4～0.8 kV·cm-1的電場強度就可以引起細胞電穿孔[26]。電場頻率為每秒放電的脈沖數(shù)，0.5～100 Hz的低脈沖頻率處理植物組織會導致更大的損傷，但繼續(xù)增加脈沖頻率不會導致更高的細胞膜電穿孔，但可以達到更高的酶失活[27]。高壓脈沖電場中常見的脈沖波形分別為指數(shù)衰減和方波，其中方波被認為是理想的脈沖形狀，對細胞電穿孔效果較強[28]。雙極脈沖相比單極脈沖更容易使酶活性降低和微生物失活[29]。脈沖寬度是一個脈沖保持在有效電壓下的時間，延長脈沖寬度也會增加植物細胞的破壞程度[30]。此外，物料放置、電極配置、處理室設計也會影響處理室內電場強度的均勻分布。高壓電場對物料的處理效果是物料本身所具特性與整個高壓電場操作系統(tǒng)相互依賴、綜合影響的結果。

2 高壓電場在葡萄與葡萄酒加工中的應用

2.1 在葡萄保鮮方面的應用

葡萄保鮮技術是鮮食葡萄產業(yè)中一個非常重要的課題，但在高壓電場對葡萄保鮮機理方面的研究極少。高壓電場在保鮮機理方面的闡述大多集中在改變果蔬和腐敗微生物膜電位、影響呼吸電子傳遞系統(tǒng)、酶失活及臭氧作用等方面，但實際應用不多。劉鐵玲等[31]將葡萄在不同場強的高壓靜電場下處理1 h，然后將樣品分別放入保鮮袋中置于0 ℃下貯存。調查發(fā)現(xiàn)：在0.6 kV·cm-1的高壓靜電場處理與對照組相比，其葡萄質量損失率、腐爛率、掉果率顯著降低。即高壓靜電場處理能夠延遲葡萄采摘后的衰老過程，可以有效保持葡萄鮮度。

2.2 在葡萄酒浸漬中的應用

高壓電場在葡萄酒生產中的應用及研究已成為國內葡萄酒熱門課題之一，且大多集中在高壓脈沖電場技術方面。高壓脈沖電場對葡萄汁浸漬具有積極作用，主要通過葡萄皮籽與酒液的相互作用將皮籽中的香氣與酚類等物質浸漬到酒液之中，賦予葡萄酒更好的色澤、香氣等特征，并決定了葡萄酒特殊的感官品質[32-33]。通常高壓電場使葡萄酒浸漬過程中酚類、酯類、醇類及萜類化合物含量增加，揮發(fā)酸含量降低。在感官分析中表現(xiàn)為葡萄酒收斂感增強，提升了葡萄酒整體的感官品質。

鄭志超[34]運用高壓脈沖電場1～3 kV·cm-1電場強度對‘玫瑰香’葡萄繆預處理，結果顯示，葡萄酒中多酚含量隨著浸漬時間的延長和場強的增大而增加，冷浸漬108 h后3 kV·cm-1預處理的葡萄汁中總酚含量最高，2 kV·cm-1預處理的花色苷、單寧、黃酮含量最高。采用GC-MS分析葡萄汁和葡萄酒香氣成分時發(fā)現(xiàn)，高壓脈沖電場使揮發(fā)性香氣化合物數(shù)量增加，特別是萜類化合物的種類及含量增加明顯。Leong等[35]通過在‘美樂’葡萄酒冷浸漬過程中進行高壓脈沖電場處理，結果顯示，連續(xù)脈沖電場（500 kg·h-1）、高電場強度（＞30 kV·cm-1）、能量輸入4.7～49.4 kJ·L-1處理后的葡萄繆進行冷浸4 d，其葡萄汁的花青素含量提高。Maza等[36]運用脈沖電場在不同電場強度和比能下處理浸漬過程中的‘歌海娜’，結果顯示，經(jīng)過4 kJ·kg-1脈沖電場處理的樣品在減少25%～37%浸漬時間的情況下，葡萄酒品質不受影響。López等[37]調查發(fā)現(xiàn)，無論浸漬時間如何，5 kV·cm-1、2.1 kJ·kg-1脈沖電場處理均能增加‘赤霞珠’葡萄酒的顏色強度，以及花青素、總酚和單寧含量，并且使浸漬時間從268 h縮短到72 h；感官評價后認為，經(jīng)過脈沖電場處理的葡萄酒并沒有產生不良風味。Luengo等[38]用4.3 kV·cm-1、60 μs高壓脈沖電場處理‘歌海娜’葡萄繆，結果顯示：浸漬7 d后，經(jīng)脈沖電場處理的葡萄酒色澤強度、花青素含量和多酚指數(shù)分別比對照組提高了12.5%、25%和23.5%。Comuzzo等[39]運用總比能量為11 kJ·kg-1與22 kJ·kg-1脈沖電場對‘卡爾卡耐卡’（Garganega）葡萄進行處理，發(fā)現(xiàn)通過脈沖電場處理可以顯著提高其出汁率，11 kJ·kg-1與22 kJ·kg-1處理與對照組相比出汁率增加了8.9%與4.3%，同時導致總浸出物、顏色和總酚增加。研究表明，22 kJ·kg-1脈沖電場總比能量有利于葡萄香氣前體的提取，對酚類化合物的提取影響不顯著，但降低了酚類褐變反應的強度；11 kJ·kg-1處理有利于水分和小分子酚類物質的釋放，從而導致葡萄酒在貯藏后出現(xiàn)強烈的褐變。

2.3 對葡萄酒微生物群落釀造特性的影響

葡萄酒是葡萄汁與釀造微生物群落之間相互作用的產物，這些微生物群落通常是酵母、細菌和絲狀真菌組成的異質微生物群[40-41]。在葡萄酒整個發(fā)酵過程中，添加的活性干酵母與葡萄自身的野生酵母等微生物協(xié)同作用，從微觀上說，葡萄酒發(fā)酵醪是一個非常復雜的微生物群落生態(tài)，參與代謝途徑眾多。雖然整個葡萄酒的微生物區(qū)系對葡萄酒的化學性質均有貢獻，但在發(fā)酵中酵母菌群占據(jù)主導地位。在葡萄酒釀造過程中，脈沖電場通常被用于改善葡萄酒自身品質，然而對如何影響微生物種群組成與結構卻鮮有報道。

范成凱[42]通過探究高壓脈沖電場對釀酒酵母發(fā)酵能力的影響，分析了酵母細胞內相關基因和蛋白質的表達情況。結果顯示：脈沖電場處理使酵母細胞干重提高了20.6%，在轉錄組學與蛋白質組學水平上證明了適當強度的脈沖電場可促進酵母細胞的葡萄糖代謝活性、乙醇轉化速率和細胞的增殖。González-Arenzana等[43]運用SO2、脈沖電場以及SO2與脈沖電場共同作用處理位于里奧哈產區(qū)3個酒莊的‘丹魄’（Tempranillo）葡萄研究其在蘋果酸-乳酸發(fā)酵后對微生物、理化和感官品質的影響，結果顯示：在脈沖電場處理4 d后，酵母菌、醋酸菌和乳酸菌濃度顯著降低；脈沖電場處理6個月后，葡萄酒中醋酸菌得到了有效抑制，而釀酒酵母（S.cerevisiae）與酒球菌屬（O. oeni）影響不大。同時也表明，脈沖電場處理蘋果酸-乳酸發(fā)酵后的葡萄酒在微生物穩(wěn)定性、理化和感官質量方面均優(yōu)于SO2處理。

2.4 對葡萄酒中腐敗微生物的滅活作用

為減少釀酒過程中微生物腐敗的風險，通常在破碎時加入SO2以防止氧化反應的發(fā)生。然而SO2的添加會對葡萄酒風味感官特征和消費者的健康造成負面影響。因此，高壓電場在葡萄酒釀造過程中對腐敗微生物的抑制研究意義重大，可以減少或免除葡萄酒生產過程中的SO2使用[44]。

近年來，許多研究報道了在高壓電場下葡萄酒中微生物失活現(xiàn)象，主要集中在葡萄酒釀造中腐敗微生物種群在不同電場強度、培養(yǎng)基和溫度等條件下的滅活效果。Marsellés-Fontanet等[45]探究了脈沖電場強度、脈沖頻率和處理時間對葡萄汁中檸檬克勒克酵母（Kloeckera apiculata）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳酸桿菌（Lactobacillus plantarum, Lactobacillus hilgardii）和氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter oxydans）的影響。結果顯示：所有的脈沖電場參數(shù)都會影響微生物的活性，并用反應曲面法探究出最佳的脈沖電壓處理為35.0 kV·cm-1、脈沖303 Hz、持續(xù)1 ms，可以有效的降低腐敗微生物種群數(shù)量。Puértolas等[44]在探究高壓脈沖電場對葡萄汁或葡萄酒中德克酵母屬（Dekkera anomala，Dekkera bruxellensis）、釀酒酵母屬（Saccharomyces bayanus）和乳酸桿菌屬（Lactobacillus hilgardii，Lactobacillus plantarum）的滅活作用時發(fā)現(xiàn)，葡萄酒比葡萄汁中的微生物種群表現(xiàn)出較高的滅活敏感性，且細菌相對于酵母具有更強的脈沖電場抗性，并確定了最佳脈沖電場條件（29 kV·cm-1，186 kJ·kg-1）下葡萄汁和葡萄酒中的腐敗菌群減少了99.9%。Maza等[46]通過研究‘卡拉多克’（Caladoc）葡萄酒陳釀過程中脈沖電場處理對釀酒酵母甘露糖蛋白釋放的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電場通過電穿孔效應，導致了釀酒酵母的自溶。該研究還顯示，脈沖電場處理后1周β-葡聚糖酶活性是未處理的5倍，蛋白酶活性是未處理的15倍，這是由于β-葡聚糖酶和蛋白酶的釋放與細胞壁的接觸導致了甘露糖蛋白的釋放。Martínez等[47]探究了脈沖電場在‘霞多麗’葡萄酒陳釀過程中對釀酒酵母中甘露糖蛋白釋放的影響，結果顯示，經(jīng)過5 kV·cm-1和10 kV·cm-1的脈沖電場處理7 d后，甘露糖蛋白的濃度比對照分別提高40%和60%；且甘露糖蛋白濃度達到最高時陳釀時間減少了30 d。另一方面，處理組在陳化過程中不影響酒的色度特性、總多酚指數(shù)、總揮發(fā)酸度、pH、乙醇和CIELAB參數(shù)。

2.5 對葡萄酒與白蘭地陳釀過程的影響

葡萄酒與白蘭地的生命周期為成長期、適飲期、巔峰期和衰老期。新酒口感粗糙、香氣單一、穩(wěn)定性差，酒中所含的醇、醛、酸、酯等成分比例不協(xié)調，水分子與醇分子之間的氫鍵締合程度小。在自然陳釀過程中，酒液會發(fā)生一系列復雜而又緩慢的物理和化學變化，通過自身的氧化、還原、酯化及聚合等反應協(xié)調各成分的比例，使酒液色澤鮮亮、醇厚悠長達到適飲期和巔峰期的品質和口感。通常葡萄酒的自然陳釀過程一般持續(xù)一年以上，而優(yōu)質白蘭地則高達數(shù)年甚至數(shù)十年。脈沖高壓電場處理可以優(yōu)化葡萄酒及白蘭地的陳釀，催陳作用顯著，可以有效縮短上市之前的自然儲存時間。

劉學軍等[48]探究了干紅葡萄酒經(jīng)高壓電場催陳時香氣成分的變化，高壓脈沖電場處理后葡萄酒中的雜醇油含量有所下降，總酸、總酯和苯乙醇的含量有所上升，陳釀香明顯增加，口感更為醇和，酒體豐滿協(xié)調[13]。同時發(fā)現(xiàn)隨著電場強度的增加，葡萄酒中紅色苷和黃色苷的含量升高，提高了酒的色度及其穩(wěn)定性，其變化趨勢與自然陳釀的基本相同。Zeng等[49]運用高壓交流電場對‘赤霞珠’葡萄酒催陳時發(fā)現(xiàn)，交流電場處理使揮發(fā)性化合物中高級醇和醛類的含量大幅度下降，酯類和游離氨基酸的含量略有增加，并確定了加速陳釀的最佳處理條件為0.6 kV·cm-1、3 min。Wang等[50]探究了脈沖電場對葡萄酒陳釀過程中有機酸的影響，結果發(fā)現(xiàn)，在‘美樂’紅葡萄酒中，施加電場強度為12 kV·cm-1和脈沖數(shù)300次處理的葡萄酒與210 d瓶儲的紅葡萄酒中L-蘋果酸、檸檬酸、L-乳酸、丙酮酸、酒石酸或琥珀酸濃度變化趨勢相似。在‘霞多麗’白葡萄酒中，自然陳釀的葡萄酒酒石酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸的變化趨勢與電場強度為6 kV·cm-1、脈沖數(shù)100次的脈沖電場處理的相似；表現(xiàn)為酒石酸、琥珀酸、蘋果酸、丙酮酸含量降低，而乳酸、草酸、檸檬酸含量升高。研究還表明，白葡萄酒的陳釀過程對脈沖電場的強度要求低于紅葡萄酒，高水平的脈沖電場可能會對葡萄酒的質量產生負面影響。蘇慧娜[51]等以新鮮‘美樂’干紅葡萄酒為試材，探究了高壓脈沖電場處理對原花色素的影響。結果顯示，經(jīng)一定條件的高壓脈沖電場處理后，原花色素的含量、平均聚合度及其組成單元均發(fā)生了顯著變化，且變化趨勢基本符合自然陳釀效果。脈沖電場強度低于18 kV·cm-1時，隨強度增加，處理效果越接近陳釀，但是強度達到24 kV·cm-1時，處理效果反而下降。Puértolas等[52]在探究脈沖電場處理對‘赤霞珠’多酚類物質的影響時發(fā)現(xiàn)，脈沖電場強度為5 kV·cm-1、脈沖數(shù)為50、頻率為122 Hz時的處理有利于在更短的浸漬時間內獲得更高的多酚濃度和顏色強度。張斌等[53]運用100 kV的電壓施加在5 L和2 L白蘭地橡木桶的兩端，每天處理4 h，連續(xù)處理15個月。結果發(fā)現(xiàn)，電場對5 L和2 L橡木桶中白蘭地酒樣所施加的單位體積能量分別為1650 J·L-1和1997 J·L-1，這些能量可促進白蘭地中氧化還原、酯化和縮合等化學反應的進行，以及桶內外物質的交換，從而達到催陳效果。

3 展望

隨著高壓脈沖電場、高壓靜電場、高強度交流電場技術的發(fā)展，在各類食品的加工中展示了巨大的應用潛力。作為一種非熱食品加工技術，因其操作簡便、速度快、耗能小、對食品品質影響較小等優(yōu)點，近年來越來越多的研究與應用出現(xiàn)在葡萄與葡萄酒產業(yè)中。從以上論述中可以注意到，適度的高壓脈沖電場可以有效強化葡萄酒浸漬效果與縮短葡萄酒與白蘭地的陳釀時間，且有助于生物活性化合物提取，一定強度的高壓脈沖電場也有利于葡萄酒中腐敗微生物的滅活。但過高強度和頻率的處理則會影響酒類的品質，因此，要進一步完善高壓脈沖電場在葡萄酒與白蘭地釀制過程中處理參數(shù)的研究，以獲得安全與穩(wěn)定的葡萄酒產品、保持葡萄酒中生物活性物質含量以及縮短葡萄酒與白蘭地的生產周期。其次，高壓電場技術對葡萄汁或皮渣處理時存在金屬電極在高壓脈沖電場處理的條件下，電極材料的釋放和在食品處理時的邊界效應。由于電極與物料的直接接觸，電極材料可能發(fā)生腐蝕和遷移，有可能會對葡萄酒品質產生負面影響。因此，對于在高壓電場中安全電極材料與處理室的研發(fā)應用至關重要。另外，脈沖電場技術的發(fā)展應從食品、高壓電、機械工程等多個領域集成創(chuàng)新，深入探究在葡萄酒復雜的發(fā)酵過程中高壓電場技術對菌群代謝與成酒過程中復雜化合物變化的影響機理，并綜合評價高壓電場對葡萄酒釀造及葡萄酒與白蘭地陳釀品質的影響，進一步推動高壓電場技術在葡萄、葡萄酒和白蘭地產業(yè)化中的應用與發(fā)展。