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A Review of High Voltage Pulsed Electric Fields Applied for Meat Processing

高压脉冲电场杀菌技术在肉品加工中的应用进展



全 文 :  核 农 学 报  2014,28(1):0097 ~ 0100
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃02⁃04  接受日期:2013⁃07⁃24
基金项目:国家自然科学基金(31101309),国家现代农业产业体系(CARS⁃43⁃17),国家农业科技成果转化资金项目(2013GB2C200191),浙江省
公益性项目 (2012C22058),宁波市科技局创新基金 ( 2013C910017 ),宁波市农业攻关项目 ( 2011C10021 ),宁波市创新团队
(2012B82017),宁波市自然基金(2012A610147)
作者简介:谢媚,女,主要从事肉品加工与质量控制研究。 E⁃mail:278700586@ qq. com
通讯作者:曹锦轩,男,讲师,主要从事肉品加工与质量控制研究。 E⁃mail:caojinxuan@ nbu. edu. cn
文章编号:1000⁃8551(2014)01⁃0097⁃04
高压脉冲电场杀菌技术在肉品加工中的应用进展
谢  媚1   曹锦轩1   张玉林1   廖国周2   潘道东1   黄鸿兵3
( 1宁波大学,浙江 宁波  315211;2云南农业大学,云南 昆明  650201;3江苏省淡水水产研究所,江苏 南京  210017)
摘  要:近年来,高压脉冲电场作为一种新型冷杀菌技术,在牛奶、果汁等流质食品杀菌中已得到广泛应
用。 目前,高压脉冲电场对肉品的杀菌效果研究较少且存在争议。 本文综述了高压脉冲电场技术的杀
菌机理和应用现状;对其应用在肉品中的杀菌条件以及对肉品中主要腐败微生物的杀灭效果进行了总
结和分析;概述了高压脉冲杀菌技术对肉品理化品质影响的研究进展,以期今后为高压脉冲电场杀菌技
术在肉品中应用研究提供参考。
关键词:高压脉冲电场;冷杀菌;肉品品质;腐败微生物
DOI:10:11869 / j. issn. 100⁃8551. 2014. 01. 0097
    原料肉中常见致病菌主要包括沙门氏菌、大肠杆
菌、肉毒梭状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、产气夹膜杆
菌、弯曲乳杆菌、气单胞菌及单核细胞李斯特增生菌
等,另有部分霉菌和酵母菌[1]。 这些微生物均能引起
肉品腐败变质,为了确保肉品安全性,工业上常常使用
一些杀菌技术对原料和产品进行处理。 传统杀菌技术
主要是热力杀菌这种方法存在杀菌时间长,热量消耗
大,对于热敏性物料的营养成分和风味损失较大等问
题。 近年来,对肉品品质影响较小的新型冷杀菌技术,
如超高压、强光辐照、电子辐照、高压脉冲等引起广泛
关注和科学研究[2]。 这些技术能很大程度的降低传
统杀菌过程中高温对食品中营养素和食品感官品质的
破坏,能更好地保持食品品质及营养特性,延长食品货
架期。
高压脉冲电场(High Voltage Pulsed Electric Field,
HPEF)杀菌技术又称为高强度脉冲电场杀菌技术,是
将高电压的短脉冲反复作用于电极间的物料,以杀灭
物料中的微生物的一种冷杀菌技术。 近十年来,高压
脉冲电场在冷鲜鱼肉、鸡肉、羊肉、牛肉、猪肉和肉糜加
工制品中得以应用,但其杀菌效果尚有争议,而多数研
究结果显示 HPEF对肉品表面部分微生物有显著杀灭
作用。 本文通过对这一领域的材料进行了整理,为读
者介绍了 HPEF 对肉品微生物、品质的影响,以及
HPEF和其他技术在肉品上的联合应用情况,以期对
肉品科学工作者提供综合性的借鉴作用。
1  HPEF杀菌机理和应用现状
高压脉冲电场系统主要由高压脉冲供应装置和食
品处理室两部分构成,其脉冲有指数衰减波、方波、振
荡波和双极性波等形式,处理室有平行盘式、线圈绕柱
式、柱 -柱式、柱 -盘式、同心轴式等。 处理室里装有
电极,电极间加上高压,产生强电场。 处理室与高压脉
冲发生器相连接,高压脉冲发生器由高压电源、能量贮
存电容器、高压放电开关等形成的电路组成,通过位于
处理室内的电极将高强度的脉冲电场作用于电极间的
物料上,以达到杀菌的目的。 整个杀菌处理过程作用
时间短、温度低,可以避免热杀菌对品质的不良影响。
目前,HPEF的应用主要集中在对液体食品的灭
菌、提高果汁出汁率、钝化酶的活性和脱水。 尽管
HPEF对微生物有明显的杀灭效果,但其杀菌机理仍
不明确,相关的杀菌机理假说有跨电膜理论[3]、介电
破坏理论[4]、电穿孔理论[5]、空穴理论[6]和粘弹性模
型[7]。 电磁场对细胞膜的影响为较多人所认同[8]。
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核  农  学  报 28 卷
1􀆰 1  跨电膜理论
当一个外部电场加到细胞两端时,就会产生跨膜
电位,当跨膜电位达到 1V时,细胞膜便失去功能。
对于处于匀强电场中的球形来说,其沿电场方向
的跨膜电位,可由式(1)得出:
U( t) = 1􀆰 5 r E (1)
式中:U:沿电场方向的跨膜电位,V;r:球形半径,μm;
E:电场强度,kV·mm - 1。
1􀆰 2  介电破坏理论
微生物的细胞膜磷脂双分子层结构可视为等效电
容,在外加电场的作用下,磷脂双分子层内的离子会向
磷脂双分子层的两极移动形成微电场。 随着外界电场
强度的增大,细胞膜极化作用增强,当膜两侧的电压差
达到 1V时,膜两侧离子的吸引力大于细胞膜的弹性
恢复力,细胞膜的厚度会变小,甚至穿孔、破裂,导致细
胞失活。
1􀆰 3  电穿孔理论
高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋
白质通道的开度,细胞膜在外加电场的作用下收缩并
形成小孔,使膜失去半透膜性质,小分子物质如水分子
可透过细胞膜进入细胞内,致使细胞体积膨胀而死。
1􀆰 4  空穴理论
液体食品流经高压脉冲电场,当主间隙放电时,产
生强大的脉冲电流,使液体汽化成温度高达数万摄氏
度以上的等离子体,形成高压通路。 或多或少产生一
些气体,形成极薄的“气套”包围着火花,压力由薄薄
的气套传递给液体,产生高速绝热膨胀而形成强大的
超声液压冲击波。 放电终了瞬间,气套处形成空穴,由
于压力突然减小,液体又以超声速回填空穴,形成第二
个超声回填空穴冲击波。 正是由于这种高压脉冲能量
直接转化成的冲压式机械能,引起液体食品中微生物
细胞内部的强烈振动和细胞膜破裂等现象,从而产生
杀菌效应[9]。
3  HPEF对肉中微生物的杀灭作用
肉与肉制品表面的腐败菌群主要包括假单胞菌
属、明串株菌属、莫拉氏菌属、不动杆菌属、气单孢菌
属、肠杆菌科、葡萄球菌属、乳杆菌属和热杀索丝
菌[1,10]。 在有氧条件下,假单胞菌的生长有明显优势;
低氧分压时,假单胞菌的生长受到严格限制,而兼性厌
氧的肠杆菌科、热杀索丝菌和乳酸菌迅速繁殖。 厌氧
环境中,乳酸菌的生长速度比肠杆菌属或热杀索丝菌
更快,且乳酸菌产生的抑菌素还能抑制一些致病菌如
金黄色葡萄球菌、单核细胞增生杆菌的生长;因而,假
单胞菌和乳酸菌是分别构成肉在好氧和厌氧条件下腐
败的主要原因,而大多数冷却肉在贮存后期主要特定
腐败微生物是乳酸菌[11]。 Gill 等[12]认为常存在于胴
体和分割肉表面的微生物主要是一类需氧嗜冷的革兰
氏阴性菌。 Móra[13]认为在有氧条件下,不同种类的假
单胞杆菌是冷却肉的优势菌。 赵光辉等[14]对冷却猪
肉中腐败微生物进行鉴定并且研究了在 0 ~ 4℃ 条件
下微生物的消长规律,认为热杀索丝菌、肠杆菌科和假
单胞菌属是冷却猪肉腐败微生物菌相中的优势菌群。
目前,HPEF在肉品加工中应用研究的微生物指
示主要有乳酸菌、单核细胞增生李斯特菌、假单孢菌、
金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、霉菌和酵母等。 HPEF 对
肉制品病原微生物的杀菌作用因不同菌种对电场的承
受力不同而有很大的差别。 一般来说,无芽孢细菌较
有芽孢细菌更易被杀灭,革兰氏阴性菌较阳性菌易于
被杀灭;在相同条件下,微生物对电场的耐受能力排序
为:霉菌 >乳酸菌 >大肠杆菌 >酵母菌[15 - 16]。 另外,
初始菌数和对象菌所处的生长周期也对杀菌效果有一
定的影响,处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌
体对电场更为敏感。 Jayaram 等[17]对含菌量高的样品
与含菌量低的样品加以同样强度、同样时间的脉冲,发
现前者菌数下降的对数值比后者显著更多。
研究表明,用 20kV·cm - 1的高压脉冲电场,脉冲数
30 个处理对数期的单核李斯特氏菌,可使菌的数量减
少 2 ~ 3 个数量级;在同样的条件下,金黄色葡萄球菌
和大肠杆菌可以减少 3 ~ 4 个数量级[18]。 27􀆰 5kV·
cm - 1的电场能够使金黄色葡萄球菌降低 2 个数量级;
沙门氏菌在 18kV·cm - 1的场强下,可以降低 4 个数量
级,电场强度从 20kV·cm - 1升高到 70kV·cm - 1时,大肠
杆菌数量可降低 2 ~ 9 个数量级[19]。 一般而言,高于
20kV·cm - 1的电场,能够使大多数种类的微生物数量
降低 2 ~ 3 个数量级。 Gudmundsson 等[20]用高压脉冲
电场对鲂鱼卵进行处理,强度 11kV·cm - 1、脉冲数 7、
脉宽 2 μs,可使其细菌总数减少 1 个数量级。 Saif 等
研究直流脉冲方波对羊表面大肠杆菌 O157 ∶ H7的杀
灭作用,结果表明大肠杆菌的致死率随着电流强度、电
源频率、占空比的增大而增大,电流强度 30mA·cm - 1,
占空比 80% ,频率≥1kHz处理 32min能有效地破坏大
肠杆菌的细胞[21]。 Ngadi 等[22]研究表明,电场强度
30kV·cm - 1、脉冲数 200、脉宽 2μs、频率 1Hz,可使禽肉
冷却水中的大肠杆菌 O157 ∶ H7数减少 4 个数量级。
Haughton 等[23]研究了鸡胸肉中病原微生物的 HPEF
处理,结果显示菌悬液中的弯曲菌属、大肠杆菌和肠炎
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  1 期 高压脉冲电场杀菌技术在肉品加工中的应用进展
沙门氏菌对 HPEF都很敏感,在实验条件下(电场强度
65kV·cm - 1,脉宽 5μm,频率 500Hz,时间 30s),弯曲菌
属最多可减少约 7 个数量级,大肠杆菌和肠炎沙门氏
菌分别减少 0􀆰 71 和 0􀆰 95 个数量级;然而,用 HPEF 直
接处理生鸡肉块,与对照组相比,处理组中弯曲菌属、
大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的数量均没有明显的变化,
据此,研究者认为在此实验条件下 HPEF 不适用于直
接杀灭鸡肉中的微生物,但可用于对肉加工过程中热
烫水和冷却水的杀菌。
4  对肉品品质的影响
高压脉冲电场对鱼和鸡肉的微观结构影响很大,
即使是温和的作用条件也会使鱼肉和鸡肉的微观结构
发生变化。 场强 1􀆰 36kV·cm - 1,脉冲数 40 的高压脉冲
电场处理鲑鱼,在显微镜下可以看到胶原质泄露在细
胞间隙内而被染色,但细胞膜没有可见的破损,而
300MPa高压处理后可观察到细胞膜有明显的裂痕;
0􀆰 35kV·cm - 1的电场强度、60 次脉冲结合 200MPa 处
理后,鱼肉和鸡肉的微观结构均发生了变化,但对微生
物的影响不显著。 这说明高压脉冲电场与高压联用更
易对肉的微观结构产生影响,但电场强度太低对微生
物没有明显的杀灭作用,可适当提高电场强度来达到
杀菌效果,HPEF技术可改善于肉及肉制品嫩度[24]。
有研究表明新鲜猪肉经高压电场处理后,其浸出
液中总氨基酸含量明显增加,在 5kV·cm - 1的高压场强
下处理 30s,总氨基酸含量增加了 37􀆰 56% ;高场强 10s
短时处理肉类的浸出汁中谷氨酸含量增加量达到
82􀆰 3% ,肉的鲜味明显增加[25]。 Toepfl等[26]向熟火腿
中注入盐水,经 1 ~ 3kV·cm - 1的脉冲电场处理后,猪肉
的持水性提高;场强 2kV·cm - 1,脉冲数 100 处理可改
善猪肉组织的持水性,减少蒸煮过程中的质量损失,使
产品质地更加柔软。 高压脉冲电场对肉的嫩化作用也
可能是由于电场破坏了肌肉细胞膜使得 Ca2 +释放,而
使肉质变嫩。
O’Dowd等[27]以重量损失、滴水损失、色差、嫩度
为质量指标,比较了 HPEF(场强 1􀆰 9kV·cm - 1,频率
65Hz,脉宽 20μs,脉冲数 250)和水浴处理对牛肉品质
的影响,结果表明,两种处理中牛肉的重量损失均随温
度的升高呈线性增加,在规定的温度范围内,HPEF 组
样品比水浴组重量损失高,处理后的牛肉肌原纤维小
片化加剧,对鸡肉样品也得到同样的结果。 HPEF 处
理还会引起肌原纤维结构的崩解[18]。 肌原纤维小片
化与肉的成熟和嫩化密切相关,有研究表明成熟 8 d
的肉与未成熟的肉相比有更高的小片化指数[28]。
因此,HPEF处理有利于加快肉的成熟,一般情况
下,HPEF强度的大小决定作用效果,不同样品所需的
HPEF条件还需进一步研究。
5  展望
目前,HPEF在肉品中应用并没有像果汁、饮料等
液体物料对病原微生物有很好的杀灭效果,仅可降低
肉胴体表面部分革兰氏阴性菌。 鉴于生鲜肉的微生物
主要生长在表面,低场强 HPEF 即可改变肌纤维微观
结构,能有效改善肉的嫩度,因此 HPEF也可作为改善
肉的品质、延长鲜肉货架期的一种方法。 HPEF 在肉
类其他方面的应用尚未见报道,与超高压、强光脉冲等
技术联用还有待进一步研究。 HPEF 技术与其他技术
的联用是未来很好的研究方向,HPEF 处理使组织细
胞破裂这一特性,未来在提取动物源食品功能性成分
上有很好的发展趋势,例如从肉和水产品的副产品或
下脚料中提取酶、鱼油等。 国内对高压脉冲电场技术
的研究还处于起步阶段,在肉及肉制品工业上的许多
用途还没有被充分地开发出来。 但随着研究的深入,
这一技术将在肉品工业某些特定工艺和产品中得到更
有效的应用。
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Applied for Meat Processing
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( 1 Ningbo University, Ningbo, Zhejiang  315211; 2 Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan  650201;
3 Freshwater Fisheries Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu  210017)
Abstract:High voltage pulsed electric fields ( HPEF) has been applied as a novel non⁃thermal decontamination
treatment with substantial advancement being made in the processing of liquid foods such as milk and juice. However,
there are little and controversial literatures on the use of HPEF sterilization of particularly muscle food such as meat and
meat products. In the present work, the decontaminating mechanisms and application status of HPEF was summarized.
The critical operating parameters and their effect on the main spoilage microorganisms of meat were reviewed and
analyzed. Finally, an assessment on the effect of HPEF on meat quality was made. The purpose of this work is to better
the application of HPEF for meat processing.
Key words:High voltage pulsed electric fields; Non⁃thermal decontamination; Meat quality; Spoilage microorganisms
001