高壓脈沖電場對蘋果汁中大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的鈍化效果*

李靜，肖健夫，陳杰，廖小軍

1(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京，100083)2(清華大學電機工程與應用電子技術系，北京，100084)

高壓脈沖電場對蘋果汁中大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的鈍化效果*

李靜1，肖健夫2，陳杰2，廖小軍1

1(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京，100083)2(清華大學電機工程與應用電子技術系，北京，100084)

研究了高壓脈沖電場(pulsed electric fields，PEF)對接種于蘋果清汁中的大腸桿菌(Escherichia coli)和金黃色葡萄球菌(Staphylocuccus aureus)的鈍化效果。研究顯示，隨著電場強度、處理時間和樣品電導率的增大，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果增加，其中金黃色葡萄球菌對PEF更敏感。電場強度和處理時間均對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殘活率對數值lgS有極顯著影響(P＜0.01)。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的臨界電場強度EC分別為15.9 kV/cm和16.4 kV/cm。雙極性脈沖比單極性脈沖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果好(P＜0.01)。輸入能量密度越高，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果越好。

高壓脈沖電場，蘋果汁，大腸桿菌，金黃色葡萄球菌

熱殺菌技術是食品加工保藏的重要手段，但它會破壞食品的色、香、味、功能性及營養成分，隨著廣大消費者對食品營養、感官品質的要求越來越高，非熱加工技術的應用將成為一種發展趨勢［1］。高壓脈沖電場(PEF)作為一項新興的非熱加工技術，具有能耗低，溫升小，對環境無污染，能最大程度地減少對食品品質的破壞，受到科研人員關注［2］。PEF殺菌效果會受到處理因素(電場強度、處理時間、脈寬、頻率、脈沖波形、單雙極性、處理溫度等)、產品因素(食品成分、電導率、pH值、水分活度等)和微生物因素(微生物種類、濃度、生長期等)的影響［3-4］。

目前，國內外就PEF對蘋果汁的殺菌已有一些研究。鐘葵等發現，電場強度為25 kV/cm、脈沖數為1 035個，PEF處理可以降低蘋果汁中微生物的數量，但降低不到2個對數［5］。Evrendilek等研究了脈沖極性和處理時間對接種于蘋果汁中E.coli O157:H7的鈍化效果，發現單雙極性之間不存在顯著性差異，當處理時間在3～1 430 μs時，20 μs的鈍化效果最佳［6］。Ribeiro等研究電場強度和處理時間對接種于蘋果汁中金黃色葡萄球菌的鈍化效果時發現，電場強度和處理時間的延長會增加鈍化效果［7］。

為了更系統地研究PEF對蘋果汁中微生物的殺菌效果，試驗研究了電場強度、處理時間、單雙極性、電導率對接種于蘋果清汁中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響，并探討了輸入能量密度與PEF鈍化效果的關系，為PEF實驗或工業生產中殺菌效果的預測和評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 蘋果汁制備

蘋果汁為市購100%蘋果汁，試驗前用1 mol/L NaOH溶液于室溫下調果汁的pH值為3.7，1 mol/L NaCl溶液于 25℃ 調果汁電導率為 1.0、1.5 或 2.0 mS/cm，之后果汁于121℃滅菌20 min，冷卻后接種目標微生物。

1.2 菌種與培養基

大腸桿菌(CGMCC1.90)、金黃色葡萄球菌(CGMCC1.1861)，均購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。試驗所用固體培養基為營養瓊脂(北京奧博星生物技術責任有限公司)，液體培養基為營養肉湯。營養肉湯:蛋白胨，10.0 g;牛肉膏，3.0 g;NaCl，5.0 g;蒸餾水，1 000 mL，pH 值 7.0，121℃ 下滅菌20 min，冷卻后于4℃放置待用。

1.3 微生物培養與測定

用接種環從斜面挑取適量目標微生物接入營養肉湯，分別在37℃下培養12 h(大腸桿菌)、18 h(金黃色葡萄球菌)，使其達到穩定生長早期。將培養好的菌液于4℃下，5 500 r/min離心10 min，棄去上清液，菌體復溶于無菌水中離心洗滌2次后，溶于與營養肉湯等量的無菌蘋果汁中，使微生物的數量達到10～10CFU/mL。將PEF處理前后的蘋果汁倒平板，放置37℃下培養24 h后計數。殺菌效果采用殘活率對數值lgS表示:

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

1.4 PEF殺菌系統

試驗所用的高壓脈沖電場殺菌設備(圖1)為中國農業大學與清華大學自主研發設計，主要由高壓脈沖發生裝置、數據采集控制系統、處理室和無菌操作系統4部分組成。處理室出口的精密熱電阻溫度計可迅速測得樣品溫度。PEF主要試驗參數見表1。

物料殺菌處理流動方向:進料口→齒輪泵→處理室→出料口。每次試驗前，用50 mg/L ClO2消毒液清洗管道15 min，再以無菌去離子水清洗20 min，同時無菌柜里紫外殺菌20min以保證無菌環境。PEF處理過程中樣品放置在冰水浴里，以最大程度保證微生物處于穩定生長早期。樣品連續通過PEF處理室，待PEF設備穩定工作13 min后，開始取樣，1 min取1次，連續取3次。處理后樣品溫度低于60℃。

圖1 PEF試驗裝置圖

表1 PEF主要試驗參數

1.5 試驗方案設計

以大腸桿菌、金黃色葡萄球菌為研究對象，接種于蘋果汁，電導率為 1.0、1.5、2.0 mS/cm，電場強度為 25、30、35、40 kV/cm，時間為 37、56、74 μs，波形為單、雙極性。

1.6 數據處理

1.6.1 PEF電場強度E和處理時間t的計算

式中:U，實際電壓，kV;d，電極板間距，0.4 cm;n，處理室個數;V，處理腔體積，0.05mL;f，頻率，Hz;W，脈寬，μs;ν，流速，mL/s。

1.6.2 方波輸入能量密度計算

式中:W，方波輸入能量密度，J/cm3;t，處理時間，s;U，脈沖電壓，V;R，等效電阻，Ω;σ，溶液電導率，S/cm;s，處理腔面積，m2;l，處理腔間距，m;r，處理腔半徑，m。

1.6.3 數據統計分析

所有試驗至少重復2次。所得數據采用Oringin-Pro 7.5統計分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 電場強度和處理時間對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

當樣品電導率為1.0 mS/cm，波形為單極性脈沖方波時，電場強度和處理時間對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果如圖2。隨著電場強度或處理時間增大，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果增強，這與 Hülsheger［8］、Pothakamury［9］和 Damar［10］等人的研究結果一致。

經過分析，得到電場強度和處理時間對2種目標微生物的鈍化都有極顯著影響(P＜0.01)。本研究中，在電場強度40 kV/cm、處理時間74 μs時，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別降低3.84和5.27個對數。

對不同電場強度下的鈍化效果進行線性擬合(圖2)，可得到大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的臨界電場強度 EC分別為15.9 kV/cm 和16.4 kV/cm。Damar報道大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的EC分別為11.21～12.19 kV/cm 和 11.30 ～ 11.72 kV/cm［10］;Grahl 計算大腸桿菌的EC為11.9 ～14.2 kV/cm［11］。這種微小差異可能與處理條件和微生物菌株不同有關。

圖2 電場強度和處理時間對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

2.2 電導率和電場強度對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

電導率是影響PEF殺菌效果最重要的因素之一，它決定處理室的電阻，從而可能影響電場強度、脈寬、物料的溫升［12］。處理時間74 μs的單極性脈沖波形條件下，電導率和電場強度對2種目標微生物的鈍化效果見圖3，PEF的鈍化效果隨電導率和電場強度的增大呈增強趨勢。但是，Alvarz［13］和 Wouters［14］等認為，電導率增大會使電場強度減小從而降低PEF對微生物的鈍化效果。在外界離子濃度對微生物滲透壓影響可忽略的情況下，殺菌效果與電導率的關系由PEF系統參數、電導率值及其變化范圍決定。本試驗樣品電導率為 1.0～2.0 mS/cm，而 Alvarez和Wouters等人的樣品電導率分別為2～4 mS/cm和2.7～7.9 mS/cm。電導率及其變化較小，其對電場參數的影響也小，根據方波輸入能量密度公式(見1.6.2)，電導率越大，輸入能量密度越大，PEF鈍化效果越好。反之，電導率及其變化較大時，電導率的增加會導致方波波形發生嚴重畸變，方波上升時間加大，相對于脈寬的影響不可忽略，故而使有效處理時間減小，從而降低PEF鈍化效果。

圖3 電導率和電場強度對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

2.3 單、雙極性脈沖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

當樣品電導率為1.0 mS/cm、處理時間為74 μs、電場強度為25、30和35 kV/cm時，單、雙極性脈沖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果見圖4。同一電場強度下，2種目標微生物對雙極性脈沖更為敏感，因為雙極性脈沖較單極性脈沖對微生物細胞膜提供了一個額外的壓力［12］，并且由于電場方向的迅速反轉，使得細胞膜中帶電基團的方向發生改變［6］。另外，雙極性脈沖還具有耗能小，可有效降低液體電解和固體在電極表面沉降等優點［15］。

圖4 單、雙極性脈沖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

2.4 輸入能量密度對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

輸入能量密度也是影響PEF對微生物鈍化效果的重要因素，它反映了電場強度、處理時間和電導率的綜合作用。如圖5所示，2種目標微生物的殘活率隨輸入能量密度增大而降低，且輸入能量密度對2種目標微生物鈍化效果的擬合曲線分別為:y=8.742× e(-x/15.128)-7.985(R2=0.910) 和 y=12.211 ×e(-x/27.026)-12.659(R2=0.913)。

同樣的輸入能量密度下，PEF對金黃色葡萄球菌的鈍化效果較對大腸桿菌的鈍化效果強，這個結論與Damar［10］和 Ayman［16］的不同。原因可能是:一、同種菌的不同菌株對PEF的敏感度不同［17］;二、大腸桿菌雖然細胞壁薄，但是細胞壁成分復雜，尤其是其中含有的脂多糖，蛋白質等成分，會對細胞有一定保護作用［18］。

圖5 輸入能量密度對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌鈍化效果的影響

3 結論

隨著電場強度、處理時間的增大，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果增加，金黃色葡萄球菌對PEF更敏感。電場強度和處理時間均對2種目標微生物的殘活率有極顯著影響(P＜0.01)。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的臨界電場強度EC分別為15.9 kV/cm和16.4 kV/cm。當樣品電導率及其變化范圍較小時，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果隨電導率的增大而增加。雙極性脈沖比單極性脈沖對2種目標微生物的鈍化效果好(P＜0.01)。輸入能量密度越高，PEF對兩種目標微生物的鈍化效果越好。無冷卻處理條件下，PEF可使物料溫度升高2.2～30.6℃，對果汁的品質影響需做進一步研究。

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Inactivation of Escherichia coli and Staphylocuccus aureus in Apple Juice by Pulsed Electric Fields

Li Jing1，Xiao Jian-fu2，Chen Jie2，Liao Xiao-jun1
1(College of Food Science ＆ Natritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)2(Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The inactivation effect of pulsed electric fields(PEF)on E.coli and S.aureus inoculated into apple juice was investigated.As increasing the electric field strength，total treatment time and electrical conductivity，the inactivation effect of E.coli and S.aureus increased.S.aureus is more sensitive to PEF than E.coli.Both the electric field strength and the total treatment time have a significant inactivation effect on E.coli and S.aureus(P ＜0.01).The critical electric field strengths of E.coli and S.aureus are 15.9 kV/cm and 16.4 kV/cm，respectively.Bipolar appears more efficient than monopolar(P ＜ 0.01).The more the energy density input，the better the inactivation effect of PEF on E.coli and S.aureus.

pulsed electric fields，apple juice，Escherichia coli，Staphylocuccus aureus

碩士研究生(廖小軍教授為通訊作者)。

*國家863項目—食品非熱加工技術與設備(2007AA100405)

2010-04-25，改回日期:2010-06-04