摘 要：食品生产涉及的杀菌单元操作是保证产品食用安全性的重要手段，当前各类杀菌技术大多是利用其热效应或非热效应以及两者的结合来实现。传统热杀菌需要传热介质并且在一定时间和温度下完成处理，而电场技术是一种同时具有热效应和非热效应的食品物理场加工技术，能降低传统热杀菌的有效温度阈值以及缩短杀菌时间，可以更好地保留食品中的营养成分，对感官品质、风味和色泽造成的影响更小。本文对欧姆加热杀菌、高压脉冲电场杀菌和感应电场杀菌的原理以及在食品加工中的前沿研究和进展进行综述，探讨目前电场杀菌技术的特点和差异，并对其未来发展方向提出了展望。
关键词：杀菌；电场；热效应；非热效应；电穿孔；电崩溃
食品安全一直都受到人们的关注，而微生物污染是造成食品腐败变质的主要因素，也会引起食源性的疾病，并带来巨大的健康问题。在古代，人们采用盐渍或糖渍的方法来抑制微生物生长。随着科技进步，当前研究者们采用先进的工艺技术来实现食品的商业杀菌。以高压蒸汽或油浴为介质的高温杀菌方式，例如巴氏杀菌或超高温瞬时杀菌依旧是目前全世界主流的食品杀菌方法。化学法在食品抑菌中也有广泛应用，通常直接涂抹于食品表面，或对外包装进行消毒，但存在防腐剂的安全性及违规使用的问题。因此，一些物理场加工技术逐渐应用在食品杀菌领域而得到关注。这些非传统的杀菌技术相较于传统热杀菌可以更好地保留产品风味、减少营养损失、避免感官品质下降。其中辐照（紫外、伽马等）杀菌、低温等离子体杀菌、臭氧杀菌在部分食品及农产品中已有成熟的应用，但是也存在残留问题。而其他安全的物理杀菌技术，如脉冲强光杀菌、微波杀菌、超声杀菌、射频杀菌、欧姆加热杀菌、高压脉冲电场杀菌和感应电场杀菌等也越来越受到关注，图1展示了食品中常见的杀菌技术。
图1 食品常见杀菌技术分类
在19世纪前已有学者研究了电流对食品的影响，电场技术在食品加工中的尝试可追溯到大约100年前，即采用持续的交变电压来加热并杀灭乳制品中的微生物。电场强度E（电势差/处理距离）对食品的作用可以分为两部分，一是由于食品具有电阻，在电流作用下存在焦耳热效应进而使原料产热并升温；二是电场对细胞或组织产生的非热效应破坏细胞膜。基于高温实现食品中微生物的杀灭及致死机制的研究较为透彻，关于电场的非热效应，目前比较认可的两个说法则是基于Coster等提出的电崩解理论和Tsong提出的电穿孔理论。电崩解理论认为，细胞膜可以看作存在电位差的等效电容，在受到电场作用后，膜表面会累积自由电荷，当跨膜电位差增加并超过临界阈值时，细胞膜被破坏，从而导致细胞死亡。电穿孔理论认为，外加高强度的电场会使细胞膜结构中的磷脂分子和跨膜蛋白构象发生变化，导致膜分子重排、亲水位点形成、离子通道打开。虽然最初形成的离子孔道是可逆的，但在持续的高强度交变电场作用下会造成其不可逆，干扰细胞新陈代谢并致死。电场杀菌涉及的电穿孔理论已经在生物、医学、食品等领域得到验证。
与其他杀菌技术相比，电场杀菌具有独特的优点：
1）将食品作为等效电路的负载，电流作用下，整体出现温升，加热效果均匀，无过热或冷点出现。2）高效、无需外部热源，故能量效率高（＞97%）。3）热效应与非热效应相结合，热致死温度相对较低。
当前，由于每年全世界的食品、农产品产量巨大，在深加工过程中，杀菌是必不可少的操作，新的杀菌技术运用具有潜在的经济效益和社会价值。因此，本文针对电场杀菌技术的特点及研究进展进行总结，以期对其在食品和农产品领域的应用提供参考。
1 欧姆加热技术
1.1 欧姆加热简介
欧姆加热技术，又称电阻加热或焦耳加热，采用金属极板并在接通电压产生电势差后，食品原料中的不同极性基团、离子及生物大分子产生定向或往复迁移，随即产生电流。根据欧姆定律，电能转化为焦耳热并实现对原料的热处理。欧姆加热在食品中的应用广泛，杀菌、钝酶、提取、发酵、干燥和预处理等领域都有涉及。
在欧姆加热过程中， 热量是从具有电导性的原料内部产生的，因此不需要依赖介质和接触界面进行热传递，即可以使产品快速均匀地温升，仅需数十秒或几分钟时间。影响欧姆加热效率的主要参数是原料电导率，适用于欧姆加热的食品电导率范围一般在0.01～10.00S/m。原料电导率不是一个定值，且食品内部通常并非是均匀的体系，不同部分都具有不同的电导率；原料电导率会随加热过程的进行而发生改变，进而整个过程受到电场强度、频率、初始温度、黏度、离子浓度、形状等因素的影响。
根据施加在食品上电压类型的不同，欧姆加热可以分为直流型和交流型，常用电场强度小于1 000V/cm，频率0～100kHz。在实际应用中，直流电场会导致原料中离子或不同电位的大分子分别向阳极和阴极迁徙并聚集，原料中离子和极板中电子发生等价置换，长时间会导致电极的腐蚀和重金属渗漏等现象，因此在食品电场杀菌或热处理时经常采用交流电场。欧姆加热已运用于液态食品、含颗粒半黏性食品的杀菌处理中，作用机制是利用电场所造成的热效应和非热效应。而被称作中等强度电场的技术，在适宜的温度范围内，其非热效应也会破坏微生物细胞膜，进一步降低杀菌所需的温度。
1.2 欧姆加热杀菌
欧姆加热杀菌技术已有较成熟的应用，在20世纪90年代已实现商业化，可以做到是传统热杀菌能耗的1/5.3～1/4.6。Ghnimi等研究了欧姆加热与常规加热处理在番茄加工过程中的能量平衡和生命周期，认为欧姆加热能效高、更节能，对环境影响更小。这些研究肯定了欧姆加热技术在食品加工行业的发展前景。
Kim等研究了在不同处理时间和温度下欧姆加热（电场强度26.7V/cm、频率25kHz、电压400V）处理对苹果汁中嗜酸耐热菌芽孢的杀灭效果，在85℃时，欧姆加热或常规加热仅能使少于1（lg（CFU/mL））的芽孢失活；100℃的欧姆加热可以在30s内杀灭所有芽孢，常规加热只能减少1.3～2.9（lg（CFU/mL））。与此同时，欧姆处理不会导致商业加工苹果汁的糖度和颜色显著改变。Fanari等使用欧姆加热处理得到的樱桃和李子果泥来酿造啤酒，欧姆加热可以完全杀灭果泥中的细菌、酵母、乳酸和霉菌，在杀菌同时可以减少啤酒提取物的衰减、颜色值和浊度更高，以及泡沫保持度更好。无菌果泥保质期长，制成的啤酒质量远高于可接受的最低阈值，产品具有更好的商业价值。Priyadarshini等研究了不同场强梯度（10、15、20V/cm）的欧姆加热在温度（60、70、80℃）影响下对芒果果泥微生物（6、10、14°Brix）的灭菌效果，并与常规热杀菌进行对比，发现微生物残余与电压梯度、温度和糖浓度成反比。Parmar等使用欧姆加热（电场强度为13.33V/cm、时间75min、每间隔15min取样）对牛奶、水牛奶和混合牛奶进行浓缩处理，相较于常规热浓缩，在相同浓度下，羟甲基糠醛值和可滴定酸含量增加，游离脂肪酸含量少量增加，但产品pH值降低，微生物含量也降低了3～4个对数值。通常，液态食品黏度大、固形物含量及电导率高，温升效果佳其连续流的加工方式是欧姆加热的重要应用场景。
肉制品的欧姆加热杀菌研究报道相对较少，主要原因是肉制品中存在脂肪且缺少水和盐类，电导率相对较低，可能导致加热不均匀现象的出现并影响产品品质与安全问题。Piette等采用欧姆加热研究了几种肉肠制品在不同加热速率下的感官品质及微生物数量，结果表明肉制品电导率随脂肪含量的增加和盐含量的减少而降低。Zell等采用低温长时（72℃、15min）和高温短时（95℃、7min）两种欧姆加热工艺参数对牛肉进行处理，可降低样品中7.05（lg（CFU/g））的菌落数，其中高温短时方法无需采用额外的保温操作。产品处理前后的质量差异小，可减少后期烹饪时的损失。
单长松等研究了欧姆加热对豆浆的杀菌效果及其影响因素，次序为加热温度＞电压＞频率，并使用响应面法优化了欧姆加热处理对豆浆的杀菌工艺参数，最佳杀菌条件为82℃、电压200V及频率190Hz，该条件下欧姆加热对微生物的杀灭率可达100%。Tiravibulsin等研究了欧姆加热处理对新鲜椰奶的作用效果，在121.1℃左右保持2min，欧姆加热的样品热点和冷点之间温差不超过1.1℃，说明欧姆加热椰奶升温均匀；研究显示，在121.1℃的目标温度下进行5min的欧姆加热可以灭活超过5（lg（CFU/mL））的芽孢，其存活的芽孢数量低于检测限（＜1（lg（CFU/mL））），杀菌效果良好，与使用传统热处理的对照样品相比，欧姆加热杀菌后的椰奶pH值、水分活度、色度、游离脂肪酸含量均没有显著差异。
Cho等向豆浆中添加乳酸钠以提高样品的电导率，进而缩短欧姆加热的升温时间。结果显示，乳酸钠含量提高可以有效增强细菌的杀灭效果，在含有3%乳酸钠添加物的豆浆中，革兰氏阴性菌经欧姆加热处理45s后其存活菌群数量降至为0，而革兰氏阳性菌则需经过50s才能达到相同的效果。通过透射电子显微镜观察处理后的细菌，发现表面出现了膜破裂和胞内物质渗出的现象。Sun Huixian等测试了相同条件下欧姆加热和常规热处理对牛奶中的活性好氧菌和嗜热链球菌的灭活效果，结果显示，欧姆加热的D值明显低于常规加热处理，而蛋白质变性程度在两种方法之间没有差异。另一研究报道了牛奶中微生物的非热致死效应，使用欧姆加热和水浴加热的方式对嗜热链球菌进行亚致死处理，发现欧姆加热处理后胞内ATP、乳酸脱氢酶渗出，认为电场对细胞造成了一定程度的非热破坏，但是并没有直接导致细胞死亡，而是通过改变细胞膜的通透性来降低微生物的耐热性。
从效果上分析，欧姆加热的杀菌作用机理主要以热效应为主，即电流通过样品时产生的焦耳热效应对食品中微生物的杀灭。欧姆加热从原理上是均匀的体积加热，但由于样品与容器介质表面有接触，故界面存在温度分布不均匀性的现象。Wang Chunsen等建立了两个数值仿真模型，分析欧姆加热过程中液体蛋清、蛋黄和全蛋液的“热点”和“冷点”。为了避免这种温度不均匀所带来的不利影响，也有研究者在实验室水平探究了玻璃毛细管形式的微型欧姆加热装置的可行性。
2 高压脉冲电场技术
2.1 高压脉冲电场技术简介
高压脉冲电场技术是一种电场非热加工技术，采用两块金属电极，当固体或液态食品通过极板时施加高强度、短脉冲的电压进行处理，常用于微生物杀灭、钝化酶活和白酒催陈等处理。在高电压和高频脉冲的作用下可以使被处理对象保持在较低的温升范围，这与欧姆加热有所区别。由于不具有显著的热效应，这使得高压脉冲电场杀菌过程对食品风味、营养物质的影响更少。
虽然高压脉冲电场在一定程度避免了过程中的温升效应，但在实际处理过程中，适宜的热效应也有益于提升电场的作用效果，例如促进化学反应进行、活性物质提取、预热增强杀菌效果等。脉冲电场技术和欧姆加热之间的差异并非如此显著，一般认为欧姆加热的电场强度范围E＜0.5 kV/cm，中等强度脉冲电场技术的场强范围0.5kV/cm＜E＜5kV/cm，而高压脉冲电场技术的场强范围E＞5kV/cm。电穿孔产生的电场强度阈值（即细胞膜形成孔洞的可逆性）与许多因素有关，同时电场强度的高低会导致其应用范围出现差异，相对低强度的高压脉冲电场处理常用于改善细胞的通透性以提高胞内物质的溢出和回收效率，如从胡萝卜中提取聚乙炔、从青蒿中提取蛋白质等。杀菌操作则往往需要更高强度的高压脉冲电场。Toepfl等研究了影响高压脉冲电场杀菌效果的主要参数，包括电场强度、总脉冲能量、处理温度、细胞直径、细菌种类和电极材料。也有学者专门研究了不同脉冲波形对酵母杀灭的效果。
2.2 高压脉冲电场杀菌
果蔬汁中热敏性成分多且复杂，常规热处理常会导致其维生素、多酚和黄酮类物质的损失，高压脉冲处理不仅可以杀灭食品中的细菌，对其中的营养成分和感官品质的影响也相对较少。Pallarés等采用30kV电压、3kV/cm场强和500kJ/kg能量的脉冲电场对葡萄汁中的黄曲霉毒素进行处理，处理期间温度不超过75℃，结果显示黄曲霉毒素（aflatoxin，AF）B1、AFB2、AFG1和AFG2水平分别降低25%、72%、85%和24%左右，低温与短时间的处理更加生态友好并可以保持感官和营养优势。Timmermans等研究了不同电场强度的脉冲处理对橙汁、椰子水和西瓜汁中多种微生物的杀灭效果，对于脉冲电场的抵抗性：单核细胞增生李斯特氏菌（以下简称单增李斯特菌）＞大肠杆菌＞植物乳杆菌。各类食品的主要污染菌种类具有差异，研究不同细菌在脉冲电场处理下的响应特性对该技术的发展有着重要意义。
乳品的高压脉冲电场杀菌在实验室研究已有大量报道，单独采用高压脉冲电场对微生物进行杀灭的效果并不理想，Walter等研究了不同温度下高压脉冲电场对牛奶中大肠杆菌和荧光假单胞菌的杀菌效果，在E=35kV/cm、t=40μs和55℃的条件下可以有效地将两种微生物数量降低6（lg（CFU/mL））。同时对灭活速率常数（k）和衰减常数（λ）进行数学建模，探究了温度对高压脉冲电场处理灭活大肠杆菌或荧光假单胞菌的有效性影响。Schottroff等对乳清蛋白配方的研究中，使用高压脉冲电场（E=32kV/cm、t=3μs）处理灭活李斯特菌，其杀菌效果与样品pH值及其蛋白质浓度相关。在不超过所要求的最高温度（58℃，避免蛋白变性）情况下，应尽可能提高电导率和初始温度以增强灭活作用。而pH值作为酸性食品分类标准在食品行业中较为常见，这可为脉冲电场技术的应用提供工艺参数调整的参考。
高压脉冲电场处理可以有效改善肉类、鱼类的感官和质构特征，在杀菌应用领域，李霜等研究了高压脉冲处理对调理牛肉杀菌效果的影响，使用响应面法对脉冲参数进行了优化，在脉冲频率30.5kHz、占空比2.3%、电场强度45kV/cm下处理7min，对牛肉中的微生物致死率达87.33%，可以使货架期延长2d。在针对猪血的一项研究中，为避免血浆蛋白的聚集和变性（55℃），限制脉冲电场的输入能量，在9～11kV/cm范围内结合适宜的热处理进行杀菌；结果显示，可以至少杀灭3（lg（CFU/mL））的大肠杆菌和假单胞菌；而木糖葡萄球菌具有耐受PEF作用的特性，灭活需要高于127kJ/kg的脉冲电场能量。食用鸡蛋容易造成与沙门氏菌有关的疾病，液体全蛋常作为鸡蛋的替代品，鸡蛋中的可溶性蛋白质在57℃以上便开始沉淀，在73℃时会发生凝固，因此只能使用巴氏杀菌进行处理。Monfort等通过添加乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸三乙酯制备全蛋液，在25kV/cm和75～100kJ/kg能量的脉冲电场处理下可以降低沙门氏菌5（lg（CFU/mL））的数量。
为了提高作物产量，人们在农业生产中常常使用化学农药或生物杀虫剂，给环境造成了一定的不利影响。高压脉冲电场处理可以对种子表面进行灭菌消毒，提高种子发芽率和出苗率等，这可能与增强种子的活力有联系。Evrendilek等首次使用脉冲电场技术（E=12kV/cm、t=1.2μs）对甘蓝、欧芹、洋葱和生菜等植株种子进行处理并评估其微生物状况，结果显示，对需氧嗜温菌造成的最大失活量为（2.81±0.69）（lg（CFU/mL）），对真菌造成的最大失活量为（2.85±0.80）（lg（CFU/mL）），且小麦种子萌发率在对照组和实验组之间没有显著差异。
高压脉冲电场处理对细菌的杀灭作用主要是非热效应，使用电子显微镜观察酿酒酵母在经过脉冲电场处理前后的细胞形态变化，发现处理前的细胞表面光滑无缺陷，处理后则出现表明粗糙、褶皱和凹痕等变化。在260nm和280nm波长下的吸光度可以分别定量反映出蛋白质和核酸含量变化，随着电场强度的增加，细胞悬浮液吸光度逐渐增加，表明细胞外蛋白质和核酸的含量增加，细胞内物质溢出，细胞膜出现损伤。
3 感应电场技术
3.1 感应电场技术简介
感应电场技术是基于法拉第电磁感应原理而新发展出来的一项非接触式电场处理技术，其作用原理与欧姆加热类似，即同时运用热效应和非热效应。如图2所示，参照变压器结构，感应电场装置由励磁线圈、磁芯和样品线圈管道组成，其中励磁线圈为金属导线作为变压器原边，但样品线圈由绝缘材料（如聚四氟乙烯管、陶瓷或玻璃管等）中的连续流电导性液体形成，包括乳制品、黄酒、果汁、蛋液等食品，同时构成变压器的副边。样品线圈内的液态食品在交变磁场作用下产生感应电场和感应电流，通过热效应和非热效应对食品进行处理。传统的感应加热技术是利用交变磁场对金属容器加热后再间接对食品进行传导性加热（如电磁炉和感应加热机），因而只具备热效应。与欧姆加热和高压脉冲电场技术类似，感应电场同样具有热效应和非热效应。但是不同点在于是利用磁场来感生出电场，故没有使用金属电极，整个过程属于非接触式的处理，避免了电极腐蚀和金属污染等问题。
图2 感应电场技术用于食品杀菌的原理示意图
显而易见的是，感应电场技术由于自身电场发生原理的限制，会受到原料状态和性质的影响，为了实现焦耳热效应，样品中的感应电流密度需要达到0.5～20.0 A/cm2，这对于食品管道系统的阻抗水平有较高的要求，需要进行前期设计。为了提高能量转换率及温升速率，研究者们在不断考虑优化感应电场装置的软磁材料和管路结构。同时，由于装载样品采用的管道结构要求样品连续性的通过，因此加工对象只适用于一些液态食品或黏性食品，如牛奶和果汁。除了杀菌处理，感应电场的应用已经在多糖改性、天然产物提取等领域进行了一些研究。
3.2 感应电场杀菌
合理利用食品中的感应电流实现其对自身的加工处理具有一定的限制性条件，液态食品需要以连续流的状态形成完整的闭合通路使感应电流形成。其中的感应电流是由自由离子和带电分子的定向迁移产生，Jin Yamei等使用特殊的管道结构和交变磁场实现了对电解质（KCl）溶液的升温测试，研究了加热管道的直径、长度和离子浓度对加热速率的影响，本质是通过调控食品流体的阻抗值来实现的。其结果显示，电解质样品可以在28s内升温至90℃以上，在最佳条件（KCl浓度2mol/L、Ltube=50mm）下仅需10s左右即可达到90℃，研究验证了感应电场对电导性溶液造成的显著热效应。
Wu Shilin等设计了一种电磁感应系统，由电源、磁芯、泵、励磁线圈和加热管组成，其中电源提供3000Hz、6 000V的正弦波电压，并对葡萄柚汁和牛奶进行灭菌处理，初始温度分别为27.3℃和27.5℃，处理20s后的出口温度为61.6℃和62.1℃，杀菌率分别为98.6%和98.5%。同时计算出整个系统的能量转化效率（2%）极低，表明目前技术还有待改进，设备暂不适用于规模化生产。此外，Wu Shilin等还使用感应电场处理苹果汁中的酿酒酵母，其杀菌效果是由电场的热效应和非热效应同时作用引起，在频率400 Hz、电压800V、管径2mm的条件下，感应电场处理减少了4.6个对数的菌落总数，其中非热效应造成菌落总数减少近2个对数。目前，感应电场技术还处于发展阶段使用感应电场可对液态食品进行杀菌处理，由于软磁材料的特性和限制，但还存在能量转换率低和处理量小的问题，尚未达到工业化应用水平。
4 结 语
欧姆加热与高压脉冲电场技术已经在食品的杀菌处理中得到广泛的应用，无论是在食品种类、设备结构还是在生产能耗等方面都有了较为系统的研究和报道。毫无疑问，电场技术在国内食品商业杀菌的应用尚未广泛实施存在一定的原因，例如处理量有限、波形不稳定和价格高等，单独使用对于芽孢的杀灭效果相对较差，研究者也尝试将电场处理与其他方法结合起来，以达到更好的杀菌效果及产品品质，但这样会增加工艺复杂度，不利于放大后的生产制造。感应电场技术在食品杀菌领域的应用研究处于起步阶段，受限于电磁感应所采用的软磁材料品质和管路构造。随着科学技术的进步，特别是磁性材料学科的发展，越来越多的新型导磁材料可以应用于感应电场设备的结构优化，如通过特殊配方和退火工艺生产的纳米晶或坡莫合金材料在中频区域能提高电磁转换率、降低励磁损耗、提高导磁率。
电场加工对果蔬、乳品、水产品及肉制品等食品的杀菌效果已经得到验证，这一类相对绿色的物理加工方式，在欧美日等发达国家中具有一定的工业化实施。将来如何简化电场发生器对于该技术在食品工业中的推动和发展具有很大的意义，例如提升装备自动化水平、配套特制大型电源来满足生产的需要，电场杀菌装备在食品单元操作中的应用是行业未来重要的发展方向。
