摘 要：高压静电技术具有能耗低、不影响食品品质等优点，已逐渐成为当前食品贮藏与保鲜领域的研究热点。本文系统综述了高压静电技术的作用机理及其在肉类和果蔬保鲜中的应用现状，重点从酶活改变、跨膜电位、冰晶形成等方面综述其保鲜作用机理，同时从降低呼吸强度、减少汁液流失、抑制微生物的生长等方面综述其保鲜应用效果，并对其发展趋势进行了讨论和展望，以期为高压静电技术的工业化应用提供参考。
关键词：高压静电技术；保鲜；肉类；果蔬；机理
肉类和果蔬的营养成分丰富，是人体必需的蛋白质、维生素以及矿物质的重要来源，但在加工、贮藏、运输和销售过程中，由于机械损伤、自身生理代谢、微生物侵染等因素，会造成食品变色、失水及腐败变质等，从而降低其商品价值，造成经济损失，且存在较大的食品安全风险。目前，已开发应用多种方法进行食品保鲜，如冷藏保鲜、气调贮藏保鲜、减压贮藏保鲜、涂层保鲜、热处理保鲜、辐射处理保鲜等。近年来，高压静电在果蔬保鲜、肉类解冻等方面呈现广泛应用前景，研究表明，高压静电场处理能够有效延长鲜切竹笋、小玉米、羊肚菌采后冷藏货架期并延缓品质劣变，有效抑制肉类食品体系中金黄色葡萄球菌、假单胞菌和链球菌的生长，延缓脂肪氧化，延长贮藏期。然而，关于高压静电处理在肉品腌制方面应用研究较少。高压静电场作为外加电场作用于果蔬保鲜中，能使细胞内的电荷运动发生改变，从而果蔬的细胞代谢和呼吸作用受到影响。已有研究表明，在肉类解冻过程中，添加高压静电场能够保证食品品质，控制冰晶成核大小，降低冰晶对肉的结构伤害，同时能够减少汁液流失，缩短解冻时间。高压静电在处理食品时不会产生热效应且能耗低，食品温度变化小、基本不影响食品品质。
本文系统综述了高压静电设备现状，主要采用平板式、针状式和线板式这三种形式。此外，本文还从改变酶的活性、细胞膜的通透性、抑制冰晶形成的角度揭示高压静电的作用机理，进一步综述了高压静电技术在肉类和果蔬保鲜中的应用。
1 高压静电场简介
高压静电场（high voltage electrostatic field，HVEF）是一种人工综合效应场，属于物理场。HVEF最常用的设备主要由三个核心器件组成，即直流电源，高压发生器和处理室。目前研究的高压静电场的应用形式主要分为平板式、针状式和线板式。电压、放电电极的几何形状、两个相邻电极的间距等因素均会影响高压静电场的强度。
目前，应用于食品保鲜研究的平板式高压静电场工作示意图如图1所示。低压电源经过多种电子线路变换，最终形成稳定的直流高电压。使用时高电压连接在上下极板，形成回路，从而产生高压静电场，对场中的食品产生一定强度的静电力。施加在正负极板间的电压大小和两极板间的间距可以改变电场强度，从而可以对不同的食品施加不同强度的高压静电。目前，针状式高压静电场工作示意图（图2）在保鲜中应用较少，在电子、纺织、印刷等工业领域得到广泛应用，它具有离子气流覆盖面积大、静电中和速度快等优点。平板式形成的电场是均匀的，与此相比，针状电极形成的电场为非均匀电场。在高压电场下，电荷集中聚集在带电导体的表面，针尖表面的电荷密度远大于其他部位，因此它附近的电场强度很强，在电场作用下，游离的电子或离子向极板以发散的形式运动，形成的电晕风是不均匀的，同时周围空间中的电场强度迅速降低。
（1）静电室；（2）电晕电极；（3）虚拟电晕风；（4）样品；（5）负电荷；（6）负极板；（7）地面。
目前，线板式高压静电场装置（图3）在食品保鲜方面呈现较好前景，其中日本的DENBA+设备、山东“博美特”等开发的静电设备已实现初步商业化应用。在高电压条件下，线极周围气体发生电离，造成大量离子逸出，离子在静电室内加速运动，与颗粒发生碰撞后附着在颗粒表面，使颗粒带电，电场力推动荷电颗粒向板电极迁移。与平板式相比，线板式的线极发射出若干束状静电，促进放电并强化电场，线极附近的高电场强度区域扩大，从而得到了较大且均匀的电场密度分布。此外，带电粒子在电场作用下会加速产生离子风，离子风会在物体表面产生涡流，从而阻碍了物体与外界气体的交换，产生一定的气调效果。
2 高压静电保鲜的作用机理
2.1 改变酶的活性
有研究表明，水是具有一定构造的物质。施加电场后，水分子结构被破坏，同时影响了水与酶结合的状态，从而使酶的活性丧失。李里特、王颉等人认为，外加电场会影响细胞内电势梯度的分布，改变细胞膜电位，使带电粒子向两极聚集，从而对酶的活性产生影响。此外，在酶催化的氧化还原反应中，酶分子内部电子转移的耦合通路会随着外加电场发生变化。Evans R M等提出在质子传递中氧化还原酶改变自身结构从而节省能量。一系列研究表明，高压静电场改变酶活性的程度受酶的类型的影响，不同种类的酶的结构及作用部位有所差别，因而在相同的处理条件下酶的失活程度也不同。然而，并非所有的酶都会受到高压静电场的影响，所以在高压静电场改变酶活性的酶种类方面还有待更深一步的研究。
2.2 改变细胞膜的通透性
细胞的跨膜电位因外加电场而发生改变，离子可通过载体经化学梯度和电势梯度这两种驱动力穿过细胞膜，这两种电化学梯度决定离子的运动方向。有研究表明，细胞的跨膜电位受电场的影响。电场强度与膜电位正方向相同时，膜电位差增加；电场强度与膜电位正方向相反时，膜电位差减小。膜两侧的带电粒子随着膜电位的改变发生移动，产生的电流促进生化反应进行。Ko Wen Ching等发现，高压静电场可以改变细胞膜的通透性，从而抑制微生物的繁殖，在高压静电场环境中，罗非鱼的菌落总数要明显低于空白对照组。
不同菌种对电场的耐受力不同，但在高压静电场的作用下，大部分微生物的细胞膜会被击穿形成小孔。另外，空气介质在外加电场达到一定程度时会自发电离产生离子，电离产生的微量臭氧可以侵入菌体内部，细胞的结构遭到破坏，影响其正常生命活动，最终导致细菌死亡。
2.3 抑制蛋白变性及水分流失
一些水分含量较高的食品，贮藏过程中易产生汁液流失而导致其品质下降。在静电场作用下，水分子会自发富集在电荷表面，产生荷电液滴，可以降低空气中水分的过饱和度，阻止水分的流失。赵良等研究发现，在长期贮藏过程中高压静电场能抑制鱼类肌球蛋白的变性，减少水分和部分维生素、水溶蛋白等物质的流失。Guoliang Jia等利用高压静电场处理猪里脊肉时发现，静电组和对照组有不同的代谢物谱系，经高压静电处理的猪里脊肉的肌球蛋白未被氧化。Shilong Deng等借助高压静电场研究高压静电技术对豆腐的失水率时发现，高压静电技术解冻可以提高豆腐的持水量。对肉制品而言，高压静电场能抑制其蛋白的变性及减缓蛋白的分解速率，对提高肉类产品的保鲜品质有一定的效果。
2.4 抑制冰晶的生成
在低温保鲜处理中，冰晶是影响肉质品质劣变的关键要素，大冰晶对周围细胞产生挤压，破坏肌肉纤维，极性水的平衡状态因外加电场改变，食品的冰点降低，成核作用减弱，使冰晶变小，减少大冰晶对肌肉结构的损害，降低肉类保鲜时的品质损失。E. Xanthakis等通过增加高压静电场的电压，促使猪里脊肉中冰晶成核的温度降低2.6℃，冰晶尺寸减小，可以降低冰晶对肌肉微观结构的损伤。甄仌等使用相场法模拟电场下冰晶的生长也证明了这点。高压静电技术通过抑制细胞内的水分子在降温过程中成核，减缓细胞内的机械损伤，提高肉的保鲜品质。
2.5 臭氧
高压电场能够将空气电离，产生微量臭氧。具有强氧化性的臭氧使细胞膜破裂，细胞的生命活动无法正常进行。此外，果蔬释放的乙烯能与臭氧发生化学反应，延缓果蔬的老化，达到一定的保鲜效果。丹阳以毛霉为研究对象，探究高压电场产生的臭氧对其影响时发现，臭氧对毛霉的生长有抑制作用，且抑制效果与电场强度成正比。李明科发现，高压静电场形成的离子和臭氧能抑制葡萄的生理活性，延长贮藏期。蒋耀庭等发现，电场产生的臭氧能抑制鲜切青花菜表面微生物的活动，此外，臭氧结合负离子能使青花菜释放出来的气体（乙烯、乙醛等）分解，延缓其采后衰老过程。臭氧虽能抑制微生物的生长，但效率较低，可以作为肉类及果蔬保鲜有效的补充，但不能满足工业杀菌的要求。
3 高压静电在食品保鲜中的应用
3.1 在肉类保鲜方面的应用
高压静电场能够加快肉类及肉制品的冷冻及解冻速度，延长保藏期。Hsieh ChangWei等发现，使用高压静电辅助解冻鸡腿肉所需的时间是普通解冻方式的2/3。马坚利用高压静电技术对牛里脊肉分进行冻结测试，发现与无电场下的冻结速率相比，高压静电场冻结牛肉的速率更快；此外不同的电场强度对冻结速率有着不同程度的影响，其中场强为150kV/m时冻结速率效果最好。这为更有效的解冻肉制品提供了一种可行的新方法。Yaming Zhang等研究牛肉在高压电场下的解冻特性时发现，高压静电场可以明显的提高牛肉的解冻效率。这也为高压静电技术应用于解冻肉制品提供了理论支持和技术支撑。
同时许多研究者发现，与传统保鲜方法相比，高压静电保鲜能对微生物生长起到有效的抑制作用，可以在一定程度上可提高产品的品质。赵良等研究高压静电场对罗非鱼片品质的影响时发现，贮藏21 d后，不同场强（1.8 kV、3.8 kV）的静电组的细菌总数均低于106 CFU·g-1。Mq A研究发现，高压静电场能有效抑制食物系统中金黄色葡萄球菌的活性。张佰清等人在探寻高压静电场杀菌效果时发现，静电场对大肠杆菌有明显的致死作用，大肠杆菌的致死率与电压和处理时间均呈正相关。利用高压静电处理，可明显抑制肉类中细菌的生长，为今后静电杀菌发展提供了思路。
高压静电能够降低肉及肉制品的汁液流失率。岑剑伟等人利用冰温气调结合高压静电场处理罗非鱼片，发现高压静电能够显著降低鱼肉的汁液流失，效果明显优于常见的保鲜方法。姚薇研究高压静电场处理对肉糜品质的影响时发现，施加150kV/m电场会降低肉糜18.71%的汁液流失率。孙芳等人也发现，与对照组相比，高压静电组解冻失水率减少7.0%。高压静电技术虽然在肉制品保鲜时降低汁液流失效果较好，但在选择合适的高压静电场强方面还有待更深一步的研究。
高压静电能够保持食品的质构特性和品质。李鹏等人发现，高压静电场冷藏的白斩鸡鸡肉的硬度、弹性、咀嚼性较普通冷藏有显著差异（P＜0.05），高压静电对保持鸡肉固有的质构特性有较明显的效果。熊宇飞发现施加高压静电能抑制刀额新对虾贮藏期间发生的蛋白质降解、脂肪氧化和微生物生长等生化反应，从而使静电组样品表现出更好的颜色和质构特性。唐梦等人在研究高压静电场解冻对罗非鱼片品质影响中发现，由于高压静电场解冻均匀，随着贮藏时间的延长，静电组鱼片的质构优于非静电组。高压静电技术是一种新兴的保鲜技术，其处理过程无热效应、基本不影响食品品质，具有广泛的的应用前景。
3.2 在果蔬保鲜方面的应用
处于高压静电场的环境下，果蔬会产生臭氧和负离子，臭氧氧化分解乙烯，推迟其老化，同时负离子能够抑制呼吸强度，延长贮藏期。肖艳辉等人通过实验发现，电场能较好地抑制草莓果实的呼吸速率，延长草莓的贮藏期。李里特等以黄瓜、豇豆为试材进行高压静电场保鲜试验，发现高压静电组黄瓜的瓜刺完好，豇豆出现的锈斑较少，延缓了果皮的老化。蒋耀庭等在探寻高压电场处理对鲜切青花菜保鲜的影响时发现，高压静电场放电产生的臭氧具有较强的穿透力，可阻碍糖代谢的正常进行，使鲜切青花菜的代谢水平有所降低，抑制其体内呼吸作用。但对于选择合适的极间电压、微电流以及处理时间等工艺参数以获得最佳的保鲜效果，还需选用多种果蔬及大量的实验进行验证。
此外，高压静电场处理能减缓果蔬水分含量的降低，抑制多糖、维生素C代谢相关酶的活性，而清除氧的相关酶活性被提高，从而有效维持多糖和维生素C的含量，延缓衰老腐败进程。孙贵宝、王宗伟、黄洪云等分别以黄冠梨、香菇、冬枣等实验材料，通过高压静电场贮藏果实，发现高压静电场能抑制内源性甲醛含量的积累，减缓果实可溶性固形物和维生素C含量的降低，有效地控制果实腐烂的发生，延迟果实采后的衰老过程。高压静电场对抑制果蔬的维生素C 含量、多糖含量的降低有明显的效果，但其微观机理尚未十分清楚，还有待进行研究。
高压静电能维持果蔬更好的感官品质。方胜等研究发现，高压静电场处理能有效延长番茄贮藏时间，尤其是在电场强度为150kV/m的处理条件下能更好的维持番茄的硬度及感官品质。刘志恩等使用600kV/m的电场强度，在不同的时间下对甜柿进行处理，发现高压静电可以将重量损失率降低1.0-1.3倍，表明高压静电具有延迟组织劣变的能力，而且其效果随着处理时间的延长而增加。孙贵宝等以青椒为实验材料，发现高压静电能有效延缓其衰老过程，64 d时，静电组好果率高达90%以上。高压静电场处理能延长果实的贮藏期，达到保鲜的目的，且操作方便，但成本较高，在大面积推广应用上存在一定困难。
4 总结与展望
高压静电技术作为一种非热处理技术，在处理食品时不会产生热效应且能耗低，食品温度变化小、基本不影响食品品质，因此该技术在食品加工领域有较好的应用前景。高压静电能够加快肉类的冷冻及解冻速度，抑制微生物生长，还能够降低果蔬的呼吸强度，减缓水分含量的降低，维持食品较好的品质。目前，该技术主要应用在肉类和果蔬保鲜方面，但且基本上处于实验室研究阶段，如何突破产学研瓶颈问题是一大难点，此外高压场的参数如电压、微电流及场强分布与食品的相互作用也远未阐明，建议应用食品组学等技术深入揭示静电场对食品的作用机理蛋白组学、酶活性、微观结构等方面的探索，从而为高压静电的保鲜机理提供一定的依据。
