论文部分内容阅读
高压脉冲电场(Pulsed electric field,简称PEF)是非热食品处理技术中最具有发展前景的技术,也是近年来国内外食品加工行业研究的热点问题之一。目前较多的研究集中在杀菌的机理和动力学方面,高压脉冲电场对酶影响的相关研究开展的较少,酶在脉冲电场作用下的活性变化机理也尚不清楚。研究者只是在对酶失活的比率进行测试时提出了几种失活可能性的假说,并没有得到相关的论证和深入的研究。本文从理论和实验两方面对高压脉冲电场处理酶的失活动力学和酶构象的改变进行了系统的研究,从而对先前的假说进行了验证。由于酶在高压脉冲电场中的抗性远远大于微生物,因此相同条件下高压脉冲电场对微生物的处理效果远远大于对酶的处理效果,从而限制了该技术工业化生产的进程。本文对此进行了一系列的研究,首创将高压脉冲电场与冷冻浓缩技术相结合,生产出了高品质的浓缩橙汁,推进了高压脉冲电场技术工业化应用的进程。
㈠本实验使用的高压脉冲电场设备,电压范围0～22kV；脉冲宽度5～20μs；采用co-field连续处理室,流速范围5～100 ml／min；脉冲周期10～1KHz；单极脉冲；波型为方波。用电力电子器件配合脉冲变压器的单极性方波电源。本文在使用自行设计的高压脉冲电场杀菌装置的基础上,初步研究了高压脉冲电场对微生物的杀灭效果。研究结果表明,随着电场强度和脉冲数增加,高压脉冲电场对微生物的杀灭效果提高；在相同电场条件下,不同菌种存活率由高到低为:霉菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、酵母菌；对象菌所处的生长周期以及不同的介质均会给微生物对高压脉冲电场带来不同的抵抗特性。高压脉冲电场对微生物的具体杀灭效果如下:在电场强度均为20kv／cm条件下,脉冲个数为60,即高压脉冲电场作用时间为1.02ms时,酵母活菌对数减少了5.52；脉冲个数为120,即高压脉冲电场作用时间为2.04ms时,大肠杆菌活菌对数减少了6.48；脉冲个数为120,即高压脉冲电场作用时间为2.04ms时,青霉活菌对数减少了4.92；脉冲个数为140,即高压脉冲电场作用时间为2.38ms时,金黄色葡萄球菌活菌对数减少了6.72。
㈡本研究选取辣根过氧化物酶(POD)及聚半乳糖醛酸酶(PG)这两种热稳定性较高的酶为目标酶,分别以水和醋酸缓冲液为介质,研究高压脉冲电场对其活力的影响,探讨高压脉冲电场电场强度、作用时间与POD、PG酶活力变化的关系,并建立数学模型。其结果如下：⑴高压脉冲电场处理可以钝化POD活力:方波条件下,脉冲宽度为17μs,高压脉冲电场电场强度和脉冲数目均对POD酶失活有显著影响(P<0.01),随脉冲电场强度(10 kV／cm～20 kV／cm)的增强和高压脉冲电场作用时间的增加,POD酶活钝化效果都增强,当20kV／cm,80个脉冲数,即1.36ms高压脉冲电场作用时间时,水(pH=6.4)中的POD酶失活达到最大,其残余相对活力降低到1.98％；20kV／cm,110个脉冲数,即1.87ms高压脉冲电场作用时间,缓冲溶液(pH=5.6)中POD的残余相对活力降低到33.5％。⑵高压脉冲电场处理可以钝化PG活力:方波条件下,脉冲宽度为17μs,高压脉冲电场电场强度和脉冲数目均对PG酶失活有显著影响(P<0.01),随脉冲电场强度(10 kV／cm～20kV／cm)的增强和高压脉冲电场作用时间的增加,PG酶活钝化效果都增强,当20.0kV／cm,270个脉冲数,即4.59ms高压脉冲电场作用时间时,水(pH=5.9)中的PG酶失活达到最大,其残余相对活力降低到0.14％；20kV／cm,110个脉冲数,即1.87ms高压脉冲电场作用时间,缓冲溶液(pH=4.0)中PG活力下降到31.2％。⑶一级动力学方程RA=e-KE·t,能够描述高压脉冲电场作用时间与POD、PG酶失活的关系,相关系数R2分别大于0.98和0.93。存在有临界场强Ec,POD在缓冲溶液中的Ec为10.12±0.34 kV／cm；水溶液PG的临界场强Ec为9.11±0.24 kV／cm,缓冲液中PG的临界场强Ec为10.05±0.46kV／cm。⑷高压脉冲电场电场强度E与方程RA=e-KE·t中常数KE的关系,可用指数方程表达,即KE=K01·e[ω·(E-Ec)],拟合所得的R2均大于0.98。
㈢通过荧光光谱分析表明：高压脉冲电场处理POD和PG可以使它们的荧光强度产生不同程度的下降,并且电场强度越大,作用越明显,而且当电场强度达到较高时,还可以使荧光峰发生峰位移,POD和PG的最大荧光峰从338nm位移到470nm。荧光淬灭现象表明,酶构象改变与酶活改变关系密切。高压脉冲电场的作用,特别是高电场作用,可以有效的改变POD和PG的三级构象,使荧光发生淬灭,从而不同程度地影响了酶的活性。
㈣本研究通过计算机分子模拟方法,模拟了脉冲电场下过氧化物酶活性片段以及发光基团的变化情况。研究结果表明：⑴高压脉冲条件下过氧化物酶分子片断总能量是脉冲前的30倍,活性较高的血红素基团单点能是脉冲前的52倍。⑵高压脉冲电场下,过氧化物酶分子片断连接的血红素基团中电子云明显减少,金属离子难以与血红素基团结合,从而使钙离子脱落,最终改变血红素构象,导致过氧化物酶失去活性。⑶静电荷的存在使过氧化物酶分子片段分子总能量、分子动能均有增加,也是导致发光基团色氨酸、酪氨酸残基被包裹的主要因为。⑷高压脉冲电场对过氧化物酶活性部位----血红素基团以及荧光发光基团的影响较为显著,因此高压脉冲电场对酶的三级构象的影响显著。
㈤本研究将冷冻浓缩技术与高压脉冲技术结合,建立了冷冻浓缩冰晶体增长动力学模型,该模型表明了:采用悬浮式结晶冷冻浓缩,冰晶增长速率与冰晶体的质量成正比,浓缩后期冰晶体增长速率将受到冰晶最大质量mmax的抑制；冰晶生长速率随浓度的提高而降低。该系统中高压脉冲电场技术可以有效地抑制微生物生长,而冷冻浓缩可以有效地钝化酶活力,经感官评定分析表明,冷冻浓缩技术与高压脉冲技术构成的非热力加工工艺,应用于浓缩橙汁,产品品质明显优于巴氏杀菌橙汁。