综述：超声波与脉冲电场联合应用于食品加工的研究进展

《Food Reviews International》：Combined Sonication and Pulsed Electric Field for Food Processing - a State of the Art Review

本综述系统评述了超声波（US）与脉冲电场（PEF）两种非热先进技术在食品加工中的联合应用。文章揭示了二者协同作用可显著提升提取率、缩短干燥时间、降低有害物（如丙烯酰胺）生成，并有效灭活微生物与酶，为开发高效、节能的绿色食品加工工艺提供了重要理论依据与实践指导。

　　

ABSTRACT

在功能性食品加工领域，非热先进技术，如超声波（US）和脉冲电场（PEF），正吸引着越来越多的关注。当这两种技术联合使用时，由于其产生的叠加或协同效应，它们在产品品质和微生物去污方面展现出更高的能效、更简易的操作、更好的环境友好性、更稳定的效果以及更强的有效性。这篇综述审视了当前US和PEF联合应用于提取、干燥、油炸以及固体和液体食品加工的研究进展。文章详细讨论了相关的机理、反应条件和操作顺序对产物得率、化合物种类、微观结构、功能特性、抗氧化能力等方面的影响。US与PEF的结合极大地加速了水分扩散以及质热传递，从而显著提高了提取率，缩短了干燥时间，减少了有害丙烯酰胺的形成，改善了油炸动力学，并能有效灭活液体食品中的微生物和酶。

引言：迈向协同增效的非热加工时代

传统的热加工技术虽然能有效保证食品安全，但常常导致食品营养成分的破坏、风味物质的损失以及感官品质的下降。因此，非热加工技术应运而生，成为食品工业研究的热点。其中，超声波（US）和脉冲电场（PEF）作为两种极具潜力的非热技术，各自拥有独特的作用机制。US主要依靠空化效应产生的机械力、微射流和局部高温高压，而PEF则利用高强度电脉冲在细胞膜上形成可逆或不可逆的电穿孔。当这两种物理场联合作用时，它们可能产生“1+1>2”的协同效果，为食品加工带来革命性的突破。本综述旨在梳理US与PEF联合应用的最新研究现状，深入探讨其内在机理与广阔应用前景。

联合技术的机理基础

US和PEF的协同效应源于它们对生物材料细胞结构的多层次、多靶点作用。PEF处理优先作用于细胞膜脂质双分子层，诱导形成微小的孔洞，从而显著增加细胞膜的通透性。这种“开窗”效应为后续的US作用创造了极为有利的条件。紧接着，US产生的空化泡在细胞附近或细胞壁表面溃灭，其强大的剪切力和冲击波可以进一步扩大PEF形成的孔洞，甚至直接破坏细胞壁和细胞膜的整体完整性。这种序贯性的物理攻击使得细胞内容物（如蛋白质、多糖、油脂、色素、生物活性物质等）的释放变得异常容易。同时，细胞内外传质阻力的大幅降低，也极大地加速了水分子的迁移和扩散，这对于干燥和渗透脱水等过程至关重要。此外，两种技术产生的物理效应（如微扰动、局部加热）也能促进热量传递，优化加工效率。

在提取工艺中的应用

在植物活性成分、香料、色素等的提取过程中，US-PEF联合技术展现出巨大优势。研究表明，与单一技术或传统方法相比，联合处理能显著缩短提取时间，提高目标化合物的得率。例如，在从甜菜根中提取甜菜红素、从茶叶中提取多酚类物质、或从大豆中提取蛋白质时，预先采用PEF处理破坏细胞结构，再辅以US强化溶质扩散，其提取率可比单独使用US或PEF提高20%至50%以上。不仅如此，联合技术往往能在更温和的条件下（如较低温度）实现高效提取，有助于保护热敏性成分的生物活性，更好地保留其功能特性（如抗氧化能力）。操作顺序是关键因素，通常“PEF预处理 + US辅助提取”的模式能获得最佳效果。

在干燥和油炸过程中的应用

干燥是能耗极高的食品加工单元操作。US-PEF联合预处理为降低干燥能耗、提高干燥速率和改善干制品品质提供了新策略。PEF和US对细胞结构的协同破坏作用，形成了更多的水分迁移通道，从而加速了内部水分的向外扩散。这直接导致热风干燥、真空干燥或冷冻干燥时间的显著缩短，能耗随之降低。在油炸食品（如薯条）加工中，联合技术同样效果显著。一方面，它加快了油炸初期水分的脱除速率，优化了油炸动力学；另一方面，由于油炸时间缩短和表面水分含量的快速降低，有害物质丙烯酰胺（一种可能致癌物）的形成受到有效抑制。这对生产更安全的油炸食品具有重要意义。

在液体食品杀菌与酶钝化中的应用

对于果汁、牛奶、蛋液等液体食品，微生物安全性和酶稳定性是决定货架期的关键。US和PEF均已被证明具有非热杀菌和酶钝化能力，而它们的联合使用则能实现更高效、更彻底的灭活效果。PEF对微生物细胞膜的电穿孔作用使其变得脆弱，随后US的空化效应可以对这些已被“削弱”的细胞施加致命一击，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。这种协同作用使得在较低强度（如较低的US功率或PEF场强）和较短的处理时间内，即可达到与高强度单一处理相当的杀菌效果（例如，对大肠杆菌E. coli、金黄色葡萄球菌S. aureus、酿酒酵母S. cerevisiae等的灭活），同时最大限度地减少对食品色泽、风味和营养素的破坏。同样，对于过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）等易引起食品褐变和品质劣变的酶，联合处理能更有效地破坏其三维空间结构，导致酶失活。

结论与展望

超声波（US）与脉冲电场（PEF）的联合应用，代表了非热食品加工技术的一个重要发展方向。通过机理上的优势互补与协同增效，该联合技术在提取、干燥、油炸、杀菌保鲜等多个方面均展现出超越单一技术的卓越性能，具有高效、节能、环保、对产品品质影响小等突出优点。未来的研究应更深入地揭示协同效应的分子机制，优化工艺参数与操作顺序，并推动该技术从实验室走向规模化工业应用，为开发下一代智能、绿色的食品制造体系提供强大支撑。