温度依赖性细菌介电特性分析及其在优化脉冲电场(PEF)巴氏灭菌中的应用研究

为解决脉冲电场(PEF)巴氏灭菌中单独处理杀菌效果有限的问题，研究人员通过分析肠杆菌(Enterobacter hormaechei)悬浮液的电容(C)和电导(G)随温度变化的动态特性，结合膜通透性及PEF杀菌实验，揭示了预热温度(25-60°C)对细菌膜状态的影响规律。研究发现，温度≥47°C时膜电容下降且电导上升，表明不可逆膜损伤；预热后冷却在≤45°C可逆而≥50°C效果持久。该研究为优化PEF-热协同灭菌工艺提供了理论依据，发表于《LWT》。

　　

研究背景与意义
脉冲电场(PEF)技术因其非热特性成为蛋白质类液体食品(如牛奶、豆浆)物理灭菌的潜力选项，但单独应用时对活菌的杀灭效果通常不超过3个对数级，难以满足实际需求。此前研究表明，预热可显著增强PEF的杀菌效果，例如53°C预热使牛奶中李斯特菌减少4.3个对数级。然而，过度加热会损害食品品质并增加能耗，因此亟需明确预热温度如何通过改变细菌膜状态来影响PEF效果。尽管差示扫描量热法(DSC)和电子自旋共振(ESR)等技术已用于膜特性研究，但缺乏直接测量细菌悬浮液介电特性动态变化的方案，尤其温度依赖性数据稀缺。

研究方法
日本熊本大学与Kewpie公司合作团队以肠杆菌(E. hormaechei)为模型，通过电化学阻抗谱(EIS)在1.5 MHz频率下测量细菌悬浮液的电容(C)和电导(G)，同步记录25-60°C升降温过程中的动态变化。实验采用定制温控系统实现12.6°C/min的线性变温，结合碘化丙啶(PI)染色评估膜通透性，并以20 kV/cm场强、2 μs脉宽的PEF处理验证杀菌效果。数据通过三组独立实验验证，统计采用t检验(p<0.05)。

研究结果

3.1 测量频率的确定
通过分析DPBS(稀释磷酸盐缓冲液)和NaCl溶液在1.5 MHz下的EIS响应，确认该频率可最小化电极双层(EDL)干扰，同时敏感捕捉细菌膜的β-色散特性。

3.3 细菌悬浮液的温度依赖性介电特性
升温至45°C时，电容(C)持续增加反映膜流动性增强；≥47°C时C下降且电导(G)骤升，提示膜通透性不可逆改变。降温后，≤45°C组C恢复初始值，而≥50°C组C永久性降低15%，G维持1.7倍于基线，表明高温导致膜结构不可逆损伤。

3.4 热诱导膜通透性变化
PI染色显示，55°C预热后冷却的细菌染色率(40%)显著低于直接55°C处理组(60%)，证实低温可部分修复膜完整性，但≥50°C时修复有限。

3.5 PEF杀菌效果的温度依赖性
PEF在高温(如55°C)下的杀菌率(存活率<10%)显著优于25°C(50%)。预热后冷却组在≤45°C时效果减弱，而≥50°C组仍保持高效杀菌，与介电特性揭示的膜状态不可逆性一致。

结论与意义
该研究首次通过EIS动态监测揭示了细菌膜介电特性随温度变化的规律：30-45°C可逆性膜流动增强，≥47°C不可逆通透性改变。这为PEF-热协同灭菌提供了关键参数——预热至≥50°C可使膜损伤不可逆，即使冷却后仍保持PEF增效作用。成果发表于《LWT》，对优化低能耗食品灭菌工艺具有重要指导价值，未来需针对不同菌种和培养基质拓展验证。