脉冲电场联合纳米天然抗菌剂对菠萝汁保鲜的协同效应与机制研究

本刊推荐：为应对食源性微生物污染及传统热加工导致的品质劣变问题，研究人员开展脉冲电场（PEF）联合纳米化天然抗菌剂（源自山竹皮、佛手柑油及水解椰子油）协同保鲜技术研究。结果表明，40 kV/cm PEF处理联合纳米抗菌剂可使酵母菌减少4.5-log，并将菠萝汁货架期延长至16天（9.5°C），为非热加工技术提供新策略。

　　

食源性微生物污染一直是全球食品安全领域的重大挑战。尽管现有技术不断进步，由细菌、真菌等微生物引发的疾病仍严重威胁公众健康与经济稳定。传统热加工技术虽能有效杀灭微生物，却不可避免地破坏果汁中的热敏性营养素（如维生素C）和感官品质，导致消费者接受度下降。特别是菠萝汁这类易受酶和微生物活动影响的产品，在贮藏过程中常出现风味、质地和颜色的劣变。因此，开发既能保障安全又能最大限度保留品质的非热加工技术，成为食品工业的重要研究方向。

在此背景下，天然抗菌剂与非热加工技术的结合展现出巨大潜力。植物提取物如山竹果皮中的呫吨酮(xanthone)和单宁(tannin)、佛手柑油中的挥发性成分（如柠檬烯和芳樟醇）以及水解椰子油中的月桂酸(lauric acid)，均被证实具有广谱抗菌活性。然而，这些疏水性成分在水相体系（如果汁）中的应用受限。纳米乳化技术通过将活性成分分散为纳米尺度的颗粒，显著提升其溶解性、稳定性及生物利用度。另一方面，脉冲电场(Pulsed Electric Field, PEF)技术利用高压短脉冲破坏微生物细胞膜（电穿孔效应），实现非热条件下的微生物灭活，但其单独处理往往达不到完全灭菌的效果。将PEF与天然抗菌剂联用，通过电穿孔促进抗菌成分进入细胞，可产生协同增效作用，有望突破现有技术瓶颈。

为探索这一协同策略的实际效果，研究人员以菠萝汁为模型体系，系统评价了PEF与纳米化天然抗菌剂联合处理的微生物抑制效果及货架期延长潜力。相关成果发表于《Applied Geochemistry》，为果蔬汁非热保鲜提供了新思路。

本研究采用了几项关键技术支持上述目标的实现：首先，利用亚临界乙醇萃取(subcritical ethanol extraction)在180°C下从山竹皮中高效提取呫吨酮（得率73.16 mg/g），并通过蒸汽蒸馏获得佛手柑油（得率2.5%）；其次，采用酶法水解制备富含月桂酸的椰子油衍生物；第三，通过超声乳化结合吐温80制备纳米级抗菌剂乳液，粒径范围50-400 nm；最后，使用自定义搭建的PEF系统（40 kV/cm场强，500脉冲数）处理酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）接种的菠萝汁，并监测处理前后温度变化以确保非热条件（<45°C）。所有微生物学分析均依据AOAC国际的《细菌学分析手册》(BAM)进行。

3.1. 温度对亚临界乙醇萃取呫吨酮的影响

通过考察120-180°C提取温度发现，呫吨酮得率随温度升高而增加，180°C时达到最高（73.16±1.09 mg/g），较传统索氏提取提高1.7倍。这表明高温下乙醇极性降低，更利于疏水性呫吨酮的溶出。

3.2. 温度对单宁提取的影响

单宁得率在不同温度下无显著变化（41-52 mg/g），说明其提取受温度影响较小，可能与亲水性及高分子结构有关。

3.3. 蒸汽蒸馏佛手柑油的提取与成分

GC-MS分析显示蒸汽蒸馏油富含柠檬烯、芳樟醇和γ-松油烯等挥发性成分，其峰强度显著高于溶剂提取油，证实该方法更适合获取高活性抗菌油。

3.4. 纳米天然抗菌乳液的粒径表征

超声乳化制备的纳米乳液粒径主要分布在50-400 nm，其中佛手柑油乳液粒径最小（~105 nm），分布最窄，预示其具有更好的稳定性和抗菌潜力。

3.5. 天然抗菌剂对微生物的抑制作用

亚临界乙醇提取的山竹皮提取物对革兰氏阳性菌（如 Staphylococcus aureus）和革兰氏阴性菌（如 Escherichia coli）均表现出强抑制作用，而索氏提取物仅对部分菌种有效。佛手柑油对细菌和酵母均有显著抑制，但单独使用无法完全灭活。

3.6. 佛手柑油的抗菌活性

佛手柑油对测试病原菌和腐败酵母均有效，对革兰氏阳性菌抑制更强，但对革兰氏阴性菌需更高浓度。

3.7. PEF对酵母的灭活效果

PEF单独处理（500脉冲）可使酵母减少2.2-log，且处理温度始终低于45°C，证实非热灭活机制。

3.8. PEF与纳米抗菌剂的协同效应

PEF联合纳米抗菌剂（尤其是混合配方）使酵母灭活提高至4.5-log，电穿孔效应促进了抗菌成分进入细胞。

3.9. 货架期研究

在9.5°C贮藏16天，单独纳米佛手柑油或混合抗菌剂能完全抑制酵母生长；PEF联合处理组仅增长0.5-2 log，而单独PEF组增长2-3 log，证实联合处理可显著延长货架期。

本研究证实，亚临界乙醇萃取可高效提取山竹皮中的呫吨酮，而纳米乳化技术成功解决了天然抗菌剂在水相体系中的应用难题。PEF处理（40 kV/cm, 500脉冲）与非热条件兼容，并为抗菌剂渗透创造有利条件。二者协同使用显著提升了微生物灭活效率（最高4.5-log减少）和产品货架期（16天以上）。该策略不仅为菠萝汁保鲜提供了有效方案，也为其他果汁及液态食品的非热加工提供了技术参考。未来研究需关注感官评价、规模化生产及经济效益分析，以推动该技术的实际应用。