脉冲电场（PEF）处理果汁中微生物灭活动力学建模：微生物异质性与食品基质效应的比较研究

《Food Science & Nutrition》：Kinetic Modeling of Microbial Inactivation in Juices Treated With Pulsed Electric Fields (PEF): A Comparative Study on Microbial Heterogeneity and Food Matrix Effects

　　

摘要 脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）处理是一种前景广阔的果蔬汁保鲜技术。本研究评估了20 kV/cm脉冲电场对石榴汁、番茄汁和胡萝卜汁的微生物及品质参数的影响。采用全局模型对大肠杆菌（Escherichia coli）菌株（K12和FAM 21843）及酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）菌株（AD1890和130.0014）的灭活动力学进行拟合，该模型将对数线性一级模型与二阶多项式相结合，以描述多相灭活动力学特征。最大微生物灭活速率（kmax）随Wτ的增加而增大，大肠杆菌菌株在石榴汁和胡萝卜汁中实现>5个对数 reductions，在番茄汁中实现>3.85个对数 reduction。在菌株间，酿酒酵母130.0014在石榴汁和番茄汁中于>80 kJ/kg条件下表现出最高的kmax值。在高Wτ水平下，石榴汁中大肠杆菌菌株间以及所有食品基质中酿酒酵母菌株间均观察到微小差异。此外，PEF处理下大肠杆菌菌株的亚致死损伤发生率较低，且与食品基质无关，其中石榴汁中损伤水平最高。对所有果汁的品质分析表明，PEF未影响抗氧化化合物及其抗氧化活性，未发现统计学显著差异（p < 0.05）。总体而言，PEF微生物灭活效果主要由Wτ决定，并伴随一定的食品基质依赖性差异。这些发现凸显了PEF作为食品加工替代方案的潜力，能够在实现微生物灭活的同时保持产品品质。

论文解读：脉冲电场处理果汁中微生物灭活动力学建模的综合研究

一、研究背景与问题提出

随着生活水平提高和健康意识增强，消费者对富含生物活性化合物的天然果蔬汁需求日益增长。然而，果汁在加工过程中可能受到多种来源微生物的污染，引发食源性疾病风险。传统热杀菌虽能有效灭活病原菌和腐败菌，但剧烈热处理会导致生物活性化合物和维生素的降解。在此背景下，脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）作为一种非热加工技术应运而生，通过电穿孔现象实现微生物灭活，同时保持产品感官和营养品质。然而，PEF灭活效率受多种因素影响，包括微生物种类、菌株、培养条件、食品基质的pH和电导率以及电场强度、总比能量（Wτ）等加工参数。日益增多的证据表明，微生物对PEF的响应存在异质性，不仅物种间差异显著，同一物种的不同菌株间也表现出较大抗性差异，这给灭活动力学的准确预测和通用模型的建立带来挑战。此外，食品基质理化性质的差异会调节微生物对PEF的响应，意味着从一种产品获得的灭活动力学可能无法直接外推至其他食品体系。因此，开展系统性研究，全面评估菌株异质性、食品基质效应与PEF加工参数之间的交互作用，对于优化PEF工艺、保障食品安全具有重要科学意义和应用价值。

二、研究内容与总体结论

本研究以大肠杆菌K12、大肠杆菌FAM 21843、酿酒酵母AD1890和酿酒酵母130.0014四种菌株为对象，在石榴汁、番茄汁和胡萝卜汁三种食品基质中开展PEF连续处理实验。研究采用全局拟合方法，将一级对数线性模型与二阶多项式次级模型同步拟合至完整数据集，系统评估加工条件、食品基质特性和菌株差异对微生物灭活行为的影响。结果表明，微生物灭活动力学呈现非线性多相特征，二阶多项式模型能够准确描述（R2 = 0.965–0.998）。总比能量是控制微生物灭活的首要因素，最大灭活速率（k_max）随Wτ增加而增大；菌株和食品基质效应在高能量条件下表现更为明显。大肠杆菌菌株在石榴汁和胡萝卜汁中实现>5对数 reduction，在番茄汁中实现>3.85对数 reduction，达到FDA对果汁商业化杀菌5对数 reduction的最低标准。同时，PEF处理未显著影响三种果汁的总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）、总邻二酚含量（TdOPC）和抗氧化能力（CUPRAC），表明PEF在实现高效微生物灭活的同时能够保持果汁的营养品质。

三、关键技术方法

研究人员采用连续流动PEF处理系统（EPULSUS-BM1A-12脉冲发生器），在20 kV/cm电场强度、4 μs脉冲宽度条件下，以6 L/h流速对石榴汁、番茄汁和胡萝卜汁进行处理，处理时间0–112.3 μs，总比能量0–139.2 kJ/kg，出口温度20–55.8°C。微生物灭活动力学采用全局建模方法，将一级对数线性模型与二阶多项式次级模型同步拟合，使用Matlab的lsqnonlin函数进行参数优化，以均方误差（MSE）、回归系数（R2）和赤池信息准则（AIC）评估模型性能。大肠杆菌活菌计数分别采用非选择性培养基胰蛋白胨大豆琼脂（TSA）和选择性培养基胰蛋白胨胆汁X-葡萄糖苷酸琼脂（TBX）进行，以评估亚致死损伤。化学分析采用Folin–Ciocalteu比色法测定总酚含量（TPC）、氯化铝比色法测定总黄酮含量（TFC）、总邻二酚含量（TdOPC）和铜离子还原抗氧化能力法（CUPRAC）。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Fisher's LSD事后检验。

四、研究结果

4.1 微生物灭活动力学与PEF参数

研究显示，大肠杆菌和酿酒酵母各菌株的微生物灭活随总比能量和处理时间增加而逐步增强。在最高PEF条件下，大肠杆菌K12和FAM 21843在石榴汁中（20 kV/cm，79.04 μs，121.31 kJ/kg，54.1°C）实现>5对数 reduction，在番茄汁中（20 kV/cm，57.72 μs，105.22 kJ/kg，46.1°C）实现>3.85对数 reduction，在胡萝卜汁中（20 kV/cm，112.32 μs，139.28 kJ/kg，55.8°C）实现>5对数 reduction，均达到FDA规定的5对数 reduction商业化杀菌标准。

4.2 亚致死损伤效应

通过比较选择性培养基（TBX）和非选择性培养基（TSA）上的菌落计数差异，研究人员发现大肠杆菌K12和FAM 21843仅在石榴汁的中等能量PEF处理条件下（47.12–68.4 μs，72.32–104.98 kJ/kg）表现出较大差异，表明该条件下存在较高比例的亚致死损伤细胞。例如，在47.12 μs、72.32 kJ/kg条件下，大肠杆菌K12在TSA上显示2.36对数 reduction，在TBX上显示3.13对数 reduction。相比之下，番茄汁和胡萝卜汁中差异极小，表明损伤细胞较少或灭活更为彻底。

4.3 灭活动力学建模

存活曲线呈现复杂的非线性多相灭活模式。在石榴汁中，大肠杆菌呈现凹向下趋势，初始缓慢下降后在47.12 μs（72.32 kJ/kg）后急剧加速；番茄汁中接近对数线性模式并伴有轻微拖尾；胡萝卜汁中呈现凹向上曲线，在44.64 μs（55.35 kJ/kg）前存在明显肩期，表明初始抗性较强，随后在61.92 μs（76.78 kJ/kg）后快速下降。酿酒酵母呈现类似趋势。模型参数中，线性系数C₂在所有菌株和食品基质间保持稳定，而基线灭活常数C₁和二次系数C₃存在统计学显著差异（p < 0.05）。k_max值在>80 kJ/kg高能量条件下显著增加，酿酒酵母130.0014在石榴汁和番茄汁中表现出最高的k_max值。

4.4 菌株异质性

大肠杆菌K12和FAM 21843在不同食品基质中总体表现相似，但在最低pH的石榴汁（pH 3.1）中，FAM 21843表现出较高抗性。酿酒酵母AD1890和130.0014在高总比能量（>70–80 kJ/kg）下表现出抗性差异，130.0014对高能量PEF处理更为敏感。例如，在石榴汁中90.98 kJ/kg条件下，AD1890显示2.42对数 reduction，而130.0014显示3.82对数 reduction。AD1890在高压加工（HPP）和超声处理中也表现出较高抗性，提示其可能存在跨应激交叉抗性。

4.5 品质特性影响

对PEF处理前后的石榴汁、番茄汁和胡萝卜汁进行化学分析，结果显示总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）、总邻二酚含量（TdOPC）和CUPRAC抗氧化能力在处理前后均无统计学显著差异（p < 0.05），表明PEF处理不会降解或显著改变这些生物活性化合物。

五、讨论与结论

本研究通过全局建模方法系统揭示了PEF处理下微生物灭活的非线性动力学特征，证明总比能量是决定灭活效果的首要因素，而菌株特性和食品基质效应在高能量条件下更为显著。线性系数C₂的稳定性表明微生物对能量输入的线性响应机制具有保守性，而C₁和C₃的差异反映了菌株-基质间的特异性相互作用。亚致死损伤研究提示石榴汁中中等能量处理可能产生可恢复的损伤细胞，需关注储存期间的安全风险。品质分析证实PEF在高效灭活微生物的同时能够保持果汁的抗氧化活性。研究结论指出，PEF技术能够在保持果汁营养品质的同时实现符合工业标准的微生物灭活，总比能量是PEF诱导微生物灭活的关键决定因素，菌株和基质依赖性差异在特定条件下也发挥重要作用。未来研究应聚焦于建立考虑菌株和食品基质变异性的预测模型，优化PEF条件以在保持产品质量的同时实现有效微生物控制，并进一步评估色泽、挥发性化合物、风味和整体感官品质等质量属性，以推动PEF技术在食品工业中的规模化应用。