《Journal of Food Engineering》：In-package spore inactivation of apple juice using ohmic heating: Impact on quality and feasibility of impedance-based monitoring
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微生物灭活是食品加工中的基础步骤，它确保病原菌和腐败微生物（包括灭菌工艺中耐热细菌芽孢）的灭活。传统灭菌方法，如蒸汽系统（retort），广泛用于包装内加工；然而，其存在能耗和水耗过高、加工时间长、传热不均匀等缺点（Jimenez et al.,
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微生物灭活是食品加工中的基础步骤，它确保病原菌和腐败微生物（包括灭菌工艺中耐热细菌芽孢）的灭活。传统灭菌方法，如蒸汽系统（retort），广泛用于包装内加工；然而，其存在能耗和水耗过高、加工时间长、传热不均匀等缺点（Jimenez et al., 2024），这些会对产品品质和运行效率产生负面影响。此外，当前食品加工模式涉及包装内灌装和密封、施加杀菌步骤，之后依靠外部因素（温度控制）或内部因素（防腐剂）维持安全条件。然而，产品内部发生的任何变化仍是一个谜团，只能通过破坏性检测来揭示。
欧姆加热（ohmic heating, OH）是一种电流直接通过食品并在其中产生热量的技术，已引起广泛关注（Alkanan et al., 2021; Astráin-Redín et al., 2024）。与传统外部加热方法不同，欧姆加热能够在食品基质内实现快速、体积式、均匀的温度升高。研究表明，该方法可显著缩短加工时间并改善品质保留，尤其适用于液态和半液态食品（Gavahian et al., 2025; Singh et al., 2026）。
前期研究表明，与常规加热相比，包装内欧姆灭菌可在更短时间内达到微生物灭活目标（Jun et al., 2007; Jun and Sastry, 2005; Mok et al., 2024; Sastry et al., 2009; Somavat et al., 2012）；事实上，当电场保持恒定时，灭活加速最为显著，如在升温阶段（come-up-time）（Singh et al., 2024a, 2024b, 2025a）。这归因于欧姆加热的热效应和非热效应，如电穿孔（electroporation）、膜通透性增强以及芽孢核心内SASP-DNA复合物的扰动（Singh et al., 2024a, 2024b, 2025b; Somavat et al., 2012）。此外，研究人员强调了欧姆灭菌在改善可持续性、再加工（储存期间在包装内重新施加欧姆灭菌）、延长货架期以及减少产品损失方面的潜力（Mok et al., 2024）。由于灭菌在密封包装内进行，与处理和再污染相关的风险也显著降低（Jun et al., 2007; Mok et al., 2024; Sastry et al., 2009; Somavat et al., 2012）。
当电极嵌入包装内时，还存在进一步的机会——它们可作为传感器，在储存期间非破坏性地监测样品属性。电阻抗谱（electrical impedance spectroscopy, EIS）已成为一种快速、环保、非破坏性的食品品质和结构完整性评估方法（El Khaled et al., 2017; Pliquett, 2010）。由于食品基质中不同组分具有独特的电容和导电特性，任何影响食品品质的物理或化学变化都会直接改变这些特性，从而提供关于变化程度的可测量信息（Pliquett, 2010）。阻抗测量已成功用于监测多种食品在货架期内的品质变化（Chowdhury et al., 2017; El Khaled et al., 2017; Ibba et al., 2020）。基于这一方法，本研究提出了“传感器集成包装（Sensor-Integrated Packaging, SIP）”概念，以克服依赖破坏性取样的标准品质控制方法的局限性。通过利用包装内欧姆加热电极作为内部传感器，研究人员可以研究阻抗测量在不打开包装袋的情况下追踪苹果汁品质变化的能力。虽然阻抗和电导率在欧姆加热系统中经常用于过程控制（Rodríguez et al., 2021），且很少用于追踪批量加工中的物理变化（Crucean et al., 2025），但这些应用缺乏包装内集成。另一方面，用于食品品质监测的常规阻抗谱通常依赖外部或独立的传感器装置（Prusova et al., 2017）。所提出的SIP系统的新颖性在于利用相同的内部电极，既用于快速热处理，又用于产品整个货架期内随后的非破坏性品质追踪。
本研究的目标是研究电极嵌入包装的双重方面：1）测试仅通过升温阶段（无保温时间）的欧姆加热实现目标微生物灭活的可能性；2）测试利用嵌入电极进行阻抗监测以关联储存期间样品变化的有效性。本研究以苹果汁为基质，以酸热脂环酸芽孢杆菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）为目标微生物。酸热脂环酸芽孢杆菌是一种耐热、嗜酸、产芽孢的细菌，因其能在标准巴氏杀菌中存活，对果汁行业构成重大腐败挑战。选择苹果汁作为广泛消费的酸性饮料，用于评估包装内欧姆加热过程的快速芽孢灭活能力以及集成传感器对储存期间后续化学变化的敏感性。
论文解读文章
研究背景与问题
食品加工中微生物灭活是保障食品安全的关键环节，尤其是针对耐热细菌芽孢的灭菌处理。传统包装内灭菌方法以蒸汽系统（retort）为代表，虽被广泛应用，但存在显著缺陷：能耗和水耗高、加工时间长、传热不均匀，这些因素会对产品品质和运行效率产生负面影响。此外，传统食品加工模式在完成包装、密封和杀菌步骤后，主要依赖外部温度控制或内部防腐剂来维持安全状态，但包装内部产品发生的任何变化都无法被实时感知，只能通过破坏性取样来检测，这既造成产品浪费，也无法实现全批次品质监控。
欧姆加热（ohmic heating, OH）作为一种电流直接通过食品基质产生热量的技术，因其快速、体积式、均匀升温的特性而受到关注。前期研究表明，包装内欧姆灭菌可在较短时间内实现微生物灭活目标，尤其在电场保持恒定的升温阶段（come-up-time），灭活效果最为显著，这归因于热效应与非热效应的协同作用，包括电穿孔（electroporation）、膜通透性增强以及芽孢核心内SASP-DNA复合物的扰动。此外，欧姆灭菌还具备改善可持续性、支持储存期间再加工、延长货架期和减少产品损失等潜力。然而，现有研究尚未系统探索将欧姆加热电极同时用作储存期间品质监测传感器的可能性。
基于此，本研究提出“传感器集成包装（Sensor-Integrated Packaging, SIP）”概念，利用包装内欧姆加热电极作为内部传感器，在灭菌处理后通过阻抗测量非破坏性地追踪产品品质变化，以克服传统品质控制方法依赖破坏性取样的局限性。研究的双重目标为：1）验证仅通过升温阶段（无保温时间）的欧姆加热能否实现目标微生物灭活；2）验证利用嵌入电极进行阻抗监测以关联储存期间样品品质变化的有效性。研究选用苹果汁作为食品基质，以酸热脂环酸芽孢杆菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）作为目标微生物，该菌是一种耐热、嗜酸的产芽孢细菌，能在标准巴氏杀菌中存活，对果汁行业构成重大腐败挑战。
主要技术方法
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：1）包装内欧姆加热系统，使用多层复合包装材料（PET/Foil/LT bon/CPP）制成包装袋，嵌入不锈钢箔电极，在加压条件（241.32 kPa）下施加双极方波（1 kHz频率，90%占空比）进行加热，直至样品温度达到110°C，全程无保温时间；2）常规灭菌对照，使用retort在110°C、241.32 kPa压力下处理，保温时间43秒；3）COMSOL Multiphysics（Version 6.3）三维时变模拟，用于温度分布和电场分布建模，以识别冷区并确定外部加热器的启动时间；4）电阻抗测量，利用包装内电极作为传感器，通过LCR计（BK Precision 879B）在100 Hz、120 Hz、1 kHz和10 kHz频率下记录阻抗值；5）品质指标测定，包括总酚含量（Folin-Ciocalteu法）、抗氧化活性（DPPH法）、可溶性固形物含量（数字折射仪）、可滴定酸度（NaOH滴定法）和pH值。样本为美国俄亥俄州哥伦布市当地市场购买的商业巴氏杀菌浑浊苹果汁，初始微生物检测为无菌状态。
研究结果
包装内欧姆加热实现芽孢灭活：研究人员利用嵌入电极的包装袋对接种酸热脂环酸芽孢杆菌芽孢（初始浓度10?–10? CFU/ml）的苹果汁进行欧姆加热处理，在50 V/cm电场强度下，仅通过升温阶段（无保温时间）加热至110°C，即实现了目标微生物的灭活，达到检测限（10 CFU/ml）以下。这表明欧姆加热在升温阶段即可完成芽孢灭活，无需额外的保温时间，显著缩短了加工时间。
温度均匀性验证：通过COMSOL Multiphysics三维模拟与实验测温数据的结合，研究人员确认了三电极连接方式下包装内电场分布均匀，配合外部加热器补偿包装角落的热损失，实现了包装内温度的均匀分布，避免了冷区的存在，确保了灭菌效果的均一性。
阻抗监测品质变化：在8周的4°C储存期间，研究人员利用包装内电极作为传感器，通过LCR计在不同频率下记录阻抗值。结果显示，阻抗值随储存时间发生显著变化，且与苹果汁的品质指标变化（包括总酚含量、抗氧化活性、可溶性固形物含量、可滴定酸度和pH值）具有良好的相关性。这表明阻抗测量能够有效追踪储存期间产品的化学和物理变化，实现了非破坏性的品质监控。
品质保持评估：欧姆加热处理后的苹果汁在储存期间的总酚含量和抗氧化活性变化被系统监测，与常规retort灭菌处理相比，欧姆加热处理样品表现出更好的品质保留特性，验证了快速加热对热敏性营养成分的保护作用。
讨论与结论
讨论部分指出，传感器集成包装（SIP）概念的创新之处在于利用同一组内部电极同时实现快速热处理和后续货架期内的非破坏性品质追踪。与传统依赖外部传感器或破坏性取样的方法不同，该方案在灭菌完成后无需打开包装即可持续监测产品状态，大幅降低了再污染风险，并实现了全批次品质监控的可行性。阻抗测量之所以能够反映品质变化，是因为食品基质中不同组分具有独特的电容和导电特性，任何影响品质的物理或化学变化都会直接改变这些电学特性。研究结果证实，阻抗信号与多项品质指标的变化趋势一致，证明该方法具有实际应用的可靠性。
研究结论为：包装内欧姆加热能够在无保温时间的情况下实现酸热脂环酸芽孢杆菌芽孢的有效灭活，同时通过三电极连接和外部加热辅助确保了均匀加热；利用包装内电极进行阻抗测量能够成功追踪苹果汁在储存期间的品质变化，传感器集成包装（SIP）被证明是一种可行的非破坏性检测方案。该研究为食品工业提供了一种集快速灭菌与智能品质监控于一体的新型包装加工方案，有望推动食品包装技术向智能化、可持续化方向发展。
