《Journal of Food Engineering》：Electroporation outcomes in plant tissue: Influence of structure and the choice of analytical method
编辑推荐：
脉冲电场（PEF）是一种低能耗的非热处理方法，可使食品材料暴露于短暂的高压脉冲下，有助于在后续加工中减少品质属性和敏感食品成分的劣化。用PEF处理食品的目的是影响植物或动物细胞的结构。本研究旨在系统性地探究PEF处理对不同结构复杂性植物组织的影响。尽管已有大量
脉冲电场（PEF）是一种低能耗的非热处理方法，可使食品材料暴露于短暂的高压脉冲下，有助于在后续加工中减少品质属性和敏感食品成分的劣化。用PEF处理食品的目的是影响植物或动物细胞的结构。本研究旨在系统性地探究PEF处理对不同结构复杂性植物组织的影响。尽管已有大量研究探讨了PEF对均质组织的作用，但关于组织结构如何影响处理结果的关注相对较少。这些方法常常忽视了内部异质性和处理后水分重新分布的作用。为弥补这一空白，研究人员在处理前后进行了电阻抗测量，包括一段静置期以捕捉再分布效应，同时结合压缩测试进行了质地分析。研究表明，对PEF的响应高度依赖于植物组织的特性；PEF诱导的变化在处理后持续发生；中等强度的处理比高强度处理引发更动态的结构变化；质地和阻抗数据在评估PEF效果方面相互补充；针对特定应用的PEF方案是优化加工效率的关键。
论文解读文章
1. 研究背景与现存问题
脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）技术作为一种非热处理手段，因其低能耗和能最大限度保持食品原有品质的特点，在食品工业中备受关注。其基本原理是利用高压短脉冲作用于生物组织，使细胞膜电位超过临界阈值，导致细胞膜磷脂双分子层产生瞬时亲水性孔洞，即电穿孔现象。这一过程会改变组织的导电性和导热性。然而，PEF技术在食品工业中的广泛应用仍面临挑战，主要原因在于对不同植物组织类型如何响应电场处理及其后续加工步骤的理解尚不充分。植物组织的结构复杂多样，例如甘薯的均质结构、红甜菜的同心环状结构、西兰花茎部含木质化的区域，以及胡萝卜和欧洲萝卜内部的皮层与木质部差异等。这些结构上的差异会导致不均匀的电穿孔和不可预测的加工结果。此外，PEF处理后的静置时间至关重要，因为在此期间组织内的水分会发生重新分布，进而影响加工行为，尤其是在纤维化或木质化的组织中。因此，系统地研究不同结构复杂性植物组织对PEF处理的响应，对于优化工艺参数、提升加工效率和产品品质具有重要意义。
2. 研究概述与结论
为填补上述研究空白，研究人员选取了五种具有代表性的植物原料：甘薯、红甜菜、胡萝卜、欧洲萝卜和西兰花，并对其进行了系统的PEF处理研究。研究的主要结论包括：植物组织对PEF的响应高度依赖于其自身的结构特征；PEF引起的组织变化在处理后会继续发展；相较于高强度处理，中等强度的PEF处理会引发更显著和动态的结构变化；质地分析和阻抗测量两种方法在评估PEF效果方面能够提供互补的信息；开发针对特定应用场景的PEF处理方案是实现加工效率最优化的关键。
3. 关键技术方法
为开展此项研究，研究人员采用了以下几种关键技术方法：
- 1.
低温扫描电子显微镜（Cryo-SEM）：用于对植物组织样本进行微观结构分析，以观察细胞形态和尺寸。
- 2.
PEF处理与电流-电压测量：使用实验室高压电穿孔发生器对圆柱形样品施加矩形单极脉冲（脉宽10 μs，频率10 s-1）。通过高压差分探头和电流探头连接数字存储示波器记录电压和电流波形，并使用MATLAB软件计算系统比能量输入（ws）。
- 3.
多频电阻抗测量：利用精密LCR表在60 Hz至1 MHz的频率范围内，测量PEF处理前、处理后30秒及510秒样品的并联电容（Cp）和并联电阻（Rp），从而计算阻抗模量、电导（G）和电纳（B）。该方法用于评估细胞膜的通透化程度。
- 4.
质地分析：通过压缩测试评估PEF处理前后植物组织的力学特性变化，以表征其结构完整性的改变。
4. 研究结果
- •
4.1. 微观结构分析
通过Cryo-SEM成像发现，不同植物的细胞大小和排列方式存在显著差异。例如，甘薯细胞较大且形状规则，而胡萝卜和欧洲萝卜的细胞较小。西兰花茎部则包含木质化的厚壁组织细胞。这些微观结构的差异是导致其对PEF响应不同的基础。
- •
4.2. PEF处理对电流-电压特性的影响
PEF处理过程中记录的电流-电压曲线显示，随着脉冲能量的增加，组织电阻下降，表明电导率上升。这种变化在不同组织中表现各异，例如红甜菜因其交替的导电层结构，表现出独特的电流响应模式。
- •
4.3. 阻抗谱分析
多频阻抗测量结果表明，PEF处理导致低频阻抗显著降低，而高频阻抗变化较小，这是细胞膜通透化（电穿孔）的典型特征。通过比较处理前后及不同静置时间的阻抗变化，研究发现中等强度PEF处理后，组织阻抗在静置期内持续下降，显示出更动态的结构重组过程；而高强度处理则导致即时且更完全的膜破坏，后续变化较小。
- •
4.4. 质地分析
压缩测试结果显示，PEF处理普遍降低了植物组织的硬度。与阻抗测量结果一致，中等强度处理后的质地变化更为显著，且与静置时间相关。这表明，PEF不仅破坏了细胞膜，还触发了后续的水分迁移和组织软化过程。
- •
4.5. 结构与取向的影响
对于具有明显方向性结构的胡萝卜和西兰花，PEF处理的效果与电场施加方向密切相关。当电场平行于组织的主要生长方向或纤维走向时，电穿孔效率更高，这体现了植物组织的各向异性响应。
5. 讨论与结论
讨论总结：研究结果表明，单一的评估方法（如仅测阻抗或仅测质地）不足以全面反映PEF对复杂植物组织的影响。阻抗测量主要反映细胞膜的完整性，而质地分析则能揭示细胞壁和整体基质结构的变化，两者结合可以提供更全面的视角。PEF处理后水分的重新分布是一个关键过程，它放大了中等强度处理带来的结构改变，这对于后续加工（如干燥、榨汁）具有重要意义。因此，PEF处理方案的制定必须考虑目标物料的特定组织结构（如均质性、各向异性、木质化程度），以实现精准调控。
研究结论：植物组织对PEF的响应高度依赖于其结构特征。PEF诱导的变化在处理后持续发生，其中等强度处理引发的结构变化比高强度处理更为动态。质地和阻抗数据在评估PEF效果方面相互补充。开发针对特定应用场景的PEF方案是优化加工效率的关键。
