脉冲电场处理植物组织效应的空间非均匀性——基于T2磁共振成像的证据

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Spatial non-uniformity of pulsed electric field treatment effects in plant tissues evidenced by T 2 magnetic resonance imaging

　　

脉冲电场（PEF）处理会诱导植物组织的膜透化并改变其中的传输过程。然而，尽管这些效应对传质过程、提取效率或其他后续加工操作的性能至关重要，组织特性如何影响PEF处理效果以及处理后的机制（如水分布）仍知之甚少。本研究利用空间分辨的磁共振成像（MRI）研究了甘薯、马铃薯、胡萝卜、西兰花和红甜菜组织中PEF诱导的水迁移率变化。研究人员分析了不同PEF处理条件前后T2弛豫时间图谱，以表征组织和处理特异性的水迁移率变化。在所研究的材料中观察到了不同的响应模式。甘薯表现出依赖于处理强度的响应：在较低处理强度下T2趋于收敛，而在较高强度下初始的组织特异性差异发生逆转。马铃薯在处理后各组织区域间的T2弛豫时间差异增大。相比之下，胡萝卜显示出T2弛豫时间的渐进式收敛，表明水迁移率趋于均质化。西兰花表现出取向依赖性变化，而红甜菜则保留了显著的区域分隔，表明水迁移率的增加并未伴随组织的均质化。这些结果证明了空间分辨MRI在评估PEF诱导的水迁移率变化或输运现象方面的价值。组织结构、组成和各向异性可能显著影响PEF处理后水的再分布。这突显了针对原料进行工艺优化的必要性，因为组织响应的空间信息可补充常规电学测量，有助于更有针对性地选择PEF处理条件。

一、研究背景与问题提出

食品加工业正面临提升产品品质同时降低能耗、用水量和废弃物以提高可持续性的挑战。脉冲电场（PEF）处理作为一种新兴的非热加工技术，因其低能耗、短时高压脉冲诱导细胞膜电穿孔而受到广泛关注。PEF处理的基本机制在于电穿孔——外加电场使细胞膜通透性增加，形成亲水性不可逆孔洞，进而促进胞内物质释放与传质过程。然而，尽管PEF已在马铃薯加工等工业场景中成功应用（如替代预加热软化步骤），将其推广至其他果蔬仍面临困难。许多植物组织表现出明显的结构异质性，包括维管束、木质化区域和不同的解剖分区。这种复杂性会导致局部电场分布不均匀，从而产生空间异质的电穿孔效应。现有电学和阻抗测量虽能反映整体透化程度，但缺乏对处理效应空间分布的解析能力。因此，理解组织结构如何影响PEF处理的空间效应，对于优化特定原料的处理条件、提高加工效率和产品质量具有重要意义。

二、研究方法概述

研究人员采用空间分辨的磁共振成像（MRI）中的T₂弛豫映射技术，监测PEF处理前后植物组织内水迁移率的变化。实验材料选自斯洛文尼亚卢布尔雅那当地市场，包括甘薯、马铃薯、胡萝卜、西兰花和红甜菜五种原料，涵盖淀粉贮藏组织、具明显维管区组织、各向异性木质化组织以及强分隔环状维管组织等多种结构类型。样品制备为直径25 mm、厚度10 mm的圆柱体。PEF处理采用实验室原型脉冲发生器，施加10 μs矩形单极脉冲，频率10 Hz，电场强度0.2–3.0 kV/cm，脉冲数10–90次，比能量输入范围0.001–11.730 kJ/kg。MRI测量在2.35 T水平孔超导磁体上进行，采用多自旋回波（MSE）序列采集T₂加权图像，并通过单指数衰减模型逐像素计算T₂弛豫时间。空间分析通过手动选取感兴趣区域（ROI）、线剖面分析和直方图统计完成。

三、研究结果

甘薯

甘薯表现出处理强度依赖性的响应。在低强度处理（1 kV/cm, 10或30脉冲）下，不同组织区域的T₂值趋向收敛，表明水迁移率趋于一致；而在高强度处理（3 kV/cm, 30脉冲）下，初始的组织特异性差异发生逆转，原本T₂较高的区域变得相对更低。

马铃薯

马铃薯在处理后各组织区域间的T₂弛豫时间差异增大。内髓和外髓区域表现出不同的响应幅度，外髓区域T₂增幅更大，导致组织内部水迁移率异质性加剧。

胡萝卜

胡萝卜显示T₂弛豫时间的渐进式收敛。木质部和皮层区域的T₂值在处理后逐渐接近，表明水迁移率在整个组织内趋于均质化，这可能与细胞壁结构较弱的区域更容易被破坏有关。

西兰花

西兰花表现出取向依赖性变化。当样品取向平行于主导茎/维管结构时，T₂变化更为显著；而垂直取向时变化较小。这表明组织各向异性显著影响PEF处理效果的空间分布。

红甜菜

红甜菜保留了显著的区域分隔特征。尽管处理后T₂值总体升高，表明水迁移率增加，但内外环状区域之间的差异依然明显，未出现均质化趋势。这与其同心维管束（形成层）环的强分隔结构密切相关。

四、讨论与结论

研究表明，PEF处理诱导的水迁移率变化在不同植物组织中表现出高度特异的空间模式，受组织结构、组成和各向异性的显著影响。空间分辨MRI能够揭示常规电学测量无法捕捉的局部效应，为理解PEF作用机制提供了新的视角。研究结论指出：组织架构、组成及各向异性可能显著调控PEF处理后的水分再分布过程。这一发现强调了原料特异性工艺优化的必要性，因为组织响应的空间信息可以补充传统电学测量手段，支持更有针对性地选择PEF处理参数，从而提高加工效率和产品质量。