王辉，薛淑花，刘小花，朱丽霞，权娣红，杨华峰*

（1. 塔里木大学食品科学与工程学院/南疆特色农产品深加工兵团重点实验室，新疆阿拉尔 843300；2. 新疆乡都酒业有限公司/新疆海瑞盛生物工程股份有限公司，新疆库尔勒 841000)

食品品质与安全是人民健康的重要保证。随着人类生活水平的提高与现代食品工业技术的发展，传统的食品处理方式已无法满足消费者对高质量天然食品的需求[1]。迄今为止，热处理技术在食品工业中仍是一种应用广泛的加工方式，虽然可以提高食品稳定性和安全性，但是往往对某些食品自身具有负面影响[2]。如造成杀菌空间分布不均匀，食品中热敏性物质变性导致食品天然品质与原有风味损失，甚至会形成有害物质等不利影响[3]。近年来，非热加工技术对传统食品加工方式带来了巨大变革，较低的处理温度能有效地保留食品原有的品质，可以使食品中热敏性成分得以保存[4]。但是有些非热加工技术仍具缺陷，如食品灭菌中的超高压技术、超声波技术、辐射技术会引起食品中某些成分的改变，且设备性能要求高；膜分离技术只局限于液体食品的处理；脉冲强光技术仅限于对食品表面的杀菌处理；食品保鲜中添加剂的使用容易造成残留等均对食品营养物质造成影响[5-6]。为了保证食品在加工过程中的有效灭菌与保鲜效果，并能达到降低能耗与提高食品处理效率，众多研究表明，高压电场在食品干燥、杀菌、保鲜、钝酶、改性、酒类催陈、农药残留降解等方面均具有十分重要的作用[3,7-12]。

早在20世纪60年代，就已有应用电流对食物进行处理的案例。电场最早应用于食品加工的研究由德国工程师Heinz Doevenspeck在1960年完成[13]。目前，高压电场技术已应用在多种食品加工中，如乳制品、果汁类、酒类、肉类等[2]。高压电场分为高压静电场（High voltage electrostatic field, HVEF）与高压脉冲电场（High voltage pulsed electric field, HPEF）。高压静电场会根据食品的电磁学特性对微生物或有机食品细胞内外电荷排布产生影响，进而影响到食品干燥、保鲜、植物生物效应与次生代谢等过程[14]。对高压脉冲电场的研究主要集中在杀菌、灭酶以及果蔬处理中，通过对电极之间施加高压短脉冲使微生物与植物细胞形成跨膜电位，导致细胞结构破裂、内溶物泄露，对于杀菌与食品细胞中物质的释放提供了有效的理论基础[15]。

近年来，高压脉冲电场技术在葡萄与葡萄酒产业中的应用研究备受关注，大多集中在高压脉冲电场对葡萄酒品质的影响和在葡萄酒浸渍过程中的作用机理，以及葡萄酒人工催陈方面的研究。高压脉冲电场具有处理条件温和、操作简便、速度快、耗能小、容易实现规模化生产等优点[16]，这种新型食品加工技术的出现提升了食品质量与安全，降低了能源成本，提高了食品行业竞争力[17]。

1 高压电场的作用机理

高压电场杀菌机理假说主要包括电崩解理论、电穿孔理论、臭氧效应、电解产物效应和粘弹极性形成模型等[16]。目前普遍认同电崩解理论、电穿孔理论。电崩解理论认为，外加电场使细胞膜上的跨膜电位差达到临界崩解电位差时，细胞膜会破裂穿孔。电穿孔理论认为，外加电场作用于微生物细胞膜会改变脂肪分子结构，扩大部分蛋白质通道开度，并使细胞膜收缩形成小孔[18]。在食品干燥处理中运用高压脉冲电场处理会加快产品的干燥速度，主要是因为外加电场导致细胞破裂，胞内水分渗出，进而提高了物料的干燥速度[19]。高压电场对生鲜食品保鲜作用主要体现在杀菌效果上，且通过改变酶活性减缓了脂肪氧化与蛋白分解速率，另外在对生鲜食品低温冷冻时高压电场的施加抑制了冰晶的形成，达到使食品保鲜的目的[9]；高压电场处理也可以使食品中的某些酶钝化，通过破坏酶的空间结构来使酶活性降低或丧失，以达到延缓食品腐败变质、保持食品感官品质的目的[20]。高压电场对酒类催陈方面主要由于电场可促使分子电离，降低反应所需的活化能，提高分子间的有效碰撞率，加快处于动态平衡的化学反应速率，在加速氧化还原、缔合、水解等反应的同时，促进贮酒容器中各类化合物的浸取与扩散[21]。在农药残留降解方面是由于在高压电场的作用下，液体会产生高能电子或粒子，这些高能电子或粒子与农药分子彼此发生碰撞，最终将其降解成对环境无毒或毒性较小的分子，达到降毒的目的[14]。

高压电场对物料处理的有效性取决于物料本身的特性与高压电场的操作参数，如物料类型、细胞大小、电场强度、电场频率、脉冲波形与极性、脉冲时间与宽度、比能量输入等[22]。物料的电学特性会影响电流通过能力，包括处理室中物料密度与电导率的影响，一般来说，物料密度与电导率的增加均会导致电穿孔效应的降低[23-24]。植源性食品细胞的大小和形状也会影响到高压电场的处理效果，通常细胞体积越大、比面积越大，越容易在电场中失活[25]。电场强度是影响细胞膜电穿孔程度最关键的加工参数，对于平均大小在50～120 μm的植物细胞，一般使用0.4～0.8 kV·cm-1的电场强度就可以引起细胞电穿孔[26]。电场频率为每秒放电的脉冲数，0.5～100 Hz的低脉冲频率处理植物组织会导致更大的损伤，但继续增加脉冲频率不会导致更高的细胞膜电穿孔，但可以达到更高的酶失活[27]。高压脉冲电场中常见的脉冲波形分别为指数衰减和方波，其中方波被认为是理想的脉冲形状，对细胞电穿孔效果较强[28]。双极脉冲相比单极脉冲更容易使酶活性降低和微生物失活[29]。脉冲宽度是一个脉冲保持在有效电压下的时间，延长脉冲宽度也会增加植物细胞的破坏程度[30]。此外，物料放置、电极配置、处理室设计也会影响处理室内电场强度的均匀分布。高压电场对物料的处理效果是物料本身所具特性与整个高压电场操作系统相互依赖、综合影响的结果。

2 高压电场在葡萄与葡萄酒加工中的应用

2.1 在葡萄保鲜方面的应用

葡萄保鲜技术是鲜食葡萄产业中一个非常重要的课题，但在高压电场对葡萄保鲜机理方面的研究极少。高压电场在保鲜机理方面的阐述大多集中在改变果蔬和腐败微生物膜电位、影响呼吸电子传递系统、酶失活及臭氧作用等方面，但实际应用不多。刘铁玲等[31]将葡萄在不同场强的高压静电场下处理1 h，然后将样品分别放入保鲜袋中置于0 ℃下贮存。调查发现：在0.6 kV·cm-1的高压静电场处理与对照组相比，其葡萄质量损失率、腐烂率、掉果率显著降低。即高压静电场处理能够延迟葡萄采摘后的衰老过程，可以有效保持葡萄鲜度。

2.2 在葡萄酒浸渍中的应用

高压电场在葡萄酒生产中的应用及研究已成为国内葡萄酒热门课题之一，且大多集中在高压脉冲电场技术方面。高压脉冲电场对葡萄汁浸渍具有积极作用，主要通过葡萄皮籽与酒液的相互作用将皮籽中的香气与酚类等物质浸渍到酒液之中，赋予葡萄酒更好的色泽、香气等特征，并决定了葡萄酒特殊的感官品质[32-33]。通常高压电场使葡萄酒浸渍过程中酚类、酯类、醇类及萜类化合物含量增加，挥发酸含量降低。在感官分析中表现为葡萄酒收敛感增强，提升了葡萄酒整体的感官品质。

郑志超[34]运用高压脉冲电场1～3 kV·cm-1电场强度对‘玫瑰香’葡萄缪预处理，结果显示，葡萄酒中多酚含量随着浸渍时间的延长和场强的增大而增加，冷浸渍108 h后3 kV·cm-1预处理的葡萄汁中总酚含量最高，2 kV·cm-1预处理的花色苷、单宁、黄酮含量最高。采用GC-MS分析葡萄汁和葡萄酒香气成分时发现，高压脉冲电场使挥发性香气化合物数量增加，特别是萜类化合物的种类及含量增加明显。Leong等[35]通过在‘美乐’葡萄酒冷浸渍过程中进行高压脉冲电场处理，结果显示，连续脉冲电场（500 kg·h-1）、高电场强度（＞30 kV·cm-1）、能量输入4.7～49.4 kJ·L-1处理后的葡萄缪进行冷浸4 d，其葡萄汁的花青素含量提高。Maza等[36]运用脉冲电场在不同电场强度和比能下处理浸渍过程中的‘歌海娜’，结果显示，经过4 kJ·kg-1脉冲电场处理的样品在减少25%～37%浸渍时间的情况下，葡萄酒品质不受影响。López等[37]调查发现，无论浸渍时间如何，5 kV·cm-1、2.1 kJ·kg-1脉冲电场处理均能增加‘赤霞珠’葡萄酒的颜色强度，以及花青素、总酚和单宁含量，并且使浸渍时间从268 h缩短到72 h；感官评价后认为，经过脉冲电场处理的葡萄酒并没有产生不良风味。Luengo等[38]用4.3 kV·cm-1、60 μs高压脉冲电场处理‘歌海娜’葡萄缪，结果显示：浸渍7 d后，经脉冲电场处理的葡萄酒色泽强度、花青素含量和多酚指数分别比对照组提高了12.5%、25%和23.5%。Comuzzo等[39]运用总比能量为11 kJ·kg-1与22 kJ·kg-1脉冲电场对‘卡尔卡耐卡’（Garganega）葡萄进行处理，发现通过脉冲电场处理可以显著提高其出汁率，11 kJ·kg-1与22 kJ·kg-1处理与对照组相比出汁率增加了8.9%与4.3%，同时导致总浸出物、颜色和总酚增加。研究表明，22 kJ·kg-1脉冲电场总比能量有利于葡萄香气前体的提取，对酚类化合物的提取影响不显著，但降低了酚类褐变反应的强度；11 kJ·kg-1处理有利于水分和小分子酚类物质的释放，从而导致葡萄酒在贮藏后出现强烈的褐变。

2.3 对葡萄酒微生物群落酿造特性的影响

葡萄酒是葡萄汁与酿造微生物群落之间相互作用的产物，这些微生物群落通常是酵母、细菌和丝状真菌组成的异质微生物群[40-41]。在葡萄酒整个发酵过程中，添加的活性干酵母与葡萄自身的野生酵母等微生物协同作用，从微观上说，葡萄酒发酵醪是一个非常复杂的微生物群落生态，参与代谢途径众多。虽然整个葡萄酒的微生物区系对葡萄酒的化学性质均有贡献，但在发酵中酵母菌群占据主导地位。在葡萄酒酿造过程中，脉冲电场通常被用于改善葡萄酒自身品质，然而对如何影响微生物种群组成与结构却鲜有报道。

范成凯[42]通过探究高压脉冲电场对酿酒酵母发酵能力的影响，分析了酵母细胞内相关基因和蛋白质的表达情况。结果显示：脉冲电场处理使酵母细胞干重提高了20.6%，在转录组学与蛋白质组学水平上证明了适当强度的脉冲电场可促进酵母细胞的葡萄糖代谢活性、乙醇转化速率和细胞的增殖。González-Arenzana等[43]运用SO2、脉冲电场以及SO2与脉冲电场共同作用处理位于里奥哈产区3个酒庄的‘丹魄’（Tempranillo）葡萄研究其在苹果酸-乳酸发酵后对微生物、理化和感官品质的影响，结果显示：在脉冲电场处理4 d后，酵母菌、醋酸菌和乳酸菌浓度显著降低；脉冲电场处理6个月后，葡萄酒中醋酸菌得到了有效抑制，而酿酒酵母（S.cerevisiae）与酒球菌属（O. oeni）影响不大。同时也表明，脉冲电场处理苹果酸-乳酸发酵后的葡萄酒在微生物稳定性、理化和感官质量方面均优于SO2处理。

2.4 对葡萄酒中腐败微生物的灭活作用

为减少酿酒过程中微生物腐败的风险，通常在破碎时加入SO2以防止氧化反应的发生。然而SO2的添加会对葡萄酒风味感官特征和消费者的健康造成负面影响。因此，高压电场在葡萄酒酿造过程中对腐败微生物的抑制研究意义重大，可以减少或免除葡萄酒生产过程中的SO2使用[44]。

近年来，许多研究报道了在高压电场下葡萄酒中微生物失活现象，主要集中在葡萄酒酿造中腐败微生物种群在不同电场强度、培养基和温度等条件下的灭活效果。Marsellés-Fontanet等[45]探究了脉冲电场强度、脉冲频率和处理时间对葡萄汁中柠檬克勒克酵母（Kloeckera apiculata）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳酸杆菌（Lactobacillus plantarum, Lactobacillus hilgardii）和氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）的影响。结果显示：所有的脉冲电场参数都会影响微生物的活性，并用反应曲面法探究出最佳的脉冲电压处理为35.0 kV·cm-1、脉冲303 Hz、持续1 ms，可以有效的降低腐败微生物种群数量。Puértolas等[44]在探究高压脉冲电场对葡萄汁或葡萄酒中德克酵母属（Dekkera anomala，Dekkera bruxellensis）、酿酒酵母属（Saccharomyces bayanus）和乳酸杆菌属（Lactobacillus hilgardii，Lactobacillus plantarum）的灭活作用时发现，葡萄酒比葡萄汁中的微生物种群表现出较高的灭活敏感性，且细菌相对于酵母具有更强的脉冲电场抗性，并确定了最佳脉冲电场条件（29 kV·cm-1，186 kJ·kg-1）下葡萄汁和葡萄酒中的腐败菌群减少了99.9%。Maza等[46]通过研究‘卡拉多克’（Caladoc）葡萄酒陈酿过程中脉冲电场处理对酿酒酵母甘露糖蛋白释放的影响，发现脉冲电场通过电穿孔效应，导致了酿酒酵母的自溶。该研究还显示，脉冲电场处理后1周β-葡聚糖酶活性是未处理的5倍，蛋白酶活性是未处理的15倍，这是由于β-葡聚糖酶和蛋白酶的释放与细胞壁的接触导致了甘露糖蛋白的释放。Martínez等[47]探究了脉冲电场在‘霞多丽’葡萄酒陈酿过程中对酿酒酵母中甘露糖蛋白释放的影响，结果显示，经过5 kV·cm-1和10 kV·cm-1的脉冲电场处理7 d后，甘露糖蛋白的浓度比对照分别提高40%和60%；且甘露糖蛋白浓度达到最高时陈酿时间减少了30 d。另一方面，处理组在陈化过程中不影响酒的色度特性、总多酚指数、总挥发酸度、pH、乙醇和CIELAB参数。

2.5 对葡萄酒与白兰地陈酿过程的影响

葡萄酒与白兰地的生命周期为成长期、适饮期、巅峰期和衰老期。新酒口感粗糙、香气单一、稳定性差，酒中所含的醇、醛、酸、酯等成分比例不协调，水分子与醇分子之间的氢键缔合程度小。在自然陈酿过程中，酒液会发生一系列复杂而又缓慢的物理和化学变化，通过自身的氧化、还原、酯化及聚合等反应协调各成分的比例，使酒液色泽鲜亮、醇厚悠长达到适饮期和巅峰期的品质和口感。通常葡萄酒的自然陈酿过程一般持续一年以上，而优质白兰地则高达数年甚至数十年。脉冲高压电场处理可以优化葡萄酒及白兰地的陈酿，催陈作用显著，可以有效缩短上市之前的自然储存时间。

刘学军等[48]探究了干红葡萄酒经高压电场催陈时香气成分的变化，高压脉冲电场处理后葡萄酒中的杂醇油含量有所下降，总酸、总酯和苯乙醇的含量有所上升，陈酿香明显增加，口感更为醇和，酒体丰满协调[13]。同时发现随着电场强度的增加，葡萄酒中红色苷和黄色苷的含量升高，提高了酒的色度及其稳定性，其变化趋势与自然陈酿的基本相同。Zeng等[49]运用高压交流电场对‘赤霞珠’葡萄酒催陈时发现，交流电场处理使挥发性化合物中高级醇和醛类的含量大幅度下降，酯类和游离氨基酸的含量略有增加，并确定了加速陈酿的最佳处理条件为0.6 kV·cm-1、3 min。Wang等[50]探究了脉冲电场对葡萄酒陈酿过程中有机酸的影响，结果发现，在‘美乐’红葡萄酒中，施加电场强度为12 kV·cm-1和脉冲数300次处理的葡萄酒与210 d瓶储的红葡萄酒中L-苹果酸、柠檬酸、L-乳酸、丙酮酸、酒石酸或琥珀酸浓度变化趋势相似。在‘霞多丽’白葡萄酒中，自然陈酿的葡萄酒酒石酸、草酸、柠檬酸、琥珀酸的变化趋势与电场强度为6 kV·cm-1、脉冲数100次的脉冲电场处理的相似；表现为酒石酸、琥珀酸、苹果酸、丙酮酸含量降低，而乳酸、草酸、柠檬酸含量升高。研究还表明，白葡萄酒的陈酿过程对脉冲电场的强度要求低于红葡萄酒，高水平的脉冲电场可能会对葡萄酒的质量产生负面影响。苏慧娜[51]等以新鲜‘美乐’干红葡萄酒为试材，探究了高压脉冲电场处理对原花色素的影响。结果显示，经一定条件的高压脉冲电场处理后，原花色素的含量、平均聚合度及其组成单元均发生了显著变化，且变化趋势基本符合自然陈酿效果。脉冲电场强度低于18 kV·cm-1时，随强度增加，处理效果越接近陈酿，但是强度达到24 kV·cm-1时，处理效果反而下降。Puértolas等[52]在探究脉冲电场处理对‘赤霞珠’多酚类物质的影响时发现，脉冲电场强度为5 kV·cm-1、脉冲数为50、频率为122 Hz时的处理有利于在更短的浸渍时间内获得更高的多酚浓度和颜色强度。张斌等[53]运用100 kV的电压施加在5 L和2 L白兰地橡木桶的两端，每天处理4 h，连续处理15个月。结果发现，电场对5 L和2 L橡木桶中白兰地酒样所施加的单位体积能量分别为1650 J·L-1和1997 J·L-1，这些能量可促进白兰地中氧化还原、酯化和缩合等化学反应的进行，以及桶内外物质的交换，从而达到催陈效果。

3 展望

随着高压脉冲电场、高压静电场、高强度交流电场技术的发展，在各类食品的加工中展示了巨大的应用潜力。作为一种非热食品加工技术，因其操作简便、速度快、耗能小、对食品品质影响较小等优点，近年来越来越多的研究与应用出现在葡萄与葡萄酒产业中。从以上论述中可以注意到，适度的高压脉冲电场可以有效强化葡萄酒浸渍效果与缩短葡萄酒与白兰地的陈酿时间，且有助于生物活性化合物提取，一定强度的高压脉冲电场也有利于葡萄酒中腐败微生物的灭活。但过高强度和频率的处理则会影响酒类的品质，因此，要进一步完善高压脉冲电场在葡萄酒与白兰地酿制过程中处理参数的研究，以获得安全与稳定的葡萄酒产品、保持葡萄酒中生物活性物质含量以及缩短葡萄酒与白兰地的生产周期。其次，高压电场技术对葡萄汁或皮渣处理时存在金属电极在高压脉冲电场处理的条件下，电极材料的释放和在食品处理时的边界效应。由于电极与物料的直接接触，电极材料可能发生腐蚀和迁移，有可能会对葡萄酒品质产生负面影响。因此，对于在高压电场中安全电极材料与处理室的研发应用至关重要。另外，脉冲电场技术的发展应从食品、高压电、机械工程等多个领域集成创新，深入探究在葡萄酒复杂的发酵过程中高压电场技术对菌群代谢与成酒过程中复杂化合物变化的影响机理，并综合评价高压电场对葡萄酒酿造及葡萄酒与白兰地陈酿品质的影响，进一步推动高压电场技术在葡萄、葡萄酒和白兰地产业化中的应用与发展。