高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)酶的影響及結(jié)合冷凍濃縮橙汁技術(shù)研究.pdf

1、高壓脈沖電場(chǎng)(Pulsed electric field,簡(jiǎn)稱PEF)是非熱食品處理技術(shù)中最具有發(fā)展前景的技術(shù),也是近年來國(guó)內(nèi)外食品加工行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題之一。目前較多的研究集中在殺菌的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)方面,高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)酶影響的相關(guān)研究開展的較少,酶在脈沖電場(chǎng)作用下的活性變化機(jī)理也尚不清楚。研究者只是在對(duì)酶失活的比率進(jìn)行測(cè)試時(shí)提出了幾種失活可能性的假說,并沒有得到相關(guān)的論證和深入的研究。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)處理酶的失活動(dòng)力

2、學(xué)和酶構(gòu)象的改變進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,從而對(duì)先前的假說進(jìn)行了驗(yàn)證。由于酶在高壓脈沖電場(chǎng)中的抗性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微生物,因此相同條件下高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)微生物的處理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)酶的處理效果,從而限制了該技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程。本文對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究,首創(chuàng)將高壓脈沖電場(chǎng)與冷凍濃縮技術(shù)相結(jié)合,生產(chǎn)出了高品質(zhì)的濃縮橙汁,推進(jìn)了高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。
　　 ㈠本實(shí)驗(yàn)使用的高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備,電壓范圍0～22kV；脈沖寬度5～20μs；采用c

3、o-field連續(xù)處理室,流速范圍5～100 ml／min；脈沖周期10～1KHz；單極脈沖；波型為方波。用電力電子器件配合脈沖變壓器的單極性方波電源。本文在使用自行設(shè)計(jì)的高壓脈沖電場(chǎng)殺菌裝置的基礎(chǔ)上,初步研究了高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)微生物的殺滅效果。研究結(jié)果表明,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)增加,高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)微生物的殺滅效果提高；在相同電場(chǎng)條件下,不同菌種存活率由高到低為:霉菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、酵母菌；對(duì)象菌所處的生長(zhǎng)周期以及不同的介質(zhì)均

4、會(huì)給微生物對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)帶來不同的抵抗特性。高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)微生物的具體殺滅效果如下:在電場(chǎng)強(qiáng)度均為20kv／cm條件下,脈沖個(gè)數(shù)為60,即高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間為1.02ms時(shí),酵母活菌對(duì)數(shù)減少了5.52；脈沖個(gè)數(shù)為120,即高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間為2.04ms時(shí),大腸桿菌活菌對(duì)數(shù)減少了6.48；脈沖個(gè)數(shù)為120,即高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間為2.04ms時(shí),青霉活菌對(duì)數(shù)減少了4.92；脈沖個(gè)數(shù)為140,即高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間為2.38ms時(shí),金

5、黃色葡萄球菌活菌對(duì)數(shù)減少了6.72。
　　 ㈡本研究選取辣根過氧化物酶(POD)及聚半乳糖醛酸酶(PG)這兩種熱穩(wěn)定性較高的酶為目標(biāo)酶,分別以水和醋酸緩沖液為介質(zhì),研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)其活力的影響,探討高壓脈沖電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間與POD、PG酶活力變化的關(guān)系,并建立數(shù)學(xué)模型。其結(jié)果如下：⑴高壓脈沖電場(chǎng)處理可以鈍化POD活力:方波條件下,脈沖寬度為17μs,高壓脈沖電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)目均對(duì)POD酶失活有顯著影響(P<0.01)

6、,隨脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度(10 kV／cm～20 kV／cm)的增強(qiáng)和高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間的增加,POD酶活鈍化效果都增強(qiáng),當(dāng)20kV／cm,80個(gè)脈沖數(shù),即1.36ms高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間時(shí),水(pH=6.4)中的POD酶失活達(dá)到最大,其殘余相對(duì)活力降低到1.98％；20kV／cm,110個(gè)脈沖數(shù),即1.87ms高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間,緩沖溶液(pH=5.6)中POD的殘余相對(duì)活力降低到33.5％。⑵高壓脈沖電場(chǎng)處理可以鈍化PG活力:方波條件下

7、,脈沖寬度為17μs,高壓脈沖電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)目均對(duì)PG酶失活有顯著影響(P<0.01),隨脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度(10 kV／cm～20kV／cm)的增強(qiáng)和高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間的增加,PG酶活鈍化效果都增強(qiáng),當(dāng)20.0kV／cm,270個(gè)脈沖數(shù),即4.59ms高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間時(shí),水(pH=5.9)中的PG酶失活達(dá)到最大,其殘余相對(duì)活力降低到0.14％；20kV／cm,110個(gè)脈沖數(shù),即1.87ms高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間,緩沖溶液(pH=4

8、.0)中PG活力下降到31.2％。⑶一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程RA=e-KE·t,能夠描述高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)間與POD、PG酶失活的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2分別大于0.98和0.93。存在有臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec,POD在緩沖溶液中的Ec為10.12±0.34 kV／cm；水溶液PG的臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec為9.11±0.24 kV／cm,緩沖液中PG的臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec為10.05±0.46kV／cm。⑷高壓脈沖電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度E與方程RA=e-KE·t中常數(shù)KE的關(guān)系,可用指數(shù)方

9、程表達(dá),即KE=K01·e[ω·(E-Ec)],擬合所得的R2均大于0.98。
　　 ㈢通過熒光光譜分析表明：高壓脈沖電場(chǎng)處理POD和PG可以使它們的熒光強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的下降,并且電場(chǎng)強(qiáng)度越大,作用越明顯,而且當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到較高時(shí),還可以使熒光峰發(fā)生峰位移,POD和PG的最大熒光峰從338nm位移到470nm。熒光淬滅現(xiàn)象表明,酶構(gòu)象改變與酶活改變關(guān)系密切。高壓脈沖電場(chǎng)的作用,特別是高電場(chǎng)作用,可以有效的改變POD和PG的三級(jí)

10、構(gòu)象,使熒光發(fā)生淬滅,從而不同程度地影響了酶的活性。
　　 ㈣本研究通過計(jì)算機(jī)分子模擬方法,模擬了脈沖電場(chǎng)下過氧化物酶活性片段以及發(fā)光基團(tuán)的變化情況。研究結(jié)果表明：⑴高壓脈沖條件下過氧化物酶分子片斷總能量是脈沖前的30倍,活性較高的血紅素基團(tuán)單點(diǎn)能是脈沖前的52倍。⑵高壓脈沖電場(chǎng)下,過氧化物酶分子片斷連接的血紅素基團(tuán)中電子云明顯減少,金屬離子難以與血紅素基團(tuán)結(jié)合,從而使鈣離子脫落,最終改變血紅素構(gòu)象,導(dǎo)致過氧化物酶失去活性。⑶靜

11、電荷的存在使過氧化物酶分子片段分子總能量、分子動(dòng)能均有增加,也是導(dǎo)致發(fā)光基團(tuán)色氨酸、酪氨酸殘基被包裹的主要因?yàn)椤＂雀邏好}沖電場(chǎng)對(duì)過氧化物酶活性部位----血紅素基團(tuán)以及熒光發(fā)光基團(tuán)的影響較為顯著,因此高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)酶的三級(jí)構(gòu)象的影響顯著。
　　 ㈤本研究將冷凍濃縮技術(shù)與高壓脈沖技術(shù)結(jié)合,建立了冷凍濃縮冰晶體增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型,該模型表明了:采用懸浮式結(jié)晶冷凍濃縮,冰晶增長(zhǎng)速率與冰晶體的質(zhì)量成正比,濃縮后期冰晶體增長(zhǎng)速率將受到冰晶最大