高壓脈沖電場對酶的影響及結合冷凍濃縮橙汁技術研究.pdf

1、高壓脈沖電場(Pulsed electric field,簡稱PEF)是非熱食品處理技術中最具有發(fā)展前景的技術,也是近年來國內外食品加工行業(yè)研究的熱點問題之一。目前較多的研究集中在殺菌的機理和動力學方面,高壓脈沖電場對酶影響的相關研究開展的較少,酶在脈沖電場作用下的活性變化機理也尚不清楚。研究者只是在對酶失活的比率進行測試時提出了幾種失活可能性的假說,并沒有得到相關的論證和深入的研究。本文從理論和實驗兩方面對高壓脈沖電場處理酶的失活動力

2、學和酶構象的改變進行了系統(tǒng)的研究,從而對先前的假說進行了驗證。由于酶在高壓脈沖電場中的抗性遠遠大于微生物,因此相同條件下高壓脈沖電場對微生物的處理效果遠遠大于對酶的處理效果,從而限制了該技術工業(yè)化生產的進程。本文對此進行了一系列的研究,首創(chuàng)將高壓脈沖電場與冷凍濃縮技術相結合,生產出了高品質的濃縮橙汁,推進了高壓脈沖電場技術工業(yè)化應用的進程。
　　 ㈠本實驗使用的高壓脈沖電場設備,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。本文在使用自行設計的高壓脈沖電場殺菌裝置的基礎上,初步研究了高壓脈沖電場對微生物的殺滅效果。研究結果表明,隨著電場強度和脈沖數(shù)增加,高壓脈沖電場對微生物的殺滅效果提高；在相同電場條件下,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；對象菌所處的生長周期以及不同的介質均

4、會給微生物對高壓脈沖電場帶來不同的抵抗特性。高壓脈沖電場對微生物的具體殺滅效果如下:在電場強度均為20kv／cm條件下,脈沖個數(shù)為60,即高壓脈沖電場作用時間為1.02ms時,酵母活菌對數(shù)減少了5.52；脈沖個數(shù)為120,即高壓脈沖電場作用時間為2.04ms時,大腸桿菌活菌對數(shù)減少了6.48；脈沖個數(shù)為120,即高壓脈沖電場作用時間為2.04ms時,青霉活菌對數(shù)減少了4.92；脈沖個數(shù)為140,即高壓脈沖電場作用時間為2.38ms時,金

5、黃色葡萄球菌活菌對數(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酶,分別以水和醋酸緩沖液為介質,研究高壓脈沖電場對其活力的影響,探討高壓脈沖電場電場強度、作用時間與POD、PG酶活力變化的關系,并建立數(shù)學模型。其結果如下：⑴高壓脈沖電場處理可以鈍化POD活力:方波條件下,脈沖寬度為17μs,高壓脈沖電場電場強度和脈沖數(shù)目均對POD酶失活有顯著影響(P<0.01)

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

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

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

9、程表達,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：高壓脈沖電場處理POD和PG可以使它們的熒光強度產生不同程度的下降,并且電場強度越大,作用越明顯,而且當電場強度達到較高時,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,酶構象改變與酶活改變關系密切。高壓脈沖電場的作用,特別是高電場作用,可以有效的改變POD和PG的三級

10、構象,使熒光發(fā)生淬滅,從而不同程度地影響了酶的活性。
　　 ㈣本研究通過計算機分子模擬方法,模擬了脈沖電場下過氧化物酶活性片段以及發(fā)光基團的變化情況。研究結果表明：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單點能是脈沖前的52倍。⑵高壓脈沖電場下,過氧化物酶分子片斷連接的血紅素基團中電子云明顯減少,金屬離子難以與血紅素基團結合,從而使鈣離子脫落,最終改變血紅素構象,導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、分子動能均有增加,也是導致發(fā)光基團色氨酸、酪氨酸殘基被包裹的主要因為。⑷高壓脈沖電場對過氧化物酶活性部位----血紅素基團以及熒光發(fā)光基團的影響較為顯著,因此高壓脈沖電場對酶的三級構象的影響顯著。
　　 ㈤本研究將冷凍濃縮技術與高壓脈沖技術結合,建立了冷凍濃縮冰晶體增長動力學模型,該模型表明了:采用懸浮式結晶冷凍濃縮,冰晶增長速率與冰晶體的質量成正比,濃縮后期冰晶體增長速率將受到冰晶最大