熊秀芳，李 靚，楊興勝，李星恕,2※

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中壓電場預處理對蘋果組織損傷程度及微觀結構的影響

熊秀芳1，李 靚1，楊興勝1，李星恕1,2※

（1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，楊凌 712100；2. 陜西省農業(yè)裝備工程技術研究中心，楊凌 712100）

為了探究中壓電場預處理（<100 V/cm）對蘋果組織結構損傷程度的影響，從宏觀層面上分析了電場強度（15～90 V/cm）、溫度（30～70 ℃）、頻率（50～1000 Hz）等處理參數(shù)對蘋果組織結構損傷率的影響規(guī)律，解析了溫度對蘋果組織損傷過程的影響；從微觀層面上對不同溫度和電場強度下蘋果組織微觀結構進行了電鏡掃描觀察。結果表明，同樣溫度下，中壓電場預處理時的蘋果組織結構損傷率遠高于水浴加熱處理（<0.05）；場強較高（>45 V/cm）時蘋果組織結構損傷率隨溫度的升高而線性增大；場強較低（<30 V/cm）處理時與水浴處理均呈現(xiàn)先緩慢上升再急劇增大的變化趨勢，但中壓電場預處理增速更快。溫度低于70 ℃時，蘋果組織結構損傷率隨電場強度升高而增加，隨頻率的增大而減小。蘋果組織結構損傷率隨時間的變化符合一級反應動力學模型；中壓電場強度30 V/cm時，通過組織損傷速率常數(shù)、特征損傷時間計算所得活化能分別為122.88和157.01 kJ/mol；水浴處理時組織損傷速率常數(shù)所得活化能為143.82 kJ/mol。蘋果組織細胞微觀結構觀察顯示，中壓電場電、熱協(xié)同作用更易損傷蘋果組織。研究結果可為改進蘋果深加工預處理工藝提供參考。

電場；微觀結構；動力學；蘋果組織；結構損傷率；損傷過程

0 引 言

中國蘋果深加工呈現(xiàn)多元化發(fā)展的趨勢，蘋果片、蘋果鮮汁和蘋果罐頭等產品的研發(fā)和生產發(fā)展迅速。干燥、壓榨和浸漬等均是蘋果深加工生產中非常重要的加工工藝，為了節(jié)省時間、減少能耗、降低成本，這些工藝本質上均要求加速蘋果組織內外雙向傳質的速率[1-2]。蘋果組織由許多細胞組成，細胞結構是影響細胞內外傳質的關鍵因素[3]。因此，實際生產中，需要在干燥等工藝之前對蘋果組織進行預處理以改變其細胞結構。

常用的果蔬加工預處理方法有化學處理[4-5]、酶處 理[6-7]與熱處理[8]等；近年來還涌現(xiàn)出高壓脈沖電場、微波和射頻、脈動真空和高靜壓等許多高新技術[9]。上述方法均能有效提高果蔬干燥速率、縮短浸漬時間、減少壓榨阻力、提高出汁率，根本原因就是破壞了蘋果組織細胞的膜和壁，使細胞內、外雙向傳質更便利[10-11]。但上述方法又各有利弊：化學處理、酶處理方法耗時長、效率低；熱處理方法能耗高、易引起品質劣變；高壓脈沖電場、射頻和微波方法需要專用高頻高壓電源、不易控制、設備復雜且投資大[12-14]；脈動真空和高靜壓方法所需條件難以控制，不利于進一步的商業(yè)應用[15-16]。因此，找到一種便宜、快捷、易于控制并能有效加速細胞結構損傷的蘋果深加工預處理方法至關重要。

近年來，中壓電場處理（moderate electric field，MEF）技術在食品加工領域的應用備受關注。中壓電場是相對于高壓脈沖電場處理來說的，高壓脈沖處理食品時電場強度一般大于1 kV/cm；而低于100 V/cm的電場處理方法稱為中壓電場處理[17]。中壓電場處理具有焦耳效應，能直接把電能轉化成熱能，使果蔬組織溫度升高[18]，有加熱速率快、加熱均勻、易于控制、能效高、無污染等優(yōu)點[14,19]。研究表明，與傳統(tǒng)加熱方法相比，果蔬組織軟化速率更快、硬度更低[11]；中壓電場處理能在更低溫度下有效損傷果蔬細胞結構[20-21]；中壓電場處理過的蘋果、馬鈴薯、胡蘿卜等出汁率顯著提高，壓榨能耗減小，而果汁品質并未降低[22-23]；較低電場強度（<20 V/cm）也能提高彩色馬鈴薯中酚類和花青素的提取率，而且時間更短、能耗更低[14]。究其原因，主要是中壓電場兼具熱處理和電場處理的特點，電場和溫度場能同時作用于果蔬組織細胞并導致其微觀結構損傷的緣故。也有學者提出，電場強度越大、溫度越高，果蔬組織細胞結構損傷程度越高，能導致細胞完全破損[24-25]；更低頻率的中壓電場更易損傷蘋果組織細胞微觀結構，具有明顯的頻率效應[26]。但是中壓電場場強、頻率、溫度等處理參數(shù)對蘋果組織損傷程度及過程的影響，迄今為止系統(tǒng)研究甚少。

為了揭示中壓電場預處理對蘋果組織結構損傷程度及過程的影響規(guī)律，通過蘋果整體組織損傷率檢測和組織掃描電鏡觀察，從宏觀和微觀兩個層面上解析不同電場處理參數(shù)下蘋果組織結構的變化規(guī)律，深入分析溫度對蘋果組織損傷過程的影響，為改進蘋果深加工預處理工藝提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用新鮮成熟、無損傷、大小相近的陜西白水產紅富士蘋果，購于本地超市。蘋果果徑（87±5）mm，初始濕基含水率84%±2%。清洗擦干后放置在實驗室平衡8 h使蘋果平衡至室溫（22 ℃）。在蘋果赤道處用取樣器取高35 mm、直徑25 mm的不帶果皮的圓柱形蘋果塊試樣，取樣方法見文獻[27]。取樣后立即進行中壓電場處理試驗。

1.2 試驗系統(tǒng)與方法

中壓電場處理系統(tǒng)由正弦交流電源（OYHS-9805型，深圳歐陽華斯電源有限公司）、固態(tài)繼電器（H3150ZE型，希曼頓科技有限公司）、數(shù)據(jù)采集儀（34970A型，美國Agilent公司）、處理槽和PC機組成，如圖1所示。處理槽由內徑60 mm、壁厚5 mm的有機玻璃圓管制成，高度55 mm；底座上表面安裝有下電極，上電極固定在有機玻璃板上與處理槽上蓋之間用軟彈簧連接；兩電極材料為鈦鋼，直徑均為40 mm、厚度0.5 mm。圓柱狀蘋果試樣制樣后立即放置于上、下電極中央，然后固定好上蓋，這時軟彈簧壓縮，能夠確保上、下電極與試樣緊密接觸，保證處理效果。中壓電場處理試樣時，通過直徑0.5 mm的電絕緣T型極細熱電偶（TFCC-003-50，美國Omega公司）檢測蘋果試樣的中心溫度，插入深度為 12.5 mm。PC機通過自編MATLAB程序能夠控制電源調節(jié)輸出頻率、改變輸出電壓、控制固態(tài)繼電器的通斷、精確測量試樣溫度和記錄處理時間，所得數(shù)據(jù)均保存于PC機中進行下一步處理。

1. 電源 2. PC 3. 固態(tài)繼電器 4. 處理槽 5. 數(shù)據(jù)采集儀6. 蘋果試樣7. 平板電極8. 熱電偶

水浴加熱處理時，取大小相同的試樣裝入防水袋放入水浴槽（DK-98-1型，天津斯特儀器有限公司）中；為保證加熱效果，要事先排出防水袋中空氣，確保熱水與試樣充分接觸；用T型極細熱電偶實時記錄水浴加熱歷程。

由于中壓電場處理具有顯著的歐姆加熱效應，所以為了明確電場對蘋果組織結構的作用，必須確保中壓處理與水浴處理加熱歷程相同，比較中壓電場與水浴加熱處理對蘋果組織結構損傷率的影響。因此，中壓處理蘋果試樣時，PC機是通過溫度比較法連續(xù)控制固態(tài)繼電器的通斷來實現(xiàn)兩者加熱歷程相同的。計算機控制中壓電場處理（30～90 V/cm）與水浴處理將蘋果試樣加熱至 70 ℃并保溫100 s的示例如圖2所示。結果表明，蘋果試樣在不同電場強度下處理時均能與水浴處理加熱歷程保持一致。

圖2 水浴處理和中壓電場處理蘋果試樣加熱歷程

中壓處理和水浴處理蘋果試樣后，迅速取出并裝入防水塑料袋中，立即放入20 ℃的水浴中冷卻。充分冷卻至20 ℃后，供檢測蘋果試樣電導率和計算其組織損傷率使用。

1.3 蘋果組織電導率檢測及損傷率的計算

生物組織的損傷程度可以用組織中已損傷的細胞數(shù)與總細胞數(shù)的比值來表示。當電流流經完好果蔬組織時，整個組織表現(xiàn)出高阻態(tài)，電導率較??；當細胞結構遭到損傷時，電流更容易通過，電導率增大[28]。因此根據(jù)電導率的相對大小能夠準確反映出蘋果塊內部組織結構的狀態(tài)。把充分冷卻至20 ℃的蘋果試樣重新放置在圖1所示處理槽兩平板電極之間，并把兩電極連接至阻抗檢測儀（3532-50 LCR型，日本日置公司）測量端子上，檢測蘋果試樣在1 kHz下的電阻抗和相位角。這時蘋果試樣的電阻為[29]：

式中為試樣電導率，S/m；為電極間距，m；為試樣電阻，Ω；為試樣與電極板接觸面積，m2。

采用生物組織結構損傷率來評價中壓電場處理對蘋果組織的損傷程度[30]。組織結構損傷率用下式計算：

1.4 蘋果組織損傷動力學分析

為了進一步分析中壓電場處理過程中溫度對蘋果組織損傷過程的影響，需要檢測不同溫度下蘋果組織損傷率隨時間的變化，因此必須確保蘋果試樣保溫前加熱預處理條件一致。由研究結果可知，蘋果試樣水浴加熱至30～60 ℃時組織損傷率無顯著差異，而且組織微觀結構比較完整清晰，絕大部分細胞壁和膜沒有熱降解[27]，故認為采用水浴加熱處理蘋果試樣至30～60 ℃范圍內時，蘋果試樣預處理條件基本一致。因此，首先用水浴加熱的方法加熱蘋果試樣分別至30、40、50、55和60 ℃，當溫度達到設定溫度后立即采用電場強度30 V/cm、頻率50 Hz中壓電場保溫，保溫時間從電場處理開始計時。以水浴保溫作為對照。

預試驗結果表明，蘋果組織損傷率與其時間變化率呈線性關系，因此蘋果組織損傷率隨時間的變化符合一級反應模型[32]：

式中()為時刻蘋果組織結構損傷率，無量綱；sat為組織結構損傷率飽和值，無量綱；為蘋果組織的損傷速率常數(shù)，s–1；為中壓電場保溫時間，s；0為蘋果組織結構初始損傷時間，s。模型中所有參數(shù)由最小二乘法擬合曲線計算得到。

為了分析溫度對蘋果組織損傷過程的影響，采用阿倫尼烏斯公式來描述損傷速率常數(shù)和處理溫度之間的關系[32-33]，阿倫尼烏斯公式為

式中為蘋果組織損傷速率常數(shù)，s–1；為指前因子，s–1；E為活化能，kJ/mol；為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；為溫度，K。

1.5 蘋果組織微觀結構觀察

為了分析中壓電場處理條件對蘋果組織細胞微觀結構的影響，需要對處理后的蘋果試樣進行掃描電鏡觀察。

預試驗結果表明，采用90 V/cm中壓電場處理，65 ℃時蘋果試樣組織結構會完全破損。因此，為了觀察中壓電場處理溫度的影響，在正弦交流電場強度為30 V/cm、頻率50 Hz時，將大小相同的蘋果試樣分別加熱至50、55、60和65 ℃后制樣觀察；為了觀察電場強度的影響，分別采用45、60、75、90 V/cm的電場強度，在頻率50 Hz時把蘋果試樣均加熱至55 ℃后制樣觀察。選取新鮮蘋果試樣和水浴加熱處理至60 ℃的試樣作為對照組。制樣及觀察方法如下：首先利用雙刃刀片沿著各種處理后的圓柱形蘋果試樣中部橫截面方向切取5 mm′5 mm′1 mm的果肉，迅速放入用0.1 mol/L磷酸緩沖液（phosphate buffer saline，PBS）配制的質量分數(shù)為2.5%、pH值為6.8的戊二醛中，在4℃環(huán)境下固定6h以上；隨后用0.1 mol/L 的磷酸緩沖液洗滌3次，每次10 min；然后在體積分數(shù)為10%、30%、50%、70%、85%、90%、95%酒精濃度梯度液中逐級脫水各15 min；再在25%、50%、75%叔丁醇濃度梯度液中逐級脫酒精各15min，然后放在100%叔丁醇中浸泡35 min；最后在真空干燥儀（VFD-21S，日本日置公司）干燥90 min（溫度0℃、真空壓力4 Pa）。用雙面膠把處理好的樣品粘貼于干凈的樣品臺上，噴金觀察。每個試樣制3個樣本進行觀察。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用MATLAB軟件（美國MathWorks公司）進行制圖和數(shù)據(jù)分析，對數(shù)據(jù)進行ANOVA單因素方差分析和Duncan檢驗（<0.05）。每個試驗重復5次。

2 結果與分析

2.1 中壓電場處理溫度對蘋果組織損傷率的影響

預試驗結果表明，采用90 V/cm中壓電場處理蘋果試樣至65 ℃時，其組織結構會完全破損。為了探討中壓電場處理過程中溫度對蘋果組織結構的影響，檢測了通電頻率50 Hz、電場強度不同時組織結構損傷率隨溫度的變化，以水浴加熱為對照，結果如圖3所示。由圖3可知：在各種處理方式下，蘋果組織損傷率均隨溫度的升高而增大，且中壓電場處理后的試樣組織結構損傷程度遠遠大于水浴加熱處理，例如中壓電場強度15 V/cm下45 ℃時的損傷程度與60 ℃水浴處理效果相當；中壓電場處理在整個溫度范圍內試樣組織結構損傷率均差異顯著（<0.05），而在30～60 ℃之間水浴處理差異不顯著（>0.05）。場強較低時（≤30 V/cm）與水浴處理的曲線變化趨勢相同：在溫度較低時組織結構損傷率隨溫度緩慢線性上升，高于60 ℃后組織結構損傷率急劇增大；場強較高（≥45 V/cm）時，組織結構損傷率隨溫度的升高一直線性增大，且斜率逐漸減小，表明同樣溫度條件下，電場強度越高，對蘋果組織損傷率的影響越大，充分體現(xiàn)了中壓電場處理的電場效應，較低場強處理的線性段也是如此。這是因為蘋果組織細胞結構破壞溫度為65 ℃[27]，在電場存在的情況下，60 ℃就會引起細胞損傷，尤其當場強較高時，在電場和溫度場的雙重作用下，蘋果組織細胞更易破損，表現(xiàn)為組織結構損傷率在整個溫度范圍內的線性增加。

注：頻率為50 Hz。

2.2 中壓電場強度對蘋果組織結構損傷率的影響

為了探討中壓電場處理時電場強度對蘋果組織結構的影響，檢測了電場頻率50 Hz下蘋果試樣處理至30、40、50、60和70 ℃時，蘋果組織結構損傷率隨電場強度的變化，結果如圖4所示。由圖4可知，溫度越高，組織結構損傷率越大；低、中、高溫下的蘋果組織損傷率均隨電場強度的增大呈線性增加的趨勢，且斜率逐漸減小，表明隨著溫度的升高場強的作用逐漸弱化；溫度低于60℃時電場強度之間組織結構損傷率差異顯著（<0.05），主要原因是，處理溫度相同時更高的電場強度更易引起細胞膜的電穿孔，電場是引起蘋果組織結構變化的主因[11]；而高溫時（≥70℃）較小的電場強度也能引起較大的組織損傷，但不同場強處理之間差異不顯著（>0.05），這時溫度起主導作用。這是因為高溫時較小的場強也能引起細胞膜電穿孔，同時溫度升高更加劇了蘋果細胞壁降解[22,24]。

注：頻率為50 Hz。

2.3 中壓電場頻率對蘋果組織損傷率的影響

為了分析中壓電場處理頻率對蘋果組織結構的影響，在電場強度45 V/cm下處理蘋果試樣至30、40、50、60和70 ℃時，蘋果組織結構損傷率隨處理頻率的變化如圖5所示。由圖5可知，不同溫度下蘋果試樣的組織結構損傷率隨處理頻率的增加而略有減小的趨勢。但溫度較低（≤60 ℃）時低頻與高頻之間損傷率有顯著差異（< 0.05），而高溫（70 ℃）時沒有差異（>0.05）。這是因為低頻時果蔬組織阻抗低、加熱速度快，而且低頻時植物組織易發(fā)生電穿孔[34]，頻率較高則可能會無法形成足夠的跨膜電壓[35]，故電穿孔效應減弱。而且處理溫度較高時會加劇細胞微觀結構的損傷，故頻率效應不太明顯。

注：電場強度45 V·cm–1。

上述內容分析了電場強度、溫度和頻率等中壓電場處理參數(shù)對蘋果組織損傷率的影響，是中壓電場和溫度場的協(xié)同作用導致了蘋果組織的損傷。低溫弱電場時對蘋果組織損傷影響不大，低溫強電場時電場起主導作用，高溫時無論電場強弱蘋果組織均易損傷，溫度起主導作用。但仍需進一步優(yōu)化中壓電場處理參數(shù)，為蘋果深加工預處理提供技術支撐。

2.4 中壓電場處理過程中蘋果組織損傷動力學分析

圖6為在中壓電場處理溫度分別為30、40、50、55和60 ℃時和水浴加熱50、55和60 ℃時蘋果組織結構損傷率隨保溫時間的變化。由圖6可知，溫度相同時，中壓電場處理與水浴處理之間蘋果組織結構損傷率隨保溫時間的變化有顯著差異（<0.05）。中壓電場處理溫度為30 ℃時，保溫時間對蘋果組織基本沒有影響；處理溫度為40 ℃時，開始處理100 s后（初始損傷時間）組織結構損傷率才緩慢增加，需要8 000 s組織損傷率才基本達到0.25；隨著溫度的增加，初始損傷時間逐漸減小，組織結構損傷率急劇增加，達到平衡所需時間也急劇減少；當處理溫度為60 ℃時，保溫時間需320 s左右就能完全破壞蘋果組織，組織結構損傷率基本達到1。而60 ℃水浴加熱處理到50 s之后蘋果組織結構損傷率才逐漸增大，直到700 s左右才達到平衡，損傷率為0.75；在整個處理過程中均比55 ℃時中壓處理的損傷率要小。水浴加熱55 ℃時需要2 000 s左右才能達到損傷率0.61，比中壓電場同溫度處理時低。結果表明，即使較低的電場強度，在溫度較高時也能引起蘋果組織微觀結構的顯著變化。

不同條件下蘋果組織結構損傷率隨時間變化的試驗值和擬合值如圖6所示，標記點為試驗數(shù)據(jù)點，實線即為擬合結果。各條曲線擬合決定系數(shù)值在0.97～0.99區(qū)間內，如表1所示，故采用一級反應模型能夠很好地描述蘋果組織結構損傷率隨保溫時間的變化。

注：t1/2為特征損傷時間，s；場強為30 V·cm–1；頻率為50 Hz。

將果蔬組織結構損傷率達到1/2時所需要的處理時間定義為特征損傷時間1/2[24]，如圖6所示。兩種處理條件下不同溫度時通過擬合所得參數(shù)如表1所示，處理溫度30 ℃時組織結構沒有變化，這里沒有列出。由表1可知，比較60 ℃水浴處理與55 ℃中壓處理（30 V/cm），60 ℃水浴處理時蘋果組織結構飽和損傷率和損傷速率常數(shù)較低，而初始損傷時間和特征損傷時間卻較長（<0.05）。55 ℃水浴處理與50 ℃中壓電場處理效果幾乎相同（>0.05）。結果表明，中壓電場處理果蔬組織時，兼有電場和溫度場的雙重作用，且溫度越高，電場作用越顯著。

表1 不同溫度下蘋果組織結構損傷動力學參數(shù)

中壓電場處理與水浴處理不同溫度下的飽和損傷率值與初始損傷時間分別如表1所示。處理溫度相同時，水浴處理蘋果組織結構損傷率明顯低于中壓電場處理（< 0.05）。兩種方式下蘋果組織結構損傷率飽和值均隨處理溫度的升高而增大；中壓電場處理60 ℃時蘋果組織結構損傷率飽和值趨于恒值1，表明溫度達到60 ℃時只要保溫就能導致蘋果組織細胞基本完全損傷。兩種處理方式初始損傷時間均隨著溫度的升高而減小，兩者之間有顯著差異（<0.05）。中壓電場處理時，隨著處理溫度的升高，初始損傷時間呈現(xiàn)出“緩慢-急劇-緩慢”減小的變化趨勢，50～55 ℃之間是其急劇減小段（<0.05），表明溫度超過50 ℃能提高蘋果組織結構損傷的處理效率。

根據(jù)一級反應模型擬合，可得到中壓電場處理和水浴處理時不同溫度下的蘋果組織結構損傷速率常數(shù)，結果如表1所示。以1/為橫坐標、ln為縱坐標作線性回歸，線性回歸相關系數(shù)為0.967，直線的斜率為–E/，截距為ln，可求得中壓電場處理時，蘋果組織損傷過程活化能為122.88 kJ/mol。水浴處理時，采用同樣的方法，根據(jù)蘋果組織結構損傷速率常數(shù)計算所得其組織損傷過程活化能為143.82 kJ/mol，比中壓電場處理時略大。活化能越大，表示蘋果組織損傷受溫度的影響越大。中壓電場處理時活化能較小，說明蘋果組織損傷過程對溫度的依賴低；但同樣溫度條件下中壓電場處理時蘋果組織損傷率更大，表明中壓電場處理蘋果時溫度場和電場同時發(fā)揮了作用，電場的存在使得蘋果組織在較低的溫度下就能損傷。

特征損傷時間1/2隨溫度倒數(shù)1/的變化規(guī)律呈線性關系，因此也可以用阿倫尼烏斯方程來描述溫度對特征損傷時間的影響[35]。計算出活化能E=157.01 kJ/mol。有學者用中壓電場方法處理過毛桃和甘蔗試樣，用阿倫尼烏斯方程分析了處理溫度對其特征損傷時間的影響，計算得到活化能甘蔗為170 kJ/mol、毛桃為198 kJ/mol[31,34]，比本文計算結果略大。結果表明，蘋果組織比毛桃組織和甘蔗組織對溫度更敏感。

2.5 中壓電場處理對蘋果試樣微觀結構的影響

為了分析中壓電場處理引起蘋果組織損傷的原因，并對前文所得結論進行驗證，需要比較觀察不同處理條件下的蘋果組織微觀結構的變化。

在電場強度為30 V/cm、通電頻率50 Hz時處理至不同溫度和水浴加熱處理至60℃時蘋果組織細胞微觀結構的變化分別如圖7所示，以新鮮試樣作為對照。由圖7可以看出，在相同的放大倍數(shù)下，新鮮未處理蘋果組織細胞結構完整清晰，細胞膨脹性好且整齊。中壓電場處理蘋果試樣溫度至50 ℃時，細胞組織結構出現(xiàn)輕微變形，部分塌陷；當中壓處理溫度達到55 ℃時，胞間層斷裂，大部分細胞塌陷；60 ℃時細胞組織結構破壞嚴重，細胞壁降解，組織中形成大的孔隙；65 ℃后，細胞嚴重變形、塌陷，大孔隙普遍出現(xiàn)。而水浴處理至60 ℃時，細胞結構雖略有塌陷，但絕大部分細胞壁和膜沒有熱降解。比較60 ℃時水浴處理和中壓處理的結果表明，電場強度具有加速細胞微觀結構塌陷的作用；蘋果組織結構熱破壞溫度為65 ℃，30 V/cm電場強度作用下60 ℃時細胞組織結構就嚴重破壞，印證了前述論斷。

注：場強為30 V·cm–1；頻率為50 Hz。

為了探究中壓處理電場強度對蘋果組織結構的影響，使用掃描電鏡觀察了通電頻率50 Hz時、電場強度分別為45、60、75、90 V/cm下處理至55 ℃后蘋果組織的微觀結構，結果如圖8所示。由圖8可知，處理溫度相同時隨著電場強度的增大，蘋果組織細胞的損傷程度也在增大。電場強度為45 V/cm和60 V/cm時，蘋果組織細胞呈現(xiàn)出變形、塌陷的狀態(tài)，部分細胞破裂；當電場強度為75 V/cm和90 V/cm時，蘋果組織細胞損傷嚴重，細胞變形、塌陷嚴重；充分體現(xiàn)了中壓電場處理過程中電場對組織微觀結構的影響。這是因為隨著電場強度的增大，細胞膜通透性增大、細胞壁更易降解變軟，細胞內部電解質更多地游離到細胞間，在交變電場的作用下，這些電解質更易頻繁地“進出”細胞，電場強度越大，對細胞壁和膜造成的沖擊作用越大，這時變軟的細胞壁更易變形、扭曲。

注：頻率為50 Hz；溫度為55 ℃。

3 結 論

1）水浴和較低中壓電場處理（<30 V/cm）時，蘋果組織結構損傷率變化緩慢，當溫度高于60 ℃時，出現(xiàn)急劇破壞的突變過程；當電場強度高于45 V/cm時，蘋果組織結構損傷率隨溫度線性增加。中壓電場預處理后組織結構損傷率大于水浴加熱處理。

2）溫度低于70 ℃時，蘋果試樣的組織結構損傷率隨著電場強度的增加而增大；隨著通電頻率的增加而 減小。

3）蘋果組織結構損傷率隨時間的變化符合一級反應動力學模型。30 V/cm中壓電場處理時，溫度超過50 ℃能夠提高蘋果組織損傷的處理效率。中壓電場處理蘋果組織結構損傷速率計算所得活化能為122.88 kJ/mol；通過特征損傷時間求得活化能為157.01 kJ/mol。水浴處理時，由組織結構損傷速率計算所得活化能為143.82 kJ/mol。

4）中壓電場處理蘋果組織，是電場和溫度場雙重作用的結果；在電、熱協(xié)同作用下，蘋果組織更易損傷。

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Effect of moderate electric field pretreatment on damage degree and microstructure of apple tissue

Xiong Xiufang1, Li Jing1, Yang Xingsheng1, Li Xingshu1,2※

(1.712100,; 2.712100,)

Apple deep processing in China is developing rapidly with the increasing demand of apple slices, fresh apple juice and apple canned products in recent years. All necessary processing technologies such as dehydration, diffusion, pressing and drying essentially require acceleration of two-way mass transfer into or out of the apple tissue. Apple tissue consists of thousands of cells and cell structure is the key factor that influences the mass transfer from inside to outside and vice versa. Therefore, the pretreatment method for damaging the apple tissue cell is needed before further deep processing. In recent years, moderate electric field (MEF) is receiving more and more significant attention due to its characteristics with the advantages of thermal and electrical treatment. To explore the effect of MEF pretreatment parameters such as electric field intensity, frequency and temperature on the damage degree and damage process of apple tissue, the paper analyzed the structural change of apple tissue under different MEF conditions, and evaluated the influence of pretreatment temperature on the damage process at macro and micro scale by detection of disintegration index of apple tissue structure and scanning electron microscope (SEM) observation respectively. The results indicated that apple tissue structure disintegration index from MEF was greater than that resulted from thermal treatment of waterbath. For waterbath pretreatment, the disintegration index of apple tissue structure firstly increased slowly with increasing temperature and then raised sharply when the temperature was above 60 ℃. The same tendency was observed for low electrical field intensity pretreatment (<30 V/cm), but the disintegration index increased more rapidly. The disintegration index changed slowly under hot water bath and low electrical field intensity treatment (< 30 V/cm), but when the temperature was above 60 ℃, the disintegration index increased sharply. The disintegration index increased linearly with increasing temperature when electrical field intensity was higher than 45 V/cm, and a greater disintegration index could be obtained under lower temperature and higher electric field intensity (90 V/cm). The reason was that the thermal and electrical synergistic effect of MEF pretreatment applied to the apple tissue simultaneously brought up the electroporation of cell membrane and the degradation of cell wall. In addition, the disintegration index of apple tissue structure increased with the increase of electric field intensity and decreased with the increase of frequency when the temperature was lower than 70 ℃. All the curves of disintegration index with holding time could be approximated using the first-order reaction kinetics model which could describe the characteristics of the damage process. The rate constant of the first-order model increased with the increasing treatment temperature and the characteristic damage time showed contrary tendency. The rate constants at different temperatures could be formulated by the Arrhenius equation, the same as the characteristic damage time. The activation energy calculated from the rate constant was 122.88 kJ/mol, and that from the characteristic damage time was 157.01 kJ/mol. The activation energy obtained from the hot water bath pretreatment was 143.82 kJ/mol.The micro-structure observation of apple tissue indicated that MEF pretreatment can effectively destroy the apple tissue at lower temperature. Apple tissue is destructed more easily by moderate electric field treatment because of the synergistic effect from electrical field and temperature field. The findings are useful to analyze the electro-thermal synergistic regime from MEF pretreatment and improve the deep processing technology of apple products.

electric field; microstructure; kinetics; apple tissue; disintegration index; damage process

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.035

TS255.4

A

1002-6819(2018)-14-0272-08

2018-04-03

2018-05-20

陜西省自然科學基礎研究計劃（2015JM3113）；陜西省水利科技項目（2017slkj-7）

熊秀芳，四川資陽人，博士，副教授，主要從事農產品加工與貯藏方面的研究。 Email：xiufang-xiong@nwsuaf.edu.cn

李星恕，河南駐馬店人，博士，副教授，主要從事農業(yè)裝備研發(fā)與農產品無損檢測方面的研究。 Email：xingshu-li@nwsuaf.edu.cn

熊秀芳，李 靚，楊興勝，李星恕. 中壓電場預處理對蘋果組織損傷程度及微觀結構的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(14)：272－279. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.035 http://www.tcsae.org

Xiong Xiufang, Li Jing, Yang Xingsheng, Li Xingshu. Effect of moderate electric field pretreatment on damage degree and microstructure of apple tissue[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 272－279. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.035 http://www.tcsae.org