基于电镜观察及介质理论分析高压脉冲电场处理果蔬机理.pdf

核 农 学 报2012， 26 1 0091 ～ 0094 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 收稿日期 2011- 03- 25接受日期 2011- 08- 16 基金项目 国家自然基金 30771242 ， 山西农业大学创新基金 412500 作者简介 宋艳波 1977- ， 女， 黑龙江鹤岗人， 博士生， 讲师， 主要从事植物生理与分子生物学方面的研究。Tel 0354- 6286808，E-mail lzysyb 126. com 通讯作者 郭玉明 1954- ， 男， 山西平定人， 教授， 博士生导师， 主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。Tel 0354- 6288906，E-mail guoyuming99 sina． com 文章编号 1000- 8551 2012 01- 0091- 04 基于电镜观察及介质理论分析高压 脉冲电场处理果蔬机理 宋艳波 1 刘振宇 2 郭玉明 2 1. 山西农业大学生命科学学院， 山西 太谷030801;2. 山西农业大学工学院， 山西 太谷030801 摘要通过对苹果和白萝卜进行高压脉冲电场 HPEF 预处理及超微结构电镜试验， 研究 HPEF 预处理 脉冲强度、 脉冲宽度和脉冲个数对果蔬细胞结构的作用机理。结果表明， HPEF 预处理可改变果蔬细胞 膜通透性， 使果蔬细胞结构受到严重破坏。通过结合介质理论对其机理进行推导， 得知高压脉冲电场处 理果蔬的主要影响因素为电场强度。在电场作用下， 果蔬组织内部的受力与电场强度的平方成正比， 脉 冲宽度和脉冲个数对电击穿也有一定的影响， 为高压脉冲电场处理果蔬工艺参数的选择提供了理论依 据。 关键词高压脉冲电场预处理;果蔬微结构;变形机理 MECHANISM OF HIGH- PULSED ELECTRIC FIELD PRETREATED FRUITS AND VEGETABLES BASED ON MEDIUM THEORY AND SCANNING ELECTRON MICROSCOPE OBSERVATION SONG Yan-bo1LIU Zhen-yu2GUO Yu-ming2 1. College of Life Science，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi030801; 2. College of Engineering， Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi030801 Abstract The micro-structures of apple and radish samples after high-pulsed electric field HPEF pretreatment were studied by electron microscope experiments and the mechanism of the cell structure of apple and radish samples under HPEF pulse intensity，pulse length and pulse number were investigated．The results showed that the membrane permeability of apple and radish samples were changed and cell structure of them were heavily damaged by HPEF pretreatment． Derived medium theory，it showed that the electric field intensity was the main factor of HPEF pretreatment． The force in sample tissue was proportional to the square of electric field intensity，and the pulse length and pulse number also had electric breakdown effects．These provides a theoretical basis of HPEF pretreatment parameters on fruits and vegetables． Key words high pulsed electric field pretreatment;microstructure of fruits and vegetables;deation mechanism 高压脉冲电场 high pulsed electric fields， HPEF 预处理技术具有非热加工特性， 温升小、 传递快速均 匀、 处理时间短 ［1， 2］， 在食品加工领域受到极大的关 注。高压脉冲电场技术可以提高干燥速率、 降低脱水 19 核农学报26 卷 能耗、 使食品的热破坏最小化、 提高果蔬脱水后的品 质 ［3， 4］， 因此在加工能耗大、 成本高的冻干技术领域有 广阔的应用前景。关于高压脉冲电场处理细胞的试验 研究已有一些成果报道， 但主要是针对低强度瞬态电 磁场脉冲作用下生物膜电穿孔的试验研究， 相关的机 理分析很少 ［5 ～ 7］。高永毅等［8］分析植物细胞膜的分布 电荷所产生的细胞壁应力， 证明细胞膜上的电荷对于 细胞的力学性质有一定影响。何雄辉等 ［9］研究圆筒 型植物细胞质膜的分布电荷所引起的电场和对细胞内 压力的影响。但有关高压脉冲电场对果蔬组织内压力 影响和对植物细胞受力情况的研究未见报道。为充分 了解 HPEF 预处理果蔬干燥的机理， 本研究采用高压 脉冲电场作用苹果和白萝卜， 结合扫描电子显微镜对 果蔬组织细胞进行观察， 应用介质理论对果蔬组织和 细胞受力和变形进行研究， 为深入研究 HPEF 预处理 果蔬技术提供理论依据。 1材料与方法 1. 1材料与设备 1. 1. 1材料试材选用山西太谷地区所产富士苹果 和水晶白萝卜为原料。取选定的新鲜苹果和白萝卜洗 净、 去 皮， 分 别 切 成 厚 度 为 10mm， 边 长 为 20mm 20mm 的方块， 待进行高压脉冲电场作用单极矩形脉 冲处理， 每组样本重复 3 块。 1. 1. 2设备ECM830 高压脉冲电场发生器为美国 BTX 公司生产， 电场强度、 脉冲宽度和脉冲个数均可 调节， 脉冲波形为矩形波形。果蔬超微结构拍片试验 采用 LDM- 150D 型离子溅射仪， 上海华岩仪器设备有 限公司生产， 及 KYKY- 1000B 扫描电镜， 中科院北京仪 器研究中心研制。 1. 2高压脉冲电场处理 高压脉冲电场处理参数选择电场强度 E 的变化 范围为 5 ～ 3000V·cm － 1， 脉冲宽度 τ 为 10μs ～ 10s， 脉 冲间隔时间为 500ms， 脉冲个数为 1 ～ 99 个。根据干 燥试验优化工艺参数， 选择其中效果较好的作为处理 参数， 如表 1 所示。 1. 3扫描电镜观察 对高压脉冲电场处理后的苹果和白萝卜样本用 3 戊二醛 pH7. 2 固定 24h， 后用 30 ～ 100 乙醇 进行梯度脱水， 每级 15min。75 叔丁醇过渡干燥， 100 叔丁醇置换 2 次; 用 100 叔丁醇将样本 0℃ ～ 4℃ 冷藏固化 10min， 待完全固化后置真空干燥器内抽 真空升华 2 ～ 3h， 最后用碳导电胶将干燥好的样本粘 在样品托上， 采用离子溅射仪在样品上喷金， 扫描电镜 观察拍照。 表 1脉冲电场预处理果蔬工艺参数 Table 1Parameters of pretreatment HPEF 序号 No． 电场强度 electric field intensity V·cm － 1 脉冲宽度 pulse length μs 脉冲个数 pulse number 1 白萝卜 radish000 2 白萝卜 radish34027885 3 白萝卜 radish150011230 4 白萝卜 radish12756199 5 苹果 apple000 6 苹果 apple1151792 7 苹果 apple15676098 8 苹果 apple21806592 2结果与分析 2. 1电镜微观分析结果 扫 描 电 子 显 微 镜SEM ScanningElectron Microscope 结果中， 未经高压脉冲电场处理的苹果和 白萝卜果肉细胞图 1 － A 和图 2 － A。细胞排列整齐， 拥有膨胀的外形和规则光滑的表面， 大多数细胞结合 紧密并保持完整的结构， 细胞壁较平滑坚硬， 呈较为规 则的多边形， 细胞壁的微纤丝结构完整， 排列层次分 明。高压脉冲电场处理后的苹果和白萝卜果肉细胞壁 结构松散 见图 1 － B、 C 和图 2 － B、 C ， 细胞壁出现明 显的卷曲。高倍下观察 见图 1 － D 和图 2 － D ， 细胞 壁的微纤丝结构虽清晰可见， 但细胞壁上出现明显的 裂痕， 随高压脉冲电场作用强度的增加， 裂痕增大且裂 痕数量也增多， 使细胞壁呈现片状断裂。这是由于高 压脉冲电场作用使细胞结构受到严重破坏， 低倍镜下 呈现 卷 曲， 同 时 胞 内 的 内 容 物 有 向 胞 外 扩 散 的 现 象 ［10］。高压脉冲电场作用后大部分的细胞器官都流 失或不完整， 细胞壁破损后留下一些细胞碎片。未经 处理的细胞形状呈椭圆形， 而处理过的细胞形状变长， 部分细胞塌陷很明显， 而且有坑裂和分割区域的形成。 2. 2高压脉冲电场预处理果蔬电场力效应 根据 SEM 图可以看到， 苹果和白萝卜都是由多种 细胞组成， 细胞又由细胞腔和细胞壁构成。果蔬中的 水分包含在多种不同尺寸、 不同形状的细胞腔和细胞 壁中。运用电磁场相关理论分析高压脉冲电场预处理 果蔬后受力情况 假设电荷分布、 电位分布和导体的情 况相同， 因为果蔬介质受力实质上也是组织电荷受力， 果蔬介质可看作是电荷的载体。脉冲电场的宽度为无 29 1 期 基于电镜观察及介质理论分析高压脉冲电场处理果蔬机理 图 1不同高压脉冲电场参数处理白萝卜电镜图 Fig． 1Electron micrographs of radish pretreated by HPEF A 0V·cm － 1， 0μs， 0 个，scale 5000μm; B 340V·cm－ 1， 278μs， 85 个，scale 1000μm; C 1500V·cm － 1， 112μs， 30 个， scale 1000μm; D 1275V·cm － 1， 61μs， 99 个，scale 500μm 限大， 即等效于把细胞放在场强为 E 的静电场中， 其 受到的电场力如图 3 所示。 在高压电场作用下， 根据电介质极化理论， 果蔬介 质中的每一微观结构单元将出现电偶极矩 p。这个微 观电矩受到微观电场 E 的作用力为 F p·E 1 对单位体积电介质求和， 得到宏观的体积力密度 为 f ∑F ∑p·E f Np·E 2 其中， N 为单位体积果蔬电介质中结构单元的数目。 因为要将微观电场梯度 ·E 置于求和号以外， 从数学意义上应取平均值。按其物理意义， 微观电场 梯度的平均值就等于宏观量 ·E 。而 Np等于果蔬 介质的宏观极化强度 P。故式 2 可用宏观量表示为 f p·E 3 极化强度 P 是电场强度 E 所引起的一种响应， 它 们的关系为 P χε0E ， 在各向同性果蔬介质中，χ 为 标量参数， 即极化率， 于是由 Maxwell 方程知道，D εε0E ， D 为电势移矢量， 和 D ε0E P 得到 ε 1 图 2不同高压脉冲电场参数处理苹果电镜图 Fig． 2Electron micrographs of apple pretreated by HPEF A 0V·cm － 1， 0μs， 0 个，scale 833μm; B1151V·cm－ 1， 79μs， 2 个，scale 500μm; C1567V·cm － 1， 60μs， 98 个， scale 500μm; D 2180V·cm － 1， 65μs， 92 个，scale 1000μm 图 3高压脉冲电场处理果蔬电场力分析图 Fig． 3Stress analysis of fruits and vegetables pretreated by HPEF χ ， 根据上述关系公式 3 可写为 f ε － 1 ε0E·E 4 因为， 静电场的旋度等于 0， 故有矢量公式 E·E 1 2 E2－ E  E 1 2 E2 所以 f 1 2 ε － 1 ε0 E2 5 上面假设了果蔬电介质系统是不可压缩的， 故介 电常数 ε 是一个常数。根据上述研究电场力作用， 一 是由极化度变化引起的应变， 二是 Maxwell 应力， 其引 39 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 2012， 26 1 0091 ～ 0094 起的应变与物料的介电性能和弹性有关， 与外电场方 向无关 ［11］。 由于本试验将果蔬处理为厚度为 10mm， 边长为 20mm 20mm 的方块， 则通过证明得到果蔬介质所受 静电力为 f － U E x V2 ε － ε0 h 2d 6 式中， h 为电容器极板长度 mm ; a 为宽度 mm ; d 为极板间距离 mm ;ε 为果蔬介电常数;ε0为空气介 电常数。 对于高压电场作用苹果的静电力， 苹果的介电常 数根据测试频率在 1000Hz 时为 21， 空气的介电常数 为 1， 极板为 20mm 20mm， 极板间距为 10mm， 高压电 场强度选取试验作用苹果的工艺参数， 根据公式 6 则可以得到苹果介质受到的静电力 表 2 。 表 2苹果静电应力分析 Table 2Static stress analysis of apple 苹果 apple 电场强度 electric field intensity V·cm － 1 静电力 electrostatic force N /m2 111516. 62 1010 215671. 20 1011 321802. 37 1011 上述讨论表明， 任何电介质在外电场 E 的作用下 都会出现电应力， 这种电应力的大小与 E 的二次项成 线性关系， 这种效应为电致伸缩 electrostriction ， 比例 于电场二次项的应力将使电介质产生相应的应变。由 于果蔬介电常数 ε ＞ 1 时， 电致伸缩效应使电介质被引 向电力线密度大的地方， 即静电力总是要把介质拉近 高电场区域， 而与电场方向无关。这是因为现在考虑 的极化电矩 P 是外加电场 E 引起的， 当 E 反向时 P 也 反向。而电致伸缩效 应与 P 和 E 具有线性关系， 故电 应力与 E 的二次项成线性关系。可见高压脉冲电场 对果蔬组织弹性特性、 内压力的变化、 细胞间的粘合， 细胞的方位及整体组织应力 应变行为等都有较大 的影响。 3讨论 介质理论和 SEM 结果显示， 高压脉冲电场处理影 响果蔬的主要因素是电场强度。在电场作用下， 果蔬 组织内部的受力与电场强度的平方成正比。在电场强 度达到临界值时， 膜发生电击穿， 如果电场强度没有进 一步的增加， 细胞会发生不完全的电通透化 ［12］。 在一定程度上， 脉冲电场的作用是以一种机械冲 击力的形式将物料细胞膜击穿， 细胞在脉冲电场作用 下， 细胞膜的磷脂双分子层两侧积聚电荷， 才能受到电 荷的挤压作用力。当作用力超过某一临界值时， 在膜 上形成一定半径的穿孔， 细胞膜的通透性提高。但细 胞膜穿孔一旦超过临界值， 细胞膜受到破坏， 电场强度 就不再是主要影响因素 ［13］。 脉冲宽度和脉冲个数都会影响电击穿效果， 其主 要原因是电穿孔是由电场能和热运动共同作用细胞膜 而成的 ［14］。脉冲电场为重复周期信号， 这种周期性的 策动力对细胞膜结构产生某种谐振， 或是与蛋白质的 构象振荡同步， 从而形成电穿孔。振荡形成的作用力 超过某一阈值时， 在膜上形成一定半径的穿孔， 膜上微 孔量增大， 大量的离子通过膜的离子通道， 打破了细胞 内外的离子平衡， 引起各种细胞破裂等现象的发生。 在微孔密度还没有大幅度降低的情况下， 新一轮的脉 冲作用又开始， 这样引起微孔量循环积累， 对细胞膜造 成不可恢复性的破坏 ［15］。 4结论 高压脉冲电场处理影响果蔬的主要因素是电场强 度， 但电场强度达到临界值时细胞膜会发生电击穿， 进 而会发生电通透化; 当脉冲电场的作用超过一定临界 值时， 细胞膜被破坏， 且电场强度也不再是主要影响因 素; 同时， 脉冲宽度和脉冲个数也会使膜产生电穿孔， 其周期性策动力对膜产生振荡的作用力超过一定阈 值， 可造成细胞膜破裂等不可恢复的破坏。通过对脉 冲电场作用下果蔬细胞膜的电穿孔机理初步探讨， 为 高压脉冲电场处理果蔬工艺参数的选择提供了理性的 参考依据。 参考文献 ［1］Tsong T Y． Electroporation of cell membranes［J］． Biophysical J， 1991，60 2 297 － 306 ［2］刘振宇， 郭玉明． 高压脉冲电场预处理对果蔬脱水特性的影响 ［J］． 农机化研究， 2008， 12 9 － 12 ［3］刘振宇， 郭玉明． 应用 BP 神经网络预测高压脉冲电场对果蔬干 燥速率的影响［J］． 2009， 25 2 235 － 239 ［4］王维琴， 盖 玲， 王剑平． 高压脉冲电场预处理对甘薯干燥的影响 ［J］． 农业机械学报， 2005， 36 8 154 － 156 ［5］彭 勇， 王子淑， 吴志远， 郭尚勤． 低强度瞬态电磁场下家猪精子的 电穿孔效应［J］． 深圳大学学报 理工版 ， 2003， 20 1 36 －39 ［6］王保义， 刘长军， 郭庆功． 电穿孔解释生物体中非热生物效应 的关键机理［J］． 四川大学学报 自然科学版 ， 1997， 34 3 310 － 314 下转第 106 页 49 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 2012， 26 1 0102 ～ 0106 踪研究［J］． 地球学报，2009， 30 2 129 － 142 ［ 11］Currie H A，Perry C C． Silica in plantsBiological，biochemical and chemical studies［J］． Annals of Botany，2007， 100 7 1383 － 1389 ［ 12］Badr Y， El-WahedMGA， MahmoudMA．Photocatalytic degradation of methyl red dye by silica nanoparticles［J］． Journal of Hazardous Materials，2008， 154 1 245 － 253 ［ 13］Mahmoud MA， PoncheriA， BadrY， etal．Photocatalytic degradation of methyl red dye［J］． South African Journal of Science， 2009， 105 7 299 － 303 ［ 14］Pandey S，Singh D K．Soil dehydrogenase，phosphomonoesterase and arginine deaminase activities in an insecticide treated groundnut Arachis hypogaea L． field［J］． Chemosphere， 2006， 63 869 － 880 ［ 15］Praveen K， Tarafdar J C．2，3，5-Triphenylterazolium chloride TTCas electron acceptor of culturable soil bacteria，fungi and actinomycetes［J］． Biology and fertility of soils，2003， 38 3 186 － 189 ［ 16］Kuo W S， Ho P H． Solar photocatalytic decolorization of methyl violet in water［J］． Chemosphere， 2001， 45 77 － 83 ［ 17］马 欢，刘士清，吴跃进， 刘伟伟． 源于生物质的光催化材料及制 备方法［P］． 中国专利 200910116298. 1. 2010 － 04 － 07 ［ 18］刘士清， 刘伟伟， 马 欢， 孙传伯， 廖梓良， 李永利． 农业生物环境 中基础酶技术研究法修建探讨［J］． 农机化研究，2008， 10162 － 166 ［ 19］Yamanaka S，Takeda H，Komatsubara S，et al．Structures and physiological functions of silica bodies in the epidermis of rice plants ［J］． Applied Physics Letters，2009， 95 12 123703 ［ 20］LaueM， HauseG， DietrichD， etal．Ultrastructureand microanalysis ofsilicabodiesinDactylisGlomerataL． ［J］． Microchimica Acta，2006， 156 1 103 － 107 ［ 21］Kalapathy U，Proctor A，Shultz J． A simple for production of pure silica from rice hull ash［J］． Bioresource Technology，2000， 73 3 257 － 262 ［ 22］Zaky R R，Hessien M M，El-Midany A A， et al．Preparation of silica nanoparticles from semi-burned rice straw ash［J］．Powder Technology，2008， 185 1 31 － 35 ［ 23］Yang J，Chen J R，Song J H． Studies of the surface wettability and hydrothermal stability of methyl-modified silica films by FT-IR and Raman spectra［J］． Vibrational Spectroscopy，2009， 50 2 178 － 184 ［ 24］陕 红， 李书田， 刘荣乐． 秸秆和猪粪的施用对土壤镉有效性的影 响和机理研究［J］． 核农学报， 2009， 23 1 139 － 144 责任编辑裴颖 櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀 上接第 94 页 ［7］郭庆功， 马雪莲， 张 弘． 低强度瞬态电磁场脉冲作用于不同动物 细胞形成电穿孔的实验比较［J］． 四川大学学报 自然科学版 ， 2002， 39 3 580 － 582 ［8］高永毅， 焦群英， 方加志． 植物细胞质膜的分布电荷所引起的电 场和内压力［J］． 生物物理学报， 2002. 9 3 ， 277 － 281 ［9］何雄辉， 高永毅， 周并举， 唐 果， 郭朝晖． 圆筒型植物细胞质膜的 分布电荷所引起的电场和对细胞内压力的影响［J］． 湘潭大学自 然科学学报， 2006， 3 28 60 － 65 ［ 10］刘振宇， 郭玉明． 高压矩形脉冲电场果蔬预处理微观结构变形机 理的研究［J］． 农产品加工学刊， 2009， 10 22 － 25 ［ 11］殷之文． 电介质物理学［M］． 北京 科学出版社， 2006 262 － 264 ［ 12］刘晓艳， 丘泰球， 胡爱军， 刘石生． 几种物理方法对细胞膜通透性 的影响［J］． 生物技术， 2002， 12 2 52 － 53 ［ 13］杨艳芹， 谢菊芳， 夏利霞， 侯义峰， 肖 磊． 脉冲电场致细胞膜电穿 孔的机理分析［J］． 湖北大学学报 自然科学版 ， 2006， 28 2 165 － 167 ［ 14］肖华娟， 严 萍， 牟 群． 强脉冲电场致细胞膜电穿孔的实验研究 ［J］． 中国科学院研究生院学报， 2005， 22 4 462 － 465 ［ 15］杨艳芹， 谢菊芳， 夏利霞， 侯义峰， 肖 磊． 低强度瞬态电磁场作用 下电穿孔机理探讨［J］． 湖北大学学报 自然科学版 ， 2006， 28 1 55 － 57 责任编辑裴 颖 601