《Food Bioscience》：Pulsed Electric Field effects on plant matrices: A comprehensive review of structural and textural responses
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本综述系统阐述了脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）技术在植物材料加工中的应用，重点分析了PEF通过电穿孔（Electroporation）机制引起的细胞膜通透性改变、细胞壁结构修饰以及淀粉和果胶等大分子变化。文章归纳了PEF在改善质构特性（如硬度、坚实度）、促进传质过程以及提升工业加工效率（如切割、去皮、干燥）方面的潜力，并与其他非热加工技术（如高静压处理HPP、超声波）进行了对比，为开发高效、节能的食品加工策略提供了重要理论依据。
脉冲电场对植物基质的影响：结构与质地响应的全面审视
随着消费者对高品质、安全且营养食品的需求日益增长，食品工业不断探索创新的加工技术。脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）作为一种非热加工技术，因其能有效保持食品的新鲜特性、营养价值和安全性而受到广泛关注。本综述旨在深入探讨PEF在各种植物材料中的应用，着重分析其对细胞结构、作用机制、整体产品质量及工业加工相关性的影响。
结构修饰
PEF处理通过电穿孔作用诱导植物组织发生结构性变化，这些变化直接影响产品的质地和品质。电穿孔的本质是在外加电场作用下，细胞膜上形成可逆或不可逆的孔隙，从而改变膜的通透性。这种结构修饰的程度可以通过细胞崩解指数（Cell Disintegration Index, CDI）来量化，CDI范围从0（无细胞破坏）到1（完全电穿孔），反映了细胞膜破坏的严重程度和组织改性的程度。
研究表明，PEF参数（如电场强度kV/cm、比能量kJ/kg、脉冲数）对结构的影响因植物基质的不同而异。例如，在芒果组织中，较高的比能量输入（4.6 kJ/kg）会导致细胞壁增厚、细胞间粘附力丧失和组织软化。而在马铃薯块茎中，较高的电场强度（≥ 0.5 kV/cm）会引起细胞失稳、脱水甚至不可逆的细胞裂解。CDI与比能量输入的关系通常是非线性的，且高度依赖于基质特性。在胡萝卜和洋葱等组织中，CDI在达到一定能量水平后会进入平台期甚至下降，表明过高的能量输入可能不会带来额外的组织破坏效果。
除了细胞膜，PEF也对细胞壁和细胞活力产生影响。处理会导致细胞壁变薄、中层部分溶解，以及细胞活力下降。电场强度、组织类型和结构屏障（如马铃薯皮）等因素都会影响细胞活力的丧失程度。与传统的热烫处理相比，PEF可以在引起结构性改变的同时，造成相对更轻微的细胞损伤。
PEF对形状因子和伸长指数的影响
植物组织的结构组织由细胞大小、形状、壁厚和空间排列等多种属性决定。其中，细胞伸长是变形的一个关键指标。PEF诱导的细胞膜崩解主要是由电穿孔导致的渗透压失衡引起的。离子和大分子运输的改变导致内部渗透压积累，促进水流入、细胞肿胀，最终可能导致细胞伸长。
然而，多项研究显示，除非施加较强的电场或有其他因素（如组织电导率）影响，PEF对形状因子和伸长指数的影响可能并不显著。例如，在苹果、马铃薯、胡萝卜等多种果蔬组织中，采用较低电场强度（400 V/cm 和 1 kV/cm）的PEF处理并未引起细胞大小或形状的明显变化。在芒果和彩椒中，即使观察到细胞收缩，也未显著改变形状指数和伸长因子。这表明PEF对细胞几何形状的影响可能具有一定的阈值，且与组织的电物理特性密切相关。
PEF对组织质地属性的影响
质地是水果和蔬菜的关键品质特性。PEF诱导的软化主要源于细胞膨压的丧失。膨压由植物细胞内的渗透平衡维持，对产品的机械性能至关重要。PEF处理中，电穿孔增加了膜通透性，导致细胞内液泄漏，膨压显著降低，细胞变得更具可塑性，从而引起组织软化。
软化程度取决于电场强度、脉冲持续时间和比能量输入等因素。适中的PEF强度能增强组织渗透性，在保持接近新鲜产品质地的同时实现软化。而较高的PEF强度则会造成更严重的膜损伤，导致细胞内含物泄漏到质外体空间，引起更大的软化效应。例如，番茄经PEF处理（1.2-5.0 kJ/kg）后，果肉硬度降低了28-67%；芒果（4.6 kJ/kg）和彩椒（10.3 kJ/kg）的坚实度分别降低了55%和43%。
除了改变膜通透性，PEF还会影响细胞壁中的多糖网络。研究表明，PEF可以诱导果胶溶解和多糖解聚，削弱细胞间粘附，从而改变质地。此外，PEF处理可能激活酶促过程（如果胶酶活性），进一步破坏细胞壁基质，增强软化效果。值得注意的是，PEF对质地的影响并非总是负面的。在某些情况下，它能增强理想的质地特性。例如，对马铃薯进行PEF处理（2.5 kV/cm）可将切割力降低33%，同时通过增加淀粉释放和细胞破裂，使炸薯条的脆度提高64%，质地更均匀，吸油量减少。
果胶
细胞壁多糖（如纤维素、半纤维素和果胶）对于维持植物组织的结构完整性至关重要。果胶是初生细胞壁和中层的主要成分，对细胞粘附和整体结构刚性起着关键作用。它对酶促和非酶促转化反应高度敏感。
PEF处理被发现会影响植物组织中的果胶结构。研究表明，PEF可以影响果胶的去酯化程度（Degree of Methylation, DM）。在胡萝卜等维管组织中，PEF比温和热处理更能有效降低DM。DM的降低与质地降解减缓有关，这可能是因为钙离子可用性增加，促进了果胶交联，从而增强了细胞壁。相反，在皮层组织中，DM保持较高水平，未观察到钙结合或果胶网络的显著变化。这表明离子交联在维管组织的质地变化中扮演更重要的角色。然而，PEF对质地的影响可能因组织类型而异，在某些情况下它可能增加软化而非保持硬度。因此，PEF对果胶结构的影响及其组织特异性效应仍需进一步研究。
淀粉
淀粉是马铃薯、南瓜等多种蔬菜中重要的结构和功能成分。PEF处理已被证明可以将淀粉从晶体状态转变为非晶体或无定形状态，破坏其颗粒结晶度。这种过程会改变淀粉的结构，表现为糊化度、结晶度降低以及颗粒形态改变，其效果因淀粉类型和电场强度而异。
在马铃薯和玉米淀粉中，PEF（30–50 kV/cm）会导致颗粒尺寸增大并促进颗粒聚集，表明发生了部分糊化。在木薯淀粉和马铃薯淀粉中（电场强度1-5 kV/cm），PEF会因淀粉链解聚而降低粘度，表明颗粒完整性被削弱。然而，也有研究指出，从PEF处理的马铃薯中分离出的淀粉颗粒仍保持其天然双折射性，晶体结构完好，糊化温度和焓值与未处理样品相似，表明热行为没有发生重大变化。因此，PEF对淀粉相关质地的影响很大程度上取决于其对淀粉颗粒 induced 的结构改性程度。
PEF对离子泄漏与吸收以及传质的影响
PEF技术通过电穿孔暂时或永久性地增加细胞膜的通透性，从而显著改变生物组织。这种增加的膜通透性影响几个重要的生理过程，包括离子泄漏、离子吸收和传质。
研究表明，随着电场强度的增加，离子泄漏速率也会增加。钾离子（K+）表现出最大的泄漏量，与细胞损伤程度相关，而钙离子（Ca2+）的释放则较为有限，这可能与其在液泡等细胞器中的隔离有关。在传质方面，PEF预处理可以改善氯化钠（NaCl）的吸收并减少水分流失。例如，在白菜的盐渍过程中，经PEF处理的样品在较高盐水浓度下吸收了更多的NaCl。PEF处理还增强了马铃薯细胞的糖分释放和氯化钠向组织内的渗透。
有趣的是，有研究发现，相对较低的PEF强度（0.2 – 0.5 kV/cm）不仅不会破裂细胞，反而可能通过诱导过氧化氢（H2O2）产生，修饰细胞壁结构，减缓分子扩散。这与通常预期的更强PEF处理会增加扩散的效果相反，说明PEF的影响具有双向性，取决于处理强度。
PEF与其他非热加工技术的比较
高静压处理
高静压处理（High-Pressure Processing, HPP）通过施加100至1000 MPa的静压力来灭活微生物，同时保持产品的感官和营养品质。HPP在微观结构水平上会引起细胞大小和形状的改变、细胞壁厚度变化、细胞损伤和脱水。在分子水平上，HPP影响淀粉-果胶转化，促进淀粉颗粒膨胀和部分糊化，切断果胶-钙键，并从细胞壁中浸出钙离子。
压力还会降低果胶的酯化度。这些变化导致组织软化、坚实度和硬度下降，即所谓的“瞬时压力软化”。例如，南瓜组织在200-600 MPa的压力范围内处理会导致逐渐软化。HPP是一种已商业化的非热技术，主要用于包装食品的批处理，优势在于均匀的等静压传输和清洁标签，但大规模应用受限于高成本和批量处理能力。
超声波
超声波技术（通常20-100 kHz）通过声空化效应诱导结构改性，空化气泡的剧烈崩溃会产生局部高温高压、强烈的剪切力和自由基。这些效应共同导致细胞和分子结构的改变。
超声波处理会破坏细胞壁和细胞膜，导致细胞分离和塌陷，从而软化产品质地。此外，超声波引起的果胶去酯化也会影响质地。例如，超声处理番茄浆液会降低果胶酯化度，促进去酯化果胶通过氢键和疏水相互作用形成网络，最终影响浆液的质构特性。超声波在食品工业中主要作为辅助技术，用于切割、清洁、过滤和干燥等单元操作。其优势在于通过空化增强传质和过程效率，但工业应用面临放大挑战、设备成本高以及可能引起氧化等问题。
结论
多种加工方法主要通过改变细胞结构和生化组成来影响植物基质的质量和功能特性。脉冲电场（PEF）处理已被证明能显著改变细胞膜完整性、细胞壁结构和组织稳定性。虽然PEF通过电穿孔不同程度地破坏膜结构，但这种选择性细胞损伤可以被用来修饰质地并提高加工效率，而无需完全破坏组织。
尽管对分离的果胶和淀粉已有较多研究，但PEF处理后它们在完整植物组织内的变化仍知之甚少。此外，像去皮等加工步骤对质地和加工效率的影响机制需要进一步研究。离子流和传质等其他生化和结构方面的影响也需深入探索，以阐明它们在质地和功能变化中的作用。
本综述总结了当前关于PEF的知识，并指出了在理解淀粉和果胶在完整植物基质内的行为以及较少研究的加工步骤效果方面存在的空白。同时强调了针对不同植物品种优化加工条件的重要性。从工业角度看，PEF具有明显优势，包括降低能耗和水耗、缩短加工时间、改善质地和传质控制（尤其在马铃薯和水果加工生产线中）。然而，更广泛的应用仍受到基质依赖性响应、需要精确的工艺优化以及对复杂组织中长期结构效应了解有限的制约。未来的研究应侧重于对不同植物材料进行长期、系统的研究，以确定关键加工阈值，阐明结构和分子响应，从而加强机理理解与工业规模应用之间的联系。
