脉冲电场处理强制栽培的菊苣根：提取效率的提升及中试规模的验证

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Pulsed electric field processing of forced endive roots: Enhanced extraction and pilot-scale validation

脉冲电场处理强制菊苣根可显著提升可溶性糖扩散效率，28.44 kJ/kg能量密度在20℃和70℃均实现最优°Brix值，同时保持组织结构完整性优于冷冻解冻法。研究验证了PEF预处理在常温下的规模化可行性，为基于碳水化合物的生物精炼提供高效技术方案。

　　

Neamtallah Assaf | Emmanuel Omachoko Anthony | Massimiliano Rinaldi | Emma Chiavaro | Marwen Moussa | Claire Saulou-Berion | Ana-Karen Sanchez-Castaneda | Nabil Grimi | Mohamed Koubaa

帕尔马大学食品与药物系，科学园区27/A，43124帕尔马，意大利

摘要

强制生长菊苣根（Cichorium intybus L.）在生长结束后通常被丢弃，但实际上它们是一种富含碳水化合物和生物活性分子的宝贵生物质。本研究探讨了使用脉冲电场（PEF）处理来增强菊苣根组织中溶质扩散的方法，并为开发可扩展的提取工艺提供了支持。实验中，根在不同的PEF强度（2.98–142.4 kJ/kg）下进行处理，并在20°C和70°C下评估了可溶性物质的扩散情况。与未经处理的样品相比，PEF显著加速了溶质的释放；在28.44 kJ/kg和142.4 kJ/kg的强度下，两种温度下的°Brix值均达到最高水平，尽管这两种条件下的细胞破坏程度明显不同。基于扩散性能、能源效率及结构变化，最终选择了28.44 kJ/kg的强度进行放大实验。在室温下的试点规模实验验证了实验室结果，放大后的PEF处理效果与实验室条件下的结果一致，可溶性糖的含量比未经处理的样品增加了2.47倍。组织结构分析表明，PEF处理导致组织软化，这可能是由于电穿孔作用引起的结构弱化，同时其效果优于冷冻-解冻处理。总之，PEF作为一种节能且可扩展的技术，在基于碳水化合物的增值转化和发酵应用中展现出巨大潜力。

引言

随着对食品安全和环境可持续性的关注日益增加，人们开始积极开发基于生物的生产系统，尤其是那些符合循环经济原则、旨在减少浪费的系统（Faustino等人，2019年）。生物精炼技术通过成本效益高且可持续的加工方法，从剩余生物质中回收高价值化合物，如功能性成分和营养保健品。同时，消费者对植物基和最少加工产品的需求不断增长，进一步凸显了寻找新型天然原料的必要性（Aschemann-Witzel等人，2019年）。 强制生长菊苣根（FER，Cichorium intybus var. foliosum）传统上被视为农业副产品，但其在可持续增值方面的潜力逐渐受到重视。在欧洲，菊苣主要因其淡绿色的叶片而被种植，从而产生了大量的根生物质。文献表明，这些根含有菊粉、糖类和生物活性化合物，使其在食品、农业、化妆品和生物精炼领域具有应用价值（Barcaccia等人，2016年；Twarogowska等人，2020年）。这些根本可以被转化为有价值的食品或化妆品原料，从而既有助于环境可持续性，又能创造经济价值（H?kkinen等人，2022年；Ravindran & Jaiswal，2016年）。 在根的增值利用策略中，水提取法可以获得富含碳水化合物、可溶性糖、倍半萜内酯和酚类的液体提取物，这些成分在多种工业过程中具有应用价值（Puhlmann & de Vos，2020年；Rambaud等人，2025年；Van Arkel等人，2022年）。传统上，菊苣和强制生长菊苣根中的碳水化合物是通过热水提取或压榨等高温长时间处理方法获得的（Loginova等人，2010年；Zhu等人，2015年）。虽然这些方法有效，但它们依赖于严苛的加工条件，容易导致非选择性细胞破裂，从而可能同时提取出不需要的化合物，限制了下游产品的选择性。然而，脉冲电场（PEF）等非热处理技术作为一种有前景的替代方案出现。PEF通过诱导电穿孔作用在植物细胞膜上产生临时孔洞，从而促进细胞内化合物（如糖类和酚类）的释放，同时保护热敏感分子（Demir等人，2023年；Vorobiev & Lebovka，2008年）。Zhu等人（2012年）发现，600 V/cm的PEF处理时间10 ms可显著提高菊苣根中菊粉的提取率，浓度达到12.2 g/100 mL，纯度达到87.1%，同时处理能耗降低了约5.02 kJ/kg。此外，0.6–0.8 kV/cm的PEF处理结合电阻加热可显著增加菊苣根的组织损伤，从而在不影响扩散性的情况下提高溶质提取效果（Zhu等人，2015年）。Diemer等人（2025年）报告称，经过40 kJ/kg能量输入的PEF预处理后，强制生长菊苣根的液体提取物中抗氧化成分的提取率比单独使用机械压榨方法高出三倍以上。 尽管先前的研究已经证明了PEF处理在提高植物组织液体提取物产量方面的潜力，但仍需进一步研究以优化工艺条件，以最大化提取效率和液体提取物的质量，尤其是总糖含量。此外，不同植物组织之间存在本质差异，即使是同一物种的植物，其组成也可能因来源、栽培和收获条件而异。必须系统地研究电场强度、脉冲持续时间、脉冲次数和特定能量输入等关键参数，以实现细胞破坏、传质增强和能源效率之间的最佳平衡。此外，将PEF辅助提取工艺放大到工业规模是实现强制生长菊苣根工业化增值的关键步骤。有效的放大需要开发可扩展的工艺配置，并将其整合到现有的生物精炼操作中，确保在大规模生产中的可重复性和经济可行性。 在基于扩散的提取过程中，细胞破坏的程度（通常通过细胞破坏指数CDI衡量）对提取效率、选择性和后续处理有显著影响。Zongo等人（2022年）发现，PEF处理显著提高了芒果组织的CDI值，从而增强了选择性渗透性和固体的吸收。这种可控的破坏与冷冻-解冻处理不同，后者会导致几乎完全且非选择性的细胞破裂，而PEF处理可以在保持组织完整性的同时优化提取过程，减少不需要的化合物的共提取。此外，CDI因植物类型和处理条件而异，研究表明，在相同能量输入下，猕猴桃的CDI值高于甜椒和甜菜根（Giancaterino等人，2024年）。Assaf等人（2025年）的研究也发现，PEF处理使芒果的硬度降低了约55%，甜椒降低了43%，这归因于细胞壁破裂、细胞收缩、细胞壁厚度变化和细胞脱离等结构变化，这些变化是提高提取效率的关键机制。 虽然已经研究了PEF辅助提取菊苣和其他根类物质的方法，包括主要针对热驱动扩散条件下菊粉回收的试点规模应用，但尚未有研究报道PEF作为节能预处理方法在低温下实现同等糖类扩散的效果，也未验证其在实际扩散条件下的可行性。 因此，本研究重点优化PEF处理参数，以增强强制生长菊苣根中可溶性物质的扩散。同时研究了温度（20°C和70°C）对扩散动力学和总可溶性物质（°Brix）产量的影响，并在室温（15°C）下放大提取工艺，以最大化液体提取效率并可能提高工艺的可持续性。最后，提出了液体提取物和剩余固体的潜在增值途径，以实现强制生长菊苣根生物质的可持续和经济效益利用。本研究的分析重点限于可溶性固体、可溶性糖和总碳水化合物，这些成分直接支持基于糖类和发酵的增值转化路径。

植物材料

强制生长菊苣根（Cichorium intybus L.）“Flexine-Vilmorin”品种于2024年10月从APEF（法国菊苣生产商协会，阿拉斯）实验站获取。原材料在4°C下储存，并在处理前恢复至室温（15±3°C）。使用RoboCoupe CL60切割机将材料切成均匀的立方体（0.7×0.7×0.7 cm）（图1b）。

原材料的初步表征

原始根样本...

初始表征

未经处理的样本（扩散前的对照）的初始含水量为86.81±0.10%，对应的总固形物含量为13.19±0.10%。扩散后，对照样本的含水量（86.45±0.03%）和总固形物含量（13.55±0.03%）保持不变，表明在没有PEF处理的情况下，液体的吸收或损失很小。 PEF处理明显改变了根的水分-固体平衡。处理前，PEF处理过的样本含水量较高（89.40±0.29%），...

结论

本研究表明，脉冲电场（PEF）处理是一种有效的预处理方法，可增强强制生长菊苣根中的扩散驱动传质。中等强度的PEF处理（PEF₃，28.44 kJ/kg）所获得的可溶性糖提取率与高能量处理（PEF₅，142.4 kJ/kg）相当，说明实现最大糖类扩散并不需要广泛的细胞破坏。组织和结构分析证实了PEF处理具有可控性...

CRediT作者贡献声明

Neamtallah Assaf：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法论设计，实验实施，数据管理，概念构建。 Emmanuel Omachoko Anthony：撰写 – 审稿与编辑，实验实施，数据管理。 Massimiliano Rinaldi：撰写 – 审稿与编辑，结果验证，过程监督。 Emma Chiavaro：撰写 – 审稿与编辑，资金筹措。 Marwen Moussa：撰写 – 审稿与编辑，过程监督。 Claire Saulou-Berion：结果验证，过程监督。

资助

本工作得到了国家恢复与韧性计划（NRRP）下项目（Mission 4 Component 2 Investment 1.3 - 2022年3月15日招标编号341）的支持，该项目由意大利大学与研究部资助，该计划得到了欧盟NextGenerationEU的支持；项目代码为PE00000003，意大利大学与研究部于2022年10月11日发布的特许令编号为1550，项目名称为“ON Foods - 食品与营养研究与创新网络”。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢‘法国菊苣生产商协会（阿拉斯）’提供的强制生长菊苣根样本。