《Food Chemistry》：High-voltage electrostatic field technology in food processing and preservation: mechanisms, applications, and emerging innovations
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高电压静电场（HVEF）作为非热加工技术，在食品干燥、解冻、灭菌等环节中展现出保留营养和感官特性的优势，但其电极设计和材料限制阻碍了工业化应用。本文系统综述了HVEF的均匀/非均匀电场特性、微生物灭活机制、食品化学效应及电极结构优化策略，提出采用超高压介电陶瓷（UHPC）电极的新方法，通过增强电场分布提升冷冻效率，同时探讨UHPC材料制备与规模化挑战。
王启军|张志涵|孙大文
华南理工大学食品科学与工程学院，中国广州510641
摘要
传统的食品加工方法（如化学杀菌、热处理和冷冻）可能会损害食品的感官特性并降低其营养价值。高压静电场（HVEF）作为一种非热处理技术，因其能够保持食品质量而受到关注。本文综述了HVEF的工作原理及其在食品保存和加工中的应用，包括干燥、解冻、冷冻和杀菌等方面。同时探讨了提高产品质量的微观机制和策略。此外，还讨论了HVEF在工业应用中的现有局限性，并介绍了一种使用超高介电常数陶瓷（UHPC）的辅助冷冻方法。尽管这种方法增强了HVEF辅助冷冻的效果，但仍需解决与UHPC材料及加工相关的问题，以实现更广泛的工业应用。
引言
新鲜农产品（如水果、蔬菜、肉类和海鲜）在收获后容易因微生物活动和生化反应而变质（Dai等人，2025年）。合理的保存方法和适当的后处理程序是一个亟待解决的问题，这也引起了全球食品科学家和工程师的广泛关注。近几十年来，食品工业中采用了多种食品保存技术，包括化学技术、热处理技术等（Tuesta等人，2025年）。然而，这些技术存在一些缺点，如处理时间较长、热量损失过多、感官质量下降以及对人类健康的潜在危害等。为了克服传统技术的局限性，人们开发了创新的非热处理技术。高压技术、光技术、冷等离子体技术、超声波处理和高压静电场等技术被频繁应用（Sreelakshmi等人，2025年；Wei等人，2025年）。图1A展示了非热处理技术的关键时间点。
高压静电场（HVEF）通常指的是输出电压超过2.5 kV、电场强度在10^4–10^5 V/m范围内的静电场（Hu等人，2021年）。由于其低能耗和高效率，HVEF在食品保存和加工方面具有巨大潜力。
高压静电场技术最初是由研究人员开发的，他们试图利用其极化和重新排列水分子的能力以及促进冰晶形成的作用来提高冷冻食品的质量（Wang等人，2023年；Wang, Dong等人，2024年）。然而，由于电极板的材质限制，电极板之间的距离通常不足以处理较大的样品。超高介电常数陶瓷（UHPC）的出现解决了这一问题，使得高压静电场辅助冷冻技术得以进一步研究和发展。
近年来，HVEF技术的发展促使研究人员探索更广泛的应用领域。受传统保存方法的启发，HVEF在微生物灭活、干燥、解冻以及水果和蔬菜的保存方面取得了新的进展，其效果超过了传统的保存和后处理方法，有望成为一种高效的新型食品保存技术（Hu等人，2026a；Tian和Ding，2023a；Zheng等人，2024年）。
目前尚无专门介绍HVEF在微生物灭活应用中作用机制的综述，也没有全面系统地描述HVEF在解冻和干燥中的优缺点。本文总结了均匀和非均匀HVEF的特点及其应用，并深入分析了HVEF在这些过程中的优缺点，包括其灭活原理以及对于水果和蔬菜保存的效果。此外，本文还从食品化学指标（如氧化产物、酶促褐变、抗氧化系统和大分子稳定性）的角度讨论了HVEF的应用。
部分内容
均匀静电场
电极配置在整个系统中起着关键作用。根据是否需要局部放电以加速热量和质量传递，电极类型可分为针状电极、带刺电极、刺板电极和平行板电极（Dalvi-Isfahan等人，2023年；Du等人，2019年）。
平行板电极中没有局部放电现象，有助于形成均匀的静电场。
微生物灭活
作为非热杀菌方法，电场技术具有操作简便、能耗低以及经济和环境效益等优点（White等人，2025年）。它能有效保持食品的营养和感官品质。目前，电场杀菌技术在食品工业中得到了广泛应用。金黄色葡萄球菌是一种常见的致病菌，容易污染富含蛋白质的食品（如鱼类、牛奶等）。
ROS/臭氧的双重作用
从食品化学的角度来看，ROS/臭氧的双重作用体现了理想的氧化杀伤效果与不希望出现的品质降解氧化反应之间的平衡。在HVEF处理过程中，需要将ROS/臭氧的“有益”与“有害”作用视为可调节的过程变量，而不是不可避免的副产品。在微生物灭活过程中，非均匀静电场可以有针对性地利用ROS/臭氧来提高杀菌效果；但在干燥和解冻过程中，则需要考虑其他因素。
挑战与未来展望
作为一种非热物理场，HVEF在食品保存领域具有巨大的潜力，但仍需进一步改进。
其中一个关键挑战在于选择合适的实验设备。鉴于两种设备的不同工作原理，根据实际需求做出明智的选择至关重要。例如，在需要快速热量和质量传递的解冻、干燥和杀菌等操作中，应选择合适的电极配置。
结论
本文阐明了HVEF作为食品保存和后处理方法的可行性机制，全面讨论了控制HVEF电极配置的原理，强调了HVEF在提高食品质量和延长保质期方面的作用，并指出了其在食品工业中的优势和潜在局限。如本文所述，HVEF在多种加工过程中具有广泛的应用前景。
作者贡献声明
王启军：数据验证、监督、资源协调及资金筹集。张志涵：初稿撰写、实验设计及数据分析。孙大文：修订与编辑、监督、资源协调及资金筹集。
未引用的参考文献
Aaliya等人，2021年
Gao等人，2025年
Golberg, Fischer和Rubinsky，2010年
Kaavya等人，2021年
Palanimuthu, Rajkumar, Orsat, Gariépy和Raghavan，2009年
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（2024YFD2100604）和国家自然科学基金（22378141、32302274）的支持。本研究还得到了广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515012302）、广东省科技计划（2023B020209003）、广州市科技计划项目（2023B01J2001）以及广东国际等机构的支持。
