改进半固体食品的可持续供应链：以草莓果浆生产为例，探讨使用电阻加热替代传统巴氏杀菌的方法

《ACS Food Science & Technology》：Improving a Semi-Solid Food Sustainable Supply Chain: A Case Study of Strawberry Pulp Production Using Ohmic Heating as an Alternative to Conventional Pasteurization

　　草莓酱巴氏杀菌中ohmic加热技术的经济性与安全性评估：研究对比传统蒸汽加热与ohmic加热在草莓酱加工中的效果，发现ohmic加热在微生物灭活（真菌、酵母及嗜温菌均降至不可检水平）方面更具优势，同时能耗降低86.6%（0.007元/批次 vs. 0.10元），成本仅为传统方法的7.3%。物理化学指标（pH 3.00、°Brix 7.70、糖酸比46.14）及色泽（ΔE* 15.31）与传统工艺无显著差异，验证了该技术对产品品质的保留能力。

　　本研究探讨了欧姆加热（Ohmic Heating, OH）作为一种替代传统巴氏杀菌技术的新型食品加工方法，特别应用于草莓果泥（一种半固态食品）的处理。通过对比OH与传统方法在经济可持续性、物理化学性质以及微生物安全性方面的表现，研究旨在评估OH在食品加工领域中的应用潜力，特别是在提升加工过程的环境友好性和产品质量方面的优势。

### 一、背景与研究意义

巴西是全球第九大草莓生产国，大部分草莓用于国内消费，通常以新鲜状态销售。然而，随着气候变化的影响日益加剧，草莓的生产面临着严峻的挑战。不稳定的气候条件，如极端天气、气温升高和降水模式的变化，正在对草莓的产量和品质造成负面影响。为应对这些挑战，需要引入更具韧性的农业实践和创新的食品加工技术，以确保草莓供应链的稳定性和可持续性。

草莓果泥作为一种重要的加工产品，在巴西的食品工业中占据重要地位。果泥不仅直接面向消费者，还被广泛用于餐饮、烘焙以及工业食品如酸奶、冰淇淋和乳制品饮料等。由于草莓果泥属于非发酵、未经稀释的食品，其加工过程必须严格控制以确保产品质量。传统的巴氏杀菌方法通常通过蒸汽或热水进行热交换，使食品达到82至92°C的温度范围以确保商业无菌。然而，这些方法往往伴随着较高的能耗和可能的营养损失。

在这样的背景下，欧姆加热作为一种新型的食品加工技术，逐渐受到关注。该技术通过将交变电流施加于食品材料中，使其内部产生热量，从而实现快速加热和杀菌。相较于传统方法，OH不仅能够减少热损伤，还能有效保持食品的感官和营养品质。此外，OH的环境优势也十分明显，它能够利用可再生能源，减少对化石燃料的依赖，同时具备即时断电功能，避免能源浪费。

因此，本研究旨在评估OH作为草莓果泥加工的可持续替代方案，重点分析其在能耗、物理化学特性（如pH值、糖度、酸度、颜色参数）以及微生物安全性（如总需氧嗜温菌、霉菌和酵母）方面的表现，以期为食品工业提供新的加工思路。

### 二、研究方法

#### 2.1. 草莓原料的选取

本研究选用的是San Andreas型草莓，来源于巴西米纳斯吉拉斯州南部的Senador Amaral/Cambuí地区，并从GO州的Empório do Morango采购。草莓在加工前经过筛选，去除破损果实，保留健康果实用于实验。健康的草莓经过清洗、消毒（使用50 ppm的次氯酸钠溶液浸泡10分钟）以及去除残留叶片和果梗等步骤，确保原料的清洁度。

#### 2.2. 巴氏杀菌过程

在巴氏杀菌过程中，所有用于处理的工具均经过彻底清洗和高温消毒。草莓被放入工业搅拌机中，直至达到均匀的果泥状态。随后，果泥通过传统筛网过滤，并装入玻璃罐中，每罐装有130 mL的果泥。两种巴氏杀菌方式均使用相同的加热时间与温度条件，即88°C持续2分钟。为了确保杀菌效果，使用了两个K型热电偶插入样品中，监测热分布并识别冷点，从而记录完整的杀菌曲线。

在实验中，传统巴氏杀菌采用工业烤箱和铝制托盘，而OH则通过欧姆加热装置实现。电极连接在加热设备的两侧，电压调节器启动后，首先施加200 V的电压（产生9.13 V/cm的电场），使果泥升温至88°C，随后电压调整为84 V（产生3.83 V/cm的电场），以维持温度2分钟。整个过程使用60 Hz的频率，以确保电场稳定。杀菌完成后，设备断电，果泥迅速包装并冷却至15°C。

#### 2.3. 电导率与能耗计算

在OH过程中，电导率的测量是关键参数之一。电导率（σ）由电流（I）、电极间距（L）、电极表面积（A）和电压（V）决定，公式为：σ = IL / AV。本研究中，电极间距为21.9 cm，电极材料为304不锈钢，且带有特氟龙螺纹。通过监测电导率和温度的变化，可以更精确地控制加热过程。

能耗方面，传统巴氏杀菌的能源消耗基于液化石油气（LPG）的高热值（11,750 kcal/kg）进行计算。在实验中，使用的燃气流量为0.17 kg/h。对于OH，能耗计算基于每10秒的功率消耗，使用公式P = ∑(VIΔt)，其中P为功率（W），Δt为时间间隔（s）。将结果转换为千瓦时（kWh）后，再结合电价进行成本估算。结果显示，OH的能耗显著低于传统方法，尽管其加热时间较长。

#### 2.4. 物理化学与微生物分析

本研究对草莓果泥的物理化学性质进行了详细分析，包括pH值、糖度（°Brix）、总酸度（以柠檬酸计）、糖酸比以及颜色参数（L*、a*、b*、色度C*、色调角h°和色差ΔE*）。此外，还对微生物安全性进行了评估，包括总需氧嗜温菌、霉菌和酵母的含量。

pH值是衡量食品酸碱性的关键指标，直接影响微生物的生长和食品的保质期。糖度（°Brix）则反映了果泥中可溶性固体的含量，是判断果实成熟度的重要依据。总酸度和糖酸比用于评估食品的酸甜平衡，对感官品质有重要影响。颜色参数则通过ColorFlex EZ色差计进行测量，L*代表亮度，a*和b*分别代表红绿色和黄蓝色的色度，ΔE*用于衡量颜色变化的幅度。

在微生物分析方面，使用了平板计数琼脂（PCA）和马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）进行检测。PCA用于测定总需氧嗜温菌，PDA用于测定霉菌和酵母。根据巴西国家卫生监督局（ANVISA）的规定，草莓果泥中霉菌和酵母的最高允许限量为10? CFU/g。实验中发现，未经处理的果泥中微生物含量较高，而经过OH和传统巴氏杀菌处理后，微生物数量显著下降，甚至低于检测限。

### 三、研究结果与讨论

#### 3.1. 欧姆加热参数分析

实验结果表明，OH的加热时间较长，这主要归因于草莓果泥的高固体含量和较高的粘度。较高的粘度会阻碍电流的高效传导，从而影响加热速率。相比之下，传统巴氏杀菌的加热过程更为迅速，但其能耗较高。

在热致死性（Lethality）方面，两种方法均达到了较高的杀菌效果。根据z值（微生物对温度变化的耐受性）计算得出，OH和传统巴氏杀菌的热致死性均远高于监管要求的最低值。例如，对于大肠杆菌O157:H7，要求至少实现5个对数的减少。而实验中两种方法均达到了更高的杀菌效果，表明其在确保食品安全方面具有显著优势。

#### 3.2. 物理化学特性分析

在物理化学特性方面，两种巴氏杀菌方法对草莓果泥的pH值、糖度、酸度和糖酸比均未产生显著影响（p > 0.05）。这表明OH在保持食品原有特性方面表现良好。然而，果泥的颜色参数在两种方法之间存在差异。OH处理的果泥表现出更低的色差（ΔE*），说明其在保持颜色稳定性方面优于传统方法。

此外，果泥中的有机酸（如柠檬酸）在高温处理过程中可能发生变化，导致酸度略有波动。实验中发现，OH处理的果泥酸度略高于传统方法，但这种差异并未达到统计学显著水平。总体而言，两种方法在保持草莓果泥的物理化学特性方面表现相似，表明OH在食品加工过程中对营养成分和感官特性的影响较小。

#### 3.3. 微生物安全性分析

在微生物安全性方面，OH表现出更优的杀菌效果。实验中发现，OH处理后的果泥中霉菌、酵母和总需氧嗜温菌的含量均低于检测限（<10 CFU/g），而传统巴氏杀菌处理后的样品中仍有部分微生物残留。这一结果表明，OH在微生物灭活方面具有显著优势。

尽管OH的杀菌效果优于传统方法，但研究并未提供直接证据（如膜完整性实验或扫描电镜图像）来支持这一结论。可能的原因是，OH的杀菌机制不仅依赖于热效应，还可能涉及非热效应，如电穿孔（Electroporation）。然而，由于实验中未对这些非热效应进行详细研究，因此无法确认其对微生物灭活的具体贡献。

#### 3.4. 能源效率与环境影响

OH的一个显著优势是其能源效率。传统巴氏杀菌依赖于外部热源，如蒸汽或热水，这些热源通常来自不可再生能源，导致较高的能源消耗和碳排放。而OH通过电流直接转化为热能，使热量均匀分布在食品内部，从而实现更高效的杀菌过程。

此外，OH的环境优势还体现在其可再生能源的使用上。由于OH能够迅速断电，避免不必要的能源浪费，因此其整体碳足迹远低于传统方法。这种即时断电的能力是OH在可持续食品加工中的重要特征，有助于减少能源消耗和环境影响。

#### 3.5. 工艺优化与技术挑战

在提升OH的微生物安全性方面，优化电场强度、频率和加热时间是关键。研究表明，中等电场（1–1000 V/cm）可以有效破坏微生物细胞膜，提高杀菌效果，同时减少对食品的热损伤。因此，在实际应用中，需要根据具体食品特性调整这些参数，以实现最佳的杀菌效果。

然而，OH在工业化应用中仍面临一些挑战。首先，OH系统的设计需要考虑电极材料的选择。不同电极材料对电导率、电场分布和电化学反应的影响不同。在酸性或高盐溶液的处理中，电极材料的选择尤为重要，以避免电化学反应对食品质量的负面影响。

其次，OH系统的可扩展性也是需要关注的问题。目前，实验仅在实验室规模进行，而实际工业应用中需要确保电场分布的均匀性和加热时间的可控性。此外，加热过程中可能出现的电极结垢、局部pH变化和电解反应等问题，也可能影响处理效率和食品质量。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素，以确保OH技术在大规模生产中的可行性。

### 四、结论与展望

综上所述，欧姆加热作为一种新型的食品加工技术，在草莓果泥的巴氏杀菌过程中表现出良好的效果。其不仅能够有效降低能耗，还能够保持食品的物理化学特性，同时显著提高微生物安全性。然而，尽管OH在实验室条件下表现出优异的性能，其在工业化应用中仍需进一步优化和验证。

未来的研究应重点关注OH对食品中营养成分和生物活性物质（如维生素C、多酚和花青素）的影响，以及电化学反应对食品质量的潜在影响。此外，OH系统的可扩展性、电极材料的选择、加热均匀性和工艺参数的优化，将是推动该技术在食品工业中广泛应用的关键因素。通过进一步的实验和数据分析，可以为OH技术的工业化应用提供更坚实的科学基础，从而促进食品加工领域的可持续发展。