黃 藝，李丹丹*，楊 哪，陶 陽，韓永斌

（1 南京農(nóng)業(yè)大學食品學院全谷物食品工程研究中心 南京210095 2 江南大學食品學院 江蘇無錫214122）

酶是活細胞產(chǎn)生的、具有高效催化功能的一類特殊蛋白質(zhì)及某些核糖核酸。一方面，酶是生命活動必不可缺的條件，生物體代謝的各種生化反應幾乎都是在酶的催化作用下進行的；另一方面，與常規(guī)的化學催化劑相比，酶具有高效、反應條件溫和、高度專一性、受調(diào)節(jié)控制和對環(huán)境友好等特性，使其作為一種催化劑在食品、輕工、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、能源和科學研究等多個領域得到廣泛應用[1-2]。酶在食品工業(yè)中所起作用是雙方面的，有些酶催化的反應不利于加工，例如多酚氧化酶、過氧化物酶導致食品褐變；有些酶催化的反應是加工過程需要的，如淀粉酶降解淀粉生產(chǎn)淀粉糖，蛋白酶降解蛋白生成風味肽等[3]。如何在生產(chǎn)中利用酶的特性，促進或者鈍化酶的催化作用，讓酶更好地服務于工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活具有深遠意義。

電場處理是一種利用高電流或高電壓實現(xiàn)快速傳熱或傳質(zhì)的新型食品加工技術，具有“綠色、高效、連續(xù)化”等工業(yè)生產(chǎn)屬性[4-6]。通常地，低強度電場處理可改善酶活性，降低反應的活化能，有利于酶促反應的進行；而高強度電場處理會嚴重破壞酶分子的結構，使酶活性鈍化[7-8]。電場逐漸成為食品資源開發(fā)與利用的重要手段，在酶促反應領域有著重大的科學價值和應用潛力。本文從電場技術入手，綜述電場在激活和鈍化酶促反應中的應用現(xiàn)狀，指出電場改變酶活力的關鍵影響因子及機理，以期為利用電場技術實現(xiàn)食品組分高效酶法改性和鈍化酶活力來改善食品貯藏性提供理論依據(jù)。

1 電場技術的簡介

食品領域常用的電場技術有脈沖電場（PEF）、歐姆加熱（OH）和感應電場（IEF），其結構示意圖見圖1。PEF 和OH 是通過在金屬電極兩端施加電壓的方式產(chǎn)生電場，屬于電極類電場技術[6]；IEF 是通過電磁誘導的方式產(chǎn)生電場，屬于磁電誘導類電場技術[9]。

1.1 脈沖電場（PEF）

PEF 是一種新型的非熱加工技術，通過反復向兩個平行金屬電極施加高電壓（0～50 kV）、短脈沖（0～100 μs）形成脈沖波的方式作用于食品中的微生物、酶和營養(yǎng)成分[10-11]（圖1a）。脈沖波形有指數(shù)衰減波形、方波波形和阻尼RLC 脈沖波形3種。低強度脈PEF 處理可誘導酶分子極化，改善α-淀粉酶、麥芽β-淀粉酶等的活性，在食品組分高效酶法改性中有著較大應用前景[12-14]。高強度PEF 處理會導致微生物細胞膜穿孔、裂解以及酶結構的破壞，從而達到殺菌、鈍酶和延長食品保存期的目的[7]。與傳統(tǒng)的熱力殺菌、鈍酶方式相比，PEF 處理時間極短，通常在幾十微秒之內(nèi)就可以完成，熱能損失少且不需要加熱，對食品成分的破壞較小，能夠最大限度的保留食品本身的風味、色澤、口感和營養(yǎng)價值[11，15]，在半固態(tài)或液態(tài)食品的連續(xù)殺菌、鈍酶中具有廣闊的應用前景。

1.2 歐姆加熱（OH）

OH 又稱電阻加熱，焦耳加熱或電子加熱，是通過在電極兩端施加電壓，利用食品材料中電解質(zhì)溶液離子或熔融電解質(zhì)的定向運動產(chǎn)生焦耳熱的方式進行加熱[16]，工作原理見圖1b。根據(jù)所施加電壓類型的不同，分為直流歐姆加熱（電壓：0～1 000 V/cm）和交流歐姆加熱（電壓：0～1 000 V/cm；頻率0～1 000 Hz，常用110 V/cm 或220 V/cm，50 Hz 或60 Hz）兩種。由于直流電往往會導致比交流電更嚴重的電極腐蝕，因此在實際生產(chǎn)中多采用交流歐姆加熱[17]。OH 過程中的電場亦稱作中強電場（MEF），目前MEF 與OH 的概念尚無明確的區(qū)分。與傳統(tǒng)加熱方式相比，OH 是物料直接將電能轉化為熱能的過程，不需要物體表面和內(nèi)部存在的溫度差作為傳熱的推動力，而是在物料的整個體積內(nèi)自身產(chǎn)生熱量，具有加熱速度快、加熱均勻、能量利用率高等特點，且所得產(chǎn)品營養(yǎng)成分損失少、品質(zhì)高[18-19]。除了熱效應外，研究者也證明OH 會產(chǎn)生非熱效應，導致蛋白等帶電大分子的極化以及細胞膜的電穿孔[20]。目前，OH 已廣泛用于殺菌、鈍酶、脫水、提取和有機合成等方面[21]。

圖1 常用電場技術結構示意圖Fig.1 Structure diagram of common electric field technology

1.3 感應電場（IEF）

IEF 是以變壓器為基本結構，通過磁電誘導產(chǎn)生電場的方式對次級線圈中的液體樣品進行處理，屬于電磁誘導類電場技術（圖1c）。該技術首先由Rosenbauer 于1997年提出，之后俄亥俄州立大學Sastry 等[22]于2000年分析了IEF 的優(yōu)勢：IEF 可在不使用金屬電極的情況下通過產(chǎn)生磁感應電壓來處理液態(tài)食品，一方面與OH 產(chǎn)生的電場強度、頻率類似，也可強化食品的傳熱傳質(zhì)；另一方面，也可避免金屬電極類電場技術處理食品過程中可能導致的電極腐蝕和產(chǎn)品重金屬污染問題。2013年，Pryor 博士[23]利用Comsol Multiphysics軟件模擬得知當海水作為感應電場次級線圈時，在初級線圈輸入激勵電壓后同樣可在海水中獲得感應電壓和感應電流。這些報道均表明IEF 可替代電極類電場加工技術，應用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領域?；诖?，Jin 等[24]于2015年搭建了連續(xù)流IEF 系統(tǒng)。張夢月[25]證實了IEF 可有效鈍化蘋果汁中的多酚氧化酶和過氧化酶。Zhang 等[26]和Li等[27-28]研究表明IEF 的加工效率與其反應單元、系統(tǒng)等效阻抗、輸出功率、加載功率因子以及溫度等因素相關。

2 電場處理改變酶活力的機理

目前，電場處理改變酶活力的機理尚不完全明確，普遍認為與熱效應、電化學和電解反應以及酶分子的極化有關。

2.1 熱效應

溫度的增加會顯著改變酶的構象，從而增加或降低酶活。在電場處理過程中，電流通過有阻抗的物料時，會產(chǎn)生焦耳熱效應。OH 處理會導致樣品溫度迅速增加，其產(chǎn)生的熱量與電場強度的平方和樣品電導率成正比[19]。IEF 的電場強度和頻率與OH 類似，因此也會導致較強的熱效應。Li 等[28]報道經(jīng)勵磁電壓75 V、勵磁頻率400 Hz 的IEF 處理30 min 后，多糖酸解液的溫度會增加大約25℃。PEF 脈沖短，處理時間短，屬于非熱加工技術，產(chǎn)生的溫升較小，通常低于5 ℃[6]。綜上，利用OH和IEF 處理酶時，熱效應的影響不可忽略，然而利用PEF 時熱效應的影響通?？珊雎浴?/p>

2.2 電化學反應和電解反應

電極表面發(fā)生的電化學反應會導致正負極周圍發(fā)生部分電解[29-30]。水的電解會產(chǎn)生氫氣、氧氣以及離子（H+和OH-）[29]。氧氣經(jīng)過光解后形成活性氧（ROS）【包括超氧陰離子自由基（O2-）、單線態(tài)氧（1O2）和過氧化氫（H2O2）】。在電場作用下，H2O2與臭氧（O3）之間亦可反應生成羥自由基（·OH）[31]。在活性氧或自由基的作用下，生物大分子的分子鏈可能被打斷，發(fā)生降解。Ma 等[29]報道經(jīng)PEF 處理后，果膠的酯化度和分子質(zhì)量均降低。此外，離子、蛋白質(zhì)和其它聚電解質(zhì)等帶電分子會沿著電場方向遷移，使局部pH 值發(fā)生改變并造成電極表面的腐蝕。離子的積聚也會改變生物大分子內(nèi)部的靜電相互作用，導致其構象變化[32-33]。當電場強度增大到一定程度時，蛋白質(zhì)會發(fā)生疏水作用和二硫鍵交聯(lián)作用造成蛋白質(zhì)聚集，溶解度下降，即產(chǎn)生蛋白聚集現(xiàn)象。靜電相互作用在聚集物的形成過程中起到非常重要的作用，疏水相互作用、氫鍵和二硫鍵同樣也是聚集物形成的作用力。吳梨[32]發(fā)現(xiàn)在PEF 處理過程中，蛋清蛋白分子的空間結構逐漸展開，內(nèi)部的疏水基團和巰基逐漸外露，蛋白分子間發(fā)生聚集、形成不溶性的蛋白聚集體。

2.3 酶分子的極化效應

在電荷分布不均勻的分子中，正、負電荷中心不重合，每個分子可以等效為一個電偶極子。在沒有外加電場作用時，偶極距的取向是雜亂的；在有外加電場作用時，非極性分子中的正、負電荷向相反方向位移，產(chǎn)生感應偶極距，而極性分子中分子固有偶極距趨向于沿電場方向排列[34]。Neumann等[35]的研究證實了電偶極距的形成以及離子環(huán)境中分子結構的極化是導致生物大分子構象轉變的原因。Barba 等[36]報道稱只有電場強度達到臨界值時，才可引起蛋白分子的極化。如圖2所示，在低強度PEF 作用下，蛋白分子沿著電場方向有序排列，然而其結構變化較?。桓邚姸萈EF 可誘導蛋白分子極化，其內(nèi)部的疏水基團外露；隨著電場強度進一步增加，極化蛋白分子間通過疏水相互作用絡合[36]。電場對酶分子的影響與介質(zhì)導電性和蛋白電荷密度有關[5]。金屬鹽可增加介質(zhì)導電性，提高電加工效率[37]，且金屬離子可與酶分子的活性部位結合，直接改變酶活力或通過改變酶分子的電荷密度影響電場的極化效應[5，20，38-40]。

圖2 脈沖電場作用下蛋白質(zhì)的極化行為[36]Fig.2 Polarization behaviour of protein under pulsed electric field treatment[36]

3 電場處理改變酶活力的研究進展

3.1 臨界電場強度（Ec 值）

Ec值是電場處理改變生物大分子結構、構象和功能所需的閾值[36]。目前，描述Ec值主要基于電場強度[41-42]，然而其它加工參數(shù)對Ec值也有一定影響。對于脈沖電場來說，Ec值包括電場強度、脈沖數(shù)、脈沖頻率、處理時間、脈沖能量、總比能量輸入和處理溫度等參數(shù)[43]，其大小取決于電場處理系統(tǒng)配置、腔室?guī)缀涡螤?、電極和電場的傳遞速率、介質(zhì)電導率、介質(zhì)pH 值、底物帶電性質(zhì)等。例如，在PEF 分批處理系統(tǒng)（1）或連續(xù)處理系統(tǒng)（2）中可用特定的能量輸入（Q）來描述Ec值[43-44]：

式中，U——電壓，V；I——電流，A；tp——脈沖寬度，μs；n——脈沖數(shù)量；R——材料的電阻率，Ω；w——樣品質(zhì)量，g；f——脈沖頻率，Hz；m——產(chǎn)品質(zhì)量流量，mL/s。

近年來的研究證明Ec值是導致生物大分子結構改變的原因，每種生物大分子的Ec值是特定的。若能準確計算出某種酶的Ec值，即可根據(jù)實際情況設定電場加工參數(shù)以達到預期效果。Ec值通常代表酶活力開始發(fā)生轉變的電場參數(shù)。然而在涉及生物大分子修飾的研究中，想要準確測定出電場參數(shù)實際值以描述其變化的開始是十分困難的。目前大多數(shù)的研究都使用一組參數(shù)或單個設置值的范圍來定義變化的開始和進展。然而分子極化或自由基產(chǎn)生的時間序列在微秒范圍內(nèi)，在沒有快速檢測和鑒別方法的情況下，無法準確測定Ec值[36]。此外，生物大分子的結構修飾可以在較低的強度下開始，并在逐漸增強的電場處理過程中形成累積效應。在電場處理期間，生物大分子構象恢復到原始狀態(tài)或分解成其它形式的暫時性改變亦會使Ec值的準確檢測復雜化[37]。盡管在正確建立測定體系方面仍存在困難，但Ec值的準確估計對于促進電場處理生物大分子修飾過程中的可預測性是必要的。

3.2 電場改善酶活力的研究

低強度電場處理可通過熱效應、電化學反應和極化效應改善酶活力，然而這方面的報道相對較少，主要集中于淀粉酶和氧化酶這類耐熱性的酶。

3.2.1 脈沖電場（PEF）改善酶活力的研究 低強度PEF 處理提高酶活力的機制可能是維持酶蛋白分子結構的次級鍵在電場作用下發(fā)生改變，酶分子重新折疊，更多色氨酸等芳香族氨基酸殘基暴露，使酶結構更為有序和靈活，更加容易與底物結合，進而使酶活性增加[45-46]。Ohshima 等[46]利用12～13 kV/cm 的PEF 處理過氧化物酶、烯醇化酶、β-半乳糖苷酶、乳酸脫氫酶、轉化酶和葡萄糖淀粉酶時發(fā)現(xiàn)，6 種酶的活力可提高5%～20%，然而隨著PEF 電場強度的進一步增加，酶活力降低。Gürsul 等[47]研究發(fā)現(xiàn)低強度PEF（600～1 200 V/cm）處理可改善番茄細胞中苯丙氨酸氨裂解酶活性，且改善效果與電場強度和脈沖數(shù)顯著相關。田美玲等[48-49]研究了PEF 對α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和果膠酶活力的影響，結果表明分別在15 kV/cm、100 mL/min，15 kV/cm、80 mL/min，12 kV/cm、80 mL/min 的條件下處理，3 種酶的一級結構未發(fā)生明顯變化，而二級結構和三級結構改變，結構有序性增加，活性分別增加22.13%，20.74%和21.89%，且3 種酶的貯藏穩(wěn)定性增強、最適溫度范圍增加。李超群等[13，50-51]研究發(fā)現(xiàn)PEF 處理有利于提高大麥萌發(fā)的活力。經(jīng)PEF 處理后，β-葡聚糖酶、α-淀粉酶和β-淀粉酶的活力最高增加21.46%，26.48%和23.57%；Ca2+可改善PEF 對麥芽淀粉酶活力的促進作用，在電壓10 kV、頻率500 Hz、脈沖寬度7 μs 和處理時間12 min 時，α-淀粉酶的活力和糖化力分別提高了54.02%和12.65%?？傊蛷姸萈EF 可通過改變酶的二級和空間結構，增加其結構有序性，從而改善某些酶尤其是耐熱淀粉酶的活力，且改善作用與電場強度、頻率、脈沖寬度、脈沖數(shù)、流速和金屬離子等因素有關。

3.2.2 歐姆加熱（OH）改善酶活力的研究 OH 處理時會快速產(chǎn)熱，主要用于鈍化酶。然而，有少量研究表明，在消除熱效應時，OH 加熱過程中的MEF 也可改善酶活力。Varella 等[52]于1984年利用OH 處理來加速α-淀粉酶催化的木薯淀粉的液化過程。之后，Samaranayake 等[8]研究了MEF（1 V/cm）對α-淀粉酶活力的影響，結果表明在頻率1～60 Hz 時，淀粉酶的活力逐漸增加，最高可達41%（60 Hz），然而隨著頻率的進一步增加，酶活力不變或略有下降。利用Matlab 軟件的Runge-Kutta算法編程分析淀粉酶在電場中的運動模式發(fā)現(xiàn)，酶分子在電場做平動的同時由于受力不均勻會發(fā)生旋轉：當頻率＜60 Hz 時，酶分子做沿著電場線方向平動的位移大于水分子間的間距，酶活力增加；當頻率＞60 Hz 時，電場方向快速變化限制了酶分子平動的位移，酶活力不變或略有降低。我國的科學家也對MEF 在提高酶活力方面的應用進行了一些研究。楊慧等[53]利用60 Hz 的低頻電磁場促進α-淀粉酶催化降解玉米淀粉，結果表明低頻電磁場對淀粉顆粒和結晶結構無顯著影響，對淀粉酶一級結構的影響不顯著，對酶分子二級和三級結構產(chǎn)生可逆性影響。何熙等[54]利用電場處理進入發(fā)酵后期的瓶裝腐乳，發(fā)現(xiàn)電場強度低于300 V/cm 時，毛霉中的蛋白酶酶活性無明顯變化，然而在電場強度300～500 V/cm 下作用6 min，可以縮短15%的后發(fā)酵期。王志勇[55]利用分子動力學手段研究了葡萄糖氧化酶在電場作用下（0.001 V/nm）的結構變化，結果表明隨著電場處理時間的增加，該酶的總能量增加，運動性增加，氫鍵和二級結構發(fā)生變化，然而整體結構變化不大。楊曉宇[56]利用分子動力學手段研究了過氧化氫酶在電場作用下結構的變化，結果表明在強度為0.001 V/nm 的電場作用下，過氧化氫酶內(nèi)部結構中骨架原子及酶蛋白的旋轉、平動等位置變化發(fā)生了一定的變化，然而整體結構變化不顯著。總的來說，消除熱效應時，低強度電場對酶結構的影響較小，可在一定程度上改善酶活，改善作用與頻率顯著相關。

3.2.3 感應電場（IEF）改善酶活力的研究 IEF是基于磁電誘導構建的無電極電場技術，是近年來新興的電場技術，在食品工業(yè)具有廣闊的應用前景。目前國內(nèi)外關于IEF 激活酶的報道尚缺乏。張夢月[25]研究發(fā)現(xiàn)，IEF 在50 ℃條件下時處理蘋果汁，多酚氧化酶的相對酶活力增加了15.12%，過氧化物酶的相對酶活力增加了26.01%。

表1 電場處理改善酶活力的研究Table 1 Studies on improving enzyme activity by electric field-based techniques

3.3 電場鈍化酶活力的研究

酶活力的鈍化是食品保藏中的一個關鍵加工工序。食品工業(yè)中通常采用加熱處理進行滅酶，熱處理的溫度取決于酶的種類，然而大多數(shù)是在60～90 ℃之間采用高溫短時或超高溫瞬時滅酶。熱處理滅活效果好，然而高溫處理大大損壞了食品原有的風味、品質(zhì)及營養(yǎng)成分等且耗能高。電場處理是一種利用高電流或高電壓實現(xiàn)快速傳熱或傳質(zhì)的新型食品加工技術，不僅能夠改善酶鈍化效率，縮短酶鈍化時間，降低能量，還能夠較好地保留產(chǎn)品原有的色、香、味和功能性成分[15，18]。

3.3.1 脈沖電場（PEF）鈍化酶活力的研究 低強度PEF 可改善一些酶的活力，然而高強度PEF 處理可有效鈍化食品中的內(nèi)源酶。目前，PEF 已被證明對牛奶和大多數(shù)蔬菜水果中的內(nèi)源酶，如堿性磷酸酶、果膠甲基酯酶、聚半乳糖醛酸酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、脂氧合酶、氫過氧化物裂解酶和β-葡萄糖苷酶等均有較好的鈍化作用[7]。其中，多酚氧化酶、過氧化物酶、果膠甲基酯酶和氫過氧化物裂解酶的活性可降低85%～100%，而聚半乳糖醛酸酶，脂氧合酶和β-葡萄糖苷酶的活力降低小于50%。值得注意的是，與PEF 滅活微生物相比，PEF 鈍化酶活力所需電場強度要高許多，通常要達到20 kV/cm 以上。PEF 處理過程產(chǎn)生的熱效應較少，主要通過電化學和電解反應以及極化效應改變蛋白的二級結構和空間結構。Zhong 等[57]利用強度22 kV/cm、脈沖寬度1.5 μs、頻率10 Hz 的指數(shù)衰減PEF 處理辣根過氧化物酶，發(fā)現(xiàn)該酶活力的降低與其α-螺旋含量下降和熒光強度增加有關。有研究表明，PEF 處理對脂肪氧化酶[58]、果膠酯酶[59]和辣根過氧化物酶[60]結構和活力均有影響，PEF 處理后3 種酶二級結構中的α-螺旋含量均顯著降低，熒光光譜強度下降，活力顯著降低，且隨著電場強度和脈沖數(shù)增大，鈍化效果增強。董銘等[61]綜述了近年來關于PEF 處理食品蛋白質(zhì)的研究，表明脈沖電場可破壞維系蛋白質(zhì)高級結構的次級鍵，導致蛋白分子內(nèi)部疏水基團暴露，改變蛋白質(zhì)表面疏水性和溶解度等特性。脈沖電場對酶的結構影響與酶的種類有關，不同酶因其結構和活性位點不同而對脈沖電場的敏感程度也不同。同時，脈沖電場場強、能量、脈沖波寬度和頻率、處理室體積等脈沖設備參數(shù)以及酶所在體系的pH值、電導率、濃度等物理化學環(huán)境等都會影響到PEF 對酶結構的影響程度。電場處理模型的描述有助于建立合適的處理條件，從而得到希望的抑制效果。為此，學者們提出了一些經(jīng)驗方程來預測PEF 處理對酶活力的抑制效果，如下式所示[62]：

式中，RA——相對酶活力，%；RA0——酶的初始活力，%；kE、kt、k0、k1、k2、k3——抑制速率常數(shù)；t——處理時間，s；E——電場強度，V/cm。

在式（3）和（4）中，kE、kt分別與場強和處理時間成線性和指數(shù)關系。通過調(diào)整方程參數(shù)，進一步發(fā)現(xiàn)在所有情況下，RA 與脈沖數(shù)量（n）有關，而與處理時間（t）無關。而k與RA 都同時與脈沖寬度有關。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可對假設的經(jīng)驗模型方程中涉及到的參數(shù)和等式關系進行驗證，使其能很好的體現(xiàn)PEF 對酶活力的抑制效果。通過對電場鈍化酶活力動力學模型的描述，可以靈活控制電場對酶活力的抑制程度，預測抑制效果，進而有效避免能源浪費和產(chǎn)品品質(zhì)受損等不良影響。

3.3.2 歐姆加熱（OH）鈍化酶活力的研究 傳統(tǒng)的燙漂工藝是利用沸水或熱蒸汽對食品原料進行短時間的熱處理，以滅活或鈍化原料中的酚酶和過氧化物酶，從而達到延長產(chǎn)品貨架期的目的。相對于傳統(tǒng)工藝，OH 可快速均勻產(chǎn)熱，并通過非熱效應影響食品原料的組織和酶活力，縮短燙漂時間。例如，Mizrahi 等[63]利用OH 處理玉米，發(fā)現(xiàn)380 V 電壓處理5 min 后即可鈍化玉米中的多酚氧化酶，而水浴加熱處理則需17 min 才可達到相同的效果。Demirdoven 等[64]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)OH 處理后，果膠酯酶活性可降低96%，而水浴處理后其活性下降88.3%。最早商業(yè)化的OH 燙漂系統(tǒng)是由Svensson 等人于上世紀70年代研發(fā)的[65]。目前，OH 在美國被廣泛應用于低酸性或高酸性食品的加工，在日本被用于酸奶、草莓、魚糜制品及豆腐的殺菌等，在國內(nèi)則主要被用于肉的解凍以及牛奶、豆?jié){的加熱殺菌。OH 已被證明可有效鈍化牛奶、豆?jié){和和大多數(shù)蔬菜水果中的內(nèi)源酶，如脲酶、脂肪氧化酶、堿性磷酸酶、果膠甲基酯酶、聚半乳糖醛酸酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、氫過氧化物裂解酶和β-葡萄糖苷酶等[20，66-67]。OH 主要通過熱效應影響酶活，加熱過程的非熱效應亦可改變生物大分子的分子間距離和鏈間相互作用，從而改變其結構。然而，OH 過程中的非熱效應似乎僅對含有金屬基團的酶如含有Cu 的過氧化物酶、含有Fe 的脂肪氧合酶以及含有Zn 和Mg 的堿性磷酸酶有效[20，38-40]。Jakób 等[67]對OH 過程中牛奶、水果和蔬菜中的堿性磷酸酶、果膠甲酯酶和過氧化物酶失活動力學進行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱處理過程這幾種酶的失活動力學亦可用于描述OH 過程中酶失活的動力學，而參數(shù)存在差異。Makroo 等[20]亦報道了類似的結果。

表2 電場技術鈍化酶活力的研究Table 2 Studies on inactivation of enzyme activity by electric field-based technique

在傳統(tǒng)熱處理過程中，酶滅活的動力學可用以下方程描述：

式中，CA——酶活力，U；CA0——酶的初始活力，U；t——處理時間，min；D——在某個恒定溫度下使酶失去其原有活性的90%所需要的時間，min；D1——在溫度T1時使酶失去其原有活性的90%所需要的時間，min；D2——在溫度T2時使酶失去其原有活性的90%所需要的時間，min；T1——處理溫度1，℃；T2——處理溫度2，℃；z——溫度敏感指數(shù)，℃；Ea——活化能，kJ/mol；k——速率常數(shù)，s-1；k0——前指數(shù)因子，s-1。

與傳統(tǒng)的熱處理、對流和輻射加熱不同，OH是通過誘導電流通過樣品產(chǎn)生焦耳熱的方式進行快速而均勻的加熱。OH 過程中，z值可利用電場強度來表征（公式10）。

式中，VG——電場強度，V/cm；zv——電場強度校準z值。

3.3.3 感應電場（IEF）鈍化酶活力的研究 IEF是通過磁電誘導的方式產(chǎn)生電場，不存在電極表面腐蝕導致樣品重金屬污染的隱患，因而在食品工業(yè)中有著較大的潛在應用。張夢月[25]和金亞美等[68]分別研究了IEF 對蘋果汁和藍莓果泥中過氧化物酶和多酚氧化酶活力的影響，結果表明IEF可在保留果汁天然色香味和營養(yǎng)成分的基礎上，有效抑制這兩種酶的活性。此外，IEF 的電場強度和頻率與OH 類似，也主要是通過熱效應影響酶活力。因此，IEF 處理過程中酶的失活動力學方程可參考OH。

4 結論

電場處理作為一類“綠色、高效、連續(xù)化”的物理場加工技術，在食品工業(yè)具有較大的應用潛力。電場技術可通過熱效應、電化學和電解反應以及極化效應影響維持酶分子結構穩(wěn)定性的次級鍵，增加或降低其結構有序性，從而增加或降低酶活力。低電場強度處理可改善酶活力，用于食品工業(yè)中酶法制備高附加值產(chǎn)品如淀粉糖、風味肽等；而高強度電場處理（通常超過20 kV/cm）在保留食品色香味和營養(yǎng)成分的同時有效地鈍酶、殺菌，因而在牛奶消毒、豆?jié){和果蔬汁殺菌鈍酶中有著廣泛應用。Ec值是電場處理誘導酶分子結構和性質(zhì)發(fā)生變化的閾值。每一種酶的Ec值都是特定的。如果能準確測定出某種酶促反應的Ec值，就能通過試驗建立電場處理參數(shù)與酶結構變化程度的構效關系，從而根據(jù)實際情況設定電場處理參數(shù)以達到預期效果，避免為了確定最優(yōu)處理條件而進行大量重復性試驗，提高效率。構建準確測定Ec值的方法對拓展電場技術在食品工業(yè)的應用具有重要意義。此外，雖然大量研究證明PEF 和OH 可有效激活或鈍化酶活力，但PEF 和OH 均屬于電極類電場技術。這類電場技術采用與被加工食品直接接觸的金屬電極作為電場激勵源，可能會因電化學反應而引起金屬極板腐蝕和重金屬泄露并導致所加工食品被污染。IEF 是基于變壓器結構建立的磁電誘導類電場技術，無需使用電極，因而可以避免PEF 和OH 加工技術的缺陷，作為一種綠色加工技術在食品工業(yè)中具有較好的應用前景。