微芯片脉冲电场对蓝莓汁中微生物的钝化机制及特征香气组分影响研究

The conventional PEF sterilization system need high-voltage pulse generator, which is difficult in manufacturing and too expensive for widespread applications. Therefore, our program will develop a kind of flexible microchip pulsed electric field (MPEF) technology suitable for non-thermal sterilization. COMSOL multiphysics software will be used to simulate the electric field distribution on the microchip; flexible polyimide (PI) film based microchips will be fabricated. Then a variety of parameters will be studied in the PEF experimental platform. Take blueberry juice as material, we'll do research about changing dynamics of this MPEF non-thermal processing new technology on passivation of microorganisms, and then build the mathematical model. Through the effects on the sublethal injury of microorganisms, intracellular protein, intracellular DNA, cell membrane, intracellular enzymes and the level of intracellular mRNA，we can understand the mechanism of microbial inactivation by MPEF technology on the molecular level. Finally , we will study the changes of various active ingredients of blueberry juice before and after MPEF non-thermal treatment through odor activity value(OAV) and frequency detection - gas chromatography- olfactometry(FD-GC-O). The above experiment can provide theoretical support for MPEF technology being more widely used in the development and application of non-thermal processing technology of varieties of fruit and vegetable juices, including blueberry juice.

传统高压脉冲电场非热杀菌系统需要提供几千伏甚至更高的脉冲发生器，从而使设备成本提高，应用受限。本项目拟研制一种适于非热杀菌的柔性微芯片脉冲电场（microchip pulsed electric field，简称MPEF）技术。借助 COMSOL 软件仿真分析电极结构，利用聚酰亚胺基底加工制成柔性芯片，从而搭建脉冲电场微系统实验平台。以蓝莓汁为处理介质，利用MPEF对微生物钝化的动力学进行分析，建立数学模型；通过对MPEF作用后微生物的亚致死、胞内蛋白质、胞内DNA、细胞膜、胞内酶和胞内mRNA变化研究，从分子水平上明确MPEF技术对微生物钝化的作用机理；采用香气活性值（OAV）和频率检测-气相色谱-嗅闻技术(FD-GC-O)研究MPEF非热处理后的蓝莓汁低温贮藏特征香气组分动态变化。上述研究结果可为MPEF更为广泛应用于包括蓝莓汁在内的果蔬汁的非热加工技术开展和应用提供理论支持。

为获得安全、高品质的果汁产品，本项目研制了一种新型的微芯片脉冲电场（microchip pulsed electric field, MPEF）杀菌技术，首次将微芯片应用于果汁杀菌领域，实现了在低电压下对果汁进行有效杀菌的目的。本项目以蓝莓汁为处理对象，研究该技术对蓝莓汁中致腐微生物的作用效果；从细胞水平和分子水平分析MPEF技术对毕赤酵母的致死机理；并探讨MPEF对蓝莓汁品质的影响。主要研究结果如下：.1. 通过形态学、腐败验证和序列分析的方法鉴定了蓝莓汁中9株致腐微生物， Cryptococcus sp.、Meyerozyma spp.和Pichia sp.是蓝莓汁的优势腐败菌。.2. 借助有限元软件COMSOL对微芯片杀菌性能进行模拟，选择合适的材料，加工微芯片，封装成微处理室。MPEF技术的杀菌效果随电压、脉冲个数、脉冲时间的增加而增强，微生物的种类、生长时期、介质的pH和电导率等也会影响其杀菌效果。400 V、200 μs、80个脉冲条件下，MPEF对大肠杆菌、酿酒酵母、金黄色葡萄球菌及蓝莓汁中的腐败微生物均有很好的致死效果。.3. MPEF可引起细胞形态、超微结构的损伤，导致胞内酶活性、抗氧化酶活性和细胞膜流动性的下降，破坏蛋白质、核酸的结构。细胞内蛋白质、核酸、K+、Mg2+ 和Ca2+-ATPase的渗漏随MPEF处理电压的升高而增加。MPEF处理对毕赤酵母跨膜电位影响显著，但对非特异性酯酶无显著影响。.4. 通过对MPEF处理前后毕赤酵母的蛋白组和转录组进行测定，共得到829个差异显著的蛋白和794个差异显著的基因。经MPEF处理后，参与毕赤酵母膜完整性、细胞器、核仁、核糖体、蛋白质转录翻译、酶活性等的基因发生了显著变化。毕赤酵母细胞结构的破坏、基因的损伤、生物合成能力的减弱和代谢的紊乱是MPEF导致其死亡的主要原因。.5. MPEF处理电压达到350 V时，蓝莓汁中的菌落总数和霉菌、酵母总数为0，花青素含量略有增加，而风味、Vc、总酚、可滴定酸、颜色指标等无显著变化。在4℃，30天的贮藏期内，MPEF处理比热处理的蓝莓汁具有更高的可食用性和品质。.上述研究可为MPEF技术更为广泛地应用于包括蓝莓汁在内的各种果蔬汁的非热加工提供理论和技术支持。