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拟攻读博士学位科学计划书
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计划书题目：高压脉冲电场灭菌对果醋品质的影响及其在贮藏过程的作用

一、立题依据
1.1. 研究的背景
果醋是为实现水果的综合利用而开发的新产品，它一种营养丰富、风味优良的酸性调味品，兼有水果和食醋的营养保健功能。其在发酵过程中，水果的大部分糖分被微生物发酵生成果醋的主要成分醋酸，而氨基酸、有机酸、矿物质元素、维生素等的小部分被微生物利用形成新的营养和风味成分，因而果醋保留了大部分水果原有的营养成分[1]。果醋除了具有普通食醋的作用如解除疲劳、消除肌肉疼痛、预防心血管病的发生、增进食欲、促进消化等，还兼有水果的保健功能。如：山楂的降血压、改善心脏收缩力和利用氧气功能降低体内脂肪酸和堆积的乳酸，具有健美、消除疲劳的作用；苹果的治脾虚火盛、补中益气、润肺、悦心，生津开胃；梨的生津润燥、清热化痰、止咳等功效[2-4]。
近几年，国内果醋研究也已成为食醋领域研究的热点之一，而且果醋的种类也逐渐增加。敬思群[5]以玉米，麸皮为主要原料，经酒精发酵后加入葡萄皮渣进行醋酸发酵而制得葡萄果醋，再经调配，制成风味独特的葡萄果醋饮料；蒋家新等[6]以大米糖化醪为主要原料添加菠萝生产带肉果汁醋；还有研究人员以残次苹果和高粱为主要原料酿成苹果高粱保健醋饮料以及百合果醋、香蕉西番莲果醋等等[7-9]。目前，根据果品资源的特点，可选择合适的工艺和方法，进行果醋系列产品的研究与开发，已开发的可作为生产果醋的果品资源主要有：苹果、山楂、水蜜桃、猕猴桃、野生酸枣、沙棘、南瓜、葡萄、鸭梨、乌梅、黑加仑、番茄、龙眼、芒果、杏、桔子、柠檬、草莓、菠萝、香蕉、芭蕉、柿子和罗汉果等[1]。
在果醋工业生产中，工艺的优化和选择对果醋的质量如香味、口感等产生直接的影响。除了水果的选择、发酵过程中条件的选择与控制、酵母的菌种质量之外，发酵之后的灭菌处理与陈酿过程对于果醋的质量也具有十分重要的意义。杀菌是食品加工过程中的一个重要单元操作，该本操作可以食品中的酶失活并杀死食品中存在的致病菌、腐败菌和产毒菌，以保证食品的安全性，延长产品的保藏期。发酵而成的果醋液中存在大量的酵母菌残体、醋酸菌及其它微生物，为了终止醋酸发酵过程通常要进行灭菌处理[10]。发酵所得的新醋味粗，且浑浊，不适宜饮用，经一定时期储藏和适当的工艺处理，在储藏期发生一系列理化及生化的变化，果醋变得香浓醇和清晰色美，此过程称为果醋的老熟或陈酿[11]。陈酿的本质是物理上的分子重排与化学上的氧化和合成的过程，该过程具有促进醋液的澄清和提高果醋的稳定性。经过陈酿过程的氧化还原、酯化以及聚合沉淀等作用，果醋中的不良风味物质减少，芳香物质得到加强和突出，各种物质之间达到平衡，果醋变得和谐、柔顺、细腻、醇厚，并表现出特有的典型风格[12]。
目前，热处理灭菌方式广泛应用于果醋等流体食品的杀菌，其显著提高了食品的质量，延长了食品的货架期。但热力杀菌技术存在一些难以克服的问题：它对果醋中尤其是热敏性营养成分及色、香、味等有很大的破坏作用，使其失去原有的新鲜厚，甚至还可能产生异味(如蒸煮味)，而影响了食醋的质量。随着近年来人们对食品新鲜度要求的不断提高，希望食品在加工过程中能保持其原有的新鲜度。此外加热灭菌的果醋搁置一段时间后可能逐渐呈现均匀的混浊，这是由嗜温、耐醋酸、耐高温、厌氧的梭菌引起的[1]。梭菌的增殖不仅消耗醋中的各种成分，还会代谢不良物质，如产生异味的丁酸、丙酮等破坏醋的风味，而且大量菌体包括未自溶的死菌体使醋的光密度上升，透光率下降，影响其品质[13]。
果醋发酵目前常采用液态发酵法生产，刚发酵完的新鲜果醋口感生硬、醋味刺激、香气淡薄。为了提高食醋的风味，增加香气，必须对新鲜食醋进行陈酿处理[14]。传统多采用自然陈酿工艺，存在时间长(少则数月，多则经年)，占用设备容器多，管理困难，卫生条件差，不能很好地满足市场的供应。为加速食醋的陈化，缩短陈酿期，现代加工多采取人工快速催陈技术。目前应用于食醋催陈的方法主要有高压静电催陈、激光催陈、微波催陈、红外线催陈等[15,16]，微波和红外线作用于酒体或醋体后温度升高，这实际上是“高温”贮存，促使杂味物质挥发掉的同时，也不可避免地失去了酒或醋中的部分香味成分，影响了产品质量；激光方法简便易行，但由于激光管使用寿命有限，故处理成本高。在解决许多果醋发酵风味比较平淡、缺乏香气这一困扰果醋发展的问题上，研究出适合果醋的陈酿工艺将取得突破性进展。
1.2. 国内外现状
国内外研究人员从能量消耗、经济性、处理效果等影响因素等方面对果醋的灭菌与陈酿进行了一定的研究。马永昆等[17]人对几种灭菌处理对桑葚果醋香气品质的影响，发现热处理桑椹果醋香气品质较差，微波处理的桑椹果醋香气成分综合得分最高。许多研究都在尝试新的灭菌方式对果醋进行处理，以改善果醋的品质。安凤平等[10]人采用酸性硅溶胶澄清及无机陶瓷膜微滤除菌工艺对荔枝果醋进行灭菌处理，发现该方法不仅可以效除去果醋中的醋酸菌等微生物，产品透光率可达95.2％、风味及营养保留好。林晓姿[18]以新酿制的枇杷果醋为原料，采用超声波催陈，对其影响因子进行单因素和正交试验，并与自然陈酿3个月枇杷醋的品质进行比较。试验结果表明：超声波处理能提高枇杷果醋总酯的含量，对总酸、氨基态氮的影响较小，并能使枇杷果醋的口感柔和、香气浓郁，与自然陈酿3个月的品质相当。李维新[14]以新鲜全汁枇杷果醋为原料，分析了臭氧在枇杷果醋中的溶解特性和稳定性；以果醋总酯含量为催陈效果指标，采用正交试验优化了枇杷果醋臭氧催陈工艺。
高压脉冲电场以其良好的应用特性而被国内外学者广泛研究，成为当前最有前途实现工业化应用的冷杀菌方法之一[19]。将食品置于带有两个电极的处理室中，给予高压电脉冲，形成脉冲电场，作用于处理室中的食品，从而杀灭微生物和钝化酶活性，使食品得以长期贮藏。相比于热力杀菌，脉冲电场具有显著优点：处理温度低，可以在常温下或更低的温度下进行杀菌；杀菌时间非常短，通常是几十微秒便可以完成；节省能源，不需要加热，不会污染环境；对产品的色、香、味和营养成分没有破坏，能保持产品的新鲜度[20]。美国、德国、荷兰、日本等国已对PEF技术的基础和应用进行了多年的研究，有些实验己进入中试阶段，而我国在相关领域的研究也逐渐增加。
廖小军等[21]研究PEF杀菌灭酶效果和对苹果汁品质的影响。发现PEF处理后大肠杆菌与酿酒酵母细胞发生明显变化，表面粗糙、褶皱,原生质收缩、团聚、分布不均匀，出现质壁分离。大肠杆菌细胞壁和细胞膜局部变得模糊，部分细胞原生质大量或全部流失，剩下细胞壁和细胞膜，表明PEF对这两种微生物具有很好的杀灭效果；此外还发现PEF很好的保留了苹果汁的色泽、风味。杨颖等[22]研究了高压脉冲电场(PEF)对百合混汁的灭菌效果。发现当电场强度达到30 kV/cm时，灭菌效果非常显著，处理时间为400μs时菌落总数已降低了4个对数值，并且表示经PEF处理后的百合混汁的理化指标没有明显的变化，其原有品质被较好的保存。曾新安等[23]研究不同电场强度和处理时间的脉冲电场(PEF)对荔枝汁中酿酒酵母菌的杀灭效果，并探讨能量输入对酿酒酵母杀灭效果的影响。结果显示：电场强度的增大和处理时间的延长均能增大酿酒酵母的菌数减少指数；对不同生长时期酿酒酵母进行杀菌，表明荔枝汁中处于4个不同生长时期的酿酒酵母对电场敏感度不同，由强到弱依次为稳定期对数期衰亡期调整期。PEF对酿酒酵母的灭菌效果随着电场能量输入的增加而增强。
研究表明PEF能够很好的保留橘类果汁的品质。Yeom等[24]人对比了脉冲电场(35kV/cm，35μs)与巴氏加热(94.6℃，30s)对橙汁质量的影响，研究发现PEF处理的橙汁在维生素与代表性五种风味物质的保留上明显高于热处理组。此外，PEF处理组的在色泽等方面也优于热处理组。Zeng等[25]研究脉冲电场与超声技术对葡萄柚汁的质量影响，结果表明联合这两种技术对从pH、酸度、糖度与导电率没有多大影响，但可以明显改善果汁的粘度与色度。Cserhalmi等[26]也进行了类似的研究，发现脉冲电场处理过的葡萄柚汁、柠檬汁、橙子汁、橘子汁与对照组(未处理)在很多物化性质上没有差异。
此外，有报道表示脉冲电场对酒类的陈酿等方面有明显作用。Zeng等[26]发现脉冲电场能够明显的加速白兰地酒的熟化过程，相比于对照组，脉冲电场处理的白兰地酒的单宁量、总酚含量以及挥发性酚类和酯类的量都明显的增加，而一些有害化合物如乙醛、乙缩醛以及高级醇的量都有所降低。
1.3. 本项目的科学意义
因此为了降低果醋的生产成本，改善其产品品质以及缩短陈酿周期，提高生产效率，发展更为有效的对果醋进行灭菌与加速陈酿对于果醋行业的发展具有重要意义。目前，关于脉冲电场对果醋灭菌及其陈酿过程中的作用的研究鲜有报道。本课题拟研究电场对果醋进行灭菌处理，分析其处理后品质的变化以及分析该方法与常规加热灭菌的优劣；此外拟研究脉冲电场对果醋陈酿的作用。
1.4. 主要参考文献
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二、研究内容、研究目标
2.1 研究目标
优化PEF条件如时间、电压强度等，使果醋杀菌效果达到产品要求，系统研究PEF对酿酒酵母和醋酸菌的杀灭效果、PEF与热处理方法后果醋的成分变化，探讨PEF对陈酿过程中品质的影响。
2.2. 研究内容
1) 对酿酒酵母和醋酸菌杀灭效果。
(2) 对比几种灭菌方式的灭菌效果。
(3) 分析PEF与热处理后果醋的成分变化，如芳香酯类、醇类、多酚类物质等
(4) 陈酿过程中果醋品质的影响，如色度，口感，香味等
(5) 分析PEF对果醋陈酿过程中成分的变化。

三、拟采取的研究方法、技术路线、可行性分析
3.1． 研究方法
(1) 采用PEF电场强度和脉冲数、热处理对酿酒酵母和醋酸菌的灭菌处理。涉及微生物的培养与计数的方法包括微生物接种与培养、微生物OD值测定、平板计数等。
(2) 一般指标主要包括总酸、可溶性固形物、透明度，方法主要有滴定实验、折光仪的测定、紫外可见分光光度计等
(3) 采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用( SPME-GC/MS) 的分析果醋香气成分，并用主成分分析法( PCA) 对香气成分进行分析，建立果醋香气质量评价模型，并用该模型对果醋香气质量进行了评价。
3.2. 技术路线

3.3. 可行性分析
(1) 理论上和方法上的可行性：果醋的灭菌与陈酿过程是保证其品质的重要过程。目前关于果醋的灭菌和催陈研究较少，而找到合适的方法对果醋行业的发展具有重大意义。此外关于脉冲电场灭菌的研究已取得一定的进展，而且有报道其对酒类的催陈具有明显的促进作用，综合分析该技术运用果醋的灭菌和陈酿过程在理论上具有可行性。
(2) 有良好的团队构成与设备保证：本人所申请的团队在电场技术上具有成熟的技术和理论基础。近年来，该团队在脉冲电场技术运用于食品行业上取得了重大进展。此外该团队所在单位具有开展本项目研究的硬件条件，拥有多种国内外先进仪器设备。
四、预期目标
(1) 弄清脉冲电场与热处理灭菌效果，以及脉冲电场对果醋质量的影响
(2) 进一步阐明脉冲电场的可能灭菌机制。
(3) 弄清脉冲电场在果醋陈酿过程中的作用。