高壓脈沖電場殺菌技術的應用

高壓脈沖電場殺菌技術的應用

隨著市場競爭的加劇和運營成本的不斷提高，使用低運營成本的高科技是工業(yè)發(fā)展的必然前提。隨著人們生活水平的提高和保健意識的增強,食品及天然產物的安全、有效性越來越受到人們的重視,非熱加工技術可以最大限度的保留它們原有的營養(yǎng)和活性,因此成為當前新技術研究與開發(fā)的熱點。高壓脈沖電場技術具有處理時間短、能耗低、傳遞快速、均勻、安全等特點,備受矚目。高壓脈沖電場技術,已引起眾多學者和廠家的濃厚興趣。1pef對海淡液膜過流的影響高壓脈沖電場(PulsedElectricField,簡稱PEF)處理是對兩電極間的流態(tài)物料反復施加高電壓的短脈沖(典型為20~80KV/cm)進行處理的過程。其作用機理還不明確,現(xiàn)有多種假說,如細胞膜穿孔效應、電磁機制模型、粘彈極性形成模型、電解產物效應、臭氧效應等,其中研究最多的是細胞膜穿孔效應。無論是動物、植物還是微生物的細胞,當外加電場作用時,誘導產生橫跨膜電位。本來是絕緣的生物膜由于電場影響導致形成了微孔,而使得通透性發(fā)生了變化,當整個膜電位達到極限值(約為1V)時,膜破裂,使膜結構變成無序狀態(tài),形成細孔,滲透能力增強。當外加的電場對薄膜所產生的電位差大于薄膜本身的自然電位差時,其電位差達到臨界點,此時薄膜就會產生小孔,當小孔數量多以及孔徑增大時,細胞就會破裂。當產生小孔時,細胞膜的可滲透性加大。因此,細胞的可滲透性可以依據外加電場強度的加強而增加。滲透的可逆和不可逆則取決于應用的電場強度、脈沖寬度和脈沖數。PEF處理是在室溫、低于室溫或稍微高于室溫的溫度條件下進行的,處理時間非常短(小于1s),而且由加熱引起的能量損失極低。其裝置主要由高壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)、高壓脈沖處理室、蠕動泵、溫度記錄儀、物料貯罐和冷卻部分構成。2在食品加工中使用高壓脈象的應用2.2pef技術在食品預處理中的應用3生產過程中盡量注意保護好具有生理活性的物質天然產物為動物、植物、昆蟲、海洋生物及微生物主代謝和次生代謝的化學物質。由于天然產物不穩(wěn)定,許多具有生理活性的化合物一旦離開機體,很容易變性、破壞,在生產過程中要小心地保護這些化合物的生理活性,因此,生產這類具有生理活性的物質常選擇溫和的條件,并盡可能在較低溫度和潔凈環(huán)境下進行。高壓脈沖電場可在瞬間使被處理細胞的細胞壁和細胞膜電位混亂,改變其通透性,甚至可擊穿細胞壁和細胞膜,使其發(fā)生不可逆破壞,造成細胞新陳代謝紊亂、細胞中生長的必須組分流出,成為一門新興的提取技術。3.1高壓脈沖電場提取林蛙多糖的最佳提取方法從馬鈴薯中提取淀粉,在增加提取率的同時減少了廢水排放量。韓玉珠等研究用高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖,通過單因素考察及正交試驗優(yōu)化了用高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖的試驗條件,并與堿提取法、酶提取法以及復合酶提取法進行了比較。結果顯示用0.5%KOH提取液,在電場強度為20kV/cm和脈沖數為6μs的條件下用高壓脈沖電場提取林蛙多糖的提取率最大為55.59%。比較高壓脈沖電場提取法與堿法、酶法以及復合酶法在林蛙多糖提取率、總糖含量方面的差異,高壓脈沖電場提取的林蛙多糖提取率和總糖含量均高于其他三種方法,其提取率是復合酶法的1.77倍,總糖含量高于復合酶法6.34%,且提取物中雜質少。殷涌光等利用高壓脈沖電場對米糠多糖提取的影響因素進行了研究,發(fā)現(xiàn)高壓電脈沖進行米糠多糖的提取時,脈沖數、場強強度、料水比均影響米糠多糖的得率,且均為顯著性因素。3.2高壓脈沖電場處理對啤酒酵母細胞的處理作用在不需要任何預處理及后處理的情況下,提取率最大可達80%~90%,實驗還表明對電場能量應予以限制,不同濃度下得到的最優(yōu)電場條件也不同。此外,在電場處理后,添加二硫蘇糖醇能加快酶的提取速率,同機械裂變或生化酶溶解方式相比,PEF處理得到的酶活性更高。韓玉珠等用高壓脈沖電場研究對啤酒酵母細胞溶解釋放蛋白質的影響,其在不同條件下處理啤酒酵母細胞,釋放蛋白質及其分解產物氨基酸。結果表明:高壓脈沖電場處理具有使啤酒酵母細胞溶解釋放蛋白質和氨基酸的作用,且隨著處理溫度增高、電場強度增大和脈沖數增加,啤酒酵母細胞的蛋白質和氨基酸溶出量增大。劉錚等用高壓脈沖電場破壁法提取廢啤酒酵母中的蛋白質與核酸,研究高壓脈沖電場在不同參數、不同理化條件下處理廢啤酒酵母,破壞酵母的細胞結構,使蛋白質和核酸滲出。結果表明,隨著電場強度的加大、處理溫度的提高、離子強度的增大、處理時間和PEF處理后靜置時間的延長,蛋白質和核酸的溶出量增加。將廢啤酒酵母經清洗除雜并離心后加去離子水配成的一定濃度的懸浮液通過高壓脈沖電場,當場強為30kV/cm,溫度為45℃,處理時間為400μs時,蛋白質溶出量達到4.042mg/mL,是未經高壓脈沖電場處理的5倍,此時核酸的溶出量為0.382mg/mL。殷涌光等應用PEF方法從牛脾臟中成功提取可用于食品中的DNA,并與常規(guī)方法的提取率進行了比較。實驗證明,將物料懸浮在pH5.5的緩沖液中,在65℃,脈沖電場強度為30kV/cm,脈沖寬度為2μs,脈沖數為8和流速為2mL/min,4倍質量緩沖液的條件下,DNA有最大提取率,且提取率是常規(guī)方法的1.87倍。所得DNA經吸光度檢測OD260/280﹥1.80。他們利用PEF從茶葉中快速提取可食性DNA,得到相似的結果。3.3干酵母粉提取非特異性轉移因子研究紅甜菜根中紅色素的提取效果,并與冷凍和機械壓力方式進行了比較。王春利等應用PEF成功從奶牛脾臟中提取非特異性轉移因子,結果表明PEF提取率是常規(guī)方法的2倍,復合酶法的1.47倍。由于PEF法提取時間短,工藝流程簡單,成本低。因此,PEF技術是一種很有希望的天然產物的提取方法。4輻射殺菌以及其他殺菌措施PEF技術已被公認為國際上研究最熱門、最先進的滅菌技術之一。傳統(tǒng)的殺菌方法有加熱殺菌、化學藥劑殺菌以及輻射殺菌等,其中最常用的為加熱殺菌。但食品受熱后,常會發(fā)生物理或化學性質的變化,造成其色、香、味、組織結構的改變及營養(yǎng)價值的下降。與傳統(tǒng)方法相比,PEF殺菌技術有處理時間短、能耗低、食品物理化學性質改變小、營養(yǎng)風味變化不大等優(yōu)點,非常適合熱敏性高的食品殺菌。2.1脈沖電場對酶的影響縱觀歷年來的研究發(fā)現(xiàn),酶對PEF的抗性比微生物對PEF的抗性要強,這就使脈沖電場對酶處理的操作強度比微生物高一些。另外脈沖電場對酶的影響不是一成不變的,可能會有影響,也可能沒有影響,即使有影響也不一定就有失活,也可能是增活。這主要是因為脈沖電場對酶的作用受諸多因素的影響,比如操作參數、介質條件以及酶本身的條件等。2.2.1pef處理對甘薯的改性果蔬的傳統(tǒng)干燥方法影響其物理和化學狀態(tài),導致縮水、顏色改變,還影響果蔬的質地和口感。王維琴等研究了高壓脈沖電場預處理對甘薯干燥的影響。經PEF預處理的甘薯樣品在滲透脫水后的質量都有一定增加,滲透脫水固形物增加率與PEF處理參數中的場強和脈沖數目不成正比關系。在高壓脈沖電場處理中,電場強度和脈沖數對干燥速率都有影響,其影響規(guī)律是:電場強度為2kV/cm,脈沖數為70個和脈沖數為50個而電場強度為1kV/cm時,有較高的熱風干燥速率和較低的含水率。2.2.2高壓靜電場在冰解凍食品中的應用冷凍食品在使用之前大都需要經過解凍過程。而在食品的凍結解凍過程中必然會發(fā)生各種物理、化學變化,影響食品的品質。利用PEF解凍食品,解凍速度快,解凍后食品溫度分布均勻,汁液流失少,能有效地防止食品的油脂酸化,而且一定強度的高壓靜電場對微生物具有抑制和滅殺的作用,有利于食品品質的保護。方勝等研究發(fā)現(xiàn)電場脈沖頻率對解凍時間縮短百分率影響不顯著,電場強度對冰解凍時間縮短百分率的影響比較明顯。當電場強度為5kV/cm時,解凍時間僅僅縮短1.3%,而當電場強度增大到22kV/cm時,解凍時間縮短7.4%。此外對凍豆腐、凍肉等冰凍食品都有明顯解凍作用。2.2.3高壓電場對干葡萄酒理化指標的影響殷涌光等利用高電壓脈沖電場對白酒進行催陳研究。結果表明,高電壓脈沖電場可以使白酒快速催陳,操作簡便,速度快;高電壓脈沖電場催陳的最佳參數為脈沖數50個,場強E=25kV/cm,助劑濃度1.0×10-6mol/L。處理后的酒樣總酸、總酯和總醛等有所增加,總醇含量有所下降,酒體透明,陳香明顯,辛辣味減少,柔和綿軟,有余香。第二年,他們研究了高壓脈沖電場對干紅葡萄酒物性的影響,發(fā)現(xiàn)經過高壓脈沖電場處理,增加酒中干浸出物的含量,提高酒的色度穩(wěn)定性,降低醇的含量,與陳釀葡萄酒成分變化趨勢基本相同。從酒度、干浸出物含量、電導率、色度、總酸以及pH值的變化可以看出,電場對酒中醇、醛、酸、酯、酚等有機成分的性質、離子狀態(tài)及構象都有不同程度的影響,且電場強度在20~35kV/cm區(qū)間上,各指標變化趨于一個平臺。所以,對干紅的處理場強宜取在20kV/cm之內。4.1高壓脈沖電場技術加工果汁前面提過高壓脈沖電場可以在常溫下有效的殺滅致病菌,大腸菌群以及各種微生物,但對果蔬中的酶鈍化效果卻不盡人如意。這方面,福建農林大學陳梅英、龔雪梅等人探討了高壓脈沖電場技術集成冷凍濃縮技術加工果汁。利用高壓脈沖電場殺菌優(yōu)勢,在常溫下殺滅細菌,再結合冷凍濃縮技術來處理果蔬汁,在不破壞原果汁的營養(yǎng)風味物質的同時,提高了果汁的濃度,并且產品在低溫下冷凍和保存,抑制了果汁酶活力,延長了產品貨架期,從而使高壓脈沖電場非熱加工技術實現(xiàn)真正意義上的工業(yè)化成為可能。4.2脈沖發(fā)生器和處理室的設計良好的高壓脈沖處理系統(tǒng)是高壓脈沖電場處理技術得以應用的前提,高壓脈沖處理系統(tǒng)設計的關鍵是脈沖發(fā)生器和處理室的設計。研制大功率的高壓方波脈沖電源技術還不是很成熟,而且其成本昂貴,處理室結構的優(yōu)化設計還缺乏相應的理論指導。具有最佳處理效果的脈沖發(fā)生器的設計、制造是當前高壓脈沖殺菌技術工業(yè)化應用的最大障礙。4.3電火花放電時電極的充放電問題目前所設計的處理室,主要有如下幾個問題有待解決:(一)處理室液體食品流過的截面面積過小,因為無論是增大兩極之間的距離還是增加電極的面積,