高壓脈沖電場(chǎng)殺菌

關(guān)于高壓脈沖電場(chǎng)殺菌2024/6/172概況英國(guó)學(xué)者就發(fā)現(xiàn)25kV/cm直流脈沖能有效致死營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌和酵母菌。

20世紀(jì)80年代以來(lái)

20世紀(jì)90年代中后期美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較活躍，并制造了成套的技術(shù)設(shè)備。我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。

高壓脈沖電場(chǎng)(pulsedelectricfield，PEF)是一種非熱處理技術(shù)，具有處理時(shí)間短，溫升小，能耗低和殺菌效果明顯等特點(diǎn)，成為近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。早在1967年第2頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/173高壓脈沖電場(chǎng)的處理系統(tǒng)脈沖發(fā)生器處理室高壓脈沖電場(chǎng)殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生10kV以上的脈沖，該高壓脈沖被加到處理室電極的兩極板上，在處理室內(nèi)產(chǎn)生10kV/cm以上的強(qiáng)電場(chǎng)。處理室與高壓脈沖發(fā)生器相連接，它的主要作用是將高壓脈沖電場(chǎng)傳遞給流經(jīng)此室的液體食品，以達(dá)到殺菌的目的。處理系統(tǒng)良好的高壓脈沖處理系統(tǒng)是高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)得以應(yīng)用的前提。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是脈沖發(fā)生器和處理室。第3頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/174高壓脈沖電場(chǎng)的處理系統(tǒng)指數(shù)衰減波方波震蕩波、交變波指數(shù)形脈沖容易產(chǎn)生，但低于最高電壓36.8％的電壓無(wú)殺菌作用，且能使食品的溫度升高這兩種波的效果都不是很好方波脈沖比指數(shù)形脈沖殺菌效果更好，對(duì)細(xì)菌有致命作用，但需脈沖整形網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)電路的設(shè)計(jì)及元器件的要求高，成本也比較高脈沖發(fā)生器指數(shù)衰減波方波第4頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/175高壓脈沖電場(chǎng)的處理系統(tǒng)靜態(tài)分批式連續(xù)式

食品在處理室內(nèi)受到高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)，要避免電火花的產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生電火花．電極就會(huì)被腐蝕，食品被電解，產(chǎn)生氣泡。因此，在設(shè)計(jì)食品處理室時(shí)，應(yīng)著重解決好以下問(wèn)題：電極表面要盡可能光滑以減少電子的逸出．采用圓形電極以避免電場(chǎng)集中，為食品提供一個(gè)均勻的高壓脈沖電場(chǎng)。處理室內(nèi)裝有電極和冷卻裝置（PEF連續(xù)工作，電極溫度會(huì)升高），同芯電極的連續(xù)式處理室，電容小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易放電。規(guī)模小、考慮影響因素較少，不適于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。處理室食品處理裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第5頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/176高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理1.Hamilton和Sale(1967)理論2.Zimmermann(1986)電崩解理論3.Tsong(1991)電穿孔理論4.空穴理論7.電解產(chǎn)物效應(yīng)6.粘彈極性形成模型5.電磁機(jī)制模型第6頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/177高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理1.Hamilton和Sale(1967)理論當(dāng)一個(gè)外部電場(chǎng)加到細(xì)胞兩端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生跨膜電位(TMP)。對(duì)半徑r處于均勻場(chǎng)強(qiáng)E中的球形來(lái)說(shuō)，其沿電場(chǎng)方向的跨膜電位．可由下式得出：U(t)=1.5rE式中：u——沿電場(chǎng)方向的跨膜電位，t；

r——細(xì)胞半徑，μm；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/mm)，并且認(rèn)為當(dāng)跨膜電位(TMP)達(dá)到1V時(shí)，細(xì)胞膜便失去功能。第7頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/178高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理細(xì)胞膜被視為電容，在高壓電脈沖作用下，膜兩側(cè)電位差進(jìn)一步變大，由于電荷相反，它們相互吸引形成擠壓力，當(dāng)TMP達(dá)到臨界崩解電位差時(shí)，細(xì)胞膜就開(kāi)始崩解，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔(充滿(mǎn)電解質(zhì))形成，進(jìn)而在膜上產(chǎn)生瞬間放電，使膜分解。2.Zimmermann(1986)電崩解理論A．細(xì)胞膜電位差為V’m；B．外加電場(chǎng)礦遠(yuǎn)大于跨膜電位差V’m時(shí)，細(xì)胞膜受擠壓變??；C．細(xì)胞膜上的電位差達(dá)到臨界崩解電位差硌時(shí)，細(xì)胞膜崩解并導(dǎo)致穿孔；D．細(xì)胞膜大面積崩解。第8頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/179高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理由于微生物細(xì)胞在高壓脈沖電場(chǎng)的作用下細(xì)胞膜上的雙磷脂層和蛋白質(zhì)暫時(shí)變得不穩(wěn)定導(dǎo)致的一種現(xiàn)象。在外加電場(chǎng)的作用下其細(xì)胞膜壓縮并形成小孔，通透性增加，小分子物質(zhì)如水分子可透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，致使細(xì)胞體積膨脹，最后導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞內(nèi)容物外漏，使細(xì)胞死亡。3.Tsong(1991)電穿孔理論第9頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1710高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理正是由于這種高壓脈沖能量直接轉(zhuǎn)換成的沖壓式機(jī)械能，引起液體食品中微生物細(xì)胞內(nèi)部的強(qiáng)烈振動(dòng)和細(xì)胞膜破裂等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生殺菌效應(yīng)。4.空穴理論放電終了瞬間，氣套處形成空穴，由于壓力突然減小，液體又以超聲速回填空穴，形成第二個(gè)超聲回填空穴沖擊波。放電時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電流高壓通路，進(jìn)而形成氣套壓力由氣套傳給液體，形成強(qiáng)大超聲液壓沖擊波空穴空穴第10頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1711高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理電磁理論認(rèn)為電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量是相互轉(zhuǎn)換的，在兩個(gè)電極反復(fù)充電與放電的過(guò)程中，磁場(chǎng)起了主要?dú)⒕饔?，而電?chǎng)能向磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換保證了持續(xù)不斷的磁場(chǎng)殺菌作用。這樣的放電裝置在放電端使用電容器與電感線(xiàn)圈直接相連，細(xì)菌放置在電感線(xiàn)圈內(nèi)部，受到強(qiáng)磁場(chǎng)作用。5.電磁機(jī)制模型第11頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1712高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理此模型認(rèn)為，一是細(xì)菌的細(xì)胞膜在殺菌時(shí)受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)作用而產(chǎn)生劇烈振蕩，二是在強(qiáng)烈電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體，并且等離子體發(fā)生劇烈膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，超出細(xì)菌細(xì)胞膜的可塑性范圍而將細(xì)菌擊碎。6.粘彈極性形成模型7.電解產(chǎn)物效應(yīng)此理論指出在電極施加電場(chǎng)時(shí)，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽(yáng)離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下極為活躍，穿過(guò)在電場(chǎng)作用下通透性提高的細(xì)胞膜，與細(xì)胞的生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核糖核酸結(jié)合而使之變性。第12頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1713影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌效果的因素電場(chǎng)強(qiáng)度脈沖持續(xù)時(shí)間處理室特性脈沖電場(chǎng)工作參數(shù)微生物特性食品特性參數(shù)溫度脈沖特性微生物的種類(lèi)生長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)條件pH值水的活性成分電導(dǎo)率離子強(qiáng)度第13頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1714影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌效果的因素電場(chǎng)強(qiáng)度溫度持續(xù)時(shí)間脈沖特性處理室電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)影響殺菌效果最重要的因素之一，當(dāng)超過(guò)微生物的臨界跨膜電壓時(shí)，微生物死亡率隨場(chǎng)強(qiáng)的增加而增加。剛開(kāi)始的殺菌效果隨脈沖時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯增強(qiáng)，但達(dá)到拐點(diǎn)值后，脈沖時(shí)間的增加對(duì)殺菌效果基本無(wú)影響。隨著處理溫度上升(在24-60℃范圍內(nèi))，殺菌效果會(huì)有所提高，其提高的程度一般在10倍以?xún)?nèi)。液體食品適中的溫度有利于殺滅微生物。所有波形中，振蕩波殺滅微生物的效率最低；方波的效率比指數(shù)波的效率高；雙極性脈沖波形對(duì)大腸桿菌的致死率比單極性波形高。

結(jié)構(gòu)、體積、縫隙、流速和停留時(shí)間等因素對(duì)殺菌效果均有一定的影響脈沖電場(chǎng)工作參數(shù)第14頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1715影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌效果的因素微生物的種類(lèi)生長(zhǎng)條件不同菌種對(duì)電場(chǎng)的承受力不同。無(wú)芽孢菌較有芽孢菌更易被殺滅，革蘭氏陰性菌較陽(yáng)性茵易于被殺滅。相同條件下用電場(chǎng)滅菌，不同菌種存活率由高到低為：霉菌、乳酸菌、大腸桿菌、酵母菌培養(yǎng)基成分、溫度、氧濃度對(duì)滅菌率有影響，其機(jī)理尚不清楚，但在PEF中不考慮這些因素將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論生長(zhǎng)時(shí)期處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌體比處于穩(wěn)定期的菌體對(duì)電場(chǎng)更為敏感，PEF對(duì)處在穩(wěn)定生長(zhǎng)期微生物的殺菌率低于處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微生物微生物特性第15頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1716影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌效果的因素對(duì)不同食品成分，不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的滅菌效果不同。脈沖電場(chǎng)的殺菌效果隨介質(zhì)離子強(qiáng)度的下降而增加。低電導(dǎo)率情況下滅菌率較高。介質(zhì)pH值下降殺菌效果稍有提高。降低水活性將會(huì)導(dǎo)致滅菌率降低。成分電導(dǎo)率pH值水的活性食品特性參數(shù)離子強(qiáng)度第16頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1717在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的研究.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)桃汁殺菌的研究.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)石榴汁殺菌的研究.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)黑莓汁殺菌效果的研究.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)綠茶飲料殺菌的研究.第17頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1718在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的研究1.原料乳中微生物殘留數(shù)與場(chǎng)強(qiáng)大小關(guān)系2.微生物殘留數(shù)與脈沖數(shù)大小的關(guān)系處理脈沖數(shù)6個(gè)，整個(gè)殺菌過(guò)程中，由于脈沖數(shù)較少，處理后的牛乳沒(méi)有溫升。室溫條件下，電場(chǎng)強(qiáng)度為50kV/cm，脈沖數(shù)對(duì)電場(chǎng)殺菌效果影響較小，所以可以選用較小的脈沖數(shù)。第18頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1719在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的研究3.殺菌溫度與殺菌效果的關(guān)系電場(chǎng)強(qiáng)度是最主要的影響因素，場(chǎng)強(qiáng)越大，電場(chǎng)的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場(chǎng)殺菌效果越好，最后是脈沖數(shù)的影響，電場(chǎng)殺菌效果隨脈沖數(shù)的增加而增加，但增加幅度不大．第19頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1720在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的含脂乳經(jīng)PEF處理，無(wú)菌包裝．4℃保存。它的物理化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有改變．微生物貨架期2周。熱--巴氏殺菌乳與PEF--巴氏殺菌乳感官評(píng)定上沒(méi)有區(qū)別。采用氨基酸分析儀對(duì)經(jīng)電場(chǎng)處理前后牛乳中的游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析研究．發(fā)現(xiàn)牛乳中的總游離氨基酸質(zhì)量數(shù)增多。采用高效液相色譜儀對(duì)經(jīng)電場(chǎng)處理前后牛乳中的維牛素A質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定．發(fā)現(xiàn)牛乳中維生素A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎無(wú)損失。同樣，有研究表明場(chǎng)強(qiáng)在10～100kV／cm．脈沖數(shù)在100～1200的條件下．牛乳中pH值、電導(dǎo)率、乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化均不顯著。僅有VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有相當(dāng)大程度的減少。第20頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1721在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)桃汁殺菌的研究.1.電場(chǎng)強(qiáng)度E=40kV/cm，溫度為室溫(20℃左右)。1.殘留菌數(shù)與脈沖數(shù)的關(guān)系2.E=40kV/cm，脈沖頻率F=200Hz，處理一次脈沖數(shù)C=2。2.殘留菌數(shù)與樣品溫度的關(guān)系3.脈沖頻率f=400Hz，處理一次脈沖數(shù)C=4，溫度為室溫(20℃左右)3.殘留菌數(shù)與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系最優(yōu)工藝參數(shù)：電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖數(shù)、殺菌溫度的優(yōu)水平分別為60kV／cm、6、35℃。第21頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1722在食品中的應(yīng)用研究桃汁理化指標(biāo)抗壞血酸、總算含量均未發(fā)生變化，氨基態(tài)氮略有降低。電導(dǎo)率測(cè)定未發(fā)生變化。高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)桃汁非熱殺菌，其電場(chǎng)強(qiáng)度和殺菌溫度是主要的影響因素，脈沖數(shù)對(duì)殺菌影響不顯著。殺菌后的桃汁保持了原桃汁原有的營(yíng)養(yǎng)和鮮味，高壓脈沖電場(chǎng)非熱殺菌不改變桃汁的物理、化學(xué)性質(zhì)。第22頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1723在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)石榴汁殺菌的研究酵母菌和霉菌是果汁中最常見(jiàn)的有害微生物,它們可以在較低的pH值下生存。對(duì)PEF處理前后石榴汁中的酵母菌

霉菌以及大腸桿菌進(jìn)行計(jì)數(shù),結(jié)果表明酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅。在脈沖頻率為100Hz,場(chǎng)強(qiáng)為35kV/cm時(shí),當(dāng)脈沖處理時(shí)間達(dá)到200μs時(shí),大腸桿菌下降3.62個(gè)lg，酵母菌下降2.34個(gè)lg，而霉菌僅下降了0.74個(gè)lg值,霉菌孢子對(duì)PEF較不敏感。當(dāng)處理頻率為333Hz時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度為35kV/cm,處理時(shí)間為200μs,霉菌下降了1.82個(gè)lg值。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到800μs，霉菌數(shù)量降低3.6個(gè)lg。第23頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1724在食品中的應(yīng)用研究PEF處理對(duì)石榴汁理化性質(zhì)的影響多酚含量與原樣無(wú)顯著差異類(lèi)黃酮稍有下降澄清度僅下降1%左右對(duì)色澤有所影響，但小于熱處理第24頁(yè),共28頁(yè)，星期六，2024年，5月2024/6/1725在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)黑莓汁殺菌效果的研究（1）高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)沙門(mén)氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌具有明顯的殺菌效果。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)的增加，細(xì)菌的殘活率顯著下降。在電場(chǎng)強(qiáng)度為18.75

kV/cm時(shí)，沙門(mén)氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的最低殘活率分別為-3.238，-3.053，-2.687和-2.432個(gè)對(duì)數(shù)。（2）脈沖電場(chǎng)對(duì)新鮮黑莓果汁的理化指標(biāo)影響不大，基本保持了原有的色澤和風(fēng)味，VC的損失很小。第25頁(yè),共28頁(yè)，星期六，