高壓脈沖電場殺菌

關于高壓脈沖電場殺菌2024/6/172概況英國學者就發(fā)現(xiàn)25kV/cm直流脈沖能有效致死營養(yǎng)細菌和酵母菌。

20世紀80年代以來

20世紀90年代中后期美國、日本等發(fā)達國家研究比較活躍，并制造了成套的技術設備。我國開始進行這方面的研究。

高壓脈沖電場(pulsedelectricfield，PEF)是一種非熱處理技術，具有處理時間短，溫升小，能耗低和殺菌效果明顯等特點，成為近幾年來國內外研究的熱點之一。早在1967年第2頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/173高壓脈沖電場的處理系統(tǒng)脈沖發(fā)生器處理室高壓脈沖電場殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發(fā)生器用來產(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，在處理室內產(chǎn)生10kV/cm以上的強電場。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傳遞給流經(jīng)此室的液體食品，以達到殺菌的目的。處理系統(tǒng)良好的高壓脈沖處理系統(tǒng)是高壓脈沖電場殺菌技術得以應用的前提。設計的關鍵是脈沖發(fā)生器和處理室。第3頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/174高壓脈沖電場的處理系統(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，對細菌有致命作用，但需脈沖整形網(wǎng)絡，結構復雜，對電路的設計及元器件的要求高，成本也比較高脈沖發(fā)生器指數(shù)衰減波方波第4頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/175高壓脈沖電場的處理系統(tǒng)靜態(tài)分批式連續(xù)式

食品在處理室內受到高壓脈沖電場作用時，要避免電火花的產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生電火花．電極就會被腐蝕，食品被電解，產(chǎn)生氣泡。因此，在設計食品處理室時，應著重解決好以下問題：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集中，為食品提供一個均勻的高壓脈沖電場。處理室內裝有電極和冷卻裝置（PEF連續(xù)工作，電極溫度會升高），同芯電極的連續(xù)式處理室，電容小，結構簡單，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)化應用。處理室食品處理裝置結構簡圖第5頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/176高壓脈沖電場殺菌機理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6.粘彈極性形成模型5.電磁機制模型第6頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/177高壓脈沖電場殺菌機理1.Hamilton和Sale(1967)理論當一個外部電場加到細胞兩端時，就會產(chǎn)生跨膜電位(TMP)。對半徑r處于均勻場強E中的球形來說，其沿電場方向的跨膜電位．可由下式得出：U(t)=1.5rE式中：u——沿電場方向的跨膜電位，t；

r——細胞半徑，μm；

E——電場強度(kV/mm)，并且認為當跨膜電位(TMP)達到1V時，細胞膜便失去功能。第7頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/178高壓脈沖電場殺菌機理細胞膜被視為電容，在高壓電脈沖作用下，膜兩側電位差進一步變大，由于電荷相反，它們相互吸引形成擠壓力，當TMP達到臨界崩解電位差時，細胞膜就開始崩解，導致細胞膜穿孔(充滿電解質)形成，進而在膜上產(chǎn)生瞬間放電，使膜分解。2.Zimmermann(1986)電崩解理論A．細胞膜電位差為V’m；B．外加電場礦遠大于跨膜電位差V’m時，細胞膜受擠壓變薄；C．細胞膜上的電位差達到臨界崩解電位差硌時，細胞膜崩解并導致穿孔；D．細胞膜大面積崩解。第8頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/179高壓脈沖電場殺菌機理由于微生物細胞在高壓脈沖電場的作用下細胞膜上的雙磷脂層和蛋白質暫時變得不穩(wěn)定導致的一種現(xiàn)象。在外加電場的作用下其細胞膜壓縮并形成小孔，通透性增加，小分子物質如水分子可透過細胞膜進入細胞內，致使細胞體積膨脹，最后導致細胞膜破裂，細胞內容物外漏，使細胞死亡。3.Tsong(1991)電穿孔理論第9頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1710高壓脈沖電場殺菌機理正是由于這種高壓脈沖能量直接轉換成的沖壓式機械能，引起液體食品中微生物細胞內部的強烈振動和細胞膜破裂等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生殺菌效應。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，形成第二個超聲回填空穴沖擊波。放電時，產(chǎn)生強大的脈沖電流高壓通路，進而形成氣套壓力由氣套傳給液體，形成強大超聲液壓沖擊波空穴空穴第10頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1711高壓脈沖電場殺菌機理電磁理論認為電場能量與磁場能量是相互轉換的，在兩個電極反復充電與放電的過程中，磁場起了主要殺菌作用，而電場能向磁場的轉換保證了持續(xù)不斷的磁場殺菌作用。這樣的放電裝置在放電端使用電容器與電感線圈直接相連，細菌放置在電感線圈內部，受到強磁場作用。5.電磁機制模型第11頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1712高壓脈沖電場殺菌機理此模型認為，一是細菌的細胞膜在殺菌時受到強烈的電場作用而產(chǎn)生劇烈振蕩，二是在強烈電場作用下，介質中產(chǎn)生等離子體，并且等離子體發(fā)生劇烈膨脹，產(chǎn)生強烈的沖擊波，超出細菌細胞膜的可塑性范圍而將細菌擊碎。6.粘彈極性形成模型7.電解產(chǎn)物效應此理論指出在電極施加電場時，電極附近介質中的電解質電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽離子在強電場作用下極為活躍，穿過在電場作用下通透性提高的細胞膜，與細胞的生命物質如蛋白質、核糖核酸結合而使之變性。第12頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1713影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素電場強度脈沖持續(xù)時間處理室特性脈沖電場工作參數(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生長時間生長條件pH值水的活性成分電導率離子強度第13頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1714影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素電場強度溫度持續(xù)時間脈沖特性處理室電場強度時影響殺菌效果最重要的因素之一，當超過微生物的臨界跨膜電壓時，微生物死亡率隨場強的增加而增加。剛開始的殺菌效果隨脈沖時間的延長而明顯增強，但達到拐點值后，脈沖時間的增加對殺菌效果基本無影響。隨著處理溫度上升(在24-60℃范圍內)，殺菌效果會有所提高，其提高的程度一般在10倍以內。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；雙極性脈沖波形對大腸桿菌的致死率比單極性波形高。

結構、體積、縫隙、流速和停留時間等因素對殺菌效果均有一定的影響脈沖電場工作參數(shù)第14頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1715影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素微生物的種類生長條件不同菌種對電場的承受力不同。無芽孢菌較有芽孢菌更易被殺滅，革蘭氏陰性菌較陽性茵易于被殺滅。相同條件下用電場滅菌，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、氧濃度對滅菌率有影響，其機理尚不清楚，但在PEF中不考慮這些因素將導致錯誤的結論生長時期處于對數(shù)生長期的菌體比處于穩(wěn)定期的菌體對電場更為敏感，PEF對處在穩(wěn)定生長期微生物的殺菌率低于處于對數(shù)生長期的微生物微生物特性第15頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1716影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素對不同食品成分，不同物質結構的滅菌效果不同。脈沖電場的殺菌效果隨介質離子強度的下降而增加。低電導率情況下滅菌率較高。介質pH值下降殺菌效果稍有提高。降低水活性將會導致滅菌率降低。成分電導率pH值水的活性食品特性參數(shù)離子強度第16頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1717在食品中的應用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究.高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究.高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究.高壓脈沖電場對黑莓汁殺菌效果的研究.高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究.第17頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1718在食品中的應用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究1.原料乳中微生物殘留數(shù)與場強大小關系2.微生物殘留數(shù)與脈沖數(shù)大小的關系處理脈沖數(shù)6個，整個殺菌過程中，由于脈沖數(shù)較少，處理后的牛乳沒有溫升。室溫條件下，電場強度為50kV/cm，脈沖數(shù)對電場殺菌效果影響較小，所以可以選用較小的脈沖數(shù)。第18頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1719在食品中的應用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究3.殺菌溫度與殺菌效果的關系電場強度是最主要的影響因素，場強越大，電場的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場殺菌效果越好，最后是脈沖數(shù)的影響，電場殺菌效果隨脈沖數(shù)的增加而增加，但增加幅度不大．第19頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1720在食品中的應用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究質量分數(shù)為2％的含脂乳經(jīng)PEF處理，無菌包裝．4℃保存。它的物理化學性質沒有改變．微生物貨架期2周。熱--巴氏殺菌乳與PEF--巴氏殺菌乳感官評定上沒有區(qū)別。采用氨基酸分析儀對經(jīng)電場處理前后牛乳中的游離氨基酸質量分數(shù)進行了分析研究．發(fā)現(xiàn)牛乳中的總游離氨基酸質量數(shù)增多。采用高效液相色譜儀對經(jīng)電場處理前后牛乳中的維牛素A質量分數(shù)進行了測定．發(fā)現(xiàn)牛乳中維生素A的質量分數(shù)幾乎無損失。同樣，有研究表明場強在10～100kV／cm．脈沖數(shù)在100～1200的條件下．牛乳中pH值、電導率、乳糖質量分數(shù)和蛋白質質量分數(shù)變化均不顯著。僅有VC的質量分數(shù)會有相當大程度的減少。第20頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1721在食品中的應用研究高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究.1.電場強度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)與場強的關系最優(yōu)工藝參數(shù)：電場強度、脈沖數(shù)、殺菌溫度的優(yōu)水平分別為60kV／cm、6、35℃。第21頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1722在食品中的應用研究桃汁理化指標抗壞血酸、總算含量均未發(fā)生變化，氨基態(tài)氮略有降低。電導率測定未發(fā)生變化。高壓脈沖電場對桃汁非熱殺菌，其電場強度和殺菌溫度是主要的影響因素，脈沖數(shù)對殺菌影響不顯著。殺菌后的桃汁保持了原桃汁原有的營養(yǎng)和鮮味，高壓脈沖電場非熱殺菌不改變桃汁的物理、化學性質。第22頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1723在食品中的應用研究高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究酵母菌和霉菌是果汁中最常見的有害微生物,它們可以在較低的pH值下生存。對PEF處理前后石榴汁中的酵母菌

霉菌以及大腸桿菌進行計數(shù),結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,場強為35kV/cm時,當脈沖處理時間達到200μs時,大腸桿菌下降3.62個lg，酵母菌下降2.34個lg，而霉菌僅下降了0.74個lg值,霉菌孢子對PEF較不敏感。當處理頻率為333Hz時,電場強度為35kV/cm,處理時間為200μs,霉菌下降了1.82個lg值。當處理時間達到800μs，霉菌數(shù)量降低3.6個lg。第23頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1724在食品中的應用研究PEF處理對石榴汁理化性質的影響多酚含量與原樣無顯著差異類黃酮稍有下降澄清度僅下降1%左右對色澤有所影響，但小于熱處理第24頁,共28頁，星期六，2024年，5月2024/6/1725在食品中的應用研究高壓脈沖電場對黑莓汁殺菌效果的研究（1）高壓脈沖電場對沙門氏菌、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。隨著電場強度、脈沖寬度和脈沖個數(shù)的增加，細菌的殘活率顯著下降。在電場強度為18.75

kV/cm時，沙門氏菌、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個對數(shù)。（2）脈沖電場對新鮮黑莓果汁的理化指標影響不大，基本保持了原有的色澤和風味，VC的損失很小。第25頁,共28頁，星期六，