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1、概况,英国学者就发现25kV/cm直流脉冲能有效致死营养细菌和酵母菌。,20世纪80 年代以来,20世纪90年代中后期,美国、日本等发达国家研究比较活跃，并制造了成套的技术设备。,我国开始进行这方面的研究。,高压脉冲电场(pulsed electric field，PEF)是一种非热处理技术，具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等特点，成为近几年来国内外研究的热点之一。,早在1967年,2023/3/8,1,高压脉冲电场的处理系统,脉冲发生器,处理室,高压脉冲电场杀菌装置的核心部分。高压脉冲发生器用来产生10kV以上的脉冲，该高压脉冲被加到处理室电极的两极板上，在处理室内产生10kV/
2、cm以上的强电场。,处理室与高压脉冲发生器相连接，它的主要作用是将高压脉冲电场传递给流经此室的液体食品，以达到杀菌的目的。,处理系统,良好的高压脉冲处理系统是高压脉冲电场杀菌技术得以应用的前提。设计的关键是脉冲发生器和处理室。,2023/3/8,2,高压脉冲电场的处理系统,指数衰减波,方波,震荡波、交变波,指数形脉冲容易产生，但低于最高电压36.8的电压无杀菌作用，且能使食品的温度升高,这两种波的效果都不是很好,方波脉冲比指数形脉冲杀菌效果更好，对细菌有致命作用，但需脉冲整形网络，结构复杂，对电路的设计及元器件的要求高，成本也比较高,脉冲发生器,指数衰减波,方波,2023/3/8,3,高压脉冲
3、电场的处理系统,静态分批式,连续式,食品在处理室内受到高压脉冲电场作用时，要避免电火花的产生。一旦产生电火花电极就会被腐蚀，食品被电解，产生气泡。因此，在设计食品处理室时，应着重解决好以下问题：电极表面要尽可能光滑以减少电子的逸出采用圆形电极以避免电场集中，为食品提供一个均匀的高压脉冲电场。,处理室内装有电极和冷却装置（PEF连续工作，电极温度会升高），同芯电极的连续式处理室，电容小，结构简单，不易放电。,规模小、考虑影响因素较少，不适于大规模工业化应用。,处理室,食品处理装置结构简图,2023/3/8,4,高压脉冲电场杀菌机理,1.Hamilton和Sale(1967)理论,2.Zimmer
4、mann(1986)电崩解理论,3.Tsong(1991)电穿孔理论,4.空穴理论,7.电解产物效应,6.粘弹极性形成模型,5.电磁机制模型,2023/3/8,5,高压脉冲电场杀菌机理,1.Hamilton和Sale(1967)理论,当一个外部电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电位(TMP)。对半径r处于均匀场强E中的球形来说，其沿电场方向的跨膜电位可由下式得出：U(t)=1.5rE式中：u沿电场方向的跨膜电位，t；r细胞半径，m；E电场强度(kV/mm)，并且认为当跨膜电位(TMP)达到1V时，细胞膜便失去 功能。,2023/3/8,6,高压脉冲电场杀菌机理,细胞膜被视为电容，在高压电脉冲作用
5、下，膜两侧电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成挤压力，当TMP达到临界崩解电位差时，细胞膜就开始崩解，导致细胞膜穿孔(充满电解质)形成，进而在膜上产生瞬间放电，使膜分解。,2.Zimmermann(1986)电崩解理论,A细胞膜电位差为Vm；B外加电场矿远大于跨膜电位差Vm时，细胞膜受挤压变薄；C细胞膜上的电位差达到临界崩解电位差硌时，细胞膜崩解并导致穿孔；D细胞膜大面积崩解。,2023/3/8,7,高压脉冲电场杀菌机理,由于微生物细胞在高压脉冲电场的作用下细胞膜上的双磷脂层和蛋白质暂时变得不稳定导致的一种现象。在外加电场的作用下其细胞膜压缩并形成小孔，通透性增加，小分子物质如水分
6、子可透过细胞膜进入细胞内，致使细胞体积膨胀，最后导致细胞膜破裂，细胞内容物外漏，使细胞死亡。,3.Tsong(1991)电穿孔理论,2023/3/8,8,高压脉冲电场杀菌机理,正是由于这种高压脉冲能量直接转换成的冲压式机械能，引起液体食品中微生物细胞内部的强烈振动和细胞膜破裂等现象，从而产生杀菌效应。,4.空穴理论,放电终了瞬间，气套处形成空穴，由于压力突然减小，液体又以超声速回填空穴，形成第二个超声回填空穴冲击波。,放电时，产生强大的脉冲电流,高压通路，进而形成气套,压力由气套传给液体，形成强大超声液压冲击波,空穴,空穴,2023/3/8,9,高压脉冲电场杀菌机理,电磁理论认为电场能量与磁场
7、能量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感线圈直接相连，细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场作用。,5.电磁机制模型,2023/3/8,10,高压脉冲电场杀菌机理,此模型认为，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而产生剧烈振荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。,6.粘弹极性形成模型,7.电解产物效应,此理论指出在电极施加电场时，电极附近介质中的电解质电离产生阴离子，这些阴阳离子在
8、强电场作用下极为活跃，穿过在电场作用下通透性提高的细胞膜，与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。,2023/3/8,11,影响高压脉冲电场杀菌效果的因素,电场强度脉冲持续时间处理室特性,脉冲电场工作参数,微生物特性,食品特性参数,温度脉冲特性,微生物的种类生长时间,生长条件,pH值水的活性,成分电导率离子强度,2023/3/8,12,影响高压脉冲电场杀菌效果的因素,电场强度,温度,持续时间,脉冲特性,处理室,电场强度时影响杀菌效果最重要的因素之一，当超过微生物的临界跨膜电压时，微生物死亡率随场强的增加而增加。,刚开始的杀菌效果随脉冲时间的延长而明显增强，但达到拐点值后，脉冲时间的增
9、加对杀菌效果基本无影响。,随着处理温度上升(在24-60范围内)，杀菌效果会有所提高，其提高的程度一般在10倍以内。液体食品适中的温度有利于杀灭微生物。,所有波形中，振荡波杀灭微生物的效率最低；方波的效率比指数波的效率高；双极性脉冲波形对大肠杆菌的致死率比单极性波形高。,结构、体积、缝隙、流速和停留时间等因素对杀菌效果均有一定的影响,脉冲电场工作参数,2023/3/8,13,影响高压脉冲电场杀菌效果的因素,微生物的种类,生长条件,不同菌种对电场的承受力不同。无芽孢菌较有芽孢菌更易被杀灭，革兰氏阴性菌较阳性茵易于被杀灭。相同条件下用电场灭菌，不同菌种存活率由高到低为：霉菌、乳酸菌、大肠杆菌、酵母
10、菌,培养基成分、温度、氧浓度对灭菌率有影响，其机理尚不清楚，但在PEF中不考虑这些因素将导致错误的结论,生长时期,处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感，PEF对处在稳定生长期微生物的杀菌率低于处于对数生长期的微生物,微生物特性,2023/3/8,14,影响高压脉冲电场杀菌效果的因素,对不同食品成分，不同物质结构的灭菌效果不同。,脉冲电场的杀菌效果随介质离子强度的下降而增加。,低电导率情况下灭菌率较高。,介质pH值下降杀菌效果稍有提高。,降低水活性将会导致灭菌率降低。,成分,电导率,pH值,水的活性,食品特性参数,离子强度,2023/3/8,15,在食品中的应用研究,高压脉冲电场
11、对牛奶杀菌的研究.,高压脉冲电场对桃汁杀菌的研究.,高压脉冲电场对石榴汁杀菌的研究.,高压脉冲电场对黑莓汁杀菌效果的研究.,高压脉冲电场对绿茶饮料杀菌的研究.,2023/3/8,16,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对牛奶杀菌的研究,1.原料乳中微生物残留数与场强大小关系,2.微生物残留数与脉冲数大小的关系,处理脉冲数6个，整个杀菌过程中，由于脉冲数较少，处理后的牛乳没有温升。,室温条件下，电场强度为50 kV/cm，脉冲数对电场杀菌效果影响较小，所以可以选用较小的脉冲数。,2023/3/8,17,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对牛奶杀菌的研究,3.杀菌温度与杀菌效果的关系,电场强度是最主要
12、的影响因素，场强越大，电场的杀菌效果越好，其次是温度，温度越高，电场杀菌效果越好，最后是脉冲数的影响，电场杀菌效果随脉冲数的增加而增加，但增加幅度不大,2023/3/8,18,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对牛奶杀菌的研究,质量分数为2的含脂乳经PEF处理，无菌包装4保存。它的物理化学性质没有改变微生物货架期2周。热-巴氏杀菌乳与PEF-巴氏杀菌乳感官评定上没有区别。采用氨基酸分析仪对经电场处理前后牛乳中的游离氨基酸质量分数进行了分析研究发现牛乳中的总游离氨基酸质量数增多。采用高效液相色谱仪对经电场处理前后牛乳中的维牛素A质量分数进行了测定发现牛乳中维生素A的质量分数几乎无损失。同样，有研究
13、表明场强在10100 kVcm脉冲数在1001200的条件下牛乳中pH值、电导率、乳糖质量分数和蛋白质质量分数变化均不显著。仅有VC的质量分数会有相当大程度的减少。,2023/3/8,19,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对桃汁杀菌的研究.,1.电场强度E=40 kV/cm，温度为室温(20左右)。,1.残留菌数与脉冲数的关系,2.E=40 kV/cm，脉冲频率F=200 Hz，处理一次脉冲数C=2。,2.残留菌数与样品温度的关系,3.脉冲频率f=400 Hz，处理一次脉冲数C=4，温度为室温(20左右),3.残留菌数与场强的关系,最优工艺参数：电场强度、脉冲数、杀菌温度的优水平分别为60 k
14、Vcm、6、35。,2023/3/8,20,在食品中的应用研究,桃汁理化指标,抗坏血酸、总算含量均未发生变化，氨基态氮略有降低。电导率测定未发生变化。,高压脉冲电场对桃汁非热杀菌，其电场强度和杀菌温度是主要的影响因素，脉冲数对杀菌影响不显著。杀菌后的桃汁保持了原桃汁原有的营养和鲜味，高压脉冲电场非热杀菌不改变桃汁的物理、化学性质。,2023/3/8,21,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对石榴汁杀菌的研究,酵母菌和霉菌是果汁中最常见的有害微生物,它们可以在较低的 pH值下生存。对 PEF处理前后石榴汁中的酵母菌 霉菌以及大肠杆菌进行计数,结果表明酵母菌和霉菌比大肠杆菌更难杀灭。,在脉冲频率为1
15、00Hz,场强为35kV/cm时,当脉冲处理时间达到200s时,大肠杆菌下降 3.62个lg，酵母菌下降2.34个lg，而霉菌仅下降了0.74个lg值,霉菌孢子对PEF较不敏感。,当处理频率为 333Hz时,电场强度为35kV/cm,处理时间为 200s,霉菌下降了1.82个lg值。当处理时间达到800s，霉菌数量降低3.6个lg。,2023/3/8,22,在食品中的应用研究,PEF处理对石榴汁理化性质的影响,多酚含量与原样无显著差异类黄酮稍有下降澄清度仅下降1%左右对色泽有所影响，但小于热处理,2023/3/8,23,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对黑莓汁杀菌效果的研究,（1）高压脉冲电场
16、对沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌具有明显的杀菌效果。随着电场强度、脉冲宽度和脉冲个数的增加，细菌的残活率显著下降。在电场强度为18.75 kV/cm时，沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最低残活率分别为-3.238，-3.053，-2.687和-2.432个对数。（2）脉冲电场对新鲜黑莓果汁的理化指标影响不大，基本保持了原有的色泽和风味，VC的损失很小。,2023/3/8,24,在食品中的应用研究,高压脉冲电场对绿茶饮料杀菌的研究,（1）PEF对绿茶饮料杀菌具有非常明显的作用，单场强度和处理时间是其杀菌效果的主要参数，随着电场强度和处理时间的增大，杀菌效果越来
17、越好。当电场强度达到40kV/cm时，杀菌效果非常显著，处理时间为40s时总菌数已经降低了2.7个对数值。（2）PEF处理后，绿茶饮料的茶多酚、氨基酸含量和色泽均未发生明显变化，PEF不仅能够使绿茶饮料达到检测无菌的水平，还可以保持其原有品质。,2023/3/8,25,高压脉冲电场杀菌在国内发展情况,国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少。国内在上世纪 90 年代后期开始进行 PEF 杀菌方面的研究，目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开展 PEF 技术的相关研究江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套 OSU-4L 型 PEF 杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对 PEF 对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作浙江大学、清华大学在 PEF 设备和处理腔设计方面取得了一定成果,2023/3/8,26,
