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1、第十三章高压脉冲电场杀菌,定义,脉冲电场(Pulsed Electric Fields,PEF)处理是一种新型的非热食品杀菌技术它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度（0-100s）和较高的脉冲频率（0-2000Hz）对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。,高压脉冲电场技术的发展历程,上个世纪 60 年代，Sale 和 Hamilton 等学者率先对 PEF 灭菌技术进行了研究，并通过实验证明了 PEF 的非热效应。80 年代以后，Hulsheger、Zimmermann 等学者对 PEF灭菌机理做了进一步探讨，并研制出了小型试验设备。90
2、年代后，华盛顿州立大学研制出了较为成熟的设备，并获得了专利。Zimmermann 等人还对指数衰减脉冲波、振荡脉冲波和矩形脉冲波的灭菌效果做了对比研究，发现矩形脉冲波的作用效果最好。,目前较为成熟的是华盛顿州立大学食品非热研究中心利用脉冲电容储能，触发放电产生指数衰减型高压脉冲研制的 PEF 处理实验系统，以及随后利用脉冲成型网络（PFN）研制的高压方波 PEF 处理实验系统。2000 年美国 DTI 公司为俄亥俄州立大学食品技术系设计制造了第一台商用 PEF 处理系统PEF 技术是近年来研究最多的食品非热处理技术之一。,国内状况,与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少。国内在上
3、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,国内状况,与国外相比，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
4、、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,近年来，我国学术期刊上出现少量关于 PEF 在食品保藏中应用的报导，但远没有国外研究的深入可以说，我国对 PEF 技术的研究方兴未艾，但与国外相比尚存在较大差距。,高压脉冲电场杀菌机理,目前 PEF 对微生物的作用机
5、理尚不完全清楚多数学者认为 PEF 是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活微生物细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行有着极其重要的作用PEF 的杀菌作用与其对微生物细胞膜的影响密切相关当微生物被置于高压脉冲电场中时，细胞膜会被破坏，从而导致细胞内容物外渗，引起细胞死亡。,（一）细胞膜的电穿孔(electroporation),电穿孔现象是指细胞暴露在 PEF 作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。细胞质膜通透性大幅增加，胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。其基本原理如下：设细胞
6、为球形，其所处外电场诱导的膜电位可由下式表示：式中，r是细胞的半径，E是外加电场强度，是电场方向与指定点法线之间的夹角，是外加交流电场的角频率，t是细胞膜电介质的弛豫时间常数。,PEF 杀菌效果,PEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠杆菌 O157、霉菌和酵母等研究结果表明 PEF 处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，但芽孢表现出较强的耐受性。,影响高压脉冲电场杀菌的因素,影响PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为加工因素，产品因素和微生物特征因素。,高
7、压脉冲电场对食品组分的影响,1、PEF 对食品蛋白质组分的影响 酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，PEF 处理可以钝化酶活和改变酶的结构那么 PEF 也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能产生影响而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。,Barsotti等报道，PEF 处理不会引起卵球蛋白的明显变性，而 PEF 处理过的蛋清蛋白的热凝胶性能稍有下降，但还是明显好于热处理的蛋清；Li 等报道，在
8、使微生物数目减少5.3 个对数值的作用强度下，PEF 对牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和结构的影响不显著；Fernandea-Diaz 等用 31.5KV/cm 左右的指数衰减脉冲电场处理卵清溶液，发现 PEF 可使卵清蛋白部分展开或提高 SH 解离成易反应 S-的离子化程度。Perez 等用 12.5kv/cm 的指数衰减脉冲电场静态处理卵清蛋白和-乳球蛋白浓缩液，发现两种蛋白都有不同程度(26-40%)的变性，差示扫描量热仪（DSC）测定显示 PEF 处理后的-乳球蛋白浓缩液热变性温度下降 4-5，而卵清蛋白的热稳定性有所增强，电泳分析有共价键参与的凝聚生成。Budi 等报道 PEF 可抑
9、制胰岛素分子柔性，从而影响底物与活性位点的接触。Xiang 等发现 22 kV/cmPEF 作用 80 个脉冲可引起牛乳中 25蛋白变性。,Li 等研究了 PEF 对大豆分离蛋白结构与功能性质的影响，结果表明随着脉冲强度和脉冲处理时间的延长,大豆分离蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，当脉冲强度或处理时间大于一定程度，蛋白质分子变性程度增加，功能性质下降。张铁华等研究了 PEF对蛋清蛋白功能性质的影响。研究结果表明蛋清蛋白的溶解度在脉冲电场强度大于35kV/cm 时下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫稳定性及疏水性先随脉冲电场强度增加而增大，但当脉冲电场强度大于 30kV/cm 后逐渐
10、下降。卢蓉蓉等研究了 PEF对乳铁蛋白（LF）结合铁能力的影响，发现 LF 的铁结合能力大体随电场强度、处理时间和脉冲宽度增加而降低。曾新安等和刘燕燕等研究了 PEF 对大豆分离蛋白溶液的表面性质和粒径分布，研究结果表明一定强度的 PEF 可影响氨基酸的极性和电负性，进而影响了蛋白质分子间的相互作用，从而影响蛋白质胶体体系的电位、稳定性，改变胶束的粒径分布。,2、PEF 对食品脂质组分的影响,一些研究者已经提出了 PEF 处理食品过程中的电化学问题和电极腐蚀问题。Johan 等发现 PEF 处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问题。Roodenburg 等的研究显示，在 PEF 处理食品过程中
11、，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会少量释放到食品中。这些因素决定 PEF 处理食品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。,最近，PEF 处理过程中脂肪酸、油脂等发生变化的现象开始受到研究者的关注，Garde-Cerdan 等发现 PEF 处理（杀菌）可引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少，其中月桂酸的变化最为明显；Guderjan 等应用 PEF 辅助提取油菜籽中的油脂来提高出油率，发现 PEF 辅助提取的油菜籽油的酸值显著高于未用 PEF 处理的。资智洪等和曾
12、新安等报道 PEF 处理油酸和花生油会导致一定程度的脂质氧化，过氧化值升高以及不饱和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了 PEF 处理对油酸理化性质的影响及 PEF 处理过的油酸在贮藏过程中理化性质的变化。实验结果表明油酸的过氧化值随着 PEF 处理强度和贮藏时间的增加显著增大，羰基值在 PEF 处理后的一周后迅速升高，PEF 处理过的油酸碘价在贮藏 2d 后有下降趋势。,3、PEF 对食品碳水化合物组分的影响,关于 PEF 对碳水化合物影响的研究较少。张鹰等报道 25kV/cmPEF 处理的脱脂牛乳中乳糖含量未发生显著变化。Garde-Cerdan 等研究发现 PEF 处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没
13、有影响。Han 等采用 PEF 对玉米淀粉进行处理，结果表明 50kV/cmPEF 处理后淀粉颗粒表面会出现明显的小孔和凹坑，X 射线衍射峰的强度和焓值及糊化转变温度降低，表明淀粉在 PEF 作用下发生了分子结构破坏和重排。,4、PEF 对食品其它组分的影响,Cortes 等研究发现 PEF 处理对橘汁中类胡萝卜素的活力有很小的影响。Rivas 等研究了 PEF 处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（4保存 81d）内水溶性维生素（维生素 H、叶酸、维生素 B5 和核黄素）的变化，发现 40kV/cmPEF 处理后样品中的维生素可保留 90%以上。Zhang 等报道花色苷矢车菊素 3-O-葡萄糖苷在
14、 PEF 作用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。Elez-Martinez 等研究了 PEF 处理后橙汁中维生素 C 以及抗氧化能力的变化，发现维生素 C 的保留量随场强、处理时间增大而减小。35kV/cm PEF 处理后橙汁中维生素 C 的保留率在 87%以上。,高压脉冲电场系统设备,PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、温度测定系统。下图是江南大学实验用的PEF处理单元图表。,PEF波形,不同的电路系统产生不同的PEF波形，主要有指数衰减波形、方波波形和阻尼RLC脉冲波形。如图1-3a,b所示。指数衰减波形由于有一条低场强的长尾，因而灭菌效果较差，而且能促使食品产热，但这种波形的电路系统简单，系统装置造价比较低。方波的峰值电压持续时间较长，因而杀菌效果比较好，但方波的电路系统复杂，系统装置造价比较昂贵。根据脉冲方向的不同又可分为单向波和双向波，单极波是指脉冲方向单是一的，或者总是正极，或者总是负极。双向波是指脉冲方向随时间做正负交替变化。一般认为，双向波对微生物的致死能力大于单向波，并能减少电极表面固形物的沉淀和食品的电解。脉冲频率是指脉冲发生的频率，即每秒中内脉冲发生的个数。脉冲宽度是指每个脉冲持续的时间。,
