食品高新技术6-第六讲-电脉冲与磁脉冲杀菌技术

脉冲杀菌技术与食品工业主要内容概述脉冲杀菌机理高压脉冲电场杀菌流程及装置结构影响高压脉冲电场灭菌效果的因素脉冲杀菌技术在食品中的应用一、概述1、高压脉冲电场杀菌应用于杀菌的高压脉冲电场(highintensitypulseelectricfield,HIPEF,简称PEF)一般的电源电压高达几千伏至几万伏，电场强度为5kV/cm~100kV/cm,脉冲宽度一般为1μs~100μs至几ms,当运用PEF进行杀菌处理时，会产生类似巴氏杀菌的杀菌效果但对介质品质的损害比热杀菌影响小，作为一种新兴的非热杀菌技术，PEF具有很好的应用前景，它已在农产品加工、食品、水处理、卫生及其他相关领域受到越来越多的关注。从20世纪20年代开始，电场即开始被尝试用于牛奶的处理，60年代Grossling等推荐采用PEF杀菌处理食品，近几十年来，该技术的研究发展更加完善进步，美国目前已实现PEF对部分产品杀菌产业化并拥有相关专利，美国华盛顿州立大学和俄亥俄州立大学等还相继建立了专门的非热食品加工研究中心。尽管如此，对于大部分产品杀菌的产业化技术，PEF仍不成熟。在我国，对PEF杀菌技术的研究基本处于实验室阶段或中试阶段，离产业化还有很大的距离。2、脉冲磁场杀菌脉冲磁场杀菌是利用高强度磁场发生器向螺旋线圈发出强脉冲磁场,将食品放置于螺旋线圈内部的磁场当中,微生物受到强脉冲磁场的作用导致死亡。自Hofmann发现脉冲磁场杀菌不存在脉冲电场杀菌存在的缺陷,除保持一般非加热杀菌的特点外,其突出的优点表现为:1、杀菌物料的温度一般不超过5℃;2、距离线圈2m左右处,磁场强度则衰减为相当于地磁强度,因此无漏磁问题,安全性好;3、与连续波和恒定磁场相比,脉冲磁场杀菌设备具有功率消耗低、杀菌时间短、对微生物杀灭力强、效率高等特点;4、磁场的产生和中止易于控制;5、穿透力强,能深入食品内部,并可通过物料流动,强化料液的搅拌传质效果,致使灭菌无死角,杀菌彻底。美国、日本的研究证明,高强度脉冲磁场杀菌在食品行业有很重要的应用价值。我国在这方面的研究还在起步阶段,基础理论研究和推广应用还有待进一步深入。电脉冲与磁脉冲杀菌技术优越性(1)灭菌效果好；(2)对食物的营养成分保存效果好(3)可在用于大颗粒食品；(4)灭菌速度极快；微秒级(5)灭菌后易处理；(6)过程易于控制，且可立即启动或终止(7)加工和包装费用有节约潜力；(8)维护费用低。1、高压脉冲电场杀菌机理对于高压脉冲电场杀菌机理有多种假说：如跨膜电位理论、介电破坏理论、03效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应等，总结起来，就是下面两类：（1）场的作用（2）电离作用二、杀菌机理脉冲电场产生磁场，这种脉冲电场和脉冲磁场交替作用，使细胞膜透性增加，振荡加剧，膜强度减弱，因而膜被破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。跨膜电位理论该理论认为,当一个外部电场加到细胞两端时,就会产生跨膜电位(TMP)，跨膜电位达到1V时,细胞膜便会失去其功能。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,可由下列公式得出:U=1.5rE式中:U表示沿电场方向的跨膜电位,r表示细胞半径,E代表电场强度。（1）场的作用介电破坏理论。该理论将细胞膜视为电容,在高压脉冲电场作用下,膜两侧电位差增大,由于电荷电性相反,它们相互吸引形成挤压力,当TMP达到1V,挤压力大于膜的恢复力,膜就会破裂而失活。电穿孔理论。该理论认为,高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度,使细胞膜失去半渗透性质,细胞会膨胀而死。（2）电离作用电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用，因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行；同时，液体介质电离产生03的强烈氧化作用，能与细胞内物质发生一系列反应。2、脉冲磁场杀菌机理磁场的感应电流效应生物体对于磁场是可透过性的,微生物细胞在磁场下运动时,如果细胞所做运动是切割磁力线的运动,就会导致其中磁通量变化并激起感应电流,这个电流的大小、方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。此感应电流越大,生物效应越明显。当细胞处于脉冲场时,由于磁场的瞬间出现和消失,必然在细胞内产生瞬变的磁通量。瞬变的磁通在细胞内激起感应电流,此感应电流与磁场相互作用的力密度可破坏细胞正常的生理功能。因此,就磁场对细胞产生的感应电流效应而言,恒强磁场不及旋转磁场,旋转磁场不及脉冲磁场,这就是为何脉冲磁场只要很短的时间和较小的场强,就会产生显著的杀菌效果。磁场的洛仑兹力效应在磁场作用下,细胞中的带电粒子如电子和离子,受到洛仑兹力的影响,其运动轨迹常被限制在一定半径范围之内,磁场强度越大,这种半径就越小。根据磁场强度大小的不同,带电粒子的运动轨迹大体会出现以下3种情况:①场强较小时,拉默半径大于细胞的大小,微生物细胞内的带电粒子运动自如,不但没有约束,反而可能使其更加定向、同步地向反应中心聚集,更加促进了细胞的生长和分裂;②场强中等时,拉默半径与细胞的大小相当,则磁场的影响不明显;③场强较大时,洛仑兹力加大,拉默半径小于细胞的大小,导致了细胞内的电子和离子不能正常传递,从而影响了细胞正常的生理功能。磁场的振荡效应研究表明,生物体内的大多数分子和原子具有极性和磁性,外加磁场必会对生物产生作用。不同强度分布的外加磁场对不同生物的影响程度是不同的,而且振荡磁场还能松弛离子和蛋白质间的化学键,键的松弛可能影响细胞的代谢活动而使微生物失活。由于脉冲磁场是变化的,在极短的时间内,磁场的频率和强度都会发生极大变化,在细胞膜上产生振荡效应。激烈的振荡效应能使细胞膜破裂,这种破裂会导致细胞结构紊乱,从而达到杀死细胞的目的,进而杀死细菌。磁场的电离效应在磁场的作用下,食品中的带电粒子将产生高速运动,撞击食品分子,使食品分子分解,产生阴、阳离子,这些阴、阳离子在强磁场的作用下极为活跃,可穿过细胞膜,与微生物内的生命物质如蛋白质、RNA作用,而阻断细胞内正常生化反应和新陈代谢的进行,导致细胞死亡,进而杀死细菌。应特别指出,利用磁场杀菌要求食品材料有较高的电阻率,一般应大于10Ω·cm,以防材料内部产生涡流效应而导致磁屏蔽。这就可解释为什么脉冲磁场杀菌对有些食品物料具有很好的杀菌效果,而有些物料杀菌效果则较差。三、高压脉冲电场杀菌流程及装置结构（一）高压电脉冲流程图（二）高压脉冲电场杀菌装置结构1高压脉冲发生器高压脉冲发生器主要包括高压直流电源和高压脉冲波形两大部分。主要由高压脉冲发生器、电路、高压电场杀菌处理室及控制元件组成。高压直流电源高压直流电源(HVDC)的作用就是将电网输入的220V交流电通过逆变压器变成几十千伏的交流电然后经过整流变成高压直流电，其主要由整流、滤波、逆变、倍压整流4部分组成。高压直流电源的基本框架见下图整流滤波逆变倍压整流电网输入高压输出高压直流电源设计的基本组成框图高压脉冲波形目前国内外用于杀菌处理的高压脉冲波形有方波、指数波、交变波这3种形式，所以脉冲发生器也有多种设计思路，这3种处理效果以方波最好，指数波次之,交变波处理系统最差。指数高压脉冲电容充放电法是传统的方法，矩形电容充放电法是在此基础上发展起来的。指数形电容充放电法R和C1组成充电电路,C1、L和处理室组成放电电路。图1指数形电容充放电电路图图2指数形电容充放电波形示意图指数形波形容易产生但低于最高电压36.8%的电压无杀菌作用，却使食品的温度升高，浪费能量，,这是其不利的一面。矩形电容充放电法在食品杀菌中，矩形波脉冲比指数形脉冲杀菌效果更好，对细菌更有致命作用。相对于指数形高压脉冲发生器，方波脉冲发生器的制作成本高且调试麻烦。图1矩形电容充放电电路图图2矩形电容充放电波形图国内外高压脉冲发生器研发概况美国俄亥俄州立大学于2001年建成了第一台固态高压脉冲发生器，它能够产生60kV、750A的正负脉冲，并且正负脉冲都有相对应独立的固体开关，可以只产生正脉冲或负脉冲，也可以产生正负脉冲的交替，还可以产生多个正脉冲和多个脉冲的交替。国内，大连理工大学、浙江大学、南昌大学等也在对高压脉冲发生器的设计进行了大量的研究，并且也取得了实质性的进展。2、高压电场杀菌处理室在高压脉冲电场杀菌技术研究之中食品处理室的设计又是一项关键性技术,处理室一般包括2个电极，彼此之间由绝缘材料隔成。平行金属板、平行导线、同心圆柱体、镀金棒等都可以作为电极的材料。处理室又可分为静态和动态处理室静态杀菌处理室Sale和Hamilton的处理室是由2个碳电极和黄铜块组成，中间有冷却剂流动。U型的聚乙烯空间有3mm厚，放在两个电极之间形成了一个处理室，这3部分是紧密黏贴在一起的，此处理的最大电场强度能承受25kV/cm。该处理室的电极是采用经过抛光处理的不绣钢片，聚砜树脂用来作为绝缘材料，有效的电极面积为27cm2，两电极之间的距离可选在0.51～0.95cm，此处理室的电场强度最高能达到70kV/cm。动态杀菌处理室这个动态处理室主要就是在其静态处理室的基础上加了一些折流板通道，处理室体积为8～20cm3，电极间距为0.51～0.95cm，强度为35～70kV/cm，脉冲宽度为2～15μs，脉冲重复频率为1Hz，食物流速为600cm/min或者是1200cm/min。为了保证一个理想的流速，PEF需要连续工作。所以：1、处理室内的能量是一个需要重点考虑的对象2、当PEF连续工作时，电极温度就会升高，所以这时就需要一个冷却系统。四、影响高压脉冲电场灭菌效果的因素细菌种类一般条件下,体积较大的细菌因其在同电场强度条件下跨膜电压较高,因而对电场比较敏感;革兰氏阳性菌因其细胞膜厚,弹性较强,对高压脉冲电场的抵抗力较强;球形菌比杆形菌对电场敏感。但在实际研究会发现有很多与这种规律相反的现象,如体积较小的小肠结肠耶氏菌Y.enterocolitica比体积较大的大肠杆菌E.coli更易灭活。处理室单位体积接收到的总能量施加到高压脉冲电场处理室中的能量与电场强度、波形、脉冲频率、波持续的时间及处理总时间等相关。大体上,随着施加到电场中的总能量的升高,高压脉冲电场的灭菌效果也随之增强,其中电场强度对灭菌效果的影响最为明显,而波的持续时间对灭菌效果的影响有限;在波形方面,双极距形波灭菌效果最好。处理食品的预热温度增加初始温度能够很大程度上提高灭菌效果。Amiali等研究发现,通过将食品预处理温度(由20℃提高到40℃)可使大肠杆菌E.coli的灭菌效果提高2个数量级。这可能是由2方面的原因造成的:首先温度升高时可提高被处理样品的电导率,从而在脉冲电场的作用下更容易产生电势差;另外,增加初始温度还能导致热效应,产生额外的热灭菌效果。食品的pH值最新研究表明,一般在酸性条件下(pH=4),革兰氏阴性菌对脉冲电场敏感;而在中性条件下（pH=7),革兰氏阳性菌对高压脉冲电场比较敏感。这可能是改变pH值可使部分细菌偏离其最佳生长区,在采用脉冲电场杀菌时,当微生物的细胞膜穿孔形成后,细胞周围的介质渗入细胞,使其体内酸碱平衡受到破坏,从而能促使其失活,较明显地提高杀菌效果。其他因素包括处理室的形状,电解质的电导率,脂类的比例,有没有加入抑制微生物生长的试剂,微生物的数量。但具体影响的机理还有待于进一步研究。磁脉冲数对大肠杆菌杀菌效果五、脉冲杀菌技术的应用磁脉冲强度对大肠杆菌杀菌效果脉冲数对金黄色葡萄球菌杀灭效果脉冲强度对金黄色葡萄球菌杀灭效果近年来,国内外的一些大学和研究机构对脉冲电磁场杀菌进行了大量研究,应用领域主要集中在液态食品杀菌、钝化酶活力、提高果汁出汁率等方面。Simpson等用高压脉冲电场对还原苹果汁进行处理,电场强度为50kV/cm,脉冲数μ为10,脉宽为2s,处理温度为45℃,产品货架期为28d,处理前后维生素和糖分及感官没有变化,而未处理的鲜榨苹果汁货架期却只有7d。廖小军等研究了高压脉冲电场对橙汁大肠杆菌和理化性质的影响;曾新安等对高压交流电场的灭菌效果进行研究,结果表明,在用22.5kV/cm的场强处理下,乳酸杆菌数会降低