（机械制造及其自动化专业论文）高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究.pdf

摘要摘要非热食品处理技术因为能最大限度地保持食品的天然风味，正受到越来越多的关注，其中最具有发展前景的脉冲电场处理技术更是近年来的研究热点之。本文首先根据国内外在p e f 发生系统及处理室的一些设计理论和成果，提出了实验室中o s u - 4 l 处理装置中处理室存在电场不均的问题，此问题限制了杀菌系统工业化进程。针对这一存在的问题，根据处理室的设计要求及发生系统的参数研制了静态平板式和动态同轴式两种不同的处理室：接着利用a n s y s 辅助分析软件对设计的处理室模型进行了流体及电场等相关模拟；最后利用研制出的处理室与o s u - 4 l 处理装置的发生系统相结合，对接种大肠杆菌的液蛋( l i q u i d 、胁o l ee g g , l w e ) 进行杀菌实验( 原样品中的菌体浓度为1 07 1 0 3 c f u m 1 ) 。结果表明：l 、随着电场强度的增加，p e f 杀菌系统对大肠杆菌的杀灭效果越来越明显。从而论证了杀菌率与电场强度成正比。2 、利用静态平板式处理室对液蛋进行杀菌实验：脉冲电场频率为l o h z 、处理时间为4 0 0 p a ，当电场强度从2 0 k w c m 到4 0 k w c m 时，大肠杆菌最大下降了约5 2 1 个对数级。由此可知：p e f 装置对大肠杆菌的杀菌效果明显，说明设计的静态处理室是可行的，可以进行杀菌钝酶等相关机理研究。3 、利用动态同轴式处理室对液蛋进行杀菌实验：脉冲电场频率为1 0 h z 、处理时间为4 0 0 1 i s ，当电场强度从2 0 k v c m 到4 0 k v c m 时，大肠杆菌最大下降了约4 8 个对数级。由此可知，p e f 装置对大肠杆菌的杀菌效果明显，说明设计的动态同轴式处理室是可行的，可以进行杀菌钝酶等相关机理研究。4 、在同一系统参数条件下( 电场强度为4 0 k v c m ，处理时间为4 0 0 邺) 对液蛋进行杀菌实验。平板式、同轴式和同场式中总菌数分别降低了约5 2 1 ，4 8 和2 1 个对数值。结果表明：静态平板式处理室杀菌效果最好，同轴式处理室次之，同场式处理室杀菌效果较些z l 0本文主要贡献在于提出了o s u 4 l 处理装置中处理室存在电场不均的问题，设计了静态平板式和动态同轴式两种不同的处理室，通过实验验证了设计的处理室用于液蛋杀菌的可行性，并对设计的处理室与o s u 4 l 处理装置中处理室进行杀菌效果比较，结果证明静态平板式处理室杀菌效果最好，同场式处理室杀菌效果最差。本课题来源于无锡江南大学食品科学与技术国家重点实验室“十一五 国家科技支撑计划重大项目“食品冷加工与高效分离技术项目 ( 2 0 0 6 b a d 0 5 a 0 2 ) 基金项目。关键词：非热力杀菌；p e f ；处理室设计；液蛋；大肠杆菌a b s t r a c ta b s t r a c tp u l s e de l e c t r i cf i e l d s ( p e f ) f o ri n a c t i v a t i o no fm i c r o o r g a n i s m si so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do fn o n t h e r m a lf o o dp r o c e s s i n g , w h i c hc a l lm a i n t a i nt h eo r i g i n a ln a t u r eo ft h ef o o da sl o n ga sp o s s i b l e i nt h ep a p e r , f i r s t l y , a c c o r d i n gt od e s i g n i n gt h e o r ya n da c h i e v e m e n t sa th o m ea n da b r o a do ft h ep e fg e n e r a t o ra n dp r o c e s s i n gc h a m b e r , i tp r o p o s e st h e r ei sap r o b l e mo ft h eo s u - 4 l s y s t e mi nt h ec h a m b e r , t h a tt h ee l e c t r i cf i e l di su n e v e n ，w h i c hl i m i t st h ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o g r e s so ft h es t e r i l i z a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m ，i nt e r m so fc h a m b e r sd e s i g n i n gr e q u i r e m e n ta n dp e fg e n e r a t o r sp a r a m e t e r s ，i td e v e l o p st w od i f f e r e n tk i n d so fp r o c e s s i n gc h a m b e r s ，s t a t i cp l a t ea n dd y n a m i cc o a x i a l t h e ni ta n a l y z e st h ef l u i df l o wa n de l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ed e s i g n e dp r o c e s s i n gc h a m b e rm o d e l sb ya n s y ss o f t w a r e f i n a l l y , w i t ht h ed e v e l o p e de q u i p m e n t , w ed ot h es t e r i l i z a t i o ne x p e r i m e n to nt h el i q u i dw h o l ee g g ，w h i c hi si n o c u l a t e db ye c o l i 1 1 坞r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：1 w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，p e fs t e r i l i z a t i o ne f f e c to fe c o l ii sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eo b v i o u s t h u si td e m o n s t r a t e st h a ts t e r i l i z a t i o nr a t ei sp r o p o r t i o n a lt ot h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t y 2 d o i n gs t e r i l i z a t i o ne x p e r i m e n to nl w eb yu s i n gs t a t i cp l a t ec h a m b e r , p r o b a b l y5 21l o gs t e r i l i z a t i o ni sa c h i e v e db yu s i n gp e f o n l yp r o c e s s i n gf r o m2 0k v e mt o4 0k v c r nf o r4 0 0 1 x sw h e nt h ep u l s e de l e c t r i cf i e l df r e q u e n c yi slo i - i z p r e d i c t a b l y , t h ee c o l is t e r i l i z a t i o ne f f e c to fp e fd e v i c ei so b v i o u s t l l i ss h o w st h a tt h ed e s i g n e ds t a t i cc h a m b e ri sf e a s i b l e ，a n di tc a nb eu s e di nt h er e l a t e dm e c h a n i s mr e s e a r c h ，s u c ha ss t e r i l i z a t i o na n di n a c t i v a t i n ge n z y m e 3 d o i n gs t e r i l i z a t i o ne x p e r i m e n to nl w eb yu s i n gc o - a x i a lc h a m b e r p r o b a b l y4 8l o gi sa c h i e v e db yu s i n gp e f - o n l yp r o c e s s i n ga t4 0k v c r nf o r4 0 0 i t s p r e d i c t a b l y , t h ee c o l is t e r i l i z a t i o ne f f e c to fp e fd e v i c ei so b v i o u s ，t 1 1 i ss h o w st h a tt h ed e s i g n e dc o a x i a lc h a m b e ri sf e a s i b l e ，a n di tc a nb eu s e di nt h er e l a t e dm e c h a n i s mr e s e a r c h 4 d o i n gs t e r i l i z a t i o ne x p e r i m e n to nl w ew i t hs a m ep a r a m e t e r so fp e ft r e a t m e n ta t 4 0k v e mf o r4 0 0 p s w eg e t 5 2 1l o gc y c l er e d u c t i o no ff l a tp l a t ee l e c t r o d ea n d4 8l o gc y c l er e d u c t i o no fc o - a x i a le l e c t r o d ea n d2 1l o gr e d u c t i o no fc o - f i e l de l e c t r o d e s t e r i l i z a t i o nr e s u l t ss h o w ：p l a t ee l e c t r o d e c o a x i a le l e c t r o d e c o f i e l de l e c t r o d e t i l i sp a p e rc o n t r i b u t e st op u tf o r w a r dt h ec h a m b e r se x i s t i n gp r o b l e mo fo s u 一4 ls y s t e m ，t h a tt h ee l e c t r i cf i e l di su n e v e n t h e ni td e s i g n st w ot y p e so fc h a m b e r s ，s m i l ep l a t ea n de o - a x i a l ，w h o s ef e a s i b i l i t i e sa r ev e r i f i e db yd o i n ge x p e r i m e n t so nu ew i t hc h a m b e r sd e s i g n e d f i n a l l y , i tc o m p a r e st h es t e r i l i z a t i o no fc h a m b e r sd e s i g n e dw i t ht h ec h a m b e ro f0 s u - 4 ls y s t e m t h er e s u l t si n d i c , a t e ：b a c t e r i c i d a le f f e c to fs t a t i cp l a t ee l e c t r o d ei st h eb e s t ，c o - f i e l di st h ew o r s t t l l i st o p i cc o m e sf r o m ”f o o dn o n - t h e r m a lp r o c e s s i n ga n de f f i c i e n ts e p a r a t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t n ( 2 0 0 6 b a d 0 5 a 0 2 ) f u n dp r o j e c to fs t a t ek e yl a b o r a t o r yo ff o o ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fj i a n g n a nu n i v e r s i t y , a n dt h ep r o j e c ti sn a t i o n a lk e yt e c h n o l o g yr & dp r o g r a mi nt h e1lt hf i v ey e a rp l a no fc h i n 轧k e y w o r d s ：n o n - t h e r m a lp a s t e u r i z a t i o n ；p e f ；p r o c e s s i n gc h a m b e r ；d e s i g n i n g ；l i q u i dw h o l ee g g ( l w e ) ；e c o l ii i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名：日期：关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留，使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致保密的学位论文在解密后也遵守此规定签名：导师签名：爿渺j日期：第一章绪论第一章绪论1 1 食品杀菌技术发展现状在食品工业中，各种各样食品的防腐保鲜是一个非常重要的问题。据估计，全世界每年约有1 0 2 0 的食品由于腐败而废弃，不仅造成了巨大的经济损失而且浪费了资源，污染了环境【。因此杀菌就成为了食品加工过程中的一道重要工序。通过对食品杀菌可以钝化食品中的酶，并杀死食品中的一些有害物质( 致病菌、腐败菌和产毒菌等) ，以保证食品的安全性，延长产品的贮存期。根据食品是否被加热，将食品杀菌技术分为热力杀菌和非热力杀菌。自罐藏技术和巴氏杀菌技术发明以来，热力杀菌技术己在食品工业中得到了广泛应用，通过对热力杀菌技术的不断研究，先后开发了高温短时、超高温、微波杀菌、欧姆加热等热力杀菌技术。这些技术广泛应用于流体食品的杀菌，提高了食品的质量，延长了食品的货架期。但热力杀菌技术也存在一些难以克服的问题：若加热杀菌的温度较低，则会因杀菌不足而导致产品的腐败变质；若加热杀菌的温度过高，则会使果汁中的营养成分受到破坏，风味劣变、产生热臭，对食品的营养价值及滋味、风味产生一些副作用，特别是对热敏性或有特殊要求的食品往往难以达到预定效果，造成产品的质量下降。因此它对一些产品尤其是热敏性产品的色、香、味及营养成分等有很大的破坏作用，使食品失去原有的新鲜度，甚至还产生异味，影响了食品的质量。随着近年来人们对食品新鲜度要求的不断提高，希望食品在加工过程中能保持其原有的新鲜度。非热加工技术可以最大限度的保留食品原有的生鲜风味和营养，因此成为当前食品加工新技术研究与开发的热点。目前非热力杀菌技术主要有超高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、振荡磁场杀菌、紫外线杀菌、生物防腐剂杀菌等【2 _ 埘。1 1 1 热力杀菌技术热力杀菌技术是食品工业中普遍采用的杀菌技术，也是研究最早和最为成熟的杀菌技术，主要是以热水、水蒸气、电等作为热源对食品进行直接或间接加热，使微生物和酶蛋白变性，食品得以保藏。热力杀菌技术又可进一步分为传统热力杀菌技术和新型热力杀菌技术。其中传统热力杀菌技术根据温度分为巴氏杀菌( 低温杀菌) 、高温杀菌和超高温瞬时灭菌( u h t ) ，而新型热力杀菌技术主要包括欧姆加热、微波加热等。食品杀菌时根据目标微生物的耐热特性、物料性质( 如p h 值) 、贮藏条件、包装材料和货架期的不同而采用不同的热力杀菌方法。( 1 ) 传统热力杀菌技术巴氏杀菌技术巴氏杀菌技术是指杀菌温度低于1 0 0 的加热处理，又称低温杀菌技术。现用的巴氏杀菌方法一般有两种：一是加热至l j 6 1 1 6 5 6 摄氏度之间，3 0 分钟；二是加热到7 1 7 摄氏度，至少保持1 5 秒钟。牛奶主要应用巴氏杀菌技术，通常是指将乳加热到7 5 8 0 温度下，进行1 0 - 1 5 秒的杀菌，瞬间杀死致病微生物，原奶加工时温度低于8 5 ，则其营养物质和生物活性物质被保留，并且有害菌大部分被杀灭，有些有益菌却被存留。巴氏杀菌奶属非无菌灌装，保质期短，不宜在常温下贮存、分销，需要在贮藏、销售及消江南大学硕士学位论文费过程中冷藏【1 1 1 。传统的巴氏杀菌技术为间歇式低温长时间处理( 6 3 0 3 0 i i l i n ) ，生产中已经很少使用。目前生产中广泛采用的是高温短时处j 里( 7 2 c 1 5 s ) 。由于巴氏杀菌过程中主要杀灭了致病菌，而腐败菌仍然存在，因此巴氏杀菌产品在贮藏、销售及消费过程中需要冷藏【1 2 】。高温杀菌技术高温杀菌技术是指杀菌温度超过l o o 的加热处理，与低温方式一样采用间歇式或连续式。根据所采用的容器分为小批量的杀菌处理方式或大批量的处理方式。高温杀菌技术在利用热水或蒸汽做加热介质时，要达到1 0 0 以上的温度，必须采用高压，所以也称高温高压杀菌技术，主要适用于p h 大于4 6 的低酸性食品。近年来，针对高温高压杀菌技术对产品的品质影响较大这一不足，日本小野食品机械公司开发出新含气调理技术，其重要特点是多阶段升温的方式改善了高温高压一次性升温及高温高压时间过长对食品造成的热损伤和出现的蒸煮异味【i3 1 。超高温杀菌技术超高温杀菌技术( u h t ) 是指液体食品在连续流动的状态下通过热交换器，将其迅速加热至1 3 5 1 5 0 ，保持一定的时f a - ( 4 6 s ) ，达到商业无菌水平，再迅速冷却至3 0 4 0 ，最后无菌状态下灌装到无菌包装容器中。这主要是因为微生物对高温的敏感程度远远大于食品成分的物理化学变化对高温的敏感程度，微生物的死亡速度远比食品质量劣变的速度快，使瞬间高温完全杀死微生物，最大限度保持食品原有的色、香、味。与高温杀菌技术相比，超高温瞬时杀菌的热处理时间大大缩短，更好的保留了食品的品质及食品的营养价值。该方法适合p h 值大于4 6 的产品如乳品。按照物料与加热介质是否接触，u h t 瞬时杀菌过程可分为间接式加热法和直接混合式加热法两类。直接混合式加热法又可分为注射式( 即高压蒸汽注射到待杀菌物料中) 和喷射式( 将待杀菌物料喷射到蒸汽中)两种形式。间接式加热法是采用中压蒸汽或中压水为加热介质，热量经过固体换热壁传给待加热杀菌物料【1 4 l 。( 2 ) 新型热力杀菌技术欧姆杀菌技术欧姆杀菌技术又叫电阻加热( r e s i s t a n c eh e a t i n g ) 、通电加热等，利用电流直接通过食品，利用食品本身的介电性质产生热量，达到杀菌的目的。它可以应用至u u h t 杀菌不能应用的领域：对含固形物的液态食品进行连续杀菌 1 5 - 1 6 】。欧姆加热技术由于其具有物料升温快、加热均匀、无污染、易操作、热能利用率高等优点，近年来逐渐引起国内外食品科学研究者的关注【1 7 1 。早在1 9 世纪初，欧姆加热的概念就己产生，并逐渐有了利用电能加热物料的专利加工技术。2 0 世纪9 0 年代，商品的欧姆加热装置由英国的a p v b a k e r公司开发，己经在英国、法国、日本和美国使用【墙】。目前，在美国广泛应用于低酸性或高酸性食品的加工，在日本用于生产酸牛奶、草莓、鱼制品及豆腐的加工等【例，在国内主要研究肉的解冻和牛奶、豆浆的加热杀菌【2 0 1 。从目前的国外研究和使用情况来看，欧姆加热最具有潜力的应用领域是含颗粒流体食品的无菌加工1 2 。微波杀菌技术2第一章绪论微波是频率从3 0 0 m h z 3 0 0 0 m h z 的电磁波，其方向和大小随时间作周期性变化。微波辐射对微生物杀灭作用的机理一直存在很多的争论。最初一些科学家认为这种作用就是简单的热效应，包括在十九世纪首先对动物进行电波辐照实验的h c r z 和a r s o n v a l 都认为高频辐射的生物效应只是产热效应l 捌。从二十世纪二十年代中期开始，更多的实验为揭示微波作用的机理提供了大量证据。但都认为微波对微生物的杀灭作用主要是其热效应删。与传统的加热方法相比，它具有加热时间短、加热均匀及食品营养成分和风味物质破坏少等特点。因此利用微波能杀菌在食品工业中日益受到重视。相对传统热力杀菌来说，微波杀菌具有加热时间短、升温速度快、能耗少、杀菌均匀、食品营养成分和风味物质破坏损失少等特点。因此，微波杀菌技术在食品工业中的应用越来越广，已被越来越多食品生产者采用【2 4 1 。1 1 - 2 非热力杀菌技术非热力杀菌技术的研究与应用是食品杀菌技术发展的重要组成部分，也是目前食品研究领域的一个焦点【2 5 1 。与热力杀菌技术相比，具有杀菌温度低，能保留食品原有的品质，不污染环境等优点，引起了研究人员的广泛重视。非热杀菌技术很多，主要有超高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、紫外照射技术等。( 1 ) 超高压技术食品超高压技术简称高压技术或高静水压技术。食品超高压杀菌，即将包装好的食品物料放入液体介质( 通常是食用油、甘油、油与水的乳液) 中，在1 0 0 1 0 0 0 m p a 压力下处理一段时间使之达到灭菌要求。超高压技术被誉为“食品工业的一场革命 ，它不仅能杀灭微生物，而且能使在超高压环境中的淀粉成糊状，蛋白质成胶凝状，获得与加热处理不一样的食品风味。超高压灭菌的机理是通过破坏菌体蛋白中的非共价键，使蛋白质的高级结构被破坏，基本物性发生改变，从而导致蛋白质的凝固及酶的失活。超高压还可造成菌体细胞膜破裂，使菌体内的化学组分产生外流等多种细胞损伤。以上这些因素综合作用的结果导致了微生物的死亡【2 6 1 。在提高果蔬汁产品微生物安全性和稳定性等方面发挥重要作用。同时超高压技术不会像高温杀菌那样造成饮料营养成分破坏和风味的变化，有效地保持了食品本身的鲜爽口味。但由于在一些场合，其过高的压力使得能耗增加，对设备要求过高，不利于工业化生产，而且，超高压装置需要较高的投入，尚须解决其高成本的问题鲫。( 2 ) 高压脉冲电场技术高压脉冲电场技术( h i g h p u l s e de l e c t r i cf i e l d ，简称p e f ) 是将待灭菌液态物料采用泵送等方式流经设置有高强脉冲电场的处理器，微生物在极短时间内受强电场力作用后，细胞结构破坏，菌体死亡。具体见1 2 节。( 3 ) 紫外照射技术紫外线波长范围是1 0 0 4 0 0 h m ，可进一步将其分为四个波段，即u v a 段( 3 1 5 - 4 0 0 nm ) ，u v b 段( 2 8 0 3 1 5 r i m ) ，u v c 段( 2 0 0 2 8 0 n m ) 和真空u v 段( 1 0 0 - 2 0 0 n m ) 。其中只有u v c ( 2 0 0 2 8 0 n m ) 段为杀菌范围，具有杀菌能力。紫外照射的杀菌机理主要是微生物d n a吸收紫外光导致d n a 突变。由于紫外线穿透性差，一般情况下，紫外照射主要用作食品江南大学硕士学位论文工厂车间、设备、包装材料的表面及水杀菌。另外紫外线照射也可以结合其它一些强氧化剂如臭氧、过氧化氢等处理来进行杀菌。( 4 ) 远红外线杀菌远红外线杀菌不需经过热媒，其传热可直接由表面渗透到内部，因此，远红外线杀菌不仅可用于一般的粉状和块状食品的杀菌，且可用于坚果类食品如咖啡豆、花生和谷物的杀菌以及袋装食品的直接杀菌。远红外线杀菌效果是明显的。国外已将远红外线杀菌应用于实际生产中，如农作物的表面经常被微生物污染，消除这种污染最常用的方法是使农作物通入有毒气体如氯化乙烯、氯化丙烯以及氯化乙烯和溴甲烷的混合气体，但使用这些有毒气体会带来一系列潜在的安全问题。而采用远红外线照射对谷物和果实进行表面杀菌就不存在上述问题，且生产成本较上述方法低。使用远红外线杀菌，不仅可杀灭农作物表面的酵母菌和霉菌，而且在一定程度上降低其表面的微生物污染。( 5 ) 电脉冲技术2 0 0 0 年r o b b i n s 提出了使用放电技术的低压电脉冲来处理鲜柑橘汁【绷。放电技术最早是由前苏联开发的，首先由军队应用于水的消毒处理，后来美国将其应用在工业废水的处理上。而r o b b i n s 将其用来处理果蔬汁，电脉冲的能量仅作用于微生物，对介质不起作用，因而加工处理需要的能量低，非常节能。与p e f 技术不同，电流直接以脉冲方式通过果蔬汁，其杀菌机理不像p e f 那样改变微生物的细胞膜，破坏微生物的结构，而是破坏微生物的呼吸代谢。在开发过程中，对鲜橙汁进行电脉冲处理，证明产品冷藏货架期超过6 0 天，而产品的口感、颜色、质地和香味方面变化极小。脉冲硬件设备和脉冲参数已通过中试，目前在进行商业规模的实验。除以上非热杀菌技术之外，还有辐照杀菌、二氧化碳技术、振荡脉冲磁场技术、生物防腐技术、新含气调理杀菌技术、膜过滤除菌、超声波杀菌、电解水杀菌、和化学防腐等 2 9 - 3 1 】，都是目前研究较多的非热力杀菌技术。1 2p e f 技术p e f 技术是将食品置于带有两个电极的处理室中，给予高压电脉冲，形成脉冲电场，作用于处理室中的食品，从而杀灭微生物和钝化酶活性，使食品得以长期贮藏，是处于研究阶段的一种新型非热力杀菌技术，已引起了一些发达国家研究人员的广泛关注【3 2 1 。脉冲电场技术与热力杀菌相比具有显著优点：处理温度低，可以在常温下或更低的温度下进行杀菌；杀菌时间非常短，不足1 秒钟，通常是几十微秒便可以完成：节省能源，不需要加热，不会污染环境；对产品的色、香、味和营养成分没有破坏，能保持产品的新鲜度。美国、德国、荷兰、日本等国已对p e f 技术的基础和应用进行了多年的研究，有些实验已进入中试阶段，而我国在相关领域的研究还处于起步阶段。1 2 1 发展历史利用电技术对食品进行杀菌的方法很多，主要有欧姆加热、微波加热、低电场刺激、高电压电弧放电、低压交变电流和高压脉冲电场等。早在1 9 0 0 年人们就发现在牛奶中通交变电流可以对牛奶进行消毒，主要是欧姆加热作用的效果。研究发现这种电流作用可以杀灭e c o l i 和t b a c i l l i 等细菌【3 3 1 。4第一章绪论低电场技术主要用于肉品的细菌控制。肌肉按长轴方向两端固定在电极上，以5 i o vc m 的场强对内进行交变脉冲处理可减少内中细菌数量和降低细菌的抗热性。高压电弧放电技术，在液态食品中插入电极使之发生高压电弧放电，食品发生大量的物理和化学反应从而会导致微生物失活和酶的钝化，而食品温度没有显著变化。这种电技术最大缺点是食品电解时产生大量化学物质，不适合用于食品加工。低电压交流电技术( s o a z ) 是利用一定的电流强度杀灭微生物。研究发现杀死大肠杆菌所需要的最小电流是2 5 m a 。经过低电压交流电处理后立即测定没有发现微生物减少，但是在放置一段时间后发现微生物数量下降。因此杀菌效果取决于通过悬浮液的电流、氯化物的存在和在介质中放置时间。由此可见，利用电能对食品进行杀菌首先是通过欧姆加热实现的，持续的电流通过食品把电能转为热能而使食品温度均匀升高从而达到杀菌效果。日前国际上利用电技术对食品进行杀菌的焦点已经转移到高压脉冲电场技术这一技术出现的目的不是对食品进行加热，而是当电能以脉冲形式表达时电场作用于细胞膜从而使微生物失活。p e f能更有效地提高能量利用率，同时提供给消费者安全、营养丰富和新鲜的食品。因此p e f技术引起了研究人员的广泛重视。1 2 2 p e f 暮境( 1 ) p e f 装置一瓤尊鎏邋霹零豳i 田1 1 脉冲电场蓑置宾拍图f i g 1 一li m a g oo f p e fs y s t e mp e f 技术研究中重要部分是p e f 处理装置的研究，p e f 处理装置( 图1 1 ) 主要包括5个部分；高压电源装置、脉冲发生装置( 电容和控制开关) 、处理室、冷却系统和电压、温度测定系统州。目前世界上对p e f 处理系统的研究已经进入中试阶段，部分国家开始了小规模商业应用，现今市场上可购得的电脉冲系统在表l 一1 中列出，同时表中也列出它们所声称的特性和大致的价格”。江南大学硕士学位论文表1 - 1 食品脉冲电场处理系统t a b 1 1t r e a ti n gs y s t e mo fp e f美国p u r e p u l s e 科技公司美国俄亥t h o m s o n俄州立大c 日、t ra i p m o n研制单位工业用单实验用单c s p a g 己t p e l l i e r i i i元元b o r d e a u x ( 法)学u n i v e r s i t y ( 法)功率k w5 0 2 0 00 2 82 522 5两个处理室串联连2 - 8 个处理批处理( 可处理固处理室连续连续续室串联体食品)室容积e m 3可变l小5 0 2 0 05 2 0液态食品流l 0 0 0 _ 6 0 0 01 0l 1 8 - 2 8速( t h )最大电极电医? 、忒2 01 22 01 02 0电极类型同轴同轴可变水平平行碟状电极距离4 1 0352 34 0m最大电场4 53 53 55 04 0( k v e m )单极和双脉冲类型单极矩形单极矩形单极矩形单极指数衰减极矩形脉冲宽度1 5l 一5l - 2 00 5 1 00 8 5i is电极电压上升时间n s5 0 0 5 0 0 01 0 0 2 0 0最大脉冲重复频率h z1 0 05 0 0 1 0 0 08 03 0 0 01 0 0是否有冷却是是，两处理室之间是通过与铜蝶接触循环食品电阻范围3 5 砌1 2 5 - 2 5 01 0 05 0 6 0 0( q c m )近似价格4 ( ) 0 0 0 5 0 0 0( u s )5 0 0 0 0 01 0 0 0 0 05 0 0 0 1 0 0 0 0 0o( 2 ) 处理室根据物料是否流动，处理室分为静态式和动态式：根据电极形式分为平板式、同轴式和共场式三种( 图1 2 ) 。平板式处理室平板式处理室中两个电极平行排列，电场强度e - v d ，其中v 电压( k v ) ，d 板间距( 臼n ) 。平板式处理腔简图如图卜3 所示，它的电极为两平行平板，当电极距离充分小6第一章绪论于电校表面直径时，就能提供均匀的电场强度。口 o翱国闱 瞪“) 平板式( 吣同轴式证) 同埽式图卜2p e f 动态处理室三种不同的持构图f i g1 - 2t h r e ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nd r a w i n go ft h ep e fo y n a m i cc h a m b e r囤卜3 平行平板动态处理系境p i g 1 3 叶n a m i ct r e a t i n g $ y s t o mo ft h ep a r a l l e lp l a t e 同轴处理室同轴式电极指一个电极呈圆环状在外周，另一个电极在圆环中心，棒状或针状。同轴电极之间的场强由下式定义：e ：生一( 1 1 )胄2 一r 1r l 和r 2 是电极内表面和外表面半径，这种处理室中的电场不均匀，依位置而不同当( r 2 r 1 ) ( r 1 时电场的不均匀性增加。 同场处理室同场式是指正负电极交错捧列。正负电极分别位于处理室的两端，电极为半径相同的圆环。同场处理室是最近几年才出现的一种处理室，它的结构比较简单，实验室中的o s u - 4 l 处理装置中用的就是同场处理室( 图1 _ 4 ) 。江南大学硕士学位论文一厨卜4o s d - 4 1 弛p 蜃纯目埽齄理室f i gl 一4d o - f i e l dc h i m ro f t h e0 s u - 4 ls y s t e m它们三者之间的优缺点比较如表1 - 2 所示。表卜2 不同类型赴理室的特点比较t a bl 一2f e a t u r ec d a r eo ft h ec 1 8 田b e ro fd i f f e r e n tt y p e $、优缺点处理室；、优点缺点能得到比较均匀的电场；结电极间距离越大场强越低：平行平板处理室容积与电极面积成比例；容积构简单易于实现小比较易于加工且能提供界同轴处理室线非常明显的电场分布：结电场不均匀构简单，流体流动比较均一电极半径越大场强越弱电场结构简单，电容小，比较容越不均匀，因此电场的直径受同场处理室易实现连续式流动到限橱即对流体的处理量受到限制( 3 ) 脉冲波形脉冲波形可以通过不同的电路系统产生，不同的电路系统产生的脉冲波形不同，已有的波形主要有振荡波、衰减波、钟形波、方波、快速反向充电波等。根据脉冲方向是否变化又分为单向波和职向波。从图卜5 可以看出作用效果方波最好。指数衰减波有较长的拖尾现象，而方波能提供有效的电场强度，并且方波上升和下降时问极短，能保证脉冲绝大部分时间处于峰值状卷，比较适合于脉冲电场处理技术的应用；而指数衰减波上升时间虽然也比较短，但下降时问很长，有一个长长的拖尾，真正起作用的是图中t所示的那部分，这使得脉冲在绝大部分时间里处于低幅值状态，基本上没杀菌作用反而会产生电加热效果，使得物料的温度升高，所以指数衰减波形基本上不适合脉冲电场杀第一章绪论菌技术。但衰减波的电路简单容易实现，现今国内的脉冲电场杀菌系统大都用衰减波。钟形波情况同指数衰减波类似，从图中可以看出方波宽度的绝大部分都以最高电压释放能量，因此方波要优于指数衰减波和钟形波，但它要求p e f 电路较为复杂，需要一系列电容器和电感线圈，而快速反向充电波是最新开发的、最节能的一种波形。双向波与单向波相比，对微生物的致死性更强，也更为节能，并能减少电极表面固形物的沉淀和所处理食品的电解。快速反向充电波也是一种双向波，但其与普通的双向波有明显的差别，前者脉冲之间没有停顿时间，而后者脉冲极性交替转换时两次脉冲之间有停顿时间。( a ) 指数衰减泼( b ) 方波( c ) 钟形波图1 - 5 常见的三种电脉冲波形f i g 1 5t h r e eu s u a lk i n d so f t h e p u ls ew a v e s1 3p e f 技术影响因素1 3 i 处理因素( 1 ) 电场强度电场强度是影响微生物杀灭效果最主要的因素之一。当电场强度高于临界电场强度e c ( 微生物刚开始失活时的电场强度) ，随着电场强度的增加，脉冲杀菌效果增强【3 6 l 。( 2 ) 处理时间p e f 处理时间一般取决于脉冲数和脉宽。随着脉冲处理时间的延长，微生物的杀灭效果逐渐明显【3 7 1 。脉宽通过影响e c 从而最终影响微生物的杀灭效果，脉宽越大，e c 越小，杀灭效果越好：但是脉宽太大又会导致食品温度升高。( 3 ) 脉冲波形如前所述，p e f 波形主要有衰减波、方波和钟形波。其中衰减波对微生物杀灭效果最差，方波无论从能量利用率还是微生物的杀灭效果上都优于衰减波。双极波作用细胞在细胞膜产生一定压力最终导致细胞膜的崩解。它的能量利用率较高，降低了食品的电解。快速反向充电波是一个正向波后紧接一个反向波。由于这种波形导致微生物膜上的压力方向随之反复变动，最终使细胞膜结构被破坏。这种波形容易受液体电导率的影响，当液体电导率增大，这种波的正向波和反向波的持续时间( 脉宽) 变小，波峰值增大。( 4 ) 处理温度处理温度对p e f 的处理效果也有影响。当p e f 电场强度持续作用，食品的温度升高，微生物杀灭效果增强【圳。1 3 2 产品因素( 1 ) 电导率、p h 和离子强度9江南大学硕士学位论文食品的电导率是影响p e f 杀灭微生物效果的一个重要参数【3 9 1 。当食品电导率较低时，p e f 有较好的作用；当食品的电导率较大时，处理室两端的电压就难以升高，因而减弱了p e f 对微生物的杀灭作用。( 2 ) 食品颗粒大小食品颗粒直径必须小于两个电极板之间的间距，才能保证加工过程的顺利进行。( 3 ) 食品中的气体成分食品中的气体成分会影响p e f 的处理效果。p e f 处理食品时由于气体的存在可能会有气泡生成，当外加电场强度超过了气泡的绝缘强度，气泡内部放电导致更多的气泡生成。当气泡大到足够接触到两个极板时就产生电火花。( 4 ) 栅栏因子栅栏因子如p h 值、离子强度和抗菌剂的使用等都可以提高p e f 对微生物的杀灭效果 4 0 l 。除了处理和产品两个因素对p e f 技术有影响之外，微生物因素对p e f 技术影响也比较大，如微生物种类、浓度及生长阶段等。1 4 国内外研究现状1 4 1 国外研究现状2 0 世纪6 0 年代，s a l e 和h a m i l t o n t 4 1 】等人率先对高压脉冲电场灭菌技术进行研究，证明产生灭菌作用的既非电解产物也非热力学原因，并验证p e f 技术的非热效应。自h a m i l t a n 和s a l e 发现脉冲电场具有杀菌作用以来，美国、日本、德国和加拿大等国竞相研究这一新的杀菌技术。2 0 世纪8 0 年代后，h u l s h e g e r 、i m m g t m f n n 等【4 2 】对脉冲电场杀菌机理进行了探讨，并进行了工业化相关设备的研究。麻省理工学院h s t 研究所的w e a v e r教授在电穿孔机理方面做了大量的研究工作。h o l ma n n 等首次成功地将脉冲电场运用于肿瘤的治疗【4 3 1 。在国外，研究p e f 处理比较成熟的国家之一为美国，在那里很多大学和公司都对p e f处理进行了积极的研究。其中具有代表性的主要有华盛顿州立大学( w a s h i n g t o ns t a t eu n i v e r s i t y ，w s u ) 、俄亥俄州立大学( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ，o s u ) 以及p u r e p u l s et e c h n o l o g i e s 公司等。位于普尔曼的华盛顿州立大学食品非热处理中心拥有一套连续的p e f 处理系统，处理量为1 0 0 l h ，并带有无菌包装系统。该系统能处理浓缩或新鲜的产品：苹果汁、脱脂乳、液态蛋和豌豆汤等。该中心针对微生物对p e f 的反应做了大量的工作。位于哥伦布的俄亥俄州立大学的无菌技术研究中心主要研究p e f 对热敏感成分的消毒作用并包括对液态及粒状食品的杀菌作用。并且他们还研究p e f 联合其他处理手段( 如超声波作用等) 进行协同灭菌。此研究中心拥有整套的p e f 处理系统和无菌包装体系。在美国，参与p e f 研究的还有美国陆军n a t i c k - f 程研究发展中心( n a t i c k ) 、电能研究所( e p r i ) 和食品技术联盟。n a t i c k 主要致力于研究处理过程和效果，主要是延长食物的保藏期并保持其新鲜的口味和品质并对p e f 对食品营养成分也进行了研究。美国电能研究所在p e f 研究方面主要是成立了以华盛顿州立大学为参加单位的研究团队，主要1 0第一章绪论是加强交流、促进p e f 研究和进行技术信息交流。美国其他研究p e f 技术的高等院校和科研单位还有怀俄明州立大学、明尼苏达州立大学及国家食品安全与技术中心等。在国外研究p e f 的还有英国和荷兰的u n i l e v e r 实验室，英国食品研究学会的c a m p d e n和c h o r l e y w o o d 。德国的柏林科技大学，加拿大的归尔普派大学，西班牙的l i e i d a ，日本的m i t s u b i s h i 和t o y o h a s h i 科技大学都有人从事这方面的研究。1 4 2 国内研究状况国内关于p e f 的相关研究虽说处于探索和起步阶段，但对此领域开展研究的单位和学者很多，先后有几批学者到国外，特别是到俄亥俄州立大学进行相关的学习和研究，并且回国后一直致力于在相关领域的研究，如吉林大学殷涌光教授。在国内，p e f 用于杀菌的研究也有很多。据不完全统计，目前对此领域研究的高校有华南理工大学、中国农业大学、清华大学、大连理工大学、西安交通大学、浙江大学、西北农林科技大学等。其中吉林大学研究了发酵乳、原料奶中微生物的杀菌处理，中国农业大学、大连理工大学在啤酒酵母、大肠杆菌等灭活上也做了较多研究。国内中科院生物物理所的张锦珠，四川大学王保义等f “】在脉冲电场的生物效应方面也做了大量研究。清华大学能源与电工新技术实验室与中国农业大学食品学院合作，对p e f 钝酶效果进行了初步的探索，证实了2 5 k v c m 的脉冲电场对果汁中的过氧化酶和果胶甲基酯酶具有较好的钝化效果。华南理工大学也开发了