（食品科学专业论文）高压脉冲电场对微生物的致死动力学研究以及在橙汁中的应用.pdf

摘要 高压脉冲电场是一新兴的非热力处理技术，物料经过脉冲电场处理后可以最 大限度的保留原有的营养成分。有关高压脉冲电场技术的研究已经成为食品工业 领域的研究热点。任何新的加工工艺及技术在大规模工业化使用前，必须确认其 有效性、安全性和适用性。 本文在使用自行设计的高压脉冲电场杀菌装置的基础上，首先进行脉冲电场 杀菌技术的非热力处理验证，试验咕果表明，在流速l o m l m i n ，场强达到 2 0 k v c m ，脉冲频率1 2 8 h z ，脉冲宽度为1 7ps 的脉冲条件下物料的温升为3 0 c ， 证明本套装置的高压脉冲电场处理过程为非热力处理。通过脉冲波形实验，可知 道本杀菌装置的脉冲波形为方波，方波脉冲宽度即为杀菌时间，确保对微生物的 杀灭效果。 其次研究了高压脉冲电场对微生物的杀灭效果。试验结果表明，不同的微生 物对高压脉冲电场有不同的耐受力，不同菌种存活率由高到低为：霉菌、大肠杆 菌、酵母菌；随着脉冲电场强度和脉冲时间的增加，杀菌效果都会相应的提高； 而且微生物的生长期对杀灭效果也有很大的影响，对比延滞期、指数生长期和衡 定期高压脉冲电场对微生物菌体的杀灭效果，试验结果表明处于延滞期的微生物 菌体对电场最敏感；以及研究了不同介质对青霉杀菌效果的影响，结果显示蒸馏 水介质的杀灭效果比3 0 橙汁介质的杀灭效果好。 通过建立微生物存活率与脉冲电场强度和脉冲时间之间的数学模型，知道各 种微生物对脉冲电场的耐受力不一样。拟合结果可知道青霉e c - - 2 0 2 k v c m ) 大肠 杆菌e c = 1 8 0 k v c m 酵母菌e c = o 3 3 9k v c m ；而且比较两种模型的回归系数k 的大小，青霉的k 值总是最小的，酵母菌的k 值总是最大的，说明酵母菌对电场 最敏感，而青霉菌对电场抵抗能力最强。 最后对比了p e f 处理橙汁和热处理( 9 0 ，1 5 s ) 橙汁的微生物杀灭效果和 橙汁理化指标的变化。从试验结果可以知道，虽然高压脉冲电场没有完全杀灭果 汁中的微生物，但是细菌菌落数和霉菌与酵母的菌落数已经下降到2 0c f u m l 和1 0c f u m 1 。结合o c 低温贮藏条件，延长了橙汁的贮藏期。橙汁品质在贮藏 期间除了￥c 含量略有损失外，其他的理化指标几乎没有变化，对比热处理和p e f 处理橙汁，可以知道p e f 处理橙汁的感官跟热处理的橙汁有明显的区别，p e f 处 理的橙汁明显好于热处理的橙汁：p e f 处理橙汁从口感、香气和风味上更佳。 关键词高压脉冲电场 存活率 数学模型橙汁品质 a b s t r a c t p u l s e de l e c t r i cf i e l di sa ne m e r g i n gn o n - t h e n n a lt e c h n o l o g y , t h r o u g hw h i c hf o o d c a nm a i n t a i ni t sn u t r i t i o nt ot h el a r g e s te x t e n t r e s e a r c h e sr e l a t e dt op e fh a v eb e c o m e t h e h o ts p o t o f f o o d i n d u s t r y a n d i t d b a t t e r t o m a k es u r e t h e a p p l i c a b i l i t y 、s a f e t ya n d e f f e c t i v e n e s so fa n yl l e wt e c h n o l o g yb e f o r ei t si n d u s t r i a l i z a t i o n t h r o u g hu t i l i z i n gt h es e r f - d e s i g nt r e a t m e n td e v i c ef o rh i g hv o l t a g ep u l s e de l e c t r i c f i e l dp a s t e u r i z a t i o n , f i r s t l y , t h i sp a p e rw o u l dc o i 正i n np e fb e l o n g i n gt on o n - t h e r m a l c a t e g o r yo fp a s t e u r i z a t i o nw i t h o u tt h e r m a le f f e c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h e s t r o n g e s tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n , t h et e m p e r a t u r er o s el e s st h a n3 0 cw h i c hc a np r o v e t h a tp e fi sa nn o n - t h e r m a lt e c h n o l o g y t h e nt h i sp a p e ra n a l y z e dt h em i c r o b i a li n a c t i v a t i o nu n d e rp e fp r o c e s s i n g n e r e s u l t ss h o w e dt h a td i f f c r e n tm i c r o b i a lh a dd i f f e r e n ts e n s i t i v i t yt op e f y e a s tw a s s e n s i t i v et op e f , w h i l em o l dw a sl e s ss e l l s i t i v et op e e m 如i n c r e a s et h en u m b e ro f p u l s e sa n dt h ei n t e n s i t yo fp e f , t h ei n a c t i v a t i o n w i l lr i s ec o r r e s p o n d i n g l y t h e d i f f c r e m g r o w t hs t a g e o fm i c r o o r g a n i s mh a dd i f f e r e n t s e n s i t i v i t y t op e e m i c r o o r g a n i s mi nl a gs t a g ew a sm u c hm o r es e n s i t i v et op e ft h a nt h a to fe x p o n e n t i a l a n ds t a t i o n a r y s t a g e a n d m i c r o b i a li nd i f f e r e n tm e d i u m sw i l lh a v ed i f f e r e n t i n a c t i v a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl o wp hm e d i u m sw i l lr e d u c et h ei n a c t i v a t i o no f y e a s ta n dm o l d s ，w h i c hw i l li n c r e a s et h ei n a c t i v a t i o no f b a c t e r i u m t h ek i n e t i c so fm i c r o b i a li n a c t i v a t i o nb yp e fw a ss t u d i e d e l e c t r i cf i e l di n l e n s i t y a n dt r e a t m e n tt i m ev a r i e df r o m2 5 2 0k v c ma n d1 7 0 - 8 5 0 1 a s ，r e s p e c t i v e l y 1 h e e x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a td i f f e r e n tm i c r o b i a lh a v ed i f f e r e n tc r i t i c a le l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t y , t h em o l dw a s2 0 2 k v c m y e a s ti s0 3 3 9k v c ma n de c o l iw a s1 8 0 k v c m , s oi t se a s yt os e et h 砒t h ey e a s tw a sm u c hm o r es e n s i t i v et op e ft h a nt h a to f m o l da n d e c o i l f i n a l l y , t h r o u g hc o m p a r i n gt e s t i n gb e c 、：v e e nh i g hv o l t a g ee l e c t r i cf i e l d st ot r e a t o r a n g ej u i c ea n dc o n v e n t i o n a lh e a t i n gt ol i e a to r a n g ej t r i c eb yc o m p a r i n gt h e m i c r o o r g a n i s mi n a c t i v a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fj u i c e t h ee x p e r i m e n t a ld a t a s h o w e dt h a tp e fc a n n o tk i l la l lt h em i c r o o r g a n i s m si nj u i c e ，h o w e v e rt h en u m b e ro f m b a c t e r i u mw a s2 0c f u m l ，a n dt h en u m b e ro fy e a s ta n dm o l dw a s1 0c f u m l ，t h e s t o r a g ec o n d i t i o nw a s0 c ，w h i c hw o u l dh e l pt o p r o l o n gt h es h e l f - l i f eo fj u i c e d u r i n gt h es t o r a g e , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r a n g ej u i c en e a r l yh a dc h a n g e se x c e p tf o r s o m el o s so fv i t a m i nc c o m p a r i n gt h et w od i f f e r e n tt r e a t e do r a n g ej u i c e ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h e r ew e r ed i s t i n g u i s h e dd i f f e r e n c e sa b o u ts e n s o r ye v a l u a t i o nb e t w e e n t h e m i tw a se a s yt os e et h a tp e ft r e a t e do r a n g ej u i c eh a sb e t t e rt a f t c 、f l a v o ra n d a r o m at h a nt h a to f h e a t i n gt r e a t e d j u i c e k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ep u l s e de l e c t r i cf i e l d s s u r v i v a lf r a c t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l s c h a r a c t e r i s t i c so f o r a n g e j u i c e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是我个人在导师的指导下，进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢 的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做 出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知 识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业，论文作者亲笔签名：千志l | i i 日期：垆卜， 论文使用授权的说明 。 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即： 学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 口 口 保密，在年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。 日期：如矿7 f 矿 e 惜岬1 t 谗 ， 移救 鞴 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 第一章绪论 现代食品加工的目标是为人类提供安全和具有良好营养与理化品质的高质 量食品。自从巴氏杀菌技术发明以来，热力杀菌技术在食品工业中得到了广泛的 应用，在保障食品微生物安全、延长产品货架期等方面发挥了巨大的作用，最近 随着人们生活水平的提高和保健意识的增强，食品的健康越来越受到人们的重 视，要求食品加工者不仅要保证食品的安全性和稳定性，而且还要尽量保持其原 有营养成分和新鲜度“。要保持食品的品质，保证食品的安全卫生，就必须对食 品包装及其内容物进行杀菌。杀菌是食品生产中的一个非常重要的环节，杀菌的 好坏直接影响着食品的品质。根据处理温度的不同，液体食品的灭菌处理方法 有热杀菌和非热杀菌处理技术。而传统的热力杀菌技术对一些产品特别是热敏性 产品的色、香、味、功能性以及营养成分等具有破坏作用，经过热加工的新鲜产 品失去了其原有的新鲜度，甚至还产生异味，影响产品质量3 钔。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 研究与开发的热点州。果蔬及其加工制品作为一类热敏性食品，应用非热加工技 术具有独特的价值。近年来国内外众多的研究者对非热技术在果蔬汁加工中的应 用进行了研究，以评定非热) j d 1 - 技术在保持果蔬汁新鲜度和营养价值以及提高产 品微生物安全性和稳定性等方面的作用。 l 热力杀菌技术在食品工业中的应用 1 1 传统的热力杀菌技术 1 1 1 巴氏杀菌技术 巴氏杀菌技术是指杀菌温度低于1 0 0 c 的热处理，又叫低温杀菌技术。现用 的巴氏杀菌方法一般有两种：一是加热到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 c - - 8 0 1 2 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 c ，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，需要在贮藏销售和消费过程中冷藏。 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 巴氏杀菌也适合p h 值低的酸性食品，如饮料食品、水果罐头、酸化食品等， 由于其p h 较低，很多致病菌和耐酸菌非芽孢菌不能生长，杀菌的目标微生物是 耐酸芽孢杆菌。 1 1 2 高温杀菌技术 高温灭菌技术是指杀菌温度超过1 0 0 。c 的加热处理，利用热水或蒸汽作加热 介质时，要达到1 0 0 * c 以上的温度，必须采用高压，所以也称高温高压灭菌技术， 主要用于p h 大于4 6 的低酸性食品，这类食品中致病菌、腐败菌( 芽孢杆菌和 非芽孢菌) 以及产毒菌能够生长繁殖，后者产生的毒素严重影响食品的安全性， 因此这类食品的杀菌通常以肉毒梭状芽孢杆菌为目标微生物，这类菌的耐热性 强，需要用高温杀菌。高温杀菌技术广泛应用于罐头工业，适合蔬菜罐头、肉类 罐头、鱼罐头等。高温高压杀菌技术的主要不足是对产品影响较大。 1 1 3 超高温瞬时灭菌( u h t 杀菌) 技术 目前应用较多的是超高温瞬时灭菌即常说的u h t 杀菌，超高温杀菌于1 9 4 9 年随着斯托克( s t o r k ) 装置的出现而问世，其后国际上出现了多种类型的超高温 杀菌装置。超高温处理可分为间接加热和直接加热两大类型。它是使果蔬汁饮料 迅速升温至1 3 0 以上，然后保持几秒钟，从而实现对料液瞬间的杀菌。其优点 在于超高温灭菌效率高，经过灭菌后，果蔬汁产品中的细菌几乎全部被杀死，即 使有存活的孢子甚至微生物，但是它们不会使果蔬汁发生微生物个体繁殖而腐 败，同时，因为是瞬间灭菌，还可以最大限度的保留果蔬汁饮料中的营养成份， 保持产品的风味。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。u h t 灭菌虽然能最大限度的保留果汁中的营养成 份，保持果蔬汁的风味，但毕竟处理过程经历了很高的温度，温度具有延滞性， 果蔬汁中热敏性成分会发生质变：果蔬汁中含有丰富的蛋白质、多酚及维生素c 等热敏性物质成分，高温会使它们凝固、变性，失去天然的品质，对它们具有相 当大的破坏。高温导致物质的蛋白质变性，氨基酸、还原糖、芳香成份、维生素、 色素等下降，引起味道变坏，失去原有色泽，维生素破坏等。而且，u 盯杀菌系 统设备庞大，需要锅炉、管道、灭菌器、冷却系统等，这样造价特别高，能耗相 当大 8 2 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 1 2 微波杀菌技术 微波杀菌技术应用与液态食品如啤酒、乳制品、果蔬汁饮料等，国外已有关 于微波牛奶消毒器的报道，它采用的频率是2 4 5 0 m h z ，其工艺可以是采用8 2 2 左右处理一定时间，也可以是采用微波高温瞬时杀菌工艺，既2 0 0 ，0 1 3 s 。 消毒奶的杂菌和大肠杆菌的指标达到要求，而且奶的稳定性也有所提高。研究表 明，微波是通过热效应和生物效应进行杀菌的。微波处理过程使交变电磁场对物 料中水、蛋白质、核酸等积极性分子发生作用，使极性分子产生高速取向运动， 相互摩擦，导致内部温度急剧升高，使微生物细胞内的蛋白质、核酸等分子结构 改性或失活，对微生物产生破坏作用。在升温的同时，微波会使细胞膜破裂和改 变脂质体的渗透性，对微生物细胞赖以与外界交换能量和信息的保持其正常生态 活动的离子通道产生影响，使微生物细胞出现调节功能严重障碍，达到灭菌的目 的9 1 们。 1 3 电阻加热技术 电阻加热技术( o h m i ch e a t i n g ，又称为欧姆加热) 近年来在国外食品加工领域 中，受到广泛的重视。该加热方法与传统的食品加热方法截然不同，是将电流通 过食品利用其电阻抗产生热能来加热食品，主要是针对含颗粒流体食品的无菌加 工，减少液体和固体颗粒间的加热杀菌程度不均匀“”。电阻加热技术是以交流 电电流通过食物，因食物中所含的盐分或有机酸均为电解质，无论流体或固体电 流均可通过。热由食品内部产生，其原理是利用食品本身的导电性，及不良导体 产生大的电阻抗特性来产生热能，将电阻电热技术运用在含颗粒流体食品时，其 加热形态与传统的加热方法明显不同，而传统蒸汽加热时，固体颗粒的温度必然 小于液体的温度，反过来，电阻加热时，固体颗粒的温度常与周围液体的温度相 当，有时甚至会超过液体温度“。由此可知，对于含颗粒流体食品( 尤其是低酸 性者) 的电阻加热技术有突破性发展，目前电阻加热技术在欧洲及日本已有商业 生产装置，美国也同意以电阻加热技术为含颗粒流体食品的商业杀菌技术。电阻 加热不同于传统利用热媒加热的方式，电阻加热的优点主要能使产品在生产中较 容易控制，并达到加热杀菌的均一性，提高产品品质，在生产过程中较易自动化， 不依赖操作人员的加工技术的水准，采用高温短时杀菌，使能源消耗量减少，从 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 而降低生产成本。这一技术目前只应用于含颗粒食品的无菌加工系统中“玉“3 。 2 非热加工技术在果蔬汁产品中的应用 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。与热力杀菌技术相比，具有杀菌温度低，能有效保 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。当前用于 食品加工的非热灭菌技术有超高压杀菌、辐射杀菌、超高压脉冲杀菌、膜分离、 脉冲强光杀菌、磁力杀菌、紫外线杀菌和二氧化钛光催化杀菌技术等。这些新兴 技术，按其功能可分为保藏技术分离技术、组合技术、改性技术，检测技术， 现分别列举一些在国内外己被应用并且应用前景非常广阔的新技术“。 2 1 超高压杀菌 食品超高压技术( u l t r a - h i g hp r e s s u r ep r o c e s s i n g ，u i p ) 简称高压技术 ( h i g hp r e s s u r ep r o c e s s i n g ，h p p ) 或高静水压技术( h i g h h y d r o s t a t i c p r e s s u r e ，h p p ) 。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。其基本原理就是利用压力对微生物的致死作用，主要通过破坏 细胞膜、抑制酶的活性和影响d n a 等遗传物质的复制来实现m 1 ”。目前是研究 最多、商业化程度最高的非热加工技术。大量研究表明，适宜的高压处理对苹果 汁、橙汁、胡萝卜汁等多种果蔬汁中的大肠杆菌、沙门氏菌等病原微生物以及酵 母等腐败微生物均有较强的杀灭作用，从而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、风味变化，有效地保持了食品本身的鲜爽口味：但由于处理过程压力很 高，食品中压敏性成分会受到不同程度的破坏。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“”。 2 2 辐射杀菌 辐射( 或辐照) 杀菌是利用一定剂量的波长极短的电离射线对食品进行杀菌。 在食品杀菌中常用的射线有x 一射线、y 一射线和电子射线。由于安全性问题等原 因，直到8 0 年代才得到实用，目前已有不少国家投入商业化生产，以不会有诱 4 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 导放射性之害的安全剂量对食品进行辐照，能达到有效杀菌而不发生常规加热杀 菌可能带来的种种不良影响。食品在正常推荐的剂量辐照后其营养成分，如蛋白 质、糖类、微量元素及矿物质的损失很少，但是维生素和脂肪对辐射敏感。脂肪 经过高剂量辐射后，因氧化反应产生的自由基及其衍生物会促进脂肪的氧化而使 其发生酸败变性，导致脂肪的消化吸收率降低。同时辐射处理对各种食品色素的 影响不同，植物性色素对辐射处理较稳定，动物性色素对辐射敏感；辐射处理一 般会使食品特有的香气损失，同时也产生令人不愉快的“辐射臭气味”，尤其是 肉类食品；低剂量辐射处理食品不会对食品质地产生明显的影响，相反还可以抑 制软化，破坏一些引起果实后熟的有关酶的活性，延缓一些水果的后熟“”。 2 3 膜分离技术 这是一种利用高分子材料制成的半透性膜对溶剂和溶质进行分离的先进技 术。随着材料科学的发展，各种可用于物料分离的膜相继出现，膜分离技术已在 食品、生物制药等工业生产中得到广泛应用，例如生化物质的提取、纯水的制备、 果汁的浓缩等。膜分离过程根据推动力的不同，大体上可分为两种。一类是以压 力为推动力的膜过程，如超滤：另一类是以电为推动力的膜过程，称为离子交换， 如电渗析。以压力为推动力的膜过程，根据膜所用的孔径和截留能力可以分为微 孔过滤、超滤和反渗透等。通常膜的孔径为0 0 0 0 1 1 01 tm ，而物料中微生物粒 子大小一般在0 5 2um ，若选用孔径小于微生物的膜，使料液通过膜过滤器进 行过滤，则菌体粒子被截留，称之为过滤除菌。膜技术的分离机理，绝不是简单 的毛细过滤，随着膜材料的不同，还带有溶解、吸收、扩散等复杂的化工过程， 因此膜分离技术具有较高的效率、较好的质量，而且设备简单，操作容易，价格 也不太贵：但它主要适合于纯净水等成分较单一的饮料弘2 羽。 2 4 脉冲强光技术 脉冲强光技术是利用脉冲的强烈白光闪照而使惰性气体发出与太阳光谱相 近，但强度更强的紫外线至红外线区域光来抑制食品和包装材料表面、固体表面、 气体和透明饮料中的微生物的生长繁殖。大量研究表明，脉冲强光对多数微生物 有致死作用。随着闪照次数的增加，残余菌数明显减少，可以进行彻底杀菌。对 不同的食品，不同种类的微生物，需要控制不同的条件。光照脉冲还可以钝化液 态淀粉酶和蛋白酶，其活力随着闪照次数的增加而降低。 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 2 5 磁力杀菌技术 磁力杀菌是将食品放在n 级和s 级之间，用6 0 0 0 的磁力强度连续摆动，不 需要加热，即可达1 0 0 的灭菌效果，对食品的成分和风味无任何影响。日本三 井公司将食品放在0 6 t 磁密度的磁场中，在常温下4 8 h ，达到1 0 0 灭菌效果。磁 力杀菌可应用于饮料、调味品及各种包装的固体食品的杀菌。但是食品中微生物 的失活与磁场强度的关系，磁场与食品营养成分变形的关系，磁场能量效率与延 长食品货架期的关系，磁场对食品质量的影响和微生物失活机理等等，目前尚不 清楚，还有待于进一步研究与探索。金属包装的食品不能用此方法来杀菌，因此 磁力杀菌对包装材料的要求高，从而限制了应用范围胁1 。 2 6 高压脉冲电场技术及其研究进展 脉冲电场技术是将待灭菌液态物料采用泵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的作用后，细胞结构破坏，菌体死亡。 2 6 1 高电压脉冲灭菌相比于热杀菌的优点： 2 6 1 1 灭菌效果好 更有效的杀灭食物中的酶及微生物，高电压脉冲灭菌法可达到杀菌6 个数量 级以上。 2 6 1 2 杀菌温度低，对食物的营养成分保存效果好 高电压脉冲灭菌法能更有效的保存食物中的营养成分，其中食物的主要指 标，蛋白质及维生素的损伤率只有几个百分点，甚至为零。而巴氏灭菌法对食物 的营养成分破坏相对来说是很严重的，其中蛋白质及维生素的损耗远远超出高电 压灭菌法。由于传统灭菌法产生的高温会不可避免的破坏食物中的营养成分，而 高电压灭菌法可以在瞬间灭菌，使食物在灭菌处理后升温在3 0 以内。若物料 不预先进行降温处理，假设初始温度在2 5 c 左右，处理后的物料温度低于5 5 c ， 完全处于对物料的营养和风味进行充分保护的“冷处理”范围，产热少，副产物 少，对食品的化学成分、外观及风味等基本无影响。所以就这一点来说，高电压 灭菌法所达到的效果是传统灭菌法所远不能及的。1 。 2 6 1 3 高压脉冲处理不会引起食品营养成分的改变 在食品成分的变化方面，蛋白质最易于受各种理化或微生物因素的作用而分 6 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 解腐败，从而使食品的质量降低。有研究表明，高压脉冲处理不会引起食品中蛋 白质等的变化而导致食品营养成分的改变“。 2 6 1 4 灭菌速度极快 食品实际接受脉冲电场作用的时间在毫秒以内，整体灭菌工序操作时间在数 秒以内，而巴氏灭菌法的灭菌时间较长，二者的灭菌速度有很大的区别。高电压 灭菌法是通过瞬间的电场强度变化，使菌体死亡，从而使对人体有害的菌类等物 质被杀灭，或失去活性2 9 。 2 6 1 5 处理均匀 在电场中各部分的物料均受到了相同大小场强的处理3 。 2 6 1 6 灭菌后易处理 用高电压脉冲灭菌法灭菌后，食物温度变化很少，完成消毒过程之后即可进 行封装，而用巴氏灭菌法进行灭菌后，食物温度很高，必须经过一段时间的冷却 后才能进行封装，效率远不及高电压脉冲灭菌法3 。 2 6 1 7 不会产生对人体有害的自由基物质 食品中含有的某些营养素及酶类物质，经氧化后会成为自由基的产生来源之 一。自由基在很多的情况下对人体有损害作用。实验发现，高压脉冲电场处理 后不会产生对人体有害的自由基物质【3 2 1 。 2 6 1 8 对环境无污染，无二次污染及三废问题 考虑应用物理灭菌时的三大问题：一是杀菌中是否引起新的污染；二是是否 比传统方法有明显的经济优势；三是是否能实现规模化生产。综合高压脉冲电场 以上的特点，脉冲电场食品处理技术完全具备向规模化方向发展的潜质铷。 2 6 2 高压脉冲电场的研究进展 最初使用电杀菌方法的是1 9 世纪2 0 年代到3 0 年代美国的一些农场，他们 将此方法用于牛奶的杀菌，当时采用的是2 2 0 v 低压交变电场而非脉冲电场川。 2 0 世纪5 0 年代，又产生了一种叫液内放电法的灭菌方法，它是通过浸在液 体内的电极快速释放高压电，产生瞬时的高压脉冲、电弧光以及电化学反应来灭 菌，但由于会造成食品电污染( 因为电极的腐蚀) 和食品中颗粒的瓦解( 因为冲 7 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 击波的作用) ，目前仅用于污水处理3 5 ，鲫。 2 0 世纪6 0 年代初，d o e v e n s p e c k 通过实验发现，不同强度的匀强电场对微 生物的生存有不同程度的抑制作用，学者s a l e 和h a m i l t o n 率先进行了高压脉冲 电场灭菌效果的研究，他们认为电场强度和作用时间是影响电压灭菌效果的两个 最主要因素，并通过实验证明了产生灭菌作用的既非电解产物也非热力学的原因 “。8 0 年代以后，h u l s h e g e r 、z i 皿n e r m a n n 、m i z u n o 等学者对电脉冲杀菌机理 做了进一步的探讨，并开始了用于工业生产的设备研究。近几年来，德国汉堡大 学和美国华盛顿州立大学等，先后开展了用脉冲电场对牛奶、果汁等液态食品杀 菌课题的研究啪，捌。国外某些研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、 各类革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌，以及苹果汁、香蕉汁、菠萝汁、牛奶、蛋清 液等进行了大量研究，并取得了良好的结果。结果表明，该处理时间在几个微秒 到几个毫秒，最长不超过1 秒，而货架期却可延长4 - - 6 周，抑菌效果可达到4 - 6 个对数周期，同时，处理没有对食品的感官质量造成任何影响，在2 2 5k v c m 的场强处理下乳酸杆菌数降低近6 个数量级乱4 1 。目前国外对高压脉冲电场研 究的比较详细，正由中试实验向商品化实验过渡。实验室应用装置就有数十种， 对于装置的设计和电场参数的设置、杀菌钝酶的机理和影响因素、处理后产品的 理化性质如营养成分、风味、色泽及货架期各种指标的变化都进行了大量的研究 4 2 - 4 5 】 随着高压脉冲电场杀菌技术在国外的兴起，我国科技工作者自9 0 年代起，也 展开有关的理论和实践研究。1 9 9 2 年，邓元修等直接尝试了高压脉冲电场对酵母 菌和大肠杆菌的杀灭作用，表明所需能耗很低，每吨液态食品灭菌耗电约为0 5 2 o k w h 。对试液的温升小于2 c ，因而能够最大限度地保存食品的营养成分。国 内，目前对高压脉冲电场的研究主要有几个方面。一：高压脉冲电场对酶及酶构 象的影响。中国农业大学的钟葵使用脉冲电场处理果胶酯酶发现酶活性及酶构象 均有变化1 。华南理工大学的曾新安研究了高强脉冲电场对过氧化物酶和脂肪 酶的影响，高强脉冲电场能够使酶的活性降低，且活性降低与电场强度和脉冲数 目的增加呈正比”“。二：高压脉冲技术作为辅助提取的手段应用于果蔬汁及蛋 8 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲龟场非热杀菌研究 白质和多糖等活性成分的提取。中国农业大学的张燕研究了高压脉冲电场处理对 红莓花色苷提取过程的影响，发现通过高压脉冲电场预处理可以提高花色苷的提 取率，并缩短提取时间。江南大学的李迎秋研究了高压脉冲电场对大豆分离蛋白 功能性质的影响艚一制。三：对高压脉冲电场处理系统的改进5 1 瑚3 。四：高压脉 冲电场的非热杀灭效果及其机理的研究。国内，1 9 9 7 年，陈键在4 0 kv c m 条件下， 用5 0 个脉冲处理脱脂乳中的大肠杆菌后，9 9 大肠杆菌失活。1 9 9 8 年，殷涌光做 了高压脉冲电场处理装置内温度分布的模型试验研究；以及研究高压脉冲电场对 发酵乳的非热杀菌，发现脉冲电场对发酵乳中乳酸菌的杀菌效果显著，场强度是 最主要的影响因素，高压脉冲电场对发酵乳非热杀菌后发酵乳几乎没有升温，因 此对发酵乳的理化性质如脂肪、酪蛋白、酸度和粘度等指标影响很小。中国农业 大学的廖小军使用高压脉冲电场对胡萝卜汁和橙汁的非热杀灭研究以及果汁理 化理化性质的影响效果。华南理工大学的曾新安对高压脉冲电场技术在桑果汁中 的应用进行了初步研究，提出高压脉冲电场杀菌是电场和热效应的协同作用；以 及研究了脉冲电场处理对脱脂乳游离氨基酸和乳糖的影响研究，发现高压脉冲电 场在对牛乳杀菌的同时不仅没有减少牛乳的总氨基酸量还使氨基酸含量有所提 高“删。 3p e f 技术存在的问题及研究意义 3 1p e f 技术存在的问题 高压脉冲电场非热灭菌是通过高强度脉冲电场瞬时作用于微生物使细菌致 死。由于是利用高电位而非电流灭菌，因此灭菌过程中的温度低，从而可以避免 食品热处理带来的缺陷。然而p e f 技术还不能实用化，主要存在以下一些问题。 3 1 1 杀菌机理不确定 高压脉冲电场的杀菌原理是在两个电极间产生瞬时高压脉冲电场作用于食 品而杀菌的。其基本过程是用瞬时高压处理放置在两极间的低温冷却食品。脉冲 电场杀菌机理经过4 0 年的探讨，形成了以下几个代表性的观点： 当外加电场作用于细胞时，食品微生物的细胞膜在其作用下，诱导产生横跨膜 电位。当整个膜电位达到极限值( 约为l v ) 时，膜破裂，使膜结构变成无序状 态，形成细孔，渗透能力增强。当外加的电场对薄膜所产生的电位差大于薄膜本 身的自然电位差时，其电位差达到l l 缶界点，此时薄膜就会产生小孔，当小孔数量 9 福建农林大学硕士论文橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 多以及孔径增大时，细胞就会破裂。当产生小孔时，细胞膜的可渗透性加大。因 此，细胞的可渗透性可以依据外加电场强度的加强而增加。渗透的可逆和不可逆 则取决于应用的电场强度、脉冲宽度和脉冲数。关于细孔形成模型，z i 咖e r d n n l 等提出的模型看起来是最可能接受的，他将细胞假想为电容器积累外部电荷， 主要是表面电荷积累，导致膜电位增加，细胞膜内外表面异性电荷相吸引产生压 缩压力，使膜厚度减小，膜抗性降低，最终发生不可逆崩溃。不同的细胞表面有 着不同的特点，对于所产生的可渗透性小孔，其伸缩性是决定细胞不稳定的主要 因素，如何确保细胞产生不可逆的破坏是现在高压脉冲电场杀菌研究的重点 6 4 _ 6 力 o 电解产物理论指出在电极点施加电场时，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旧1 。 臭氧效应理论认为在电场作用下液体介质电解产生臭氧，在低浓度下昊氧已能 有效杀灭细菌哺。 以上各理论均有独到之处，但是，都不十分完善，要完整而清晰的描述电场 对细菌的杀灭作用，还有许多工作要做。现存的理论不能完全解释静电场除了热 效应以外与脉冲电场在非热效应方面的差异：不能完全解释矩形波脉冲、振荡型 脉冲、指数衰减型脉冲作用差异的本质原因：虽然从理论上给出了脉冲电场幅值 的范围，却未能给出脉冲宽度和脉冲频率的限定值。 3 1 2 非热效应的机理没有统一的解释 非热效应究竟是一种效应的结果，还是几种效应同时存在的综合结果：微波、 脉冲电场以及工频电磁场非熟效应有无本质上的差异等。 3 1 3 硬件系统设计、建造技术比较困难 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，高压脉 冲处理系统设计的关键是脉冲发生器和处理室的设计。研制大功率的高压方波脉 冲电源技术还不是很成熟，而且其成本昂贵，处理室结构的优化设计还缺乏相应 的理论指导。 具有最佳处理效果的脉冲发生器的设计、制造是当前高压脉冲杀菌技术工业 1 0 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 化应用的最大障碍。采用方波、指数波、交叉波三种形式的高压脉冲处理系统中， 以方波处理效果最佳，指数波次之，交交波处理系统最差。 处理室的合理设计与分析是一项有待改进的技术，目前所设计的杀菌室，绝 大部分只能在实验室使用，远未达到工业应用的程度，主要有如下几个问题有待 解决：杀菌室液体食品流过的截面面积过小，因为无论是增大两极之间的距离还 是增加电极的面积，都会导致两极之间的电流迅速增加，这就增加了火花放电的 可能性；没有建立合适的温度场、电场空间分布的数学模型，还无法找出最容易 出现电火花放电的危险点，也给设计合适的冷却通道、冷却方式带来诸多不利； 杀菌室内电场均匀分布的问题。在处理室内，电极形状等因素的影响使两电极之 间各个局部的电场强度相差甚远，这将导致两方面不良的效果：其一，电场强度 过高的局部可能产生电弧放电；其二，电场强度过低的局部可能达不到名义电场 强度的杀菌效果“。 3 2 研究意义 为满足消费者对营养、原汁原味、不含防腐剂、天然安全的要求，高压脉冲 电场技术倍受瞩目，很多欧美国家纷纷开展高压脉冲电场技术的研究及其在食品 中的应用，并相继有产品投入市场，进入9 0 年代中后期我国也有高校和研究机构 进行这方面的研究，但由于设备的限制，研究水平已经相对比较落后，特别是在 产业化方面。前人所做的高压脉冲电场技术灭菌的研究大都在缓冲溶液中进行， 并且大多是在静态处理室中的研究。但是仍然取得了大量十分有价值的成果。然 而缓冲溶液与真实食品体系的灭菌教果存在显著差别，因此在将该技术应用于食 品工业时必须探讨真实食品体系的灭菌情况。本文先利用物无菌蒸馏水研究本套 高压脉电场杀菌装置的可行性，继而应用本套高压脉冲电场装置研究对真实食品 体系的灭菌情况。高压脉冲电场杀菌技术对于不同的食品体系的处理效果更加复 杂，对于食品活性成分及感官品质都有重要影响。本研究是在高压脉冲电场技术 处理作为长期贮藏和巴氏消毒的加工方式的情况下，探讨新技术对食品感官品质 和生理活性成分保持方面的改善效果。该项新技术设备的投入相对较高、处理量 少、但产品品质较好，特别适合高附加值的稳定性差的产品，将有极大的前途。 而且与传统热力杀菌相比，非热力技术在能耗方面有着明显的优势，可以节约一 定的能源，体现了一定的经济效益。 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 4 论文的研究内容 4 1 首先自制试验连续式高压脉冲电场杀菌处理装置，调试后，进行脉冲电场杀 菌机理探讨以及可行性探讨。 4 2 高压脉冲电场对微生物杀灭效果的研究。 4 3 高压脉冲电场对微生物杀灭效果模型分析。 4 4 利用自行设计的高压脉冲电场处理装置对1 0 0 9 6 橙汁处理，观察电场杀菌对 纯果汁的微生物杀灭情况和理化指标的影响情况以及纯果汁在储藏期间品质变 化的影响情况。 4 5 最后进行高压脉冲电场条件下与模拟的常规加热条件下对纯果汁杀菌效率 和对其主要理化指标影响的对比试验。 1 2 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 第二章高压脉冲处理设备及非热力验证 试验使用的高压脉冲电场灭酶试验装置，主要由高压脉冲发生系统、高压脉 冲处理室、蠕动泵、温度记录仪、物料贮罐和冷却部分构成，图2 1 是高压脉冲 电场灭酶试验装置图，其中高压脉冲发生系统是装置的关键，由大连理工大学设 计。 物料在蠕动泵作用下按箭头所示方向循环流动，即物料贮罐一蠕动泵一冷却 器一高压脉冲处理室一贮罐。本装置的特点：处理装置为连续式处理装置，物料 连续不断的通过高压脉冲处理室；三个温度探头及冰水浴的设计，能时时记录处 理液的温度变化，并控制回路中物料温度。 埠缏 图2 - 1p e f 系统装置图 1 高压脉冲发生系统 本实验使用的高压脉冲电场设备，电压范围0 1 5k v ；脉冲宽度5 2 0 us ： 连续处理室，流速范围5 1 0 0m l m i n ：脉冲周期i o i k h z ：单极脉冲：波型为 方波。用电力电子器件配合脉冲变压器的单极性方波电源。主要由高压脉冲发生 器和杀菌容器等组成”，高压脉冲发生器用来产生最大输出1 5k v ，最佳匹配负 载大于3 0 0 欧姆的高压脉冲方波电源。采用先进的器件产生触发信号，在一定范 围内可精确的控制电源的频率，脉冲宽度以及作用到处理中的脉冲个数，电压。 同时改进了处理室的结构，满足了原果汁( 橙汁，胡萝h 汁) 对负载的要求，可 福建农林大学硕士论文 橙汁高压脉冲电场非热杀菌研究 以在实验室内实现连续工作多个小时。采用连续式的处理室结构，适合实验室基 础研究阶段使用。其系统拓扑结构见图2 2 ，是通过脉冲变压器将电力电子器件 耐压问题转化为耐流问题。 i g b t 处理室 图2 - 2 系统拓扑结构 首先，将市电2 2 0 v 经过升压变压器，整流滤波变为7 5 0 v 的直流电压存贮在 电容器中，通过控制大功率门极可关断晶体管( i g