（机械电子工程专业论文）脉冲电场食品非热处理的理论与实验研究.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( p e f ) 处理技术更是近年来的研究热点之一。 由于需求牵引，国外对此技术比较注重实验系统的研究。迄今仍未见到系统理论证 明的报道。本文从理论和实验两方面进行了系统的研究，为脉冲电场食品非热处理 技术在我国的实用化做了一系列研究工作。 为了对微生物脉冲电场效应进行理论上的分析，首先，本文从细胞膜的结构、 组成及功能入手，建立了微生物细胞的介电模型，求出了细胞膜的介质极化时间常 数，并通过系统状态空间方程对其进行了验证。同时利用状态空间方程，推导出了 系统的简化等效电路。然后，根据法拉第、高斯和电荷守恒三大定律，对理想细胞 模型进行了分析、计算，比较详尽地描述了脉冲电场和静电场作用下跨膜电压的大 小和分布，并给出了具有非热效应脉冲电场的最佳条件。在这一基础上，本文分别 通过麦克斯韦应力张量法和库伦虚功法分析了外加电场对细胞膜的径向应力。在理 论分析的最后对已有的脉冲电场非热效应的机理研究进行了综述，并依据跨膜电 压的大小，归纳出了细胞膜介质电击穿效应、电场力效应和跨膜信息紊乱效应等三 种脉冲电场非热效应的理论解释。 p e f 非热食品处理的关键技术之一是设计、制造大功率高精度的高压脉冲电源。 以往利用脉冲电容储能、触发放电，或l c 脉冲成型网络等方式产生的脉冲高压都 不能满足p e f 食品处理技术应用的要求。本文采用大功率绝缘栅极晶体管( i g b t ) 配合脉冲变压器的技术路线研制出了一套高精度高压p e f 试验系统，克服了由大 功率电力电子器件直接串并联实现高压脉冲中的均压、均流、匹配及同步触发等技 术难题，且降低了设备的成本，为p e f 技术实用化奠定了定的硬件基础。随后， 利用自行研制的高精度高压脉冲电场试验系统对酿酒酵母、大肠杆菌、枯草芽孢杆 菌以及黑曲霉等四种食品中常见的微生物细菌做了比较深入的实验研究，获得了灭 菌率与电场强度、脉冲宽度和脉冲数之间的关系，验证了脉冲电场对微生物的几种 效应，并根据实验数据提出了一种统计灭菌率的数学模型。 本文的最后，根据实验研究的数据、经验以及对已有动态系统的分析，给出了 利用大功率集成门极换流晶闸管( i g c t ) 配合大功率脉冲变压器设计的、流量约为 1 5 0 l h 的动态实验系统。 关键词：脉冲电场非热效应食品处理介电模型极化时间 跨膜电压脉冲变压器灭菌率 1 - b 啦r a c t a b s t r a c t p u l s ee l e c t r i cf i e l d s ( p e p ) 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 s i so n eo f t h em o r ep 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 nm 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 df o ra s l o n ga sp o s s i b l e h e r e t o f o r e ，t h i st e c h n o l o g yw a sn o ts y s t e m a t i c a l l yp r o v e do nt h e o r yy e t ，f o r t h ed r i v eo fp r a c t i c a b i l i t y ，s o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v ep a l dm u c ha t t e n t i o n t ot h er e s e a r c ho n t e s t i n gs y s t e m a n dh a r d w a r e i no r d e rt o d e v e l o pp e r t e c h n o l o g y t ot h e p o i n t o fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n i no u r c o u n t r y ，s o m e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r k sa r e c o m p l e t e di nt h i sp a p e r f o ra n a l y z i n gp u l s ee l e c t r i cf i e l d se f f e c t so nm i c r o o r g a n i s ms y s t e m i c a l l y ， f i r s t l y ，d i e l e c t r i cm o d e lo fm i c r o b i a lc e l li se s t a b l i s h e df r o mi t ss t r u c t u r e c o m p o s i t i o na n df u n c t i o ni nt h ep a p e r i na d d i t i o n ，t h em e m b r a n ep o l a r i z a t i o n t i m ei sg a i n e df r o mc e i l ss i m p l i f l e de q u i v a l e n tc i r c u i t sa n da p p r o v e db ys y s t e m t i m ec o n s t a n to ft h es t a t es p a c ee q u a t i o n so fc e l is u s p e n d e ds y s t e m s e c o n d l y ， l a p l a c ee q u a l i o n so ft h ei d e a lm o d e la r eb u i l tb a s e do nf a r a d a y sl a w ，g a u s s s l a w ，a n dc h a r g ec o n s e r v a t i o nt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h e a m p l i t u d e a n d v a r i a t i o no ft r a n s j i l e m b r a n ep o t e n t i a ld e t a i l e d l y 。t h e nt h eb e s tp e fe l e c t r i c p a r a m e t e r sf o rf o o dp r o c e s s i n ga r es u m m a r i z e df r o mt h e s ee q u a l i o n s a f t e r w a r d ， r a d i a lp r e s s u r eu p o nc e t li sc a l c u l a t e do u tt h r o u g ht h em e t h o d so fm a x w e l ls t r e s s t e n s o ra n dc o u l o m bv i r t u a lw o r k l a s t l y ，t h em e c h a n i s m so fn o n t h e r m a le f f e c t s b yp e fa r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ea m p l i r u d eo ft r a n s m e m b r a n ep o t e n t i a l 。 t h r e ed i f f e r e n te f f e c t s ：m e m b r a n ed i e l e c t r i ce l e c t r i c a lb r e a k d o w ne f f e c t s e l e c t r i cf i e l df o r c ee f f e c t s ，t r a n s m e m b r a n ei n f o r m a t i o nd i s o r d e re f f e c t sa r e d e v e l o p e dt oe n r i c ht h et h e o r ya b o u tp e f d e s i g n i n g a n d b u i l d i n gh i g hp r e c i s e ，h i g hv o l t a g ep u l s eg e n e r a t o ri s e x p e c t e dt ob et h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rp e ft oc o l dp a s t e u r i z el i q u i df o o d h i s t o r i c a l l y ，t h e r ew e r es o m ew a y st og e n e r a t eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ，s u c ha s ： u s i n g ap u l s ec a p a c i t o rt os t o r ee n e r g y ，d i s c h a r g e d b yt r i g g e rv a c u u mt og e n e r a t e h i g hv o l t a g ep u l s e ，o ri nc o m b i n a t i o nw i t hp u l s ef o r m i n gn e t w o r k s ( p f n s ) t o g e n e r a t eh i g hv o l t a g ep u l s e ，w h i c h c a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fp e f t e c h n o l o g i e s ah i g hp r e c i s e ，h i g hv o l t a g ep u l s eg e n e r a t o r ，o fw h i c ht r i g g e r s i g n a l s a r e g e n e r a t e db y a c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( c p l d ) a n d c o n t r o ll e db yac o m p u t e r 。m a d eu po fh i g h p o w e ri g b ta n dp u l s et r a n s f o r m e ri s “ 太莲理i 大学博士学位论文脉冲电场食品非热处理的理论与实验研究 p r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e s e t e c h n o l o g i e s w h i c ho v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g s ( v o l t a g e a n dc u r r e n t s h a r i n ge q u a l l y o r g a t e d r i y e s h i g h l y s y n c h r o n i z i n g ) o fc a s c a d i n gp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s i ns e r i e so rp a r a 1 e l s ， m a k ep e fm o r ep r a c t i c a l am a t h e m a t i c a lm o d e lt oe s t i m a t es t e r i l er a t e ( r e l a t i n g t op u l s ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，p u l s ew i d t h ，p u l s en u m b e r s ) i sc o n c l u d e df r o m l o t s o f e x p e r i m e n t s o nt h ec o i 砷o nm i c r o b i a lb a c t e r i a i n l i q u i d f o o d ( s a c c h a r o m y c e s ，e c o l i ，b a c i l l u s ，a s p n i g e rv a nt i e g h e m ) t r e a t e db yt h et r i a l p e fs y s t e m t h e s ee x p e r i m e n t sa l s ov a l i d a t et h ee f f e c t sp r o p o s e dt oe x p l a i n n o n - t h e r m a le f f e c t sb e f o r e i nt h ee n d ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，e x p e r i e n c ea n dt h ea n a l y s i so f e x i s t e n tc o n t i n u o u sp e fs y s t e m s ，an e wd e s i g np l a nm a i n l yc o m p o s e do fh i g hp o w e r i g c ta n dp u l s et r a n s f o r m e ri sp r o p o s e d ，w h i c hh a sac o n t i n u o u st r e a t m e n tc h a m b e r w i t ha b o u t1 5 0 l hc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：p u l s ee l e c t r i cf i e l d s ，n o n t h e r m a l e f f e c t s ，f o o dp r o c e s s i n g ， d i e l e c t r i em o d e l ，p o l a r i z a t i o nt i m e ，t r a n s m e m b r a n ep o t e n t i a l ，p u l s e t r a n s f o r m e r ，s t e r i l er a t e - l u 篇一章绪 论 1 1 引言 第一章绪论 随着“物理学世纪”让位于“生命科学世纪”，生物技术的飞速发展及其广泛的 应用前景，将使生物产业成为全社会的支柱产业。可以预料，生命科学及生物技术 的应用必将对2 1 世纪的人类生活产生重要的影响。 科学上新理论的突破、新科学的产生、新技术的出现，常常是在现有学科的边 缘或交叉点上“1 。微生物的电磁效应及其应用即是生物学、物理学、化学、电磁学 和工程学等众多学科的重点交叉研究项目，这些学科的相互渗透、交叉形成了一门 新兴学科生物电磁学( bj o e l e c t r o m a g n e t i c s ) 。在该领域近半个世纪的研究中。 人们把大部分的精力放在了电磁场对生物热效应的研究上，即吸收电磁场能量后 致使生物体温度升高，从而产生各种生物功能变化，目前这方面的研究工作及其应 用已基本趋于完善“1 。近十多年来，人们把研究目标集中于微生物的非热效应 ( n o n - t h e r m a le f f e c t ) 上，即在电磁场作用下生物体内不产生明显的温升，或 其产生的温升是在生物体自身温度自然起伏的范围内，可以忽略热效应，但却可以 产生强烈的生物响应，使生物体内产生各种生理、生化和功能的变化0 1 。微生物的 非热效应及其应用是目前生物电磁学的研究热点，包括脉冲磁场、脉冲电场和电磁 波辐照等。在这些非热技术中，脉冲电场( p e f ) 技术的研究最引人注目，是最具有 应用前景的技术。目前，p e f 已发展成一门新兴的生物物理技术，与其他技术相比 具有简便、方便、重复性好、效率高、电气参数容易调整和控制等优势，更重要的 是其适用范围极广。迄今，p e f 技术已经得到了初步应用，其在工业、农业、医学、 临床以及许多基础学科研究的应用前景十分可观的。目前p e f 技术应用最成功的是 基因改良，即将外源基因导入活细胞并得到预期表达。近年来p e f 技术在将蛋白 质导入细胞方面也成为很有效的手段，在最佳条件下，电穿孔可以使细胞损伤最小 且有效地通透、将酶、抗体、病毒等导入细胞。p e f 技术对生命科学领域内很多场 合存在着特殊应用，如：细胞融合、细胞内物质的提取、基因靶定向、建立基因库 以及在原位研究酶活性等“”。p e f 技术这些应用的特点是利用脉冲电场对微生物细 胞的电刺激、电融合、以及可逆电穿孔处理的强度均比较低。 随着人们生活水平的提高，消费者对食品的要求也不断提高，希望食品不仅卫 生、新鲜，而且富有营养、原汁原味。众所周知，为了给液态食品( 果汁、牛奶、 啤酒、饮料等) 灭菌常采用巴氏杀菌、微波杀菌等加热灭菌物理方法或化工操作 单元的化学方法。化学方法是利用化学药品来杀死病原微生物或抑制微生物的发育 与繁殖。由于化学方法处理后有残留，尤其应用于食品时，会造成污染，有害于身 体健康，有一定的毒负作用，在许多国家已经禁止了”3 。热处理方法能有效地杀灭 微生物细菌，但同时也在一定程度上改变了食品的天然风味，如口感、色泽、香味 及营养特性等，因此能保持食品天然特性的非热处理技术就应运而生了”。 在众多非热处理技术中，脉冲电场( p e f ) 是目前世界上效果最好、最有工业目口景 的食品非热处理技术，这一技术在美国正向商业化发展1 ”。由于该技术处理过程 所需要的成本低廉，与传统的加热巴氏灭菌相比具有更好的经济效益、更强的市场 竞争力，因此如能够达到工业应用水平，势必会对液态食品灭菌处理技术进行一次 技术上的革命。 1 2 液态食品灭菌技术概况 随着经济不断向前发展和城乡人民生活水平的日益提高，人们的生活消费结构 也发生了明显的变化，其中食物消费中液态食品的比例呈现不断增长的趋势。如果 将8 0 年代的饮食结构和现在的饮食结构相比较，会发现：现在，液态食品在人们的 日常消费中占了很大的比例。 2 0 0 2 年英国z e n i t hi n t e r n a t i o n a 调查公司自1 9 9 3 年至2 0 0 l 对世界7 5 个主 要国家饮料市场做了调查，总结并预测了全球饮料消赞市场趋势，其趋势如图1 1 所示。 图1 11 9 9 3 2 0 0 1 年世界饮料消费增加趋势 f i g 1 1b e v e r a g ec o n s u m p t i o ns t r e a mo fb e v e r a g ei nt h ew o r l d ( 1 9 9 3 2 0 0 1 ) 自1 9 9 3 年后8 年间全球饮料平均增长2 1 ，1 9 9 9 年7 5 个国家消费量合计达到1 1 8 亿公升。依据品目细分：瓶装水、果汁、果泥饮料、碳酸饮料、非发泡饮料、稀释 饮料等清凉饮料占4 0 。其次，咖啡、红茶、巧克力等热饮料成长最高，占全体的 3 1 ，啤酒等酒精性饮料占1 5 ，乳制饮料占1 4 。到2 0 0 3 年预测全球总消费量由 1 9 9 9 年1 亿公升增长到1 2 8 亿公升，每人平均消费量估计由1 9 9 9 年1 6 2 公升上升 至2 1 1 公升1 。 目前我国每年人均饮料消费量仅8 公升，为世界平均水平的1 5 ，是西欧发达 国家的1 2 4 ，在这些饮料中以果汁的消费最多。果汁饮料作为一种天然、低糖的新 型健康饮料，以补充维生素的形象出现吸引众人目光，被越来越多消费者所接受。 第一章绪论 有统计数字表明，美国人年均果汁消费量为5 0 公升，德国为4 6 公升，e 1 本和新加 坡为1 6 1 9 公升，世界入均消费羹已达7 公升，与此同时，中国人年均果汁消费量 还不到1 公升，差距十分明显。随着我国人民的生活水平进一步提高，以及果汁厂 商大力推动，果汁饮料行业逐步成为一个朝气蓬勃的产业，也已发展成一个利润较 为可观的行业，图1 ，2 为1 9 9 3 2 0 0 1 我国果汁饮料行业产销趋势图“。 l 蔷1 与 霍 顿 图1 2 中国果汁饮料行业发展趋势 f i g 1 2d e v e l o p m e n tt r e n do fs y r u pi nc h i n a 亚洲太平洋圈在总量消费上，依然超越其它地域，预计到2 0 0 3 年亚洲太平洋圈 占全球饮料的3 2 1 ，成为增长最为迅速的区域，尤其是中国和印度这种人口众多 的发展中大国。调查显示，果汁饮料成为2 0 0 2 年最受欢迎的饮料品种，市场份额将 超过3 5 。这些信息表明，今后的饮料市场特别是果汁饮料市场，蕴藏着巨大的商 机，因此开发、研究新颖的液态食品处理方法势必具有广阔的市场前景。 液态食品一般是动植物组织及其制品，都含有丰富的营养和水分，是人体所需 营养素的来源，又是细菌、霉菌等微生物生长繁殖的良好场所。食品腐败变质是指 在以微生物为主的各种因素作用下，使食品中某些成份或能看、闻、摸到性状( 感 官性状) 发生变化，以致降低或失去可食用价值。食品的腐败、变质是由微生物细 菌的代谢活动所引起的，食品的腐败变质，微生物是罪魁祸首。造成食品腐败变质 的重要原因，莫过于微生物的污染。引起食品腐败变质的微生物主要是以非致病菌 为主，其次是霉菌和酵母菌“。因此灭菌是食品加工中一个非常关键环节，通过抑 制和杀灭腐败菌和致病菌，可以延长食品的货架期，保证食品的安全。 食品加工中抑制和杀灭微生物的方法总体上可分为物理方法和化学方法。化学 方法是利用化学药品来杀死病原微生物或抑制微生物的发育与繁殖，化学方法由于 处理后有残留，会造成污染，有害于身体健康，已经不适宣加工食品。物理因素对 微生物细菌的化学成分和新陈代谢影响极大，因此可用许多物理因素来达到灭菌的 目的“”。而且物理方法相对于化学方法有无残磨、易控制、处理量大、设备简单以 及对环境污染小等一系列优点，因此物理杀菌方法正受到人们越来越多的重视。 温度是微生物生存及繁殖最重要的环境因素之一，根据处理温度的不同，传统 的液态食品灭菌处理方法主要有如下两种：热杀菌和非热杀菌。加热杀菌是食品工 业中最常用的方法，以热水、火、蒸汽、微波等作为加热源对食品进行直接或间接 加热。根据温度带分为低温杀菌、高温杀菌和超高温杀菌( u l t r ah e a tt r e a t e d ) 。 另外，还有其他特殊的加热杀菌方式，如电阻加热、微波加热、过热水蒸气加热等。 其作用机理是利用热力使微生物菌体蛋白质包括酶类在内，因受热而引起的变性或 凝固，造成微生物死亡。目前大多数液态食品，如啤酒、牛奶、果汁、茶饮料等等 均采用巴氏加热灭菌法“”。 目前较为成熟的非热杀菌既是常说的低湿杀菌。低温杀菌是将食品中所存在的 微生物部分( 而不是全部) 消灭的一种杀菌方法，其适用温度在1 0 0 以下，例如 牛奶、奶油、乳酸饮料、果品加工食品、啤酒、酱油等。由于低温杀菌后，食品中 残存较多，并未将存在于食品中的微生物全部杀死，为了延长产品的货架期，必须 再使用冷藏、发酵、加入添加剂、脱氧等加工技术等措施来抑制残余微生物的繁殖 高温杀菌是对保存期较长的食品在l o o 以上进行加热杀菌的方式，目前应用 最多的便是超高温瞬时灭菌即常说的u h t 杀菌，u h t 杀菌为1 3 0 一1 5 0 的超高温下 短时间内加热处理，有效杀菌。其优点在于超高温灭菌效率高，经过灭菌后，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，但是它们不会使产品发 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液态食 品中的营养成份，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。该方式数十年来在饮料和液态食品 领域内应用较多“”1 “。 低温杀菌温度比较低，减少了对食品风味的影响，但其不能全部杀灭细菌，在 保存和使用的过程中还需要加入添加荆、发酵等附加手段，对食品造成了化学残留， 增加了处理程序，改变了食品的天然品质，有的甚至危害身体健康。u h t 灭菌虽然 能最大限度的保留液态食品中的营养成份，保持产品的风味，但毕竟处理过程经历 了很高的温度，温度具有延滞性，食品中热敏性成分会发生质变；而且，u h t 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。因此随者消费者对食品的要求逐步提高，低能耗、崮效率的食品菲热处理技 术便应运而生了。 尽管为了降低温度对质量的影响，采取了不同的工艺。然而只不过是不同程度 上降低了这种不良影响。液态食品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。热处理对食品的营养、风味和滋味 都有一些副作用，特别对一些热敏性或有特殊要求的食品往往难以达到预期效果。 非热杀菌技术是近年来研究利用较多的一种技术，由于杀菌过程中食品介质温度并 不升高或升高很小，既有利于保持食品功能成份的生理活性，又有利于保持色、香、 味及营养成分。所以在食品加工，特别是液态食品和功能食品加工中，非热杀菌技 术越来越受到更多的关注m 1 ”、w 。 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代以来，许多新兴工业技术，在现代食品工业中得到创造性地 应用。以至于伴随食品工业的发展，这些技术的应用超越了开发这些技术的原有基 础，国外开始对非热杀菌技术在食品工业中的应用研究进入高潮，其中包括对高压 脉冲电场杀菌、超高( 静) 压杀菌、脉冲强光杀菌、磁力杀菌、感应电子杀菌、辐照 杀菌、脉冲强光杀菌、微波杀菌、超声波杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌、膜分离技 术、低温等离子体杀菌等技术的研究“”。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已被 应用并且应用前景十分广阔的新技术。 超高压杀菌技术 超高压杀菌是8 0 年代末开发的非热灭菌技术，就是在密闭容器内，用水作为介 质对软包装液态食品施以4 0 0 6 0 0 m p a 的压力于特定包装的食品，在这种强压下， 能杀死饮料中几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌，而且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。超高压杀菌研究和应用较多， 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，尚须解决其商成本的问题“。 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。 目前我们能喝上各种纯净水，新型饮料、营养素没被破坏的奶制品等，都是膜技术 的出现和应用。目前，主要应用的膜分离技术有超过滤，反渗透和电渗析三种。前 两者是依靠压力差推动，后者是靠电位差推动的。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”1 。 磁力灭菌技术 有关磁力灭菌的详细机理目前仍不清楚，但灭菌作用已被证实，1 9 8 9 年，日本 秋阳大学的吉村晟教授和秋田酿造试验场合作，试验恒定磁力灭菌技术获得成功。 磁力灭菌采用0 6 t 的磁力强度，将食品放在n 极与s 极之间，经过连续摆动，勿需 加热，即可达到1 0 0 的灭菌效果，对食品成分和风味无任何影响。p o n n e 等人于1 9 9 5 年研究了高强度脉冲磁场用于食品灭菌也产生了良好的效果和价值o 。 辐照杀菌技术 早在5 0 年代就已开始开发这种非热灭菌技术，它是利用电磁波的x 射线、y 射 线和放射性同位素( 如c o ”) 射线杀灭微生物细菌的方法，其基本作用是破坏菌体 的脱氧核糖核酸( d n a ) 。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。目前有不少营养 口服液及粉状全营养素制品均采用此技术进行灭菌处理，该技术较适宜固态食品或 大连理工大学博士学位论文 脉冲电场食品非热处理的理论与实验研究 粘稠状液态食品m ，。 近2 0 年来，食品非热处理技术研究最热，而且最具有市场应用前景的是脉冲电 场( p e f ) 处理技术，这将在1 3 节详细介绍。此外，还有超声波灭菌、高强脉冲光 灭菌、臭氧灭菌等非热处理技术，不再一一叙述。 1 3 脉冲电场食品非热灭菌技术及其发展概况 1 3 1 脉冲电场灭菌技术及其研究进展 高压脉冲电场( p e f ) 灭菌是利用在两个电极间产生的瞬时高压，以脉冲电场作 用于食品介质进行灭菌处理，是近年来研究最多的食品非热处理技术之一。p e f 不 但具有良好的灭菌、钝酶效果。还能最大限度地维持了食品的天然特性，处理是在 室温或温升很小，处理时间短，通常在数秒内完成，节省能源、无环境污染。该处 理方法具有两个显著特点：一是由于灭菌时间短，处理过程的能耗远小于热处理等 其他方法；二是由于整个处理过程是在常温、常压下进行处理后食品与新鲜食品在 物理性质、化学性质、营养成分上改变甚小，风味、滋味在感官上无明显差异。因 此，脉冲电场食品非热处理技术已经成为近2 0 年来最有前途实现工业化应用的非热 灭菌技术。“”4 “。 利用电能对液态食品进行处理已有近二个世纪的历史，最初利用电能灭菌方法 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灭菌，当 时采用的是2 2 0 v 低压交变电场而非脉冲电场，这种处理方法主要是利用电能产生的 欧姆热来达到灭菌的目的，与后来盛行的巴氏灭菌机理相同。在2 0 世纪5 0 年代， 这些利用低压交变电场灭菌技术因为能耗超过热处理方法而被淘汰”3 + 。上个世 纪5 0 年代，随着脉冲功率技术的发展与应用的推广，又产生了一种液中放电法的灭 菌技术，它是通过浸没在液体介质内的电极快速释放储能电容上高压电，产生的瞬 时高压脉冲形成的高压冲击波、电弧光以及电化学反应达到灭菌目的”1 。这种方 法用于食品处理时，会因为电极腐蚀对食品造成污染，而且强烈的冲击波会瓦解食 品中颗粒成分，目前仅用于废水处理。 上个世纪6 0 年代，s a l e 和h a m i i t o n 等学者率先对高压脉冲电场灭菌技术进行 了研究，他们认为电场强度和作用时间是影响脉冲电场灭菌效果的两个主要因素， 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原因，证明了p e f 技术 的非热效应o “。8 0 年代以后，h u l s h e g e r 、z i m m e r m a n n 等学者对脉冲电场灭菌机 理做了进一步探讨，并研制出了小型试验设备“4 ”，9 0 年代后，华盛顿州立大学已 研究出了较为成熟的设备，并因此获得了专利“”。z i m m e r m a n n 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做了对比研究，发现矩形脉冲波的作用效果 最好，但没有给出系统的理论解释。 微生物活细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，细胞膜的物理完整性和功 能完整性对保证微生物生命活动的正常进行有极其重要的作用。脉冲电场对液态食 品的处理主要是利用了脉冲电场对微生物的电磁效应。生物电磁学的研究工作最早 可追溯到1 7 8 9 年l u i n ig a i v a n i 利用电位刺激蛙心肌，并发现心肌收缩现象，人们 也由此开始对生物体的肌肉收缩、神经兴奋( h o d g k i n h u x l e y 方程及基础) 、离子 选择性膜通道机制进行研究“。利用脉冲电场对微生物细胞的研究可以追溯到1 9 6 8 年，c o l e 发现电场可使细胞膜充电和高度敏感化。1 9 6 7 1 9 6 8 年，s a l e 和h a m i l t o n ”。 报告指出，当把强度为数千伏每厘米、数毫秒的电脉冲施加到酵母、细菌以及红 细胞悬浮液时，细胞膜破裂，细胞立即死亡。后来，n e u m a n 和r o s e n h e c h ”应用适 度电场条件研究发现，嗜铬性颗粒泡膜的通透性可由电场进行可逆地修饰。k i n o s i t a 和t s o n g “7 1 以人红细胞为材料旋加合适的脉冲电场发现，电场的初级效应是细胞膜 上形成有限尺寸的水性膜孑l ，而且这些膜孔在某些条件下可以再封闭，细胞质的大 分子成分可以保持在细胞内而不外流。近十年来几个有名的实验室对电场诱导细 胞膜穿孔的形成、大小、特性以及再封闭的过程等机制进行了很好的研究。p e f 是 一门新兴的生物物理技术，与其它方法相比，具有简单、方便、重复性好、效率高、 电参数容易调整和控制等优点。目前，p e f 技术应用最多的领域是将外源基因导入 活细胞并得到预期的表达。p e f 技术在将蛋白质导入细胞方面也是有效的手段。在 最佳条件下，p e f 技术可以使胞损伤最小且有效地通透，将酶、抗体等导入细胞。 p e f 技术的特殊应用还包括：基因靶定向、建立基因库、在原位研究酶活性等，因 此其在工业、农业、医学、临床以及许多基础学科研究的应用前景也是十分可观的。 脉冲电场作为一种新兴的物理灭菌技术，脉冲电场的特性参数决定了他是一种 与以往灭菌方法不同的全新技术，具有以下特点： ( 1 ) 对食品灭菌的处理时间只需几秒即可达到商业无菌要求： ( 2 ) 灭菌是在常温、常压下进行，对食品损害极小，处理后食品的营养成分、物 理性质、化学性质改变很小，风味、口感等无感觉上的差异。 ( 3 ) 由于电场的穿透力极强，能克服其它一些处理技术对食品处理的不均匀性， 适用范围极广。 ( 4 ) ，脉冲电场处理技术具有非热特性，可以广泛地应用于热敏性物质。 ( 5 ) 处理过程中利用的是电能，能耗低、污染小，符合目前能源利用趋势。 综合这些特点，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，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。 用于食品处理的脉冲电场，相对于电刺激、电融合、电穿孔等p e f 技术，其强 度要高得多，使微生物细胞膜在脉冲电场作用下发生了不可逆的破裂、穿孔，从而 导致了微生物细菌的死亡。脉冲电场灭菌机理经过近半个世纪的研究，主要形成了 如下三种极具代表性的理论：s a l e 和h a m i i r o n 的跨膜电位理论，认为外加电场 作用于悬浮液介质时，会在细胞膜内外侧产生跨膜电位( t m p ) ，电位峰值由外加电 场大小和细胞大小决定，他们认为当跨膜电压达到1 v 左右时，细胞就会破裂“。 奎兰墨三銮兰曼圭兰些兰兰壁苎皇堑兰曼! ：垫丝墨些翌鎏皇耋丝翌耋 t s o n g 的电穿孔理论，由于细胞膜对粒子的通过具有选择性以及膜内磷脂双层分子 的固有特性，外加电场作用下能够改变磷脂分子层的结构，扩大细胞膜上原有的膜 孔：而且外加电场作用后t m p 电压远高于蛋白通道的门阙电压( 5 0 m y 以内) ，对电 压敏感的蛋白通道将会打开，通道内就会流过大量电流，远远超过正常生理状态 从而导致蛋白通道不可逆变性，因此认为外电场使磷脂双分子层和蛋白通道发生了 改变最终引起细胞死亡“”。z i m m e r m a n n 的电介质击穿理论，这种理论将细胞 等效为一球形电容器，外电场作用下细胞膜会按电场方向极化，膜两侧异性离子之 间的作用使膜受到两侧的挤压力，膜的厚度变薄，挤压力增长速度远快子细胞膜粘 弹性恢复力的增长速度，大于阈值时，膜上形成不可逆穿孔和破裂”。这三种理论 均能从某种程度上解释脉冲电场的微生物效应，并归结于这些效应均是由脉冲电场 在细胞膜上诱导出跨膜电压0 h 所致，吐h 由公式( 1 1 ) 给出”。 0 m = 1 5 r e o ( 1 一e x p ( - t r ) ) c o s o ( 1 1 ) 式中m 。脉冲电场作用下细胞膜内外的电压差；r 细胞膜等效半径：e o 外加脉冲电场强度：f 一细胞膜时间常数；0 一一场强矢量与细胞膜半径矢 量的夹角。 1 3 2 高压方波源及其技术难点 脉冲电场非热灭菌是门新兴的食品处理技术，美国、德国、日本、法国以及 加拿大等国家竟相研究这新的灭菌技术，在灭菌机理、对微生物形态影响、对微 生物高压脉冲电场敏感性因素的分析、对食品质量影响等方面做了许多研究工作” 5 a - 6 1 。用于液态食品灭菌p e f 技术相对于电穿孔、电融合、电刺激等p e f 技术，具有 电压高、电流大、脉冲持续时间长等特点，设计和建造具有一定处理能力的脉冲电 场非热灭菌系统难度较大、成本较高，限制了这一技术向工业应用方向的发展。 目前较为成熟的是华盛顿州立大学食品非热处理研究中心初期利用脉冲电容储 能，触发放电产生指数衰减型高压脉冲研制的p e f 处理实验系统：以及随后利用脉 冲成型网络( p f n ) 研制的高压方渡p e f 处理实验系统。2 0 0 0 年美国d t i 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p e f 处理系统，该系统是利用半桥 型拓扑结构，通过两个完全独立的固态开关成型的双极性高压脉冲”2 1 。在国内大 连理工大学吴为民( 1 9 9 4 ) ，华中科技大学邓元修( 1 9 9 7 ) ，吉林大学殷涌光( 2 0 0 2 ) 等人利用指数衰减型脉冲电源形成的脉冲电场对液态食品灭菌做了初步的研究”“ h 6 i 利用脉冲电容储能，触发放电产生的脉冲高压相对容易实现，但其波形较差。 基本上没有平顶，且具有较长的托尾，重复频率较低，控制性较差，更为重要的是 其处理结果热效应较为突出，严重限制了脉冲电场非热效应的特点。利用l - c 脉冲 成型网络产生的脉冲高压虽然有较好的脉冲波形，但其电容( c ) 和电感( l ) 很难 确定，控制性较差，而且其负载适应特性较差，很难在宽范围内获得良好的方波脉 冲。应用于液态食品处理的p e f 系统的脉冲电源应该具有陡峭的上升沿、下降沿， 第一章绪论 相对稳定的脉冲平顶，且频率高、控制性好。从这些要求可知，要形成良好的高压 方波脉冲，系统中的开关器件必须具有快速的开启和关断能力，能承受较高的电压 和较大的电流，且控制方便，综合这些因素，只有大功率的电力电子开关器件能够 满足系统的需要。但目前大功率电力电子器件的单管的耐压能力只能做到数千伏， 远小于p e f 食品处理技术中要求的电压，因此实现高压方波源有两种技术路线：1 ) 直接通过多个功率器件的串并联，来提高整个系统开关的耐压和载流限制，但是功 率器件在串并联使用时存在着均压、均流等工程上较难解决的问题，而且多个电力 电子器件的串联使用时还必须要求同步触发，使控制系统更加复杂。由于功率器件 本身的分布参数不可能完全一致，在开启和关断时产生的浪涌电压、电流的不均匀 性减小了系统的可靠性，加之，大功率器件高昂的成本使得一般的研究团体望而却 步。2 ) 利用功率电力电子器件成型方波脉冲，通过大功率高压脉冲变压器升压产生 高压方波脉冲，这种技术路线降低了开关管的耐压，避免了开关管的串并联使用， 但增加了脉冲变压器设计的难度。因为通过变压器传输高压方波脉冲，不仅要受到 负载特性的限制，而且变压器本身的分布参数也直接影响高压脉冲的波形。 大功率脉冲源设计和建造的另一个技术难点是：纳秒级响应速度的检测和保护 技术。脉冲电场食品非热处理中要求脉冲上升沿较小( 小于l 雌) ，脉冲宽度较窄( 数 十扯s 内) 因此整个系统保护系统从检测到执行必须具有亚微秒响应速度。采用常 用的c t 或积分、微分型比较电路检测主开关中的电压、电流信号都不可能在亚微秒 时间内完成，更不用说执行整个保护动作了。对i g b t 、i g c t 、g t o 等电力电子器件 自身门阴极的p n 结电压进行直接检测可以快速获得电压、电流信号，但是要精确检 测结电压，需从门、阴极直接引出信号线，这是比较困难的。目前对于快速大功率 电力电子器件的保护还限于利用阻尼电阻、钳位电路、r l c 组建的吸收网络，大 功率的压敏电阻等加以限制。 1 3 3p e f 技术存在的问题及研究意义 高压脉冲电场非热灭菌是通过高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞膜使细菌 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( 最高温度小于 5 0 ) ，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。 一脉冲电场对微生物作用的机理仍不是十分清楚。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