高压脉冲电场杀菌.ppt

高压脉冲电场杀菌 讲授内容 第一节定义第二节高压脉冲电场技术的发展历程第三节高压脉冲电场技术的国内外发展现状第四节高压脉冲电场杀菌机理第五节影响高压脉冲电场杀菌的因素第五节高压脉冲电场对食品组分的影响第六节高压脉冲电场系统设备 第一节定义 脉冲电场 PulsedElectricFields 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 0 100 s 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 第二节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 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 PEF技术是近年来研究最多的食品非热处理技术之一 目前 PEF设备已经发展到接近商业化阶段 很多研究机构先后开发出带有无菌包装体系的中试规模PEF处理系统 如美国华盛顿州立大学食品非热处理中心拥有一套处理量为100L h的连续的PEF处理体系 可处理浓缩或新鲜的苹果汁 豌豆汤 牛乳等产品 俄亥俄州立大学的无菌技术研究中心开发出整套的PEF处理系统和无菌包装系统 此系统处理产品流速为1 89 3 79L h 另外 俄亥俄州立大学还开发出OSU系列小型实验用PEF设备 位于美国加利福尼亚洲的PurePulseTechnologies公司也开发了处理量10L h和200L h的 CoolPure PEF处理体系 第三节高压脉冲电场技术的国内外发展现状 PEF作为一种新型的食品非热杀菌技术 一直受到美国 德国 法国 加拿大等发达国家政府 企业和研究单位的广泛重视 目前在设备研究和制造方面俄亥俄州立大学处于国际领先地位 该大学已建成一条处理能力达到2000L h的准工业化生产线 进行了包括橙汁 苹果汁 酸奶等产品在内的一系列产品的杀菌试验 并取得了良好的成果 该生产线加工的果汁产品的色泽 风味 营养等质量指标明显好于传统的热杀菌的产品 目前设备开发和某些产品 如酸性果汁 的加工工艺均已发展到准工业化阶段 美国俄勒冈州GenesisJuice公司利用PEF技术生产的果汁已通过了食品药品管理局认证 并在波特兰市场上正式销售 其产品有苹果汁 草莓汁等 所用PEF系统为OSU 5型 处理速率约200L h 货架保存期为4周 在美国 俄亥俄州立大学 华盛顿州立大学 明尼苏达州立大学 国家食品安全与技术中心和PurePulseTechnology公司等多家单位都在进行PEF技术的研究 近几年内美国申请PEF杀菌设备和技术方面的专利近10项 目前欧盟成立了高强度电场项目研究委员会 德国柏林理工大学 加拿大圭尔夫大学 英国和荷兰的Unilever实验室 日本的Mitsubishi公司和Toyohashi科技大学都在PEF杀菌效果的研究方面取得了一定的进展 总之 国际上PEF杀菌技术正进入实用阶段 随着一些关键问题的解决 该非热杀菌技术将得到进一步推广 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 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 第四节高压脉冲电场杀菌机理 目前PEF对微生物的作用机理尚不完全清楚 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 当外加交流电场频率足够低 以致于 t 1时 或者外加电场为直流电场时 则 1 1 式可简化为 对于细胞的两个极点 0或 180 则外加电场诱导的膜电位可进一步化简为 随着外加电场强度的增大 在细胞膜上诱导的膜电位也随之增大 当增大到一定程度 即V Vcr时 则细胞膜将出现电穿孔现象 此时的诱导膜电位Vcr叫做临界膜电位 Ecr叫做临界外加电场 于是 公式 1 1 变为公式 1 2 变为 公式 1 3 变为 由公式 1 1 1 6 可以看出以下几点 当外加电场为交流电场时 在细胞膜上诱导的膜电位随着电场频率的增加而增加 也就是说 对于同样的诱导膜电位 所要求的高频电场的强度比低频电场和直流电场强度高 进一步讲 对于同等程度的电穿孔 高频电场要比低频电场或直流电场的强度高 诱导膜电位随细胞尺寸的大小而改变 在同样强度的外加电场作用下 大细胞的诱导膜电位高 随着外加电场强度的增加 电穿孔现象首先出现在那些大细胞上 进一步讲 对于同等程度的电穿孔 大细胞所需要的外电场强度低 随着电场强度的增大 电穿孔将首先出现在 为0或180的细胞的两个极点 然后 随着电场强度的进一步增大 电穿孔的出现一般按cos 值由大到小顺序进行扩展 但是 不管外电场强度怎么增大 细胞赤道上的诱导膜电位永远等于零 即不会有电穿孔现象 进一步讲 随着外加电场强度的增大 细胞膜上的电致孔洞增多 孔径增大 当外加电场强度过大 细胞膜孔过多 过大而难予封闭 将导致细胞内外物质泄漏甚至死亡 图1 1是电穿孔机制的模式图 图1 1a是外电场等于临界值时在细胞两极点呈现膜孔的情况 图1 1b是外加电场大于临界值时在细胞上呈现膜孔的情况 二 细胞膜的电崩溃机制与模型 微生物细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成 它有一定的电荷 具有一定的通透性 也有一定的强度 膜的内外表面间具有一定的电势差 Vm 当细胞膜上外加一个电场 E 时 这个电场将使膜内外的电势差增大 由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引 引起膜的挤压 当电场强度增大到一个临界值时 细胞膜的通透性剧增 腹上出现许多小孔 使膜的强度降低 进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔 使细胞组织破裂 崩溃 导致微生物失活 目前 穿孔效应假说被大多数学者所接受 但电穿孔特性的研究在国内仍处于早期阶段 国外研究时间较长 但至今仍然有许多现象无法解释 而新的现象又不断地被报道 三 PEF杀菌效果 早期的研究主要集中在PEF对微生物的杀菌效果方面 人们已就PEF对多种腐败菌和致病菌的杀菌效果进行了大量而系统地研究 目前 人们已经对PEF的杀菌效果有了深入的认识和掌握 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 最近 国际学者对关系食品安全和PEF处理食品货架期的PEF损伤亚死微生物的研究产生浓厚兴趣 Russell等和Simpson等提出PEF杀菌具有 nothingorall 特征 即不存在损伤亚死细胞 intermediatelydamaged cells 然而 最近的研究结果否定了这一理论 Garcia等和Perni等报道PEF对大肠杆菌和沙门氏菌的致死作用是由于PEF对微生物细胞的损伤积累所致 PEF处理后存在损伤亚死细胞 Somolinos等研究表明PEF损伤亚死酵母细胞经一定条件培养可修复 且受环境因素影响 Zhao等证明了PEF处理绿茶后PEF损伤亚死微生物的存在 并提出PEF处理后经一定时间冷激 coldshock 处理 可以使PEF损伤亚死细胞进一步失活 从而大大延长PEF处理食品在常温下的货架期 Saldana等研究表明PEF损伤亚死微生物的产生与PEF电场强度和体系pH相关 这些重要的研究结果不得不使人们对PEF的杀菌机制重新认识 第五节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 第五节高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22kV 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 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