高压脉冲电场杀菌

高压脉冲电场杀菌

2007-04-30 11:48

1 灭菌机理

关于高压脉冲电场杀菌的机理，现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型，电解产物效应、臭氧效应等，大多数学者倾向于认同电磁场对细胞膜的影响，并以此为基础对抑菌动力学进行探索。

细胞膜穿孔效应假说认为，细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它带有一定的电荷，具有一定的通透性和强度。膜的外表面与膜内表面之间具有一定的电势差。当细胞上加一个外加电场、这个电场将使膜内外电势差增大。此时，细胞膜的通透性也随着增加，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增、膜上出现许多小孔，使膜的强度降低。此外当所加电场为一脉冲电场时，电压在瞬间剧烈波动，在膜上产生振荡效应。孔的加大和振荡效应的共同作用使细胞发生崩溃，从而达到杀菌目的。穿孔效应假说可以通过两种方法来证实，一是电子显微镜下的照片显示、酵母菌被处理后可以见到菌体上有明显的裂痕。另一证据是检测杀菌前后菌液中的离子浓度c。JayaMm对磷酸盐缓冲液中的乳酸杆菌进行高压脉冲电场杀菌，比较杀菌前后的阴离子浓度，发现在乳酸杆菌被杀灭后Cl-离子浓度高了很多。由于实验排除了Cl-的其它来源、故而只能得出因为乳酸杆菌细胞膜破裂，细胞内物质外泄的结论。

电磁机制理论是建立在电极释放的电磁能量互相转化基础上。电磁理论认为电场能量与磁场能量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感线圈直接相连、细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场(场强6．87特斯拉，功率16KJ)作用。

粘弹极性形成模型认为，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而产生剧烈振荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。

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。但其不足之处是难以解释PH值变化剧烈的条件下，杀菌效果没有什么变化的结果。

臭氧效应理论认为在电场作用下液体介质电解产生臭氧，在低浓度下臭氧已能有效杀灭细菌。

以上各理论均有其独到之处，但是，都不十分完善．要完整而清晰地描述电场对细胞的杀灭作用，还有许多工作要做。

2 处理系统设计

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腔的设计。目前，国内外学者对此进行了大量研究，美、法等国建立起了一批可商业化应用的设备。但是这些设备少则数万美元，多则数十万美元．价格非常昂贵，从而限制了这一技术的工业化应用。

2．1脉冲发生器

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化应用的最大障碍。因为高压脉冲处理系统的脉冲可以采用方波、指数波、交变波等三种形式，所以脉冲发

生器也可有三种设计电路。这三种处理系统的作用效果以方波最好，指数波次之，交变波处理系统最差。但是方波脉冲发生电路价格过于昂贵，以此为基础的处理系统尚不适于在规模工业化应用。相对来讲．指数脉冲发生电路价格比较便宜．适合于工业化应用。然而传统高压脉冲发生器高昂的价格和高压脉冲电场杀菌技术对高压脉冲发生器工业化应用的需求也促使高压脉冲发生器研究者从新的角度对高压脉冲发生器进行改进与重新设计。从某种角度来说，磁压缩脉冲发生器是传统脉冲发生器的良好替代品。这种脉冲发生器将电能以磁能的形式储藏起来，然后突然释放，从而形成指数脉冲。这种脉冲发生器消除了传统高压脉冲发生器对高速开关和触发电路的要求，并且电源也可以改用交流电源，从而消除了传统直流电源中整流的耗费。只是目前适于高压脉冲杀菌技术应用的磁压缩脉冲发生器还有待于高压脉冲发生器设计者进行研究。

2．2处理轻设计

静态分批式处理腔规模小、考虑影响因素较少，不适于大规模工业化应用。为此，人们设计了各种连续式处理腔，主要有平行盘式、线圈绕柱式、柱—柱式、柱—盘式、同心轴式。其中，平行盘式和同心轴式处理腔结构被广泛报道。为了保持处理腔内电场的均匀分布国外学者运用有限元分析法对这两种处理腔的设计进行了研究，使得处理腔不仅能够保持腔内电场的均匀分布，而且能够保证被处理食品的稳定流动，具有较大的工业应用价值。

3 影响高压脉冲电场灭菌的因素

3．1 对象菌的种类：不同菌种对电场的承受力有很大的不同。无芽孢细菌较有芽孢细菌更易被杀灭，格兰氏阴性菌较阳性菌易于被杀灭。在其它条件均相同的情况下用电场灭菌，霉菌、乳酸茵、大肠杆菌、酵母茵等不同菌种的存活率由高到低排列。特别需要指出的是，对象菌所处的生长周期也对杀菌效果有一定的影响，处于对数生长期的茵体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感。

3．2 菌的数量：研究中发现，对菌数高的样品与菌数低的样品加以同样强度、同样时间的脉冲，前者菌数下降的对数值比后者要多得多。

3．3 电场强度：电场强度在各因素中对杀菌效果影响最明显，增加电场强度、对象菌存活率明显下降。

3．4 处理时间：杀菌时间是各次放电释放的脉冲时间的总和。随着杀菌时间的延长，对象菌存活率开始急剧厂降、然后平缓，逐渐变平，最后增加杀菌时间亦无多大作用。

3．5 处理时的温度：随着处理温度上升(在24℃—60℃范同内)，杀菌效果有所提高，其提高的程度一般在10倍以内。

3．6 介质电导率：由于介质的电导率提高，脉冲频率上升、因而脉冲的宽度下降。这样，电容器放电时、脉冲数日不变，即杀菌脉冲时间下降，从而杀菌效果相应下降。介质电导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数、如空气导电、则无脉冲产生。

3．7 脉冲频率：提高脉冲频率，杀菌效果上升。原因是频率提高后．对应于每一次电容器放电来说，具有更多的脉冲数目，因而指数衰减曲线的下降得到减缓。从而保证了更长的杀菌处理时间。

3．8 介质的PH值：在正常的PH值范围内、对象菌存活率天明显变化。可以认为，pH 与高压脉冲电场灭菌无增效作用

4 处理效果

高压脉冲电场杀菌主要是利用食品的非热物理性质，温升小(一般在50℃以下)、耗能低。一个35千伏的处理系统每处理1毫升液体食品只需20J的能量，而对超高温瞬时灭菌热处理系统来说却至少需要100J以上的能量。国内邓元修等实验证明高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭耗能只有1．8—6．0×l05J／m3[2]。据国外资料报道，一个脉冲处理系统的操作费用据估计只有大约0.4—0.8美分，并且物料流率可达1000L／h。

国内外研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、各类格兰式阴性菌、格兰式阳性菌、细菌袍子，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。研究结果表明抑菌效果可达到4—6个对数周期，其处理时间一般在几个微秒到几个毫秒，最长不超过1秒，该处理没有对食品的感官质量造成影响，其货架期一般都可延长4—6周。1998年，国内曾新安等对高压交流电场的灭菌效果进行了研究，结果表明在22．5kv ／cm的场强处理下乳酸杆菌数降低近6个数量级。1997年，陈键在40kv／cm条件下，用50个脉冲处理脱脂乳中的大肠杆菌后，99％大肠杆菌失活，4I。MingyuJia在1999年通过SPME—GC连用分析了高压脉冲处理后的香蕉汁中所含的五种典型香味成分,结果表明高压

脉冲处理后的香蕉汁中五种典型香味成分的含量明显高于热处理后的香蕉汁.Yeom Hye Won 在2000年不仅通过SPME—CC分析了被处理香蕉汁中的五种典型香味成分外,还进一步分析了vc含量、颜色品质，以及处理后香蕉汁中颗粒大小等，结果表明高压脉冲处理后的香蕉汁各方面指标均优于热处理后的香蕉汁。

总之，高压脉冲电场杀菌的应用研究在实验室水平上已经取得了可喜成果。但是，由于处理系统电路设计的复杂性使得高压脉冲电场杀菌系统的造价非常昂贵，从而限制了这种方法当前的工业化应用。另外，高压脉冲电场在粘性食品及含固体颗粒食品中杀菌的应用还有待于进一步研究，操作条件还有待于进一步优化。应该说高压脉冲电场杀菌技术的工业化应用目前还存在着许多困难，但是高压脉冲电场处理以其优良的处理效果，低廉的操作费用展示出了诱人应用前景，随着高压脉冲技术的发展和高压脉冲电场在食品处理中研究的深入，我们完全可以相信在不久的将来高压脉冲电场杀菌技术必将被大规模工业化应用。