高压脉冲电场杀菌(1)
高压脉冲电场在食品加工中的应用
高压脉冲电场在食品加工中的应用随着科技的不断进步，高压脉冲电场作为一种新型的食品加工技术，正在逐渐受到食品工业的和应用。
本文将探讨高压脉冲电场在食品加工中的原理、特点及其应用，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
高压脉冲电场是一种通过瞬间施加高电压脉冲来处理食品的方法，其主要原理是利用强电场作用产生一系列物理和化学效应，实现对食品的加工、杀菌、处理和检测等。
高压脉冲电场的特点主要表现在以下几个方面：非热效应：高压脉冲电场在处理食品时，不会产生明显的热量，因此对食品的色、香、味等感官品质的保持具有积极作用。
高效性：高压脉冲电场能够快速地穿透食品物料，实现对食品的高效处理。
例如，在杀菌过程中，高压脉冲电场能够大幅缩短处理时间，提高生产效率。
环保性：由于高压脉冲电场在处理过程中不使用化学试剂，因此对环境无污染，具有较好的环保性。
安全性：高压脉冲电场在封闭环境中进行，能够有效避免对人体造成伤害的风险。
食品杀菌：高压脉冲电场在食品杀菌方面具有显著的效果。
通过破坏微生物的细胞膜，高压脉冲电场可以有效杀灭食品中的细菌、病毒等致病微生物，达到杀菌的目的。
同时，由于其对细胞膜的破坏作用，还能够有效抑制微生物的复活和繁殖，延长食品的保质期。
食品处理：高压脉冲电场在食品处理方面也表现出良好的应用前景。
例如，在果蔬汁加工过程中，高压脉冲电场可以显著提高榨汁效率，降低能源消耗。
在肉类加工中，高压脉冲电场能够改善肉质的嫩度、风味和营养价值。
食品检测：高压脉冲电场在食品检测方面具有一定的应用价值。
例如，通过检测食品中微生物产生的微小电流，可以快速检测出食品中的细菌总数和大肠杆菌等微生物污染情况。
高压脉冲电场还可以用于食品成分、品质和保质期等方面的检测。
高压脉冲电场作为一种新型的食品加工技术，具有广泛的应用前景。
通过深入研究和探索，相信未来高压脉冲电场在食品加工中的应用将会越来越广泛，为食品工业的发展和人类健康做出更大的贡献。
杀菌(冷杀菌与热杀菌)
杀菌（冷杀菌与热杀菌）冷杀菌技术冷杀菌（物理杀菌）是当代一类崭新的技术，物理杀菌条件易于控制，外界环境影响较小，由于杀菌过程中食品的温度并不升高或升高很低，即有利于保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及营养成分，所以包装与食品机械的设计与制造上采用冷杀菌技术是非常必要的。
1.2超高压脉冲电场杀菌超高压脉冲电场杀菌是采用高压脉冲器产生的脉冲电场进行杀菌的方法。
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。
其机理基于细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应、臭氧效应等假设。
其作用主要有2个：（1）场的作用。
脉冲电场产生磁场，细胞膜在脉冲电场和磁场的交替作用下，通透性增加，振荡加剧，膜强度减弱从而使膜破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。
（2）电离作用。
电极附近物质电离产生的阴阳离子与膜内生命物质作用，阻碍了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行同时，液体介质电离产生臭氧的强烈氧化作用，使细胞内物质发生一系列的反应。
通过场和电离的联合作用，杀灭菌体[3]。
超高压脉冲电场杀菌已在实验室水平上取得了显著的成效。
它可保持食品的新鲜及其风味，营养损失少。
但因其杀菌系统造价高，制约了它在食品工业上的应用，且超高压脉冲电场杀菌在黏性及固体颗粒食品中的应用还有待进一步的研究。
1.3强磁场脉冲杀菌该技术采用强脉冲磁场的生物效应进行杀菌，在输液管外面，套装有螺旋兴线圈，磁脉冲发生器在线圈内产生（2～10）T的磁场强度[4]。
当液体物料通过该段输液管时，其中的细菌即被杀死。
该技术具有以下特点：杀菌时间短且效率高。
杀菌效果好且温升小，能做到既能杀菌，又能保持食品原有的风味、滋味、色香、品质和组分（维生素、氨基酸等）不变，不污染产品，无噪音，适用范围广泛[5]。
1.4脉冲强光杀菌脉冲强光杀菌是采用脉冲的强烈白光闪照方法进行灭菌。
通过惰性气体发出与太阳光谱相反，但强度更强的紫外线至红外线区进行杀菌。
高压脉冲电场杀菌
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。
李迎秋等研究了高压脉冲电场对大豆 分离蛋白功能性质的影响。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、 起泡性及疏水性都增加。高压脉冲电 场使大豆分离蛋白疏水性和巯基含量 发生了改变，说明高压脉冲电场对大 豆分离蛋白的疏水相互作用和二硫键 有一定的影响。
张鹰等用脉冲电场处理脱脂牛乳，结果 使游离氨基酸含量增加而乳糖含量没有
高压脉冲电场保鲜技术主要是利用强电场进行杀菌,它可以 克服加热杀菌方法引起的蛋白质变性和维生素破坏,因而较 好地保证食品原有的营养成分和原有的风味实验已证明高压
脉冲电场对液体食品中的酵母、各类革兰氏阴性菌、革兰氏 阳性菌细菌袍子等菌类有明显的抑制作用,同时,处理没有对 食品的感官质量造成任何影响，而且处理过程温升小,耗能 低, 以近几年来对高压脉冲电场技术在液体食品杀菌保鲜的 研究进展较快,具有较好的工业前景,正向商业化发展
高压脉冲电场杀菌
尽管高压脉冲电场杀菌技术在 食品工业中具有广泛的应用前 景，但也面临着一些挑战和问 题
首先，高压脉冲电场杀菌技术 的设备成本较高，且操作和维 护具有一定的复杂性，这可能 会限制其在中小型食品企业中 的应用。因此，需要进一步降 低设备成本和操作难度，以促 进该技术的广泛应用
其次，虽然高压脉冲电场杀菌 技术对食品的营养成分和活性 物质损伤较小，但仍然存在一 定的损失。因此，需要进一步 研究和优化参数设置，以减少 对食品营养成分和活性物质的 损失
除了直接对食品进行杀菌外，高压脉冲电场还可以与其他处理方法相 结合，如化学处理、物理处理等，以达到更好的杀菌效果。例如，将 高压脉冲电场与臭氧结合使用，能够显著提高杀菌效果，同时减少臭 氧的使用量
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Hale Waihona Puke 4结论结论
高压脉冲电场杀菌作为一种新 型的非热杀菌方法，具有操作 简单、对食品营养成分和活性 物质损伤小等优点，因此在食 品工业中得到了广泛应用。在 未来的研究中，需要进一步探 讨高压脉冲电场杀菌的机理和 最佳参数组合，以实现更高效 的杀菌和更好的食品品质保留。 ## 高压脉冲电场杀菌的挑战 与前景
高压脉冲电场杀菌的效果受到多个因素的影响 ，如电场强度、脉冲宽度、脉冲重复率、脉冲 形状、电极配置等。其中，电场强度是最重要 的因素之一，它直接决定了杀菌效果的好坏。 一般来说，电场强度越高，杀菌效果越好，但 同时也可能导致食品中营养成分和活性物质的 损失增加。因此，在选择电场强度时需要综合 考虑杀菌效果和食品的营养价值
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高压脉冲电场杀菌
高压脉冲电场(PEF)是一种新型的非热杀菌方法，因其 具有对食品营养成分和活性物质损伤小、操作简单等优
点，在食品工业中得到了广泛应用
高压脉冲电场(PEF)技术对食品杀菌的研究
高压脉冲电场（PEF)技术对食品杀菌的研究发表时间：2009-07-16T09:56:24.343Z 来源：《企业技术开发(下半月)》2009年第4期供稿作者：余南静，秦建华，吴玉玲[导读] 本文概述了关于PEF技术的一些理论和研究成果,指出了其与热杀菌相比的优势以及待解决的问题。
高压脉冲电场（PEF)技术对食品杀菌的研究余南静，秦建华，吴玉玲（南京农业大学食品科技学院，南京210095）作者简介: 余南静、秦建华、吴玉玲, 南京农业大学食品科技学院。
摘要：高压脉冲电场技术是一种低能耗、高效率的食品加工技术, 在杀菌方面, PEF 技术表现出良好的应用前景。
本文概述了关于PEF技术的一些理论和研究成果,指出了其与热杀菌相比的优势以及待解决的问题。
关键词：高压脉冲电场技术；食品；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量。
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。
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。
高压脉冲电场(PEF)用于食品杀菌, 从20世纪60年代在美国就已开始研究, 并逐渐扩大到工业应用，进入90年代中后期我国开始进行这方面的研究，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。
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。
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。
1 高压脉冲电场技术的现存理论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。
高压脉冲电场杀菌机理经过40年的探讨，形成了以下几个代表性的观点:①“细胞膜穿孔效应”理论：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。
高压脉冲电场杀菌 PPT课件
提取
❖ 韩玉珠等人通过试验优化了用高压脉冲电场提取中国林蛙多糖的试验条件， 并与碱提取法、酶提取法以及复合酶提取法进行了比较。结果显示用0. 5％K 0 H 提取液，在电场强度为20K v/cm 和脉冲数6 s的条件下用高压脉冲电场提取林蛙 多糖的提取率最大为55．59%。比较高压脉冲电场提取法与碱法、酶法以及复合 酶法在林蛙多糖提取率、总糖含量方面的差异，高压脉冲电场提取的林蛙多糖提 取率和总糖含量均高于其他三种方法，其提取率是复合酶法的1．77倍，总糖含 量高于复合酶法6. 34%，且提取物中杂质少。 ❖ 文献来源：韩玉珠，殷涌光，李风伟等．高压脉冲电场提取中国林蛙多糖的研 究 食品科学， 2005 (9)： 337～339．
➢ 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。
❖ 文献来源：殷涌光，赫桂丹，石晶．高电压脉冲电场催陈白酒的试验研 究 酿酒科技， 2005(12)：47 ~50
灭酶
❖ 1999年Yeom 在10℃环境下用PEF 连续作用于木瓜蛋白酶 后经24h，4℃冷藏，其活 性发生不可逆降低。Giner研究PEF对番茄中果胶甲基酯酶的抑制作用，在400 ×20 S、 24K v/cm 条件下，酶活性减少93．8％。H o、M ittal、C ross通过对食品中8种酶用带 极性的指数型高压脉冲处理，结果表明，α-淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶的失活率分 别为85％、85％、75％，而过氧化物酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶的失活率分别为30％、 40％、5％。此外， 还有多位学者研究了PEF 对牛奶中蛋白酶活性的影响。在国内，中 国农业大学的学者研究T PEF对辣根过氧化物酶以及果胶酯酶的活性及酶构象的影响效 果。
高压电脉冲杀菌技术
高压电脉冲杀菌技术
高压电脉冲杀菌技术是一种利用高压电脉冲的能量瞬间释放，对杀菌物体进行全面、快速、高效的杀菌方法。
其原理是利用电场和高压脉冲电流共同作用，瞬间形成高压与高温，造成细菌细胞膜破裂、细胞内部结构破坏，从而达到杀菌的效果。
高压电脉冲杀菌技术具有以下特点：
1. 高效杀菌：瞬间释放的高压电脉冲能量可以迅速破坏细菌细胞，有效杀灭细菌和其他微生物。
2. 快速处理：处理时间短，通常只需要几微秒到几毫秒即可完成杀菌过程，不需要长时间的处理过程。
3. 无化学残留：相比传统的杀菌方法，高压电脉冲杀菌技术不需要使用化学物质，避免了化学残留物对食品和环境的污染。
4. 不改变物质性质：在正确操作下，高压电脉冲杀菌技术可以保持被处理物质的风味、营养价值和质地。
5. 广泛应用：高压电脉冲杀菌技术可以应用于食品工业、饮料工业、药品工业、水处理等领域，对杀菌要求较高的产品具有较好的应用前景。
需要注意的是，高压电脉冲杀菌技术在应用中还存在一些技术难题，如处理规模化、设备成本和能耗等方面的挑战。
因此，目前在商业应用上还相对较少，但其在杀菌领域的潜力和前景备受期待。
《高压脉冲电场杀菌》课件
高压脉冲电场杀菌技术具有高效、无污染、无残留等优点，广泛应用于食品加工厂、医疗领 域和环境治理领域。
2. 高压脉冲电场的原理
1 高压脉冲电场的定义和特点
2 高压脉冲电场对细菌的杀伤机制
高压脉冲电场是一种特定脉冲形式下的 电场，具有高电压、短脉冲宽度的特点。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高压脉冲电场通过破坏细菌细胞膜、 DNA和细胞内结构等方式，实现对细菌 的杀灭。
3. 高压脉冲电场杀菌技术的应用
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食品加工厂的应用
高压脉冲电场杀菌技术被应用于食品加工厂的食品杀菌，保障食品的安全和质量。
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医疗领域的应用
高压脉冲电场杀菌技术在医疗器械的消毒和无菌包装中发挥重要作用。
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环境治理领域的应用
高压脉冲电场杀菌技术可用于水处理、空气净化等环境治理领域，有效杀灭细菌。
4. 高压脉冲电场杀菌技术的研究进展
《高压脉冲电场杀菌》 PPT课件
高压脉冲电场杀菌技术是一种创新的食品安全技术，通过高压脉冲电场对细 菌的杀伤机制，应用于食品加工厂、医疗领域和环境治理领域。本课件将详 细介绍该技术的原理、应用、研究进展及未来发展前景。
1. 介绍
什么是高压脉冲电场杀菌技术？
高压脉冲电场杀菌技术利用强电场冲击细菌，破坏菌体结构从而杀灭细菌。
2 可能存在的问题和解决方案
高压脉冲电场杀菌技术在应用过程中可能面临设备成本高、操作复杂等问题，需要继续 研究和优化解决方案。
6. 参考文献
• 相关学术论文和专业书籍
国内外研究现状及发展趋势
国内外学者积极进行高压脉冲电场杀菌技术的 研究，不断探索其应用于不同领域的潜力。
未来研究的方向和挑战
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A．细胞膜电位差为V’m；B．外加电场矿远大于跨膜电位差V’m时，
细胞膜受挤压变薄；C．细胞膜上的电位差达到临界崩解电位差硌
时，细胞膜崩解并导致穿孔；D．细胞膜大面积崩解。
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高压脉冲电场杀菌机理
3.Tsong(1991)电穿孔理论
由于微生物细胞在高压脉冲电场的作用下细胞膜上的 双磷脂层和蛋白质暂时变得不稳定导致的一种现象。在外 加电场的作用下其细胞膜压缩并形成小孔，通透性增加， 小分子物质如水分子可透过细胞膜进入细胞内，致使细胞 体积膨胀，最后导致细胞膜破裂，细胞内容物外漏，使细 胞死亡。
2.Zimmermann(1986)电崩解理论
6.粘弹极性形成模型
3.Tsong(1991)电穿孔理论
7.电解产物效应
4.空穴理论
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高压脉冲电场杀菌机理
1.Hamilton和Sale(1967)理论
当一个外部电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电 位(TMP)。对半径r处于均匀场强E中的球形来说，其沿 电场方向的跨膜电位．可由下式得出： U(t)=1.5rE 式中：u——沿电场方向的跨膜电位，t；
高压脉冲电场杀菌
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主要内容
概况 高压脉冲电场的处理系统 高压脉冲电场杀菌机理 影响高压脉冲电场杀菌效果的因素 在食品中的应用研究
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概况
高压脉冲电场(pulsed electric field，PEF)是一种非热处理 技术，具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等 特点，成为近几年来国内外研究的热点之一。
此理论指出在电极施 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。
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影响高压脉冲电场杀菌效果的因素
➢电场强度 ➢脉冲持续时间 ➢处理室特性
➢微生物的种类 ➢生长时间
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高压脉冲电场杀菌机理
6.粘弹极性形成模型
7.电解产物效应
此模型认为，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。
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4.空穴理论
高压脉冲电场杀菌机理
放电时，产生强 大的脉冲电流
高压通路，进 而形成气套
压力由气套传给 液体，形成强大 超声液压冲击波
空穴
放电终了瞬间，气套处形成空 穴，由于压力突然减小，液体 又以超声速回填空穴，形成第 二个超声回填空穴冲击波。
空穴
正是由于这种高压脉冲能量直接转换成的冲压式机械能，引起液体食品
静态分批式 规模小、考虑影响因素较少，不适于大规
模工业化应用。
连续式
处理室内装有电极和冷却装置（PEF连续工 作，电极温度会升高），同芯电极的连续式 处理室，电容小，结构简单，不易放电。
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食品处理装置结构简图
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高压脉冲电场杀菌机理
1.Hamilton和Sale(1967)理论
5.电磁机制模型
脉冲电场工作参数
➢温度 ➢脉冲特性
微生物特性
➢生长条件
➢成分 ➢电导率 ➢离子强度
食品特性参数
➢pH值 ➢水的活性
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影响高压脉冲电场杀菌效果的因素
脉冲电场工作参数
电场强度
电场强度时 影响杀菌效果 最重要的因素 之一，当超过 微生物的临界 跨膜电压时， 微生物死亡率 随场强的增加 而增加。
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指 数 衰 减 波
方
波
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高压脉冲电场的处理系统
处理室
食品在处理室内受到高压脉冲电场作用时，要避 免电火花的产生。一旦产生电火花．电极就会被腐 蚀，食品被电解，产生气泡。因此，在设计食品处 理室时，应着重解决好以下问题：电极表面要尽可 能光滑以减少电子的逸出．采用圆形电极以避免电 场集中，为食品提供一个均匀的高压脉冲电场。
持续时间
果随脉冲 时间的延长而 明显增强，但 达到拐点值后， 脉冲时间的增 加对杀菌效果
中微生物细胞内部的强烈振动和细胞膜破裂等现象，从而产生杀菌效应。
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高压脉冲电场杀菌机理
5.电磁机制模型
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 作用。
早在1967年
英国学者就发现25kV/cm直流脉 冲能有效致死营养细菌和酵母菌。
20世纪80 年代以来
20世纪90年 代中后期
美国、日本等发达国家研究比较 活跃，并制造了成套的技术设备。
我国开始进行这方面的研究。
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高压脉冲电场的处理系统
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。设计的关键是脉冲发生器和处理室。
r——细胞半径，µm； E——电场强度(kV/mm)，并且认为当跨膜电位 (TMP)达到1V时，细胞膜便失去 功能。
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高压脉冲电场杀菌机理
2.Zimmermann(1986)电崩解理论
细胞膜被视为电容，在高压电脉冲作用下，膜两侧 电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成 挤压力，当TMP达到临界崩解电位差时，细胞膜就开始 崩解，导致细胞膜穿孔(充满电解质)形成，进而在膜上 产生瞬间放电，使膜分解。
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脉冲发生器
高压脉冲电场的处理系统
指数形脉冲容易产生，但低于最高 指数衰减波 电压36.8％的电压无杀菌作用，且能
使食品的温度升高
方波
方波脉冲比指数形脉冲杀菌效果更好， 对细菌有致命作用，但需脉冲整形网 络，结构复杂，对电路的设计及元器 件的要求高，成本也比较高
震荡波、 这两种波的效果都不是很好 交变波
处理系统
脉冲发生器
高压脉冲电场杀菌装置的核心部分。高压 脉冲发生器用来产生10kV以上的脉冲，该 高压脉冲被加到处理室电极的两极板上， 在处理室内产生10kV/cm以上的强电场。
处理室
处理室与高压脉冲发生器相连接，它的 主要作用是将高压脉冲电场传递给流经 此室的液体食品，以达到杀菌的目的。
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