高压脉冲电场杀菌资料

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“nothing or all” 特征，即不存在损伤亚死细胞（‘intermediately damaged’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 （cold shock）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。
高压脉冲场技术的发展历程 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(Pulsed Electric Fields, 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（0-100μs）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。
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。
美国俄勒冈州 Genesis Juice 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 PurePulse Technology 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。
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。
（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，θ是电场 方向与指定点法线之间的夹角，ω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。
由公式(1-1)～(1-6)可以看出以下几点： ①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。 ②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。 ③随着电场强度的增大，电穿孔将首先出现在θ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cosθ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。
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 PurePulse Technologies 公司也开 发了处理量 10L/h 和 200L/h 的“CoolPure”PEF 处理体 系。
当外加交流电场频率足够低，以致于ωt ≤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，θ＝0或θ＝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：
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。