高壓脈沖電場殺菌設(shè)備

一、高壓脈沖電場殺菌設(shè)備設(shè)備簡介

高壓脈沖電場殺菌（PEF殺菌/電脈沖殺菌設(shè)備）是一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)，它是以較高的電場強(qiáng)度(8-30kV/cm)、較高的脈沖頻率（100-20KHz）對液體、固體、氣體進(jìn)行處理，并且可以組成連續(xù)殺菌和無菌灌裝的生產(chǎn)線。

二、殺菌原理

殺菌機(jī)是通過外部電場與微生物細(xì)胞膜直接作用，從而破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，形成“電穿孔"而導(dǎo)致微生物滅活。微生物細(xì)胞和外環(huán)境之間進(jìn)行著活躍的物質(zhì)交換，細(xì)胞膜的完整性對保證細(xì)胞生命活動的正常進(jìn)行有著極其重要的作用。殺菌作用與其對微生物細(xì)胞膜的影響密切相關(guān)。當(dāng)微生物被置于高壓脈沖電場中時，細(xì)胞膜會被破壞，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物外滲，引起細(xì)胞死亡。

由于細(xì)胞膜兩表面堆積的異號電荷相互吸引，引起膜的擠壓；當(dāng)電場強(qiáng)度增大到一個臨界值時，細(xì)胞膜的通透性劇增，腹上出現(xiàn)許多小孔，使膜的強(qiáng)度降低；進(jìn)一步的作用使細(xì)胞膜產(chǎn)生不可修復(fù)的大穿孔，使細(xì)胞組織破裂、崩潰，導(dǎo)致微生物失活。

三、設(shè)備參數(shù)

設(shè)備名稱：高壓脈沖電場殺菌設(shè)備

設(shè)備材質(zhì)：304不銹鋼

輸入電壓：AC220V,50Hz；

輸出電壓：8-30KV可調(diào)

輸出功率（瞬時）：500w、1000W、2000w（可選）

輸出頻率：20KHZ可調(diào)；

輸出占空比：0-100%可調(diào)；

脈沖極性：正脈沖

四、設(shè)備結(jié)構(gòu)

主要包括五大部分：控制單位、脈沖電源、固體處理室、液體處理倉、氣體處理倉。

1.控制單位

設(shè)備的整個操控系統(tǒng)，采用觸摸屏操控界面和單腔高壓電場殺菌設(shè)計，非常方便操作。

2.脈沖電源

高壓脈沖電場殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發(fā)生器用來產(chǎn)生10KV以上的脈沖，改高壓脈沖被加到處理室電極的兩極板上，在處理室內(nèi)產(chǎn)生10KV/CM以上的強(qiáng)電場。

3.處理室

處理室與高壓脈沖發(fā)生器相連接，它的主要作用是將高壓脈沖電場傳遞給流經(jīng)此室的液體食品及半固體食品，已達(dá)到殺菌目的。

五、設(shè)備優(yōu)勢

1. 殺菌處理時間短，能耗低，殺菌率高；

2. 不需要?dú)⒕鷦?，操作費(fèi)用低，無副產(chǎn)品，不產(chǎn)生二次污染；

3. 穿透力強(qiáng)，殺菌效果好，適用于熱敏性食品。

六、適用范圍

1. 飲料                                                      2.    食品

  3.    藥品                                                         4.    中藥

七、物料處理效果

高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究

室溫條件下，電場強(qiáng)度為50 kV/cm，脈沖數(shù)對電場殺菌效果影響較小，所以可以選用較小的脈沖數(shù)。

原料乳中微生物殘留數(shù)與場強(qiáng)大小關(guān)系

處理脈沖數(shù)6個，整個殺菌過程中，由于脈沖數(shù)較少，處理后的牛乳沒有溫升。

微生物殘留數(shù)與脈沖數(shù)大小的關(guān)系

電場強(qiáng)度是最主要的影響因素，場強(qiáng)越大，電場的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場殺菌效果越好，最后是脈沖數(shù)的影響，電場殺菌效果隨脈沖數(shù)的增加而增加，但增加幅度不大．

殺菌溫度與殺菌效果的關(guān)系

l 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的含脂乳經(jīng)PEF處理，無菌包裝．4℃保存。它的物理化學(xué)性質(zhì)沒有改變．微生物貨架期2周。

l 熱-巴氏殺菌乳與PEF--巴氏殺菌乳感官評定上沒有區(qū)別。

l 采用氨基酸分析儀對經(jīng)電場處理前后牛乳中的游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析研究．發(fā)現(xiàn)牛乳中的總游離氨基酸質(zhì)量數(shù)增多。

l 采用高效液相色譜儀對經(jīng)電場處理前后牛乳中的維A質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測定．發(fā)現(xiàn)牛乳中維A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎無損失。

l 同樣，有研究表明場強(qiáng)在10～100 kV／cm．脈沖數(shù)在100～1200的條件下．牛乳中pH值、電導(dǎo)率、乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化均不顯著。

l 僅有VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有相當(dāng)大程度的減少。

高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究

電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、殺菌溫度的優(yōu)水平分別為60 kV/cm、6、35℃。

1.電場強(qiáng)度E=40 kV/cm，溫度為室溫(20℃左右)。

殘留菌數(shù)與樣品溫度的關(guān)系

2. E=40 kV/cm，脈沖頻率F=200 Hz，處理一次脈沖數(shù)C=2。

殘留菌數(shù)與電場強(qiáng)度的關(guān)系

3.脈沖頻率f=400 Hz，處理一次脈沖數(shù)C=4，溫度為室溫(20℃左右)

殘留菌數(shù)與場強(qiáng)的關(guān)系

桃汁理化指標(biāo)

l 抗壞血酸、總算含量均未發(fā)生變化，氨基態(tài)氮略有降低。電導(dǎo)率測定未發(fā)生變化。

l 高壓脈沖電場對桃汁非熱殺菌，其電場強(qiáng)度和殺菌溫度是主要的影響因素，脈沖數(shù)對殺菌影響不顯著。殺菌后的桃汁保持了原桃汁原有的營養(yǎng)和鮮味，高壓脈沖電場非熱殺菌不改變桃汁的物理、化學(xué)性質(zhì)。

高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究

①　酵母菌和霉菌是果汁中最常見的有害微生物, 它們可以在較低的 pH值下生存。對PEF處理前后石榴汁中的酵母菌霉菌以及大腸桿菌進(jìn)行計數(shù), 結(jié)果表明酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅。

②　在脈沖頻率為100Hz, 場強(qiáng)為35kV/cm時, 當(dāng)脈沖處理時間達(dá)到200µs時, 大腸桿菌下降3.62個lg，酵母菌下降2.34個lg，而霉菌僅下降了0.74個lg值, 霉菌孢子對PEF較不敏感。

③　當(dāng)處理頻率為333Hz時, 電場強(qiáng)度為35kV/cm,處理時間為 200µs, 霉菌下降了1.82個lg值。當(dāng)處理時間達(dá)到800µs，霉菌數(shù)量降低3.6個lg。

PEF處理對石榴汁理化性質(zhì)的影響

(1) 多酚含量與原樣無顯著差異

(2) 類黃酮稍有下降

(3) 澄清度僅下降1%左右

(4) 對色澤有所影響，但小于熱處理

高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究

PEF對綠茶飲料殺菌具有非常明顯的作用，單場強(qiáng)度和處理時間是其殺菌效果的主要參數(shù)，隨著電場強(qiáng)度和處理時間的增大，殺菌效果越來越好。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到40kV/cm時，殺菌效果非常顯著，處理時間為40µs時總菌數(shù)已經(jīng)降低了2.7個對數(shù)值。

PEF處理后，綠茶飲料的茶多酚、氨基酸含量和色澤均未發(fā)生明顯變化，PEF不僅能夠使綠茶飲料達(dá)到檢測無菌的水平，還可以保持其原有品質(zhì)。

高壓脈沖電場對食品組分的影響

PEF 對食品蛋白質(zhì)組分的影響

酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質(zhì)，PEF 處理可以鈍化酶活和改變酶的結(jié)構(gòu)，那么 PEF 也必然會對食品蛋白質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生影響。而且從原理上講，脈沖電場會影響蛋白質(zhì)基團(tuán)間的靜電相互作用和帶電基團(tuán)的定位，擾亂蛋白質(zhì)氨基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導(dǎo)致電荷分離，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（二級和三級）。另外，電極周圍的電化學(xué)反應(yīng)也可能會對包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的食品組分產(chǎn)生一定的影響。

Barsotti等報道，PEF處理不會引起卵球蛋白的明顯變性，而PEF處理過的蛋清蛋白的熱凝膠性能稍有下降，但還是明顯好于熱處理的蛋清；Li等報道，在使微生物數(shù)目減少5.3個對數(shù)值的作用強(qiáng)度下，PEF對牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和結(jié)構(gòu)的影響不顯著；

Fernandea-Diaz等用31.5KV/cm左右的指數(shù)衰減脈沖電場處理卵清溶液，發(fā)現(xiàn)PEF可使卵清蛋白部分展開或提高SH解離成易反應(yīng)S-的離子化程度。Perez等用12.5kv/cm的指數(shù)衰減脈沖電場靜態(tài)處理卵清蛋白和β-乳球蛋白濃縮液，發(fā)現(xiàn)兩種蛋白都有不同程度(26-40%)的變性，差示掃描量熱儀（DSC）測定顯示PEF處理后的β-乳球蛋白濃縮液熱變性溫度下降 4-5℃，而卵清蛋白的熱穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，電泳分析有共價鍵參與的凝聚生成。

Budi 等報道PEF可抑制胰島素分子柔性，從而影響底物與活性位點(diǎn)的接觸。

Xiang 等發(fā)現(xiàn)22kV/cmPEF作用80個脈沖可引起牛乳中25％蛋白變性。  

Li 等研究了PEF對大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著脈沖強(qiáng)度和脈沖處理時間的延長,大豆分離蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，當(dāng)脈沖強(qiáng)度或處理時間大于一定程度，蛋白質(zhì)分子變性程度增加，功能性質(zhì)下降。

張鐵華等研究了PEF對蛋清蛋白功能性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明蛋清蛋白的溶解度在脈沖電場強(qiáng)度大于35kV/cm時下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫穩(wěn)定性及疏水性先隨脈沖電場強(qiáng)度增加而增大，但當(dāng)脈沖電場強(qiáng)度大于30kV/cm后逐漸下降。

盧蓉蓉等研究了PEF對乳鐵蛋白（LF）結(jié)合鐵能力的影響，發(fā)現(xiàn)LF的鐵結(jié)合能力大體隨電場強(qiáng)度、處理時間和脈沖寬度增加而降低。

曾新安等和劉燕燕等研究了PEF對大豆分離蛋白溶液的表面性質(zhì)和粒徑分布，研究結(jié)果表明一定強(qiáng)度的PEF可影響氨基酸的極性和電負(fù)性，進(jìn)而影響了蛋白質(zhì)分子間的相互作用，從而影響蛋白質(zhì)膠體體系的電位、穩(wěn)定性，改變膠束的粒徑分布。

PEF 對食品脂質(zhì)組分的影響

一些研究者已經(jīng)提出了 PEF 處理食品過程中的電化學(xué)問題和電極腐蝕問題。Johan等發(fā)現(xiàn)PEF處理過程中的電化學(xué)反應(yīng)引起的電極腐蝕問題。Roodenburg 等的研究顯示，在 PEF 處理食品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質(zhì)會少量釋放到食品中。這些因素決定 PEF 處理食品過程中，電化學(xué)反應(yīng)必然發(fā)生，電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引發(fā)脂質(zhì)由單重態(tài)氧、自由基和其他氧化性物質(zhì)引發(fā)氧化反應(yīng)（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），產(chǎn)生一系列復(fù)雜的氧化產(chǎn)物。

最近，PEF 處理過程中脂肪酸、油脂等發(fā)生變化的現(xiàn)象開始受到研究者的關(guān)注， Garde-Cerdan 等發(fā)現(xiàn) PEF 處理（殺菌）可引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少，其中月桂酸的變化最為明顯；Guderjan 等應(yīng)用 PEF 輔助提取油菜籽中的油脂來提高出油率，發(fā)現(xiàn) PEF 輔助提取的油菜籽油的酸值顯著高于未用 PEF 處理的。資智洪等和曾新安等報道 PEF 處理油酸和花生油會導(dǎo)致一定程度的脂質(zhì)氧化，過氧化值升高以及不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了 PEF 處理對油酸理化性質(zhì)的影響及 PEF 處理過的油酸在貯藏過程中理化性質(zhì)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明油酸的過氧化值隨著 PEF 處理強(qiáng)度和貯藏時間的增加顯著增大，羰基值在 PEF 處理后的一周后迅速升高，PEF 處理過的油酸碘價在貯藏 2d 后有下降趨勢。

PEF 對食品碳水化合物組分的影響

關(guān)于 PEF 對碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報道 25kV/cmPEF 處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發(fā)生顯著變化。Garde-Cerdan 等研究發(fā)現(xiàn) PEF 處理對葡萄汁中還原糖含量幾乎沒有影響。Han 等采用 PEF 對玉米淀粉進(jìn)行處理，結(jié)果表明 50kV/cmPEF 處理后淀粉顆粒表面會出現(xiàn)明顯的小孔和凹坑，X 射線衍射峰的強(qiáng)度和焓值及糊化轉(zhuǎn)變溫度降低，表明淀粉在 PEF 作用下發(fā)生了分子結(jié)構(gòu)破壞和重排。

Cortes 等研究發(fā)現(xiàn) PEF 處理對橘汁中類胡蘿卜素的活力有很小的影響。Rivas 等研究了 PEF 處理牛乳和橙汁及處理后的保藏期（4℃保存 81d）的變化，發(fā)現(xiàn) 40kV/cmPEF 處理后樣品中的維生素可保留 90%以上。Zhang 等報道花色苷－矢車菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可發(fā)生降解，吡喃環(huán)斷裂生成查爾酮。Elez-Martinez  等研究了 PEF 處理后橙汁中維C以及抗氧化能力的變化，發(fā)現(xiàn)維C的保留量隨場強(qiáng)、處理時間增大而減小。35kV/cm PEF 處理后橙汁中維C的保留率在 87%以上。