什么是高壓脈沖電場(chǎng)

什么是高壓脈沖電場(chǎng)？

一、原理

高壓脈沖電場(chǎng)(pulsed electric field，PEF)是一種非熱處理技術(shù)，具有處理時(shí)間短，溫升小，能耗低和殺菌效果明顯等特點(diǎn)，成為近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

良好的高壓脈沖處理系統(tǒng)是高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)得以應(yīng)用的前提。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是脈沖發(fā)生器和處理室。

脈沖發(fā)生器

高壓脈沖電場(chǎng)殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生10kV以上的脈沖，該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(chǎng)。

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(chǎng)傳遞給流經(jīng)此室的液體食品，以達(dá)到殺菌的目的。食品在處理室內(nèi)受到高壓脈沖電場(chǎng)作用時(shí)，要避免電火花的產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生電火花．電極就會(huì)被腐蝕，食品被電解，產(chǎn)生氣泡。因此，在設(shè)計(jì)食品處理室時(shí)，應(yīng)著重解決好以下問(wèn)題：電極表面要盡可能光滑以減少電子的逸出．采用圓形電極以避免電場(chǎng)集中，為食品提供一個(gè)均勻的高壓脈沖電場(chǎng)。

食品處理裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理

1.Hamilton和Sale(1967)理論

當(dāng)一個(gè)外部電場(chǎng)加到細(xì)胞兩端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生跨膜電位(TMP)。對(duì)半徑r處于均勻場(chǎng)強(qiáng)E中的球形來(lái)說(shuō)，其沿電場(chǎng)方向的跨膜電位．可由下式得出：

U(t)=1.5rE

式中：u——沿電場(chǎng)方向的跨膜電位，t；

r——細(xì)胞半徑，µm；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/mm)，并且認(rèn)為當(dāng)跨膜電位(TMP)達(dá)到1V時(shí)，細(xì)胞膜便失去功能。

2.Zimmermann(1986)電崩解理論

細(xì)胞膜被視為電容，在高壓電脈沖作用下，膜兩側(cè)電位差進(jìn)一步變大，由于電荷相反，它們相互吸引形成擠壓力，當(dāng)TMP達(dá)到臨界崩解電位差時(shí)，細(xì)胞膜就開(kāi)始崩解，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔(充滿(mǎn)電解質(zhì))形成，進(jìn)而在膜上產(chǎn)生瞬間放電，使膜分解。

3.Tsong(1991)電穿孔理論

由于微生物細(xì)胞在高壓脈沖電場(chǎng)的作用下細(xì)胞膜上的雙磷脂層和蛋白質(zhì)暫時(shí)變得不穩(wěn)定導(dǎo)致的一種現(xiàn)象。在外加電場(chǎng)的作用下其細(xì)胞膜壓縮并形成小孔，通透性增加，小分子物質(zhì)如水分子可透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，致使細(xì)胞體積膨脹，最后導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞內(nèi)容物外漏，使細(xì)胞死亡。

4.空穴理論

正是由于這種高壓脈沖能量直接轉(zhuǎn)換成的沖壓式機(jī)械能，引起液體食品中微生物細(xì)胞內(nèi)部的強(qiáng)烈振動(dòng)和細(xì)胞膜破裂等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生殺菌效應(yīng)。

5.電磁機(jī)制模型

電磁理論認(rèn)為電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量是相互轉(zhuǎn)換的，在兩個(gè)電極反復(fù)充電與放電的過(guò)程中，磁場(chǎng)起了主要?dú)⒕饔茫妶?chǎng)能向磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換保證了持續(xù)不斷的磁場(chǎng)殺菌作用。這樣的放電裝置在放電端使用電容器與電感線圈直接相連，細(xì)菌放置在電感線圈內(nèi)部，受到強(qiáng)磁場(chǎng)作用。

6.粘彈極性形成模型

此模型認(rèn)為，一是細(xì)菌的細(xì)胞膜在殺菌時(shí)受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)作用而產(chǎn)生劇烈振蕩，二是在強(qiáng)烈電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體，并且等離子體發(fā)生劇烈膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，超出細(xì)菌細(xì)胞膜的可塑性范圍而將細(xì)菌擊碎。

7.電解產(chǎn)物效應(yīng)

此理論指出在電極施加電場(chǎng)時(shí)，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽(yáng)離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下極為活躍，穿過(guò)在電場(chǎng)作用下通透性提高的細(xì)胞膜，與細(xì)胞的生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核糖核酸結(jié)合而使之變性。

二、脈沖電場(chǎng)發(fā)展史

l 早在1967年，英國(guó)學(xué)者就發(fā)現(xiàn)25kV/cm直流脈沖能有效致死營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌和酵母菌。

l 20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較活躍，并制造了成套的技術(shù)設(shè)備。

l 20世紀(jì)90年代中后期，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。

l 目前主要有江南大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、吉林大學(xué)、浙江大學(xué)和大連理工大學(xué)等高校在開(kāi)展 PEF 技術(shù)的相關(guān)研究

l 江南大學(xué)從美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)購(gòu)置一套 OSU-4L 型 PEF 殺菌設(shè)備，并進(jìn)行了較為基礎(chǔ)性的研究和設(shè)備改造

l 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)和華南理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)對(duì) PEF 對(duì)果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機(jī)理研究做了許多基礎(chǔ)工作

l 浙江大學(xué)、清華大學(xué)在 PEF 設(shè)備和處理腔設(shè)計(jì)方面取得了一定成果

三、脈沖電場(chǎng)物料處理效果

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的研究

室溫條件下，電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV/cm，脈沖數(shù)對(duì)電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)大小關(guān)系

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

微生物殘留數(shù)與脈沖數(shù)大小的關(guān)系

電場(chǎng)強(qiáng)度是最主要的影響因素，場(chǎng)強(qiáng)越大，電場(chǎng)的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場(chǎng)殺菌效果越好，最后是脈沖數(shù)的影響，電場(chǎng)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(wú)菌包裝．4℃保存。它的物理化學(xué)性質(zhì)沒(méi)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(píng)定上沒(méi)有區(qū)別。

l 采用氨基酸分析儀對(duì)經(jīng)電場(chǎng)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(duì)經(jīng)電場(chǎng)處理前后牛乳中的維牛素A質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定．發(fā)現(xiàn)牛乳中維a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎無(wú)損失。

l 同樣，有研究表明場(chǎng)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(huì)有相當(dāng)大程度的減少。

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)桃汁殺菌的研究

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

1.電場(chǎng)強(qiáng)度E=40kV/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=40kV/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(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

3.脈沖頻率f=400Hz，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(chǎng)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(cè)定未發(fā)生變化。

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

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)石榴汁殺菌的研究

①　酵母菌和霉菌是果汁中最常見(jiàn)的有害微生物, 它們可以在較低的 pH值下生存。對(duì) 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(jì)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(chǎng)強(qiáng)為35kV/cm時(shí), 當(dāng)脈沖處理時(shí)間達(dá)到200µs時(shí), 大腸桿菌下降 3.62個(gè)lg， 酵母菌下降2.34個(gè)lg， 而霉菌僅下降了0.74個(gè)lg值, 霉菌孢子對(duì)PEF較不敏感。

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

PEF處理對(duì)石榴汁理化性質(zhì)的影響

(1) 多酚含量與原樣無(wú)顯著差異

(2) 類(lèi)黃酮稍有下降

(3) 澄清度僅下降1%左右

(4) 對(duì)色澤有所影響，但小于熱處理

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)綠茶飲料殺菌的研究

PEF對(duì)綠茶飲料殺菌具有非常明顯的作用，單場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間是其殺菌效果的主要參數(shù)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間的增大，殺菌效果越來(lái)越好。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到40kV/cm時(shí)，殺菌效果非常顯著，處理時(shí)間為40µs時(shí)總菌數(shù)已經(jīng)降低了2.7個(gè)對(duì)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(cè)無(wú)菌的水平，還可以保持其原有品質(zhì)。

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)食品組分的影響

PEF 對(duì)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(huì)對(duì)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(chǎng)會(huì)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(chǎng)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(jí)和三級(jí)）。另外，電極周?chē)碾娀瘜W(xué)反應(yīng)也可能會(huì)對(duì)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(bào)道，PEF 處理不會(huì)引起卵球蛋白的明顯變性，而PEF處理過(guò)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(bào)道，在使微生物數(shù)目減少5.3個(gè)對(duì)數(shù)值的作用強(qiáng)度下，PEF對(duì)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(chǎng)處理卵清溶液，發(fā)現(xiàn)PEF可使卵清蛋白部分展開(kāi)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(chǎng)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(cè)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(jià)鍵參與的凝聚生成。

Budi 等報(bào)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(gè)脈沖可引起牛乳中25％蛋白變性。

Li 等研究了PEF對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng),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(shí)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度大于35kV/cm時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度增加而增大，但當(dāng)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度大于30kV/cm后逐漸下降。

盧蓉蓉等研究了PEF對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)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(duì)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(duì)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(guò)程中的電化學(xué)問(wèn)題和電極腐蝕問(wèn)題。Johan 等發(fā)現(xiàn) PEF 處理過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)引起的電極腐蝕問(wèn)題。Roodenburg 等的研究顯示，在 PEF 處理食品過(guò)程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質(zhì)會(huì)少量釋放到食品中。這些因素決定 PEF 處理食品過(guò)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(guò)程中脂肪酸、油脂等發(fā)生變化的現(xiàn)象開(kāi)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(lái)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(bào)道 PEF 處理油酸和花生油會(huì)導(dǎo)致一定程度的脂質(zhì)氧化，過(guò)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(duì)油酸理化性質(zhì)的影響及 PEF 處理過(guò)的油酸在貯藏過(guò)程中理化性質(zhì)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明油酸的過(guò)氧化值隨著 PEF 處理強(qiáng)度和貯藏時(shí)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(guò)的油酸碘價(jià)在貯藏 2d 后有下降趨勢(shì)。

PEF 對(duì)食品碳水化合物組分的影響

關(guān)于 PEF 對(duì)碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報(bào)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(duì)葡萄汁中還原糖含量幾乎沒(méi)有影響。Han 等采用 PEF 對(duì)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(huì)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(duì)橘汁中類(lèi)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）內(nèi)水溶性維生素（維生素 H、葉酸、維生素B5和核黃素）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(bào)道花色苷－矢車(chē)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(chǎng)強(qiáng)、處理時(shí)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。