高压脉冲电场杀菌

高压脉冲电场杀菌文食134-1201390523107王晓欣定义脉冲电场(PulsedElectricFields,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。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,正向商业化发展原理对于高压脉冲电场的杀菌机理,现在有多种假说,大多数研究者倾向于认同电场对细胞膜的影响,以此为基础进行了抑菌动力学的推导。当液体食品处于电场中时,食品中微生物的细胞膜在强电场的作用下,产生可修复的破裂或穿孔,使细胞组织受损,导致微生物失活,这种现象称为电穿孔,这己经在细胞融合和提取细胞内物质的处理中得到了应用。对细胞膜较为通用的模型认为细胞膜的厚度大约为7nm~10nm,细胞膜可等效于一个具有低介电常数电介质的平板电容器,电介质的厚度约为3nm,细胞膜两表面带有极性相反的自由电荷,大多数细胞膜产生穿孔的临界电势在0.7V~1.1V之间。Teissie等人指出,在强电场作用下,细胞膜表面不断堆积电荷,从而诱导产生横跨膜电势,当横跨膜电势大于临界电势时,细胞膜破裂形成穿孔。Castro等人解释穿孔的原因,是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,当这种电挤压力大于膜的弹性力时就产生穿孔。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PEF技术是近年来研究最多的食品非热处理技术之一。国内研究现状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。高压脉冲电场系统设备PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、温度测定系统。下图是江南大学实验用的PEF处理单元图表。高压脉冲电场对食品组分的影响Li等人发现，在其他脉冲条件一定时，大豆分离蛋白的表面自由巯基含量和疏水性随PEF强度和处理时间的增加而增加；但当电场强度大于30kV／em、处理时间大于288us时,由于蛋白质分子变性、亚基的解离以及通过非共价键相互作用重新聚集，大豆分离蛋白的分子质量、粒径发生了变化，形成了大分子的聚集体，但二级结构变化较小。文献来源：LiYQ,ChenZX.MoHZ.Effectsofpulsedelectricfieldonphysicechemicalpropertiesofsoybeanproteinisoares[J]．LwT，2007,40：1167—1175．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。文献来源：李迎秋，章万忠，陈行．高压脉冲场对大豆分离蛋白结构特征的影响食品科学，2007，28(3)：42—46．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变化，这说明脉冲电场对乳中乳糖的结构和含量没有影响。韩玉珠等利HPEF技术进行提取中国林蛙多糖的研究，提取率最大为55．59％是复合酶法的1．77倍，提取物中杂质少，对林蛙多糖的活性无影响。从以上研究可以看出，高压脉冲电场在用来杀菌和提取功能物的同时，对食品中的酶和蛋白质的影响结果还不太确定，对脂肪和糖类基本没有影响.文献来源：张鹰，曾新安，扶雄，等．高场强脉冲电场液体非热灭菌效果研究食品工业，2004(1)：42—44高压脉冲电场在食品中的应用高压脉冲电场可用于提取、解冻、灭酶、果蔬保鲜、酒类催陈、果汁榨汁与脱水酒类催陈吉林大学的殷涌光等人利用高电压脉冲电场对白酒进行了催陈研究试验，其试验结果表明：高电压脉冲电场可以使白酒快速催陈，操作简便，速度快。处理最佳参数为脉冲数50个，场强E=25Kv/cm，助剂浓度1．0×10-6mol/L。处理后的酒样总酸、总酯和总醛等有所增加，总醇含量有所下降，酒体透明，陈香明显，辣味减少，柔和绵软，有余香。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400×20S、24Kv/cm条件下，酶活性减少93．8％。Ho、Mittal、Cross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TPEF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。文献来源：YeomHW，ZhangQH，DunneCP．InactivaionofpapainbypulsedelectricfieldsinacontinuoussystemFoodChemistry，1999，67(1)：53．果蔬保鲜适宜的静电场能抑制果蔬的呼吸代谢，减少其糖分的消耗，降低抗坏血酸的氧化速度，并保持果实的颜色和形状，提高果实的品级率。李里特认为静电场下果蔬的保鲜机理可能是外加静电场打破了果蔬中水分的动态平衡，使水分子结构发生变化，这样，势必影响到利用水分子活化过程催化反应的酶分子在底物反应中的速率。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％K0H提取液，在电场强度为20Kv/cm和脉冲数6s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．高压脉冲电场存在的问题PEF技术的应用研究已广泛开展，但PEF技术的工业应用尚需解决一系列的问题。首先，应加强大流量工业装置的研制，这是PEF技术工业化的关键；其次，应进一步设计并完善处理装置的温度监测及控制系统，开展PEF处理过程中物料温度变化动力学分析；第三，应加强处理室的多样化设计，目前PEF处理室并非对所有的食品都适用，大部分只适用于液体食品，限制了该技术在食品工业中的应用。另外，由于物料在处理室中直接与电极接触而发生电化学反应，导致电极腐蚀，可能会影响食品质量甚至产生有毒有害化合物，但目前为止对这方面的研究较少，应该引起重视，研究过程中要充分考虑电极腐蚀和选择恰当的电极材料。THEEND