12高壓脈沖電場殺菌

1、第十三章第十三章高壓脈沖電場殺菌高壓脈沖電場殺菌定義定義脈沖電場脈沖電場(pulsed electric fields, pef)處理是處理是一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)它是以較高的電場強度它是以較高的電場強度(10-50kv/cm)、較短、較短的脈沖寬度（的脈沖寬度（0-100s）和較高的脈沖頻率）和較高的脈沖頻率（0-2000hz）對液體、半固體食品進行處）對液體、半固體食品進行處理，并且可以組成連續(xù)殺菌和無菌灌裝的理，并且可以組成連續(xù)殺菌和無菌灌裝的生產(chǎn)線。生產(chǎn)線。高壓脈沖電場技術(shù)的發(fā)展歷程高壓脈沖電場技術(shù)的發(fā)展歷程上個世紀上個世紀 60 年代，年代，sale 和

2、和 hamilton 等學者率先等學者率先對對 pef 滅菌技術(shù)進行了研究，并通過實驗證明了滅菌技術(shù)進行了研究，并通過實驗證明了 pef 的非熱效應。的非熱效應。80 年代以后，年代以后，hulsheger、zimmermann 等學者等學者對對 pef滅菌機理做了進一步探討，并研制出了小滅菌機理做了進一步探討，并研制出了小型試驗設備。型試驗設備。90 年代后，華盛頓州立大學研制出了較為成熟的年代后，華盛頓州立大學研制出了較為成熟的設備，并獲得了專利。設備，并獲得了專利。zimmermann 等人還對指等人還對指數(shù)衰減脈沖波、振蕩脈沖波和矩形脈沖波的滅菌數(shù)衰減脈沖波、振蕩脈沖波和矩形脈沖波的滅

3、菌效果做了對比研究，發(fā)現(xiàn)矩形脈沖波的作用效果效果做了對比研究，發(fā)現(xiàn)矩形脈沖波的作用效果最好。最好。目前較為成熟的是華盛頓州立大學食品非熱研究目前較為成熟的是華盛頓州立大學食品非熱研究中心利用脈沖電容儲能，觸發(fā)放電產(chǎn)生指數(shù)衰減中心利用脈沖電容儲能，觸發(fā)放電產(chǎn)生指數(shù)衰減型高壓脈沖研制的型高壓脈沖研制的 pef 處理實驗系統(tǒng)，以及隨后處理實驗系統(tǒng)，以及隨后利用脈沖成型網(wǎng)絡（利用脈沖成型網(wǎng)絡（pfn）研制的高壓方波）研制的高壓方波 pef 處理實驗系統(tǒng)。處理實驗系統(tǒng)。2000 年美國年美國 dti 公司為俄亥俄州立大學食品技術(shù)公司為俄亥俄州立大學食品技術(shù)系設計制造了第一臺商用系設計制造了第一臺商用 p

4、ef 處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)pef 技術(shù)是近年來研究最多的食品非熱處理技術(shù)技術(shù)是近年來研究最多的食品非熱處理技術(shù)之一。之一。國內(nèi)狀況l 與國外相比，國內(nèi)有關(guān)非熱加工技術(shù)的研究起步晚、研究與國外相比，國內(nèi)有關(guān)非熱加工技術(shù)的研究起步晚、研究少。少。l 國內(nèi)在上世紀國內(nèi)在上世紀 90 年代后期開始進行年代后期開始進行 pef 殺菌方面的研究，殺菌方面的研究，目前主要有江南大學、中國農(nóng)業(yè)大學、清華大學、華南理目前主要有江南大學、中國農(nóng)業(yè)大學、清華大學、華南理工大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學等高校在開工大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學等高校在開展展 pef 技術(shù)的相關(guān)研究技術(shù)的相關(guān)研究l 江南大

5、學從美國俄亥俄州立大學購置一套江南大學從美國俄亥俄州立大學購置一套 osu-4l 型型 pef 殺菌設備，并進行了較為基礎(chǔ)性的研究和設備改造殺菌設備，并進行了較為基礎(chǔ)性的研究和設備改造l 中國農(nóng)業(yè)大學、吉林大學和華南理工大學等機構(gòu)對中國農(nóng)業(yè)大學、吉林大學和華南理工大學等機構(gòu)對 pef 對果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機理研究做了許多基礎(chǔ)工作對果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機理研究做了許多基礎(chǔ)工作l 浙江大學、清華大學在浙江大學、清華大學在 pef 設備和處理腔設計方面取得設備和處理腔設計方面取得了一定成果了一定成果國內(nèi)狀況與國外相比，國內(nèi)有關(guān)非熱加工技術(shù)的研究起步晚、研究少。與國外相比，國內(nèi)有關(guān)非熱加工技術(shù)的

6、研究起步晚、研究少。國內(nèi)在上世紀國內(nèi)在上世紀 90 年代后期開始進行年代后期開始進行 pef 殺菌方面的研究，殺菌方面的研究，目前主要有江南大學、中國農(nóng)業(yè)大學、清華大學、華南理目前主要有江南大學、中國農(nóng)業(yè)大學、清華大學、華南理工大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學等高校在開工大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學等高校在開展展 pef 技術(shù)的相關(guān)研究技術(shù)的相關(guān)研究江南大學從美國俄亥俄州立大學購置一套江南大學從美國俄亥俄州立大學購置一套 osu-4l 型型 pef 殺菌設備，并進行了較為基礎(chǔ)性的研究和設備改造殺菌設備，并進行了較為基礎(chǔ)性的研究和設備改造中國農(nóng)業(yè)大學、吉林大學和華南理工大學等機構(gòu)

7、對中國農(nóng)業(yè)大學、吉林大學和華南理工大學等機構(gòu)對 pef 對對果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機理研究做了許多基礎(chǔ)工作果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機理研究做了許多基礎(chǔ)工作浙江大學、清華大學在浙江大學、清華大學在 pef 設備和處理腔設計方面取得了設備和處理腔設計方面取得了一定成果一定成果l近年來，我國學術(shù)期刊上出現(xiàn)少量關(guān)于 pef 在食品保藏中應用的報導，但遠沒有國外研究的深入l可以說，我國對 pef 技術(shù)的研究方興未艾，但與國外相比尚存在較大差距。高壓脈沖電場殺菌機理高壓脈沖電場殺菌機理l 目前目前 pef 對微生物的作用機理尚不完全清楚對微生物的作用機理尚不完全清楚l 多數(shù)學者認為多數(shù)學者認為 pef 是通

8、過外部電場與微生物細胞是通過外部電場與微生物細胞膜直接作用，從而破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)，形成膜直接作用，從而破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)，形成“電穿電穿孔孔”而導致微生物滅活而導致微生物滅活l 微生物細胞和外環(huán)境之間進行著活躍的物質(zhì)交換，微生物細胞和外環(huán)境之間進行著活躍的物質(zhì)交換，細胞膜的完整性對保證細胞生命活動的正常進行有細胞膜的完整性對保證細胞生命活動的正常進行有著極其重要的作用著極其重要的作用l pef 的殺菌作用與其對微生物細胞膜的影響密切相的殺菌作用與其對微生物細胞膜的影響密切相關(guān)關(guān)l 當微生物被置于高壓脈沖電場中時，細胞膜會被破當微生物被置于高壓脈沖電場中時，細胞膜會被破壞，從而導致細胞內(nèi)容物外滲，

9、引起細胞死亡。壞，從而導致細胞內(nèi)容物外滲，引起細胞死亡。 （一）細胞膜的電穿孔（一）細胞膜的電穿孔(electroporation) 電穿孔現(xiàn)象是指細胞暴露在電穿孔現(xiàn)象是指細胞暴露在 pef 作用下出現(xiàn)的細胞作用下出現(xiàn)的細胞膜失穩(wěn)并在細胞膜上形成小孔的現(xiàn)象。細胞質(zhì)膜通透性大膜失穩(wěn)并在細胞膜上形成小孔的現(xiàn)象。細胞質(zhì)膜通透性大幅增加，胞內(nèi)的滲透壓高于細胞外，最終導致細胞膜的破幅增加，胞內(nèi)的滲透壓高于細胞外，最終導致細胞膜的破損。損。其基本原理如下：其基本原理如下： 設細胞為球形，其所處外電場誘導的膜電位可由下式設細胞為球形，其所處外電場誘導的膜電位可由下式表示：表示： 式中，式中，r是細胞的半徑，

10、是細胞的半徑，e是外加電場強度，是外加電場強度，是電場是電場方向與指定點法線之間的夾角，方向與指定點法線之間的夾角，是外加交流電場的角頻是外加交流電場的角頻率，率，t是細胞膜電介質(zhì)的弛豫時間常數(shù)。是細胞膜電介質(zhì)的弛豫時間常數(shù)。pef 殺菌效果殺菌效果 lpef 殺菌實驗的指示微生物包括枯草芽抱殺菌實驗的指示微生物包括枯草芽抱桿菌、德氏乳桿菌、單核細胞增生李斯特桿菌、德氏乳桿菌、單核細胞增生李斯特氏菌、熒光假單孢菌、啤酒酵母、金黃色氏菌、熒光假單孢菌、啤酒酵母、金黃色葡萄球菌、嗜熱鏈球菌、大腸桿菌、大腸葡萄球菌、嗜熱鏈球菌、大腸桿菌、大腸桿菌桿菌 o157、霉菌和酵母等、霉菌和酵母等l研究結(jié)果表

11、明研究結(jié)果表明 pef 處理對這些微生物的營處理對這些微生物的營養(yǎng)體細胞均有較好的殺滅作用，但芽孢表養(yǎng)體細胞均有較好的殺滅作用，但芽孢表現(xiàn)出較強的耐受性?，F(xiàn)出較強的耐受性。影響高壓脈沖電場殺菌的因素影響高壓脈沖電場殺菌的因素 影響影響pef殺菌的因素有很多，它們嚴重影響著殺菌效殺菌的因素有很多，它們嚴重影響著殺菌效果，基本上分為加工因素，產(chǎn)品因素和微生物特征因素。果，基本上分為加工因素，產(chǎn)品因素和微生物特征因素。高壓脈沖電場對食品組分的影響高壓脈沖電場對食品組分的影響 1、pef 對食品蛋白質(zhì)組分的影響對食品蛋白質(zhì)組分的影響 酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質(zhì)，酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質(zhì)，

12、pef 處理可以鈍化酶活和改變酶的結(jié)構(gòu)處理可以鈍化酶活和改變酶的結(jié)構(gòu)那么那么 pef 也必然會對食品蛋白質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)與功能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)基團間的而且從原理上講，脈沖電場會影響蛋白質(zhì)基團間的靜電相互作用和帶電基團的定位，擾亂蛋白質(zhì)氨靜電相互作用和帶電基團的定位，擾亂蛋白質(zhì)氨基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導致電基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導致電荷分離，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（二級和三級）荷分離，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（二級和三級）另外，電極周圍的電化學反應也可能會對包括蛋白另外，電極周圍的電化學反應也可能會對包括蛋

13、白質(zhì)在內(nèi)的食品組分產(chǎn)生一定的影響。質(zhì)在內(nèi)的食品組分產(chǎn)生一定的影響。 barsotti等報道，等報道，pef 處理不會引起卵球蛋白的明顯變性，處理不會引起卵球蛋白的明顯變性，而而 pef 處理過的蛋清蛋白的熱凝膠性能稍有下降，但還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；是明顯好于熱處理的蛋清；li 等報道，在使微生物數(shù)目等報道，在使微生物數(shù)目減少減少5.3 個對數(shù)值的作用強度下，個對數(shù)值的作用強度下，pef 對牛奶免疫球蛋白對牛奶免疫球蛋白（igg）的活性和結(jié)構(gòu)的影響不顯著）的活性和結(jié)構(gòu)的影響不顯著 ； fernandea-diaz 等用等用 31.5kv/cm 左右的

14、指數(shù)衰減脈沖電左右的指數(shù)衰減脈沖電場處理卵清溶液，發(fā)現(xiàn)場處理卵清溶液，發(fā)現(xiàn) pef 可使卵清蛋白部分展開或提可使卵清蛋白部分展開或提高高 sh 解離成易反應解離成易反應 s-的離子化程度。的離子化程度。perez 等用等用 12.5kv/cm 的指數(shù)衰減脈沖電場靜態(tài)處理卵清蛋白和的指數(shù)衰減脈沖電場靜態(tài)處理卵清蛋白和-乳乳球蛋白濃縮液，發(fā)現(xiàn)兩種蛋白都有不同程度球蛋白濃縮液，發(fā)現(xiàn)兩種蛋白都有不同程度(26-40%)的變的變性，差示掃描量熱儀（性，差示掃描量熱儀（dsc）測定顯示）測定顯示 pef 處理后的處理后的-乳球蛋白濃縮液熱變性溫度下降乳球蛋白濃縮液熱變性溫度下降 4-5，而卵清蛋白的熱，而

15、卵清蛋白的熱穩(wěn)定性有所增強，電泳分析有共價鍵參與的凝聚生成。穩(wěn)定性有所增強，電泳分析有共價鍵參與的凝聚生成。 budi 等報道等報道 pef 可抑制胰島素分子柔性，從而影響底物可抑制胰島素分子柔性，從而影響底物與活性位點的接觸。與活性位點的接觸。 xiang 等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn) 22 kv/cmpef 作用作用 80 個脈沖可引起牛乳中個脈沖可引起牛乳中 25蛋白變性。蛋白變性。 li 等研究了等研究了 pef 對大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)的影響，對大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著脈沖強度和脈沖處理時間的延長結(jié)果表明隨著脈沖強度和脈沖處理時間的延長, 大豆分離大豆分離蛋白的溶解度、乳化

16、性、起泡性及疏水性增加，當脈沖強蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，當脈沖強度或處理時間大于一定程度，蛋白質(zhì)分子變性程度增加，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。功能性質(zhì)下降。 張鐵華等研究了張鐵華等研究了 pef對蛋清蛋白功能性質(zhì)的影響。研究結(jié)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度大于果表明蛋清蛋白的溶解度在脈沖電場強度大于35kv/cm 時時下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫穩(wěn)定性及疏水下降；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度增加而增大，但當脈沖電場強度大于性先隨脈沖電場強度增加而增大，但當脈沖

17、電場強度大于 30kv/cm 后逐漸下降。后逐漸下降。 盧蓉蓉等研究了盧蓉蓉等研究了 pef對乳鐵蛋白（對乳鐵蛋白（lf）結(jié)合鐵能力的影）結(jié)合鐵能力的影響，發(fā)現(xiàn)響，發(fā)現(xiàn) lf 的鐵結(jié)合能力大體隨電場強度、處理時間和的鐵結(jié)合能力大體隨電場強度、處理時間和脈沖寬度增加而降低。脈沖寬度增加而降低。 曾新安等和劉燕燕等研究了曾新安等和劉燕燕等研究了 pef 對大豆分離蛋白溶液的對大豆分離蛋白溶液的表面性質(zhì)和粒徑分布，研究結(jié)果表明一定強度的表面性質(zhì)和粒徑分布，研究結(jié)果表明一定強度的 pef 可可影響氨基酸的極性和電負性，進而影響了蛋白質(zhì)分子間的影響氨基酸的極性和電負性，進而影響了蛋白質(zhì)分子間的相互作用，

18、從而影響蛋白質(zhì)膠體體系的相互作用，從而影響蛋白質(zhì)膠體體系的電位、穩(wěn)定性，電位、穩(wěn)定性，改變膠束的粒徑分布。改變膠束的粒徑分布。 2、pef 對食品脂質(zhì)組分的影響對食品脂質(zhì)組分的影響 一些研究者已經(jīng)提出了一些研究者已經(jīng)提出了 pef 處理食品過程中處理食品過程中的電化學問題和電極腐蝕問題。的電化學問題和電極腐蝕問題。johan 等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn) pef 處理過程中的電化學反應引起的電極腐蝕問處理過程中的電化學反應引起的電極腐蝕問題。題。roodenburg 等的研究顯示，在等的研究顯示，在 pef 處理食處理食品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質(zhì)品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質(zhì)會少量

19、釋放到食品中。這些因素決定會少量釋放到食品中。這些因素決定 pef 處理食處理食品過程中，電化學反應必然發(fā)生，電化學反應的品過程中，電化學反應必然發(fā)生，電化學反應的產(chǎn)物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可產(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（鏈式反應），產(chǎn)生一系列復雜質(zhì)引發(fā)氧化反應（鏈式反應），產(chǎn)生一系列復雜的氧化產(chǎn)物。的氧化產(chǎn)物。 最近，最近，pef 處理過程中脂肪酸、油脂等發(fā)生變化的現(xiàn)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，象開始受到研究者的關(guān)注， garde-ce

20、rdan 等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn) pef 處處理（殺菌）可引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少，其中月桂理（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；酸的變化最為明顯；guderjan 等應用等應用 pef 輔助提取油菜輔助提取油菜籽中的油脂來提高出油率，發(fā)現(xiàn)籽中的油脂來提高出油率，發(fā)現(xiàn) pef 輔助提取的油菜籽輔助提取的油菜籽油的酸值顯著高于未用油的酸值顯著高于未用 pef 處理的。資智洪等和曾新安處理的。資智洪等和曾新安等報道等報道 pef 處理油酸和花生油會導致一定程度的脂質(zhì)氧處理油酸和花生油會導致一定程度的脂質(zhì)氧化，過氧化值升高以及不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等研化，過氧化值升高以及

21、不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了究了 pef 處理對油酸理化性質(zhì)的影響及處理對油酸理化性質(zhì)的影響及 pef 處理過的油處理過的油酸在貯藏過程中理化性質(zhì)的變化。實驗結(jié)果表明油酸的過酸在貯藏過程中理化性質(zhì)的變化。實驗結(jié)果表明油酸的過氧化值隨著氧化值隨著 pef 處理強度和貯藏時間的增加顯著增大，處理強度和貯藏時間的增加顯著增大，羰基值在羰基值在 pef 處理后的一周后迅速升高，處理后的一周后迅速升高，pef 處理過的處理過的油酸碘價在貯藏油酸碘價在貯藏 2d 后有下降趨勢。后有下降趨勢。3、pef 對食品碳水化合物組分的影響對食品碳水化合物組分的影響 關(guān)于關(guān)于 pef 對碳水化合物影響的研究較少

22、。對碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報道張鷹等報道 25kv/cmpef 處理的脫脂牛乳中乳糖處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發(fā)生顯著變化。含量未發(fā)生顯著變化。garde-cerdan 等研究發(fā)現(xiàn)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。處理對葡萄汁中還原糖含量幾乎沒有影響。han 等采用等采用 pef 對玉米淀粉進行處理，結(jié)果表明對玉米淀粉進行處理，結(jié)果表明 50kv/cmpef 處理后淀粉顆粒表面會出現(xiàn)明顯的處理后淀粉顆粒表面會出現(xiàn)明顯的小孔和凹坑，小孔和凹坑，x 射線衍射峰的強度和焓值及糊化射線衍射峰的強度和焓值及糊化轉(zhuǎn)變溫度降低，表明淀粉在轉(zhuǎn)變溫度降低，表明淀粉在 pef 作

23、用下發(fā)生了分作用下發(fā)生了分子結(jié)構(gòu)破壞和重排。子結(jié)構(gòu)破壞和重排。 4、pef 對食品其它組分的影響對食品其它組分的影響 cortes 等研究發(fā)現(xiàn)等研究發(fā)現(xiàn) pef 處理對橘汁中類胡處理對橘汁中類胡蘿卜素的活力有很小的影響。蘿卜素的活力有很小的影響。rivas 等研究了等研究了 pef 處理牛乳和橙汁及處理后的保藏期（處理牛乳和橙汁及處理后的保藏期（4保保存存 81d）內(nèi)水溶性維生素（維生素）內(nèi)水溶性維生素（維生素 h、葉酸、維、葉酸、維生素生素 b5 和核黃素）的變化，發(fā)現(xiàn)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處理后樣品中的維生素可保留 90%以上。以上。zhang 等報道花色苷矢車菊素等報道花色苷矢車菊素 3-o-葡萄糖苷在葡萄糖苷在 pef 作作用下可發(fā)生降解，吡喃環(huán)斷裂生成查爾酮。用下可發(fā)生降解，吡喃環(huán)斷裂生成查爾酮。elez-martinez 等研究了等研究了 pef 處理后橙汁中維生素處理后橙汁中維生素 c 以及抗氧化能力的變化，發(fā)現(xiàn)維生素以及抗氧化能力的變化，發(fā)現(xiàn)維生素 c 的保留量的保留量隨場強、處理時間增大而減小。隨場強、處理時間增大而減小。35kv/cm pef 處處理后橙汁中維生素理后橙汁中維生素 c 的保留率在的保留率在 87%以上。以上。高壓