高壓脈沖電場殺菌

1、高壓脈沖電場殺菌高壓脈沖電場殺菌文食134-1201390523107王曉欣定義脈沖電場脈沖電場(Pulsed Electric Fields, PEF)處理是一處理是一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)種新型的非熱食品殺菌技術(shù)它是以較高的電場強(qiáng)度它是以較高的電場強(qiáng)度(10-50kV/cm)、較短的脈、較短的脈沖寬度（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(jìn)行處理，并且）對液體、半固體食品進(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。可以組成連續(xù)殺菌和無菌灌裝的生產(chǎn)線。 高壓高壓脈沖電場保鮮技術(shù)主要是利用強(qiáng)電場進(jìn)行殺菌脈沖電場保鮮技術(shù)主要是利

2、用強(qiáng)電場進(jìn)行殺菌,它它可以可以克克服服加熱殺菌方法引起的蛋白質(zhì)變性和維生素破壞加熱殺菌方法引起的蛋白質(zhì)變性和維生素破壞,因而較好地保因而較好地保證食品原有的營養(yǎng)成分和原有的風(fēng)味實驗已證明高壓證食品原有的營養(yǎng)成分和原有的風(fēng)味實驗已證明高壓脈沖電場脈沖電場對液體食品中的酵母、各對液體食品中的酵母、各類類革革蘭氏陰性菌、蘭氏陰性菌、革革蘭氏陽性菌蘭氏陽性菌細(xì)菌細(xì)菌袍子等袍子等菌類有菌類有明顯的抑制作用明顯的抑制作用,同時同時,處理沒有對食品的感官質(zhì)處理沒有對食品的感官質(zhì)量造成任何量造成任何影響影響，而且而且處理過程溫升小處理過程溫升小,耗能低耗能低, 以近幾年來對以近幾年來對高壓脈沖電場技術(shù)在液體食

3、品殺菌保鮮的研究進(jìn)展較快高壓脈沖電場技術(shù)在液體食品殺菌保鮮的研究進(jìn)展較快,具有較具有較好的工業(yè)前景好的工業(yè)前景,正向商業(yè)化發(fā)展正向商業(yè)化發(fā)展原理 對于對于高壓脈沖電場的殺菌機(jī)理高壓脈沖電場的殺菌機(jī)理,現(xiàn)在有多種假說現(xiàn)在有多種假說,大多數(shù)研究者傾大多數(shù)研究者傾向于認(rèn)同電場對細(xì)胞膜的影響向于認(rèn)同電場對細(xì)胞膜的影響,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了抑菌動力學(xué)的推以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了抑菌動力學(xué)的推導(dǎo)。當(dāng)液體食品處于電場中時導(dǎo)。當(dāng)液體食品處于電場中時,食品中微生物的細(xì)胞膜在強(qiáng)電場的食品中微生物的細(xì)胞膜在強(qiáng)電場的作用下作用下,產(chǎn)生可修復(fù)的破裂或穿孔產(chǎn)生可修復(fù)的破裂或穿孔,使細(xì)胞組織受損使細(xì)胞組織受損,導(dǎo)致微生物失導(dǎo)致微生物失

4、活活,這種現(xiàn)象稱為電穿孔這種現(xiàn)象稱為電穿孔,這己經(jīng)在細(xì)胞融合和提取細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的這己經(jīng)在細(xì)胞融合和提取細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的處理中得到了應(yīng)用。對細(xì)胞膜較為通用的模型認(rèn)為細(xì)胞膜的厚度處理中得到了應(yīng)用。對細(xì)胞膜較為通用的模型認(rèn)為細(xì)胞膜的厚度大約為大約為7nm10nm,細(xì)胞膜可等效于一個具有低介電常數(shù)電介質(zhì)的細(xì)胞膜可等效于一個具有低介電常數(shù)電介質(zhì)的平板電容器平板電容器,電介質(zhì)的厚度約為電介質(zhì)的厚度約為3nm,細(xì)胞膜細(xì)胞膜 兩表面帶有極性相反兩表面帶有極性相反的自由電荷的自由電荷,大多數(shù)細(xì)胞膜產(chǎn)生穿孔的臨界電勢在大多數(shù)細(xì)胞膜產(chǎn)生穿孔的臨界電勢在0.7V1.1V之間。之間。v Teissie等人指出等人指出,在強(qiáng)電

5、場作用下在強(qiáng)電場作用下,細(xì)胞膜表面不斷堆積電細(xì)胞膜表面不斷堆積電 荷荷,從而誘導(dǎo)產(chǎn)生橫跨膜電勢從而誘導(dǎo)產(chǎn)生橫跨膜電勢,當(dāng)橫跨膜電勢大于臨界電勢時當(dāng)橫跨膜電勢大于臨界電勢時,細(xì)胞細(xì)胞膜破裂形成穿孔膜破裂形成穿孔。v Castro等人解釋穿孔的原因等人解釋穿孔的原因,是由于細(xì)胞膜兩表面堆積的異是由于細(xì)胞膜兩表面堆積的異號電荷相互吸引號電荷相互吸引,引起膜的擠壓引起膜的擠壓,當(dāng)這種電擠壓力大于膜的彈性當(dāng)這種電擠壓力大于膜的彈性力時就產(chǎn)生穿孔。力時就產(chǎn)生穿孔。高壓脈沖電場技術(shù)的發(fā)展歷程上個世紀(jì)上個世紀(jì) 60 年代，年代，Sale 和和 Hamilton 等學(xué)者率先對等學(xué)者率先對 PEF 滅菌技術(shù)進(jìn)行了

6、研究，并通過實驗證明了滅菌技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過實驗證明了 PEF 的非熱效應(yīng)。的非熱效應(yīng)。80 年代以后，年代以后，Hulsheger、Zimmermann 等學(xué)者對等學(xué)者對 PEF滅菌機(jī)理做了進(jìn)一步探討，并研制出了小型試驗滅菌機(jī)理做了進(jìn)一步探討，并研制出了小型試驗設(shè)備。設(shè)備。90 年代后，華盛頓州立大學(xué)研制出了較為成熟的年代后，華盛頓州立大學(xué)研制出了較為成熟的設(shè)備，并獲得了專利。設(shè)備，并獲得了專利。Zimmermann 等人還對指數(shù)衰等人還對指數(shù)衰減脈沖波、振蕩脈沖波和矩形脈沖波的滅菌效果做了減脈沖波、振蕩脈沖波和矩形脈沖波的滅菌效果做了對比研究，發(fā)現(xiàn)矩形脈沖波的作用效果最好。對比研究，發(fā)

7、現(xiàn)矩形脈沖波的作用效果最好。目前較為成熟的是華盛頓州立大學(xué)食品非熱研目前較為成熟的是華盛頓州立大學(xué)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)衰究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減型高壓脈沖研制的 PEF 處理實驗系統(tǒng)，以及隨處理實驗系統(tǒng)，以及隨后利用脈沖成型網(wǎng)絡(luò)（后利用脈沖成型網(wǎng)絡(luò)（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(xué)食品技公司為俄亥俄州立大學(xué)食品技術(shù)系設(shè)計制造了第一臺商用術(shù)系設(shè)計制造了第一臺商用 PEF 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技術(shù)

8、是近年來研究最多的食品非熱處理技術(shù)之一。術(shù)之一。國內(nèi)研究現(xiàn)狀v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)的研究起步晚、研究少。v國內(nèi)在上世紀(jì)國內(nèi)在上世紀(jì) 90 年代后期開始進(jìn)行年代后期開始進(jìn)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(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大目前主要有江南大學(xué)、中國農(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)等高校在開展學(xué)、吉林大學(xué)、浙江大學(xué)和大連理工大學(xué)等高校在開展 PEF 技術(shù)的相關(guān)研究技術(shù)的相關(guān)研究v江南大學(xué)從美國俄亥俄州立大學(xué)購置一套江南大學(xué)從美國俄亥俄州立大學(xué)購置一套 OS

9、U-4L 型型 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v中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)和華南理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)對中國農(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 PEF 對對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v浙江大學(xué)、清華大學(xué)在浙江大學(xué)、清華大學(xué)在 PEF 設(shè)備和處理腔設(shè)計方面取得了設(shè)備和處理腔設(shè)計方面取得了一定成果一定成果v近年來，我國學(xué)術(shù)期刊上出現(xiàn)少量關(guān)于近年來，我國學(xué)術(shù)期刊上出現(xiàn)少量關(guān)于 PEF 在食品在食品保藏中應(yīng)用的報導(dǎo)，但遠(yuǎn)沒有國外研究的深入保藏中應(yīng)用的報導(dǎo)，但遠(yuǎn)沒有國外研究的深入

10、v可以說，我國對可以說，我國對 PEF 技術(shù)的研究方興未艾，但與國技術(shù)的研究方興未艾，但與國外相比尚存在較大差距。外相比尚存在較大差距。高壓脈沖電場系統(tǒng)設(shè)備v PEF系統(tǒng)設(shè)備主要包括五部分：電源裝置、系統(tǒng)設(shè)備主要包括五部分：電源裝置、脈沖發(fā)生裝置（包括電容和控制開關(guān)）、樣品脈沖發(fā)生裝置（包括電容和控制開關(guān)）、樣品處理室、冷卻系統(tǒng)、溫度測定系統(tǒng)。下圖是江處理室、冷卻系統(tǒng)、溫度測定系統(tǒng)。下圖是江南大學(xué)實驗用的南大學(xué)實驗用的PEF處理單元圖表處理單元圖表。高壓脈沖電場對食品組分的影響 v Li等人發(fā)現(xiàn)，在其他脈沖條件一定時，大豆分離蛋白的表面自由巰等人發(fā)現(xiàn)，在其他脈沖條件一定時，大豆分離蛋白的表面自

11、由巰基含量和疏水性隨基含量和疏水性隨PEF強(qiáng)度和處理時間的增加而增加；但當(dāng)電場強(qiáng)度強(qiáng)度和處理時間的增加而增加；但當(dāng)電場強(qiáng)度大于大于30 kVem、處理時間大于、處理時間大于288us 時時,由于蛋白質(zhì)分子變性、亞基由于蛋白質(zhì)分子變性、亞基的解離以及通過非共價鍵相互作用重新聚集，大豆分離蛋白的分子質(zhì)的解離以及通過非共價鍵相互作用重新聚集，大豆分離蛋白的分子質(zhì)量、粒徑發(fā)生了變化，形成了大分子的聚集體，但二級結(jié)構(gòu)變化較小。量、粒徑發(fā)生了變化，形成了大分子的聚集體，但二級結(jié)構(gòu)變化較小。v 文獻(xiàn)來源：Li Y Q,Chen Z X .M o H Z.Effects of pulsed electric

12、field on physicechemical properties of soybean protein iso ares JLw T，2007, 40：1 167 1 175v 李迎秋等研究了高壓脈沖電場對大豆分離蛋白功能性質(zhì)的影響。李迎秋等研究了高壓脈沖電場對大豆分離蛋白功能性質(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、起泡性及疏水性都增加。高壓脈沖電場使大豆分離解度、乳化性、起泡性及疏水性都增加。高壓脈沖電場使大豆分離蛋白疏水性和巰基含量發(fā)生了改變，說明高壓脈沖電場對大豆分離蛋白疏水性和巰

13、基含量發(fā)生了改變，說明高壓脈沖電場對大豆分離蛋白的疏水相互作用和二硫鍵有一定的影響蛋白的疏水相互作用和二硫鍵有一定的影響。v 文獻(xiàn)文獻(xiàn)來源來源：李迎秋，章萬忠，陳行高壓脈沖場對大豆分離蛋白結(jié)構(gòu)特征的影響 食品科學(xué)，2007，28( 3)： 42 46v 張鷹等用脈沖電場處理脫脂牛乳，結(jié)果使游離氨基酸含量增加而乳糖張鷹等用脈沖電場處理脫脂牛乳，結(jié)果使游離氨基酸含量增加而乳糖含量沒有變化，這說明脈沖電場對乳中乳糖的結(jié)構(gòu)和含量沒有影響含量沒有變化，這說明脈沖電場對乳中乳糖的結(jié)構(gòu)和含量沒有影響 。韓。韓玉珠等利玉珠等利HPEF技術(shù)進(jìn)行提取中國林蛙多糖的研究，提取率最大為技術(shù)進(jìn)行提取中國林蛙多糖的研究，

14、提取率最大為5559是復(fù)合酶法的是復(fù)合酶法的177倍，提取物中雜質(zhì)少，對林蛙多糖的活性無影響。倍，提取物中雜質(zhì)少，對林蛙多糖的活性無影響。從以上研究可以看出，高壓脈沖電場在用來殺菌和提取功能物的同時，從以上研究可以看出，高壓脈沖電場在用來殺菌和提取功能物的同時，對食品中的酶和蛋白質(zhì)的影響結(jié)果還不太確定，對脂肪和糖類基本沒有對食品中的酶和蛋白質(zhì)的影響結(jié)果還不太確定，對脂肪和糖類基本沒有影響影響.v 文獻(xiàn)來源：張鷹，曾新安，扶雄，等高場強(qiáng)脈沖電場液體非熱滅菌效果研究 食品工業(yè)， 2004(1)： 42 44高壓脈沖電場在食品中的應(yīng)用v高壓脈沖電場可用于提取、解凍、滅酶、果高壓脈沖電場可用于提取、解

15、凍、滅酶、果蔬保鮮、酒類催陳、果汁榨汁與脫水蔬保鮮、酒類催陳、果汁榨汁與脫水酒類催陳v 吉林大學(xué)的殷涌光等人利用高電壓脈沖電場對白酒進(jìn)行了催陳研吉林大學(xué)的殷涌光等人利用高電壓脈沖電場對白酒進(jìn)行了催陳研究試驗，其試驗結(jié)果表明：究試驗，其試驗結(jié)果表明： 高電壓脈沖電場可以使白酒快速催陳，高電壓脈沖電場可以使白酒快速催陳，操作簡便，速度快。處理最佳參數(shù)為脈沖數(shù)操作簡便，速度快。處理最佳參數(shù)為脈沖數(shù)50個，個， 場強(qiáng)場強(qiáng)E= 25Kv/cm，助劑濃度，助劑濃度10 10- 6mol/L。處理后的酒樣總酸、總酯。處理后的酒樣總酸、總酯和總?cè)┑扔兴黾?，總醇含量有所下降，酒體透明，陳香明顯，辣和總?cè)┑扔兴?/p>

16、增加，總醇含量有所下降，酒體透明，陳香明顯，辣味減少，柔和綿軟，有余香味減少，柔和綿軟，有余香。v 文獻(xiàn)來源：殷涌光，赫桂丹，石晶高電壓脈沖電場催陳白酒的試驗研究 釀酒科技， 2005(12)：47 50滅酶 v 1999年年Yeom 在在10環(huán)境下用環(huán)境下用PEF 連續(xù)作用于木瓜蛋白酶連續(xù)作用于木瓜蛋白酶 后經(jīng)后經(jīng)24h，4冷藏，其活冷藏，其活性發(fā)生不可逆降低。性發(fā)生不可逆降低。Giner研究研究PEF對番茄中果膠甲基酯酶的抑制作用，在對番茄中果膠甲基酯酶的抑制作用，在400 20 S、24K v/cm 條件下，酶活性減少條件下，酶活性減少938。H o、M ittal、C ross通過對食

17、品中通過對食品中8種酶用帶種酶用帶極性的指數(shù)型高壓脈沖處理，結(jié)果表明，極性的指數(shù)型高壓脈沖處理，結(jié)果表明，-淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶的失活率淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶的失活率分別為分別為85、85、75，而過氧化物酶、多酚氧化酶、堿性磷酸酶的失活率分別為，而過氧化物酶、多酚氧化酶、堿性磷酸酶的失活率分別為30、40、5。此外，。此外， 還有多位學(xué)者研究了還有多位學(xué)者研究了PEF 對牛奶中蛋白酶活性的影響。在對牛奶中蛋白酶活性的影響。在國內(nèi)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者研究國內(nèi)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者研究T PEF對辣根過氧化物酶以及果膠酯酶的活性及酶構(gòu)對辣根過氧化物酶以及果膠酯酶的活性及酶構(gòu)象的影響效

18、果。象的影響效果。 文獻(xiàn)來源：Yeom H W，Z hang Q H，Dunne CPInactivaion of papain by pulsed electric fields in a continuous system Food Chem istr y，1999，67(1)：53果蔬保鮮v適宜的靜電場能抑制果蔬的呼吸代謝，減少其糖分的適宜的靜電場能抑制果蔬的呼吸代謝，減少其糖分的消耗，降低抗壞血酸的氧化速度，并保持果實的顏色和消耗，降低抗壞血酸的氧化速度，并保持果實的顏色和形狀，提高果實的品級率。李里特認(rèn)為靜電場下果蔬的形狀，提高果實的品級率。李里特認(rèn)為靜電場下果蔬的保鮮機(jī)理可能是外加

19、靜電場打破了果蔬中水分的動態(tài)平保鮮機(jī)理可能是外加靜電場打破了果蔬中水分的動態(tài)平衡，使水分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這樣，勢必影響到利用水衡，使水分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這樣，勢必影響到利用水分子活化過程催化反應(yīng)的酶分子在底物反應(yīng)中的速率。分子活化過程催化反應(yīng)的酶分子在底物反應(yīng)中的速率。提取v 韓玉珠等人通過試驗優(yōu)化了用高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖的試驗條件，并韓玉珠等人通過試驗優(yōu)化了用高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖的試驗條件，并與堿提取法、酶提取法以及復(fù)合酶提取法進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示用與堿提取法、酶提取法以及復(fù)合酶提取法進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示用0. 5K 0 H提提取液，在電場強(qiáng)度為取液，在電場強(qiáng)度為20K v/cm 和脈沖數(shù)和脈沖數(shù)6 s的條件下用高壓脈沖電場提取林蛙多的條件下用高壓脈沖電場提取林蛙多糖的提取率最大為糖的提取率最大為5559%。比較高壓脈沖電場提取法與堿法、酶法以及復(fù)合酶。比較高壓脈沖電場提取法與堿法、酶法以及復(fù)合酶法在林蛙多糖提取率、總糖含量方面的差異，高壓脈沖電場提取的林蛙多糖提取法在林蛙多糖提取率、總糖含量方面的差異，高壓脈沖電場提取的林蛙多糖提取率和總糖含量均高于其他三種方法，其提取率是復(fù)合酶法的率和總糖含量均高于其他三種方法，其提取率是復(fù)合酶法的177倍，總糖含量高倍，總糖含量高于復(fù)合酶法于復(fù)合