高壓脈沖電場殺菌-PPT課件

1、高壓脈沖電場殺菌2022/7/251themegallery主要內(nèi)容概況高壓脈沖電場的處理系統(tǒng)高壓脈沖電場殺菌機(jī)理影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素在食品中的應(yīng)用研究2022/7/252概況英國學(xué)者就發(fā)現(xiàn)25kV/cm直流脈沖能有效致死營養(yǎng)細(xì)菌和酵母菌。 20世紀(jì)80 年代以來 20世紀(jì)90年代中后期美國、日本等發(fā)達(dá)國家研究比較活躍，并制造了成套的技術(shù)設(shè)備。我國開始進(jìn)行這方面的研究。 高壓脈沖電場(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)，成為近幾年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。早在1967年2022/7/253高壓脈沖電

2、場的處理系統(tǒng)脈沖發(fā)生器處理室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，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。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，以達(dá)到殺菌的目的。處理系統(tǒng) 良好的高壓脈沖處理系統(tǒng)是高壓脈沖電場殺菌技術(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。2022/7/254高壓脈沖電場的處理系統(tǒng)指數(shù)衰減波方波震蕩波、交變波指數(shù)形脈沖容易產(chǎn)生，但低于最高電壓36.8的電壓無殺菌作用，且能使食品的溫度升高這兩種波的效果都不是很好方波脈沖比指數(shù)形脈沖殺菌效果更好，對細(xì)菌

3、有致命作用，但需脈沖整形網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對電路的設(shè)計(jì)及元器件的要求高，成本也比較高脈沖發(fā)生器指數(shù)衰減波方波2022/7/255高壓脈沖電場的處理系統(tǒng)靜態(tài)分批式連續(xù)式 食品在處理室內(nèi)受到高壓脈沖電場作用時(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集中，為食品提供一個(gè)均勻的高壓脈沖電場。處理室內(nèi)裝有電極和冷卻裝置（PEF連續(xù)工作，電極溫度會升高），同芯電極的連續(xù)式處理室，電容小，結(jié)構(gòu)簡單，不易放電。規(guī)模小、考慮影響因素較少，不適于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。處理室食品處理

4、裝置結(jié)構(gòu)簡圖2022/7/256高壓脈沖電場殺菌機(jī)理1.Hamilton和Sale(1967)理論2.Zimmermann(1986)電崩解理論3.Tsong(1991)電穿孔理論4.空穴理論7.電解產(chǎn)物效應(yīng)6.粘彈極性形成模型5.電磁機(jī)制模型2022/7/257高壓脈沖電場殺菌機(jī)理1.Hamilton和Sale(1967)理論 當(dāng)一個(gè)外部電場加到細(xì)胞兩端時(shí)，就會產(chǎn)生跨膜電位(TMP)。對半徑r處于均勻場強(qiáng)E中的球形來說，其沿電場方向的跨膜電位可由下式得出：U(t)=1.5rE式中：u沿電場方向的跨膜電位，t； r細(xì)胞半徑，m； E電場強(qiáng)度(kV/mm)，并且認(rèn)為當(dāng)跨膜電位(TMP)達(dá)到1V時(shí)

5、，細(xì)胞膜便失去 功能。2022/7/258高壓脈沖電場殺菌機(jī)理 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)胞膜就開始崩解，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔(充滿電解質(zhì))形成，進(jìn)而在膜上產(chǎn)生瞬間放電，使膜分解。2.Zimmermann(1986)電崩解理論A細(xì)胞膜電位差為Vm；B外加電場礦遠(yuǎn)大于跨膜電位差Vm時(shí)，細(xì)胞膜受擠壓變??；C細(xì)胞膜上的電位差達(dá)到臨界崩解電位差硌時(shí)，細(xì)胞膜崩解并導(dǎo)致穿孔；D細(xì)胞膜大面積崩解。2022/7/259高壓脈沖電場殺菌機(jī)理 由于微生物細(xì)胞在高壓脈沖電場的作用下細(xì)胞膜上的雙磷脂層和蛋白質(zhì)暫時(shí)變得不

6、穩(wěn)定導(dǎo)致的一種現(xiàn)象。在外加電場的作用下其細(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。3.Tsong(1991)電穿孔理論2022/7/2510高壓脈沖電場殺菌機(jī)理 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)烈振動和細(xì)胞膜破裂等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生殺菌效應(yīng)。4.空穴理論放電終了瞬間，氣套處形成空穴，由于壓力突然減小，液體又以超聲速回填空穴，形成第二個(gè)超聲回填空穴沖擊波。放電時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電流高壓通路，進(jìn)而形成氣套壓力由氣套傳給液體，形成強(qiáng)大超聲液壓沖擊波空穴空穴

7、2022/7/2511高壓脈沖電場殺菌機(jī)理 電磁理論認(rèn)為電場能量與磁場能量是相互轉(zhuǎn)換的，在兩個(gè)電極反復(fù)充電與放電的過程中，磁場起了主要?dú)⒕饔?，而電場能向磁場的轉(zhuǎn)換保證了持續(xù)不斷的磁場殺菌作用。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)磁場作用。5.電磁機(jī)制模型2022/7/2512高壓脈沖電場殺菌機(jī)理 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)烈的電場作用而產(chǎn)生劇烈振蕩，二是在強(qiáng)烈電場作用下，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。6.粘彈極性形成模型7.電解產(chǎn)物效應(yīng) 此理論指出在電極施加

8、電場時(shí)，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽離子在強(qiáng)電場作用下極為活躍，穿過在電場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。2022/7/2513影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素電場強(qiáng)度脈沖持續(xù)時(shí)間處理室特性脈沖電場工作參數(shù)微生物特性食品特性參數(shù)溫度脈沖特性微生物的種類生長時(shí)間生長條件pH值水的活性成分電導(dǎo)率離子強(qiáng)度2022/7/2514影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素電場強(qiáng)度溫度持續(xù)時(shí)間脈沖特性處理室 電場強(qiáng)度時(shí)影響殺菌效果最重要的因素之一，當(dāng)超過微生物的臨界跨膜電壓時(shí)，微生物死亡率隨場強(qiáng)的增加而增加。 剛開始的殺菌效果隨脈沖時(shí)間的延長而明顯增強(qiáng)，但達(dá)

9、到拐點(diǎn)值后，脈沖時(shí)間的增加對殺菌效果基本無影響。 隨著處理溫度上升(在24-60范圍內(nèi))，殺菌效果會有所提高，其提高的程度一般在10倍以內(nèi)。液體食品適中的溫度有利于殺滅微生物。 所有波形中，振蕩波殺滅微生物的效率最低；方波的效率比指數(shù)波的效率高；雙極性脈沖波形對大腸桿菌的致死率比單極性波形高。 結(jié)構(gòu)、體積、縫隙、流速和停留時(shí)間等因素對殺菌效果均有一定的影響脈沖電場工作參數(shù)2022/7/2515影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素微生物的種類生長條件 不同菌種對電場的承受力不同。無芽孢菌較有芽孢菌更易被殺滅，革蘭氏陰性菌較陽性茵易于被殺滅。相同條件下用電場滅菌，不同菌種存活率由高到低為：霉菌、乳酸菌、

10、大腸桿菌、酵母菌 培養(yǎng)基成分、溫度、氧濃度對滅菌率有影響，其機(jī)理尚不清楚，但在PEF中不考慮這些因素將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論生長時(shí)期 處于對數(shù)生長期的菌體比處于穩(wěn)定期的菌體對電場更為敏感，PEF對處在穩(wěn)定生長期微生物的殺菌率低于處于對數(shù)生長期的微生物微生物特性2022/7/2516影響高壓脈沖電場殺菌效果的因素 對不同食品成分，不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的滅菌效果不同。 脈沖電場的殺菌效果隨介質(zhì)離子強(qiáng)度的下降而增加。 低電導(dǎo)率情況下滅菌率較高。 介質(zhì)pH值下降殺菌效果稍有提高。 降低水活性將會導(dǎo)致滅菌率降低。成分電導(dǎo)率pH值水的活性食品特性參數(shù)離子強(qiáng)度2022/7/2517在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的

11、研究.高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究.高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究.高壓脈沖電場對黑莓汁殺菌效果的研究.高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究.2022/7/2518在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究1.原料乳中微生物殘留數(shù)與場強(qiáng)大小關(guān)系2.微生物殘留數(shù)與脈沖數(shù)大小的關(guān)系 處理脈沖數(shù)6個(gè)，整個(gè)殺菌過程中，由于脈沖數(shù)較少，處理后的牛乳沒有溫升。 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)。2022/7/2519在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究3.殺菌溫度與殺菌效果的關(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

12、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2022/7/2520在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究 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。熱-巴氏殺菌乳與PEF-巴氏殺菌乳感官評定上沒有區(qū)別。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。采用高效液相色譜儀對經(jīng)電場處理前后牛乳中的維牛素A質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測定發(fā)現(xiàn)牛乳中維生素A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎無損失。同樣，有研究表明場強(qiáng)在10100 kVcm脈沖數(shù)在100

13、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。僅有VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有相當(dāng)大程度的減少。2022/7/2521在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究.1.電場強(qiáng)度E=40 kV/cm，溫度為室溫(20左右)。1.殘留菌數(shù)與脈沖數(shù)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。2.殘留菌數(shù)與樣品溫度的關(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)3.殘留菌數(shù)與場強(qiáng)的關(guān)系最優(yōu)工藝參數(shù)： 電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、殺菌溫度的優(yōu)水平分別為60 kVcm、6、35。2022/7/2522在食品中的應(yīng)用研究桃汁

14、理化指標(biāo) 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。 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)。2022/7/2523在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究 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(jì)數(shù), 結(jié)果表明酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅。 在脈沖頻率為100Hz, 場強(qiáng)為35kV/cm時(shí), 當(dāng)脈沖處理時(shí)間達(dá)到200s時(shí),

15、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PEF較不敏感。 當(dāng)處理頻率為 333Hz時(shí), 電場強(qiáng)度為35kV/cm,處理時(shí)間為 200s, 霉菌下降了1.82個(gè)lg值。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到800s，霉菌數(shù)量降低3.6個(gè)lg。2022/7/2524在食品中的應(yīng)用研究PEF處理對石榴汁理化性質(zhì)的影響多酚含量與原樣無顯著差異類黃酮稍有下降澄清度僅下降1%左右對色澤有所影響，但小于熱處理2022/7/2525在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對黑莓汁殺菌效果的研究（1）高壓脈沖電場對沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌具有明顯的殺菌效果。隨著電場強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)的增加，細(xì)菌的殘活率顯著下降。在電場強(qiáng)度為18.75 kV/cm時(shí)，沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的最低殘活率分別為-3.238，-3.053，-2.687和-2.432個(gè)對數(shù)。（2）脈沖電場對新鮮黑莓果汁的理化指標(biāo)影響不大，基本保持了原有的色澤和風(fēng)味，VC的損失很小。2022/7/2526在食品中的應(yīng)用研究高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究（1）PEF對綠