高壓脈沖電場(chǎng)殺菌資料

高壓脈沖電場(chǎng)殺菌講授內(nèi)容第一節(jié)定義其次節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程第三節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)呈現(xiàn)狀第四節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理第五節(jié)影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌的因素第五節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)食品組分的影響第六節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)備第一節(jié)定義

脈沖電場(chǎng)(PulsedElectricFields,PEF)處理是一種新型的非熱食品殺菌技術(shù)，它是以較高的電場(chǎng)強(qiáng)度(10-50kV/cm)、較短的脈沖寬度（0-100μs）和較高的脈沖頻率（0-2000Hz）對(duì)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(wú)菌灌裝的生產(chǎn)線。其次節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程上個(gè)世紀(jì)60年頭，Sale和Hamilton等學(xué)者領(lǐng)先對(duì)PEF滅菌技術(shù)進(jìn)行了探討，并通過(guò)試驗(yàn)證明白PEF的非熱效應(yīng)。80年頭以后，Hulsheger、Zimmermann等學(xué)者對(duì)PEF滅菌機(jī)理做了進(jìn)一步探討，并研制出了小型試驗(yàn)設(shè)備。90年頭后，華盛頓州立高校研制出了較為成熟的設(shè)備，并獲得了專利。Zimmermann等人還對(duì)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對(duì)比探討，發(fā)覺(jué)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高校食品非熱探討中心利用脈沖電容儲(chǔ)能，觸發(fā)放電產(chǎn)生指數(shù)衰減型高壓脈沖研制的PEF處理試驗(yàn)系統(tǒng)，以及隨后利用脈沖成型網(wǎng)絡(luò)（PFN）研制的高壓方波PEF處理試驗(yàn)系統(tǒng)。2000年美國(guó)DTI公司為俄亥俄州立高校食品技術(shù)系設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)商用PEF處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)完全獨(dú)立的固態(tài)開(kāi)關(guān)成型的雙極性高壓脈沖。PEF技術(shù)是近年來(lái)探討最多的食品非熱處理技術(shù)之一。目前，PEF設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到接近商業(yè)化階段，很多探討機(jī)構(gòu)先后開(kāi)發(fā)出帶有無(wú)菌包裝體系的中試規(guī)模PEF處理系統(tǒng)，如美國(guó)華盛頓州立高校食品非熱處理中心擁有一套處理量為100L/h的連續(xù)的PEF處理體系，可處理濃縮或簇新的蘋(píng)果汁、豌豆湯、牛乳等產(chǎn)品；俄亥俄州立高校的無(wú)菌技術(shù)探討中心開(kāi)發(fā)出整套的PEF處理系統(tǒng)和無(wú)菌包裝系統(tǒng)，此系統(tǒng)處理產(chǎn)品流速為1.89-3.79L/h；另外，俄亥俄州立高校還開(kāi)發(fā)出OSU系列小型試驗(yàn)用PEF設(shè)備；位于美國(guó)加利福尼亞洲的PurePulseTechnologies公司也開(kāi)發(fā)了處理量10L/h和200L/h的“CoolPure”P(pán)EF處理體系。第三節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)呈現(xiàn)狀PEF作為一種新型的食品非熱殺菌技術(shù)，始終受到美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家政府、企業(yè)和探討單位的廣泛重視。目前在設(shè)備探討和制造方面俄亥俄州立高校處于國(guó)際領(lǐng)先地位，該高校已建成一條處理實(shí)力達(dá)到2000L/h的準(zhǔn)工業(yè)化生產(chǎn)線，進(jìn)行了包括橙汁、蘋(píng)果汁、酸奶等產(chǎn)品在內(nèi)的一系列產(chǎn)品的殺菌試驗(yàn)，并取得了良好的成果。該生產(chǎn)線加工的果汁產(chǎn)品的色澤、風(fēng)味、養(yǎng)分等質(zhì)量指標(biāo)明顯好于傳統(tǒng)的熱殺菌的產(chǎn)品，目前設(shè)備開(kāi)發(fā)和某些產(chǎn)品（如酸性果汁）的加工工藝均已發(fā)展到準(zhǔn)工業(yè)化階段。美國(guó)俄勒岡州GenesisJuice公司利用PEF技術(shù)生產(chǎn)的果汁已通過(guò)了食品藥品管理局認(rèn)證，并在波特蘭市場(chǎng)上正式銷售，其產(chǎn)品有蘋(píng)果汁、草莓汁等，所用PEF系統(tǒng)為OSU-5型，處理速率約200L/h，貨架保存期為4周。在美國(guó)，俄亥俄州立高校、華盛頓州立高校、明尼蘇達(dá)州立高校、國(guó)家食品平安與技術(shù)中心和PurePulseTechnology公司等多家單位都在進(jìn)行PEF技術(shù)的探討，近幾年內(nèi)美國(guó)申請(qǐng)PEF殺菌設(shè)備和技術(shù)方面的專利近10項(xiàng)。目前歐盟成立了高強(qiáng)度電場(chǎng)項(xiàng)目探討委員會(huì)，德國(guó)柏林理工高校、加拿大圭爾夫高校、英國(guó)和荷蘭的Unilever試驗(yàn)室、日本的Mitsubishi公司和Toyohashi科技高校都在PEF殺菌效果的探討方面取得了確定的進(jìn)展。總之，國(guó)際上PEF殺菌技術(shù)正進(jìn)入好用階段，隨著一些關(guān)鍵問(wèn)題的解決，該非熱殺菌技術(shù)將得到進(jìn)一步推廣。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)有關(guān)非熱加工技術(shù)的探討起步晚、探討少。國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)90年頭后期起先進(jìn)行PEF殺菌方面的探討，目前主要有江南高校、中國(guó)農(nóng)業(yè)高校、清華高校、華南理工高校、吉林高校、浙江高校和大連理工高校等高校在開(kāi)展PEF技術(shù)的相關(guān)探討，江南高校從美國(guó)俄亥俄州立高校購(gòu)置一套OSU-4L型PEF殺菌設(shè)備，并進(jìn)行了較為基礎(chǔ)性的探討和設(shè)備改造。中國(guó)農(nóng)業(yè)高校、吉林高校和華南理工高校等機(jī)構(gòu)對(duì)PEF對(duì)果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機(jī)理探討做了很多基礎(chǔ)工作。浙江高校、清華高校在PEF設(shè)備和處理腔設(shè)計(jì)方面取得了確定成果。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)術(shù)期刊上出現(xiàn)少量關(guān)于PEF在食品保藏中應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)，但遠(yuǎn)沒(méi)有國(guó)外探討的深化?？梢哉f(shuō)，我國(guó)對(duì)PEF技術(shù)的探討方興未艾，但與國(guó)外相比尚存在較大差距。第四節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)殺菌機(jī)理目前PEF對(duì)微生物的作用機(jī)理尚不完全清晰，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為PEF是通過(guò)外部電場(chǎng)與微生物細(xì)胞膜干脆作用，從而破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，形成“電穿孔”而導(dǎo)致微生物滅活。微生物細(xì)胞和外環(huán)境之間進(jìn)行著活躍的物質(zhì)交換，細(xì)胞膜的完整性對(duì)保證細(xì)胞生命活動(dòng)的正常進(jìn)行有著極其重要的作用。PEF的殺菌作用與其對(duì)微生物細(xì)胞膜的影響親密相關(guān)。當(dāng)微生物被置于高壓脈沖電場(chǎng)中時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)被破壞，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物外滲，引起細(xì)胞死亡。（一）細(xì)胞膜的電穿孔(electroporation)

電穿孔現(xiàn)象是指細(xì)胞暴露在PEF作用下出現(xiàn)的細(xì)胞膜失穩(wěn)并在細(xì)胞膜上形成小孔的現(xiàn)象。細(xì)胞質(zhì)膜通透性大幅增加，胞內(nèi)的滲透壓高于細(xì)胞外，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜的破損。其基本原理如下：設(shè)細(xì)胞為球形，其所處外電場(chǎng)誘導(dǎo)的膜電位可由下式表示：式中，r是細(xì)胞的半徑，E是外加電場(chǎng)強(qiáng)度，θ是電場(chǎng)方向與指定點(diǎn)法線之間的夾角，ω是外加溝通電場(chǎng)的角頻率，t是細(xì)胞膜電介質(zhì)的弛豫時(shí)間常數(shù)。當(dāng)外加溝通電場(chǎng)頻率足夠低，以致于ωt≤1時(shí)，或者外加電場(chǎng)為直流電場(chǎng)時(shí)，則(1-1)式可簡(jiǎn)化為：對(duì)于細(xì)胞的兩個(gè)極點(diǎn)，θ＝0或θ＝180，則外加電場(chǎng)誘導(dǎo)的膜電位可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：隨著外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，在細(xì)胞膜上誘導(dǎo)的膜電位也隨之增大。當(dāng)增大到確定程度，即V＝Vcr時(shí)，則細(xì)胞膜將出現(xiàn)電穿孔現(xiàn)象。此時(shí)的誘導(dǎo)膜電位Vcr叫做臨界膜電位，Ecr叫做臨界外加電場(chǎng)。于是，公式(1-1)變?yōu)楣?1-2)變?yōu)椋汗?1-3)變?yōu)椋河晒?1-1)～(1-6)可以看出以下幾點(diǎn)：①當(dāng)外加電場(chǎng)為溝通電場(chǎng)時(shí)，在細(xì)胞膜上誘導(dǎo)的膜電位隨著電場(chǎng)頻率的增加而增加，也就是說(shuō)，對(duì)于同樣的誘導(dǎo)膜電位，所要求的高頻電場(chǎng)的強(qiáng)度比低頻電場(chǎng)和直流電場(chǎng)強(qiáng)度高。進(jìn)一步講，對(duì)于同等程度的電穿孔，高頻電場(chǎng)要比低頻電場(chǎng)或直流電場(chǎng)的強(qiáng)度高。②誘導(dǎo)膜電位隨細(xì)胞尺寸的大小而變更，在同樣強(qiáng)度的外加電場(chǎng)作用下，大細(xì)胞的誘導(dǎo)膜電位高。隨著外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電穿孔現(xiàn)象首先出現(xiàn)在那些大細(xì)胞上。進(jìn)一步講，對(duì)于同等程度的電穿孔，大細(xì)胞所須要的外電場(chǎng)強(qiáng)度低。③隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，電穿孔將首先出現(xiàn)在θ為0或180的細(xì)胞的兩個(gè)極點(diǎn)。然后，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，電穿孔的出現(xiàn)一般按cosθ值由大到小依次進(jìn)行擴(kuò)展。但是，不管外電場(chǎng)強(qiáng)度怎么增大，細(xì)胞赤道上的誘導(dǎo)膜電位恒久等于零，即不會(huì)有電穿孔現(xiàn)象。進(jìn)一步講，隨著外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，細(xì)胞膜上的電致孔洞增多、孔徑增大。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，細(xì)胞膜孔過(guò)多、過(guò)大而難予封閉，將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)泄漏甚至死亡。圖1-1是電穿孔機(jī)制的模式圖。圖1-1a是外電場(chǎng)等于臨界值時(shí)在細(xì)胞兩極點(diǎn)呈現(xiàn)膜孔的狀況；圖1-1b是外加電場(chǎng)大于臨界值時(shí)在細(xì)胞上呈現(xiàn)膜孔的狀況。（二）細(xì)胞膜的電崩潰機(jī)制與模型

微生物細(xì)胞膜由鑲嵌蛋白質(zhì)的磷脂雙分子層構(gòu)成，它有確定的電荷，具有確定的通透性，也有確定的強(qiáng)度。膜的內(nèi)外表面間具有確定的電勢(shì)差（Vm），當(dāng)細(xì)胞膜上外加一個(gè)電場(chǎng)（E）時(shí)，這個(gè)電場(chǎng)將使膜內(nèi)外的電勢(shì)差增大。由于細(xì)胞膜兩表面積累的異號(hào)電荷相互吸引，引起膜的擠壓；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一個(gè)臨界值時(shí)，細(xì)胞膜的通透性劇增，腹上出現(xiàn)很多小孔，使膜的強(qiáng)度降低；進(jìn)一步的作用使細(xì)胞膜產(chǎn)生不行修復(fù)的大穿孔，使細(xì)胞組織裂開(kāi)、崩潰，導(dǎo)致微生物失活。目前，穿孔效應(yīng)假說(shuō)被大多數(shù)學(xué)者所接受，但電穿孔特性的探討在國(guó)內(nèi)仍處于早期階段，國(guó)外探討時(shí)間較長(zhǎng)，但至今仍舊有很多現(xiàn)象無(wú)法說(shuō)明，而新的現(xiàn)象又不斷地被報(bào)道。（三）PEF殺菌效果

早期的探討主要集中在PEF對(duì)微生物的殺菌效果方面，人們已就PEF對(duì)多種腐敗菌和致病菌的殺菌效果進(jìn)行了大量而系統(tǒng)地探討。目前，人們已經(jīng)對(duì)PEF的殺菌效果有了深化的相識(shí)和駕馭。PEF殺菌試驗(yàn)的指示微生物包括枯草芽抱桿菌、德氏乳桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、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、大腸桿菌O157、霉菌和酵母等，探討結(jié)果表明PEF處理對(duì)這些微生物的養(yǎng)分體細(xì)胞均有較好的殺滅作用，但芽孢表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性。最近，國(guó)際學(xué)者對(duì)關(guān)系食品平安和PEF處理食品貨架期的PEF損傷亞死微生物的探討產(chǎn)生深厚愛(ài)好。Russell等和Simpson等提出PEF殺菌具有“nothingorall”特征，即不存在損傷亞死細(xì)胞（‘intermediatelydamaged’cells）。然而，最近的探討結(jié)果否定了這一理論，Garcia等和Perni等報(bào)道PEF對(duì)大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的致死作用是由于PEF對(duì)微生物細(xì)胞的損傷積累所致，PEF處理后存在損傷亞死細(xì)胞；Somolinos等探討表明PEF損傷亞死酵母細(xì)胞經(jīng)確定條件培育可修復(fù)，且受環(huán)境因素影響；Zhao等證明白PEF處理綠茶后PEF損傷亞死微生物的存在，并提出PEF處理后經(jīng)確定時(shí)間冷激（coldshock）處理，可以使PEF損傷亞死細(xì)胞進(jìn)一步失活，從而大大延長(zhǎng)PEF處理食品在常溫下的貨架期。Saldana等探討表明PEF損傷亞死微生物的產(chǎn)生與PEF電場(chǎng)強(qiáng)度和體系pH相關(guān)。這些重要的探討結(jié)果不得不使人們對(duì)PEF的殺菌機(jī)制重新相識(shí)。第五節(jié)影響高壓脈沖電場(chǎng)殺菌的因素影響PEF殺菌的因素有很多，它們嚴(yán)峻影響著殺菌效果，基本上分為加工因素，產(chǎn)品因素和微生物特征因素。第五節(jié)高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)食品組分的影響1、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變更酶的結(jié)構(gòu)，那么PEF也必定會(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)致電荷分別，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（二級(jí)和三級(jí)）。另外，電極四周的電化學(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)生確定的影響。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)目削減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)覺(jué)PEF可使卵清蛋白部分綻開(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)覺(jué)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)定性有所增加，電泳分析有共價(jià)鍵參與的凝合生成。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)覺(jué)22kV/cmPEF作用80個(gè)脈沖可引起牛乳中25％蛋白變性。Li等探討了PEF對(duì)大豆分別蛋白結(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),大豆分別蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，當(dāng)脈沖強(qiáng)度或處理時(shí)間大于確定程度，蛋白質(zhì)分子變性程度增加，功能性質(zhì)下降。張鐵華等探討了PEF對(duì)蛋清蛋白功能性質(zhì)的影響。探討結(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、起泡實(shí)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后漸漸下降。盧蓉蓉等探討了PEF對(duì)乳鐵蛋白（LF）結(jié)合鐵實(shí)力的影響，發(fā)覺(jué)LF的鐵結(jié)合實(shí)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探討了PEF對(duì)大豆分別蛋白溶液的表面性質(zhì)和粒徑分布，探討結(jié)果表明確定強(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ξ電位、穩(wěn)定性，變更膠束的粒徑分布。2、PEF對(duì)食品脂質(zhì)組分的影響

一些探討者已經(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)覺(jué)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等的探討顯示，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。這些因素確定PEF處理食品過(guò)程中，電化學(xué)反應(yīng)必定發(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)生一系列困難的氧化產(chǎn)物。最近，PEF處理過(guò)程中脂肪酸、油脂等發(fā)生變更的現(xiàn)象起先受到探討者的關(guān)注，Garde-Cerdan等發(fā)覺(jué)PEF處理（殺菌）可引起葡萄汁中脂肪酸總量的削減，其中月桂酸的變更最為明顯；Guderjan等應(yīng)用PEF協(xié)助提取油菜籽中的油脂來(lái)提高出油率，發(fā)覺(jué)PEF協(xié)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)致確定程度的脂質(zhì)氧化，過(guò)氧化值上升以及不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等探討了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)的變更。試驗(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處理后的一周后快速上升，PEF處理過(guò)的油酸碘價(jià)在貯藏2d后有下降趨勢(shì)。3、PEF對(duì)食品碳水化合物組分的影響

關(guān)于PEF對(duì)碳水化合物影響的探討較少。張鷹等報(bào)道25kV/cmPEF處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發(fā)生顯著變更。Garde-Cerdan等探討發(fā)覺(jué)PEF處理對(duì)葡萄汁中還原糖含量幾乎沒(méi)有影響。Han等接受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。4、PEF對(duì)食品其它組分的影響

Cortes等探討發(fā)覺(jué)PEF處理對(duì)橘汁中