高压脉冲电场在食品杀菌中的应用

收稿日期: 2001- 04- 26基金项目:江西省教育厅基金资助项目; 江西省自然科学基金资助项目( 0130014)作者简介:郭烈恩, 男, 1965年生, 副教授,博士� � � 文章编号: 1006- 0456( 2001) 04- 0020- 05 高压脉冲电场在食品杀菌中的应用 郭烈恩1,胡云堂1,李华栋2 ( 1� 南昌大学 机电学院, 江西 南昌 330029; 2� 江西省科学院, 江西 南昌 330029) � � 摘要:利用高压脉冲电场杀灭液体食品中的有害微生物是近年来发展起来的一项新技术, 它 具有杀菌时间短、能量使用率高、基本上不破坏食品风味物质和营养物质等特点,能避免食品加热 处理带来的不良影响� 介绍了高压脉冲电场杀菌机理、杀菌装置的基本结构、影响杀菌效果的基 本参数以及有待解决的关键技术� 关键词:高压脉冲电场; 食品杀菌;微生物; 存活率 中图法分类号: TS 201� 3� � � � 文献标识码: A 食品杀菌是食品加工中的重要操作单元,通过杀灭腐败菌和致病菌, 延长产品的贮藏期, 保证产品的安全 �目前, 食品加工中的杀菌办法主要是采用加热的方法� 然而,热杀菌在杀灭 细菌的同时,对食品中的风味物质、营养成分也会造成很大的破坏, 严重影响食品的色泽、口 感、风味和营养 �为了尽量减少杀菌过程中对上述成分的破坏, 工业上经常采用高温短时杀菌 或超高温杀菌技术, 但对这些有效物质的破坏仍然不可避免� 消费者对食品的质量要求正日 益提高,近年来国内外正在探索其它杀菌方法以代替热杀菌 � 自 20世纪 90年代初期, 国外开始对非热杀菌技术(冷杀菌)在食品工业中的应用研究进 入高潮,其中包括对超高(静)压杀菌、高压脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌等技术的研究 � 高压 脉冲电场杀菌是研究的热点, 它是通过高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞膜使细菌致 死�由于利用高电位而非电流杀菌, 因此杀菌过程中的温度低(最高温度小于 50 � ) , 从而可 以避免热杀菌的缺陷 � 目前,高压脉冲电场杀菌技术的应用研究主要集中在对液态食品(如饮料、牛奶等)的杀 菌�经高压脉冲电场杀菌加工处理的饮料具有安全、风味和口感近似新鲜饮料、营养好的特 点,故此技术对食品生产厂家有极大的吸引力,具有良好的市场前景 � 1 � 杀菌装置的基本结构和功能 高压脉冲电场食品杀菌装置的基本结构如图 1所示� 由图 1可知,液体食品的流量通过变量泵调节,脉冲电源的电压值、脉宽、脉间可由杀菌装 置控制器进行控制; 杀菌室的主要功能是将高压脉冲电场传递给流经此室的液体食品,内有冷 却装置;在高压杀菌区域有温度传感器;在处理室内,两电极内部带有冷却管道,温度通过冷却 管道内的循环冷却水加以调节 �各种电参数,如作用在食品上的电压、电流波形,通过数据检 测系统加以检测 �为减少电磁场的干扰,示波器和计算机放置在屏蔽区域 � 第 23 卷第 4 期 2001年 12 月 南昌大学学报(工科版) Journal of Nanchang University ( Eng ineering & T echnolog y) Vol. 23 No . 4 Dec. 2001 � � � 高压脉冲电源与杀菌室相连, 用 所期望的频率、电压峰值,产生连续不 断的高压脉冲� 选择适合的电参数和流体食品的 流量, 以使每单位食品体积经受足够 数目的高压脉冲电场的作用, 从而达 到所希望的微生物细胞的致死率� 图 1� 杀菌装置结构框图 2 � 高压脉冲电场作用原理 高压脉冲电场的杀菌原理是在两个电极间产生瞬时高压脉冲电场作用于食品而杀菌的 � 当外加电场作用于细胞时,食品中微生物的细胞膜在其作用下, 诱导产生横跨膜电位 �当整个 膜电位达到极限值(约为 1 V)时,膜破裂,使膜结构变成无序状态,形成细孔,渗透能力增强 � 渗透的可逆和不可逆则取决于所施加的电场强度、脉冲宽度和脉冲数量� 当一个细胞处在一固定的电场 E 中, 细胞表面内外将产生电位差,设为 ��,可以得到以 下 3个公式: ��= 1. 5f aE 0cos�[ 1- exp(- t / ��) ] ��= f aC m( �i+ �e/ 2) f a= 1/ [ 1+ G m( r i+ r e ) ] 式中: t 为电场的作用时间; Cm 是薄膜单位面积的静电容量; r i , r e 分别是内外介质的电阻; Gm 是单位面积的电导系数; ��是达到平衡的时间; f a 是决定薄膜特性的因素; �为电场与细 胞内自然电势的夹角 �通常, Gm 对于平常的膜取 1� 当外加的电场对薄膜所产生的电位差大 于薄膜本身的自然电位差时, 其电位差达到临界点,此时薄膜就会产生小孔 �当小孔数量增多 以及孔径增大时,细胞就会破裂 �当产生小孔时,细胞膜的可渗透性加大 �因此,细胞的可渗 透性可以依据外加电场强度的加强而增加� 不同的细胞表面有着不同的特点, 对于所产生的可渗透性小孔, 其伸缩性是决定细胞不稳 定的主要因素� 如何确保细胞产生不可逆的破坏是现在高电压脉冲电场杀菌研究的重点 � 3 � 影响杀菌效果的基本参数 影响高压电场杀菌效果的参数较多,本文仅对少数几个参数加以讨论 � 3�1 � 脉冲电场强度 在高压脉冲电场杀菌过程中, 脉冲电场的强度是一个导致微生物失活的主要参数 � 图 2 表示大肠杆菌在不同脉冲电场强度的作用下的存活率, 即在脱脂牛乳中接种的大肠杆菌在电 场强度分别为 20, 30, 40, 45 kV/ cm 的电场作用下的存活率 �当固定脉冲的数目时,细胞的杀 灭率随电场强度的增加而增加 �这种观察结果与电镀(渗透)理论相一致, 因为细胞膜两侧的 感应电动势与电场强度成正比 �更高的电场强度能杀灭更多的细菌 � 3�2 � 脉冲数目 在固定电场强度和脉冲宽度的条件下,细胞的失活率由所施加的脉冲个数所决定� 图 3 �21�第 4 期 郭烈恩等: 高压脉冲电场在食品杀菌中的应用 图 3 � 脱脂牛奶中大肠杆菌存活数量 与脉冲数的关系 图 2� 脱脂牛奶中大肠杆菌存活率与 电场强度的关系 1�20 kV / cm; 2� 30 kV/ cm; 3�40 kV / cm; 4� 45 kV/ cm 表示脱脂牛奶中的大肠杆菌的存活数量与脉冲数目的函数关系 �所施加的脉冲方波的电场强 度为 50 kV/ cm, 脉冲宽度为2 �s� 在脱脂牛奶中最先接种的大肠杆菌约为 80 � 107 cfu/ mL,曲 线在脉冲数目为 5时发生显著转折 � 3�3 � 脉冲的波形 所用的脉冲波形包括:按指数衰减的波形、方波波形、振荡波形、双极性波形 �在所有波形 中,振荡波杀灭微生物的效率是最低的� 如图 4所示, 方波的效率比指数衰减波的效率高,因 此对大肠杆菌的致死率也高; 而双极性脉冲波形对大肠杆菌的致死率比单极性波形高� 图 4 � 方波与指数衰减波的效率比较 1� 指数衰减波; 2� 方波 脉冲电场引起微生物细胞膜上带电分子的运 动,电场的反向或者调换极性,必然引起带电分子 运动方向的改变 � 带电分子不断改变运动方向, 将在细胞膜产生应力, 加快细胞膜的破裂和微生 物的失活 �双极性电源能够减小液体食品的电解 效应,与单极性脉冲波形相比,双极性波形能减少 电极上固体沉淀物高达 80%� 3�4 � 液体食品温度 液体食品适中的温度有利于杀灭微生物 � 图 5代表大肠杆菌的存活率与食品温度的函数关 系, 当温度从 7 � 上升到 40 � 时,大肠杆菌的存活率明显降低� 这种现象可以这样解释:在相 对高的温度下, 细胞膜在脉冲电场的作用下更容易产生电渗透� 4 � 有待解决的关键技术 高压脉冲杀菌方法要成功获得应用,还有一些关键技术有待解决 � 1) 必须适宜的高压脉冲电源 �高压脉冲电源是杀菌装置的关键部件之一,用以杀菌 的脉冲波的波形有矩形波、指数衰减波和振荡波 �研究表明, 矩形波的杀菌效率最高, 指数衰 减波次之, 振荡波最低[ 7]� 因为产生矩形脉冲波的电路远比产生指数脉冲波的电路复杂, 并且 由于阻抗匹配等原因,致使电极上得到的电压只有电源电压的一半, 从而使得矩形脉冲波脉冲 �22� 南昌大学学报(工科版) 2001 年 电源更加昂贵, 所以现在实验室所用电源均为指数衰减波脉冲电源[ 8] � 指数衰减脉冲波由电 容电感等器件组成的相对简易的电路产生,只是仍然要使用价格昂贵的高速电子开关等器件, 因而成本还是居高不下� 图 5� 液体食品自身温度与存活率的关系 1�7 � ; 2� 15 � ; 3�22 � ; 4� 30 � ; 5�40 � 另外,电容电感所产生的脉冲波的两个 重要参数: 脉冲宽度、脉冲间隔不易调节, 不 易满足不同食品杀菌的要求, 还易受到外部 因素的影响,例如,增加电极的宽度, 则杀菌 室的电阻下降, 导致脉冲宽度下降 � 因此,研制价格适中、参数稳定的矩形波 高压脉冲电源,是此项技术走向商业应用的 关键之一 � 2) 开发能有效地抑制高压脉冲电场杀 菌时可能出现有害物理过程的新技术� 在杀 菌过程中,往往伴随着有害物理过程的发生, 最主要的有两项� 其一,电火花击穿放电,用于杀 菌的高压脉冲电场强度大约为 50 kV/ mm,但由于一些随机因素的影响,某一局部的电场强度 远远超过这个值 �研究表明, 当正负极之间电场强度达到 105 V/ mm 时, 就会产生场致电子发 射,由阴极表面逸出电子,击穿两极间的介质,进而形成放电通道,瞬间产生电流,能够杀死微 生物, 但这种强电流作用, 同样会破坏食品中的有用成分, 使食品中出现碎屑,破坏食品的品 质�其二,电解反应 �电解反应主要是由于食品中带电粒子在正负极表面发生氧化还原反应, 这种过程是有害的, 它将破坏食品中多种营养成分, 在电极表现上产生垢物, 影响杀菌室的正 常运作� 3) 杀菌室的合理设计与分析是一项有待改进的技术 �目前所设计的杀菌室, 绝大部分只 能在实验室使用,远未达到工业应用的程度[ 6] , 主要有如下几个问题有待解决:杀菌室液体食 品流过的截面面积过小, 因为无论是增大两极之间的距离还是增加电极的面积,都会导致两极 之间的电流迅速增加,这就增加了火花放电的可能性; 没有建立合适的温度场、电场空间分布 的数学模型,还无法找出最容易出现电火花放电的危险点,也给设计合适的冷却通道、冷却方 式带来诸多不利;杀菌室内电场均匀分布的问题� 在杀菌室内, 电极形状等因素的影响使两电 极之间各个局部的电场强度相差甚远,这将导致两方面不良的效果:其一, 电场强度过高的局 部可能产生电弧放电;其二,电场强度过低的局部可能达不到名义电场强度的杀菌效果� 5 � 结语 用高压脉冲电场杀灭微生物和酵素是一种极有希望的非热杀菌方法, 并在人工接种细菌 的液体食品和半固体食品中已取得初步成功 �可以通过控制各种参数,使得此方法杀菌时的 温度远低于传统的热杀菌方法 �此项技术在提高食品的质量和食品贮藏稳定方面有广阔的应 用前景� 参考文献: [ 1] � Sale A J H, Hamilton W A. Effects of High Electric Fields on M icroorg anisms � : Killing of Bacteria and �23�第 4 期 郭烈恩等: 高压脉冲电场在食品杀菌中的应用 Yeasts[ J] . Biochim Biophys Acta� [ 2] � Hamilton W A, Sale A J H. Effects of High Electric Fields on M icroor ganisms � : Mechamism of Action of the Lethal Effect[ J] . Biochim Biophys Acta, 148, 789� [ 3] � H�lssheger H, Niemann E G. Lethal Effects of High - voltag e Pulse on E Coli K12[ J] . Radiat Environ Biophys, 1980, 18: 281� [ 4] � H� lssheger H, Potel J, Niemann E G. K illing of Bacteria and Yeast Cells with Electric Pulsesof High Field Strength[ J] . Radiat Env iron Biophys, 1981, 20: 53� [ 5] � Mizuno A, Hory Y . Destruction of L iving Cells by Pulsed High- voltage Application[ J] . T rans IEEE Ind Appl, 1998, 24( 3) : 387� [ 6] � Feyamkondan S, Jaysz D S. Pulsed Electr ic F ield Processing of Foods: A Review [ J ] . Journal of Food Protection, 1999, 62( 9) : 1 088� [ 7] � Qin B L, Chang E J, Vbarbosa- Canovas G. 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HPEF sterilizing mechanism, the structure of HPEF device, parameters for sterilizing ef ficiency and several key technologies to be resovled are introduced. KEYWORDS � HPEF; food sterilization; m icroorganisms; survival rat io �24� 南昌大学学报(工科版) 2001 年