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高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果

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高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 第 29卷 第 10期 廖小军等:高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 高压脉;中电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 廖小军 钟 葵 王黎明 史梓男2 1(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京,100083) 2(清华大学电子系,北京 ,100084) 摘 要 研 究了高压 脉冲 电场的电场 强硬和棘j中对间对胡萝 J、汁 中按砷 的啤酒酵母(CGM— CC 2.604)和大肠杆菌(CGMCC 1.90)约杀灭效果。结果表 明,啤酒酵母和大 肠杆菌 的残活 率都随着 电场强度的增大和脉冲 时间的延长而...
高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果
第 29卷 第 10期 廖小军等:高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 高压脉;中电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 廖小军 钟 葵 王黎明 史梓男2 1(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京,100083) 2(清华大学电子系,北京 ,100084) 摘 要 研 究了高压 脉冲 电场的电场 强硬和棘j中对间对胡萝 J、汁 中按砷 的啤酒酵母(CGM— CC 2.604)和大肠杆菌(CGMCC 1.90)约杀灭效果。结果 明,啤酒酵母和大 肠杆菌 的残活 率都随着 电场强度的增大和脉冲 时间的延长而逐渐下降,同轴式 电极 中,在 23kV 的皂压和 1.242ms的脉j中处理时间下,酵母达到最小残活率 一4.113令对数;王板 电极 中.在 17kV/cm 的 电场强度和 0.45 ms的脉冲处理时间下,大畅杆菌达到最小残活率 一2.397令 对数 司对 发现,酵母对 电场强度和脉j中时间的敏感程度大干大畅杆菌。 关键词 高压脉冲电场,胡萝 汁,啤酒酵母,大肠杆菌 热力杀菌是果蔬汁产品保藏最重要的手 段,目前生产中广泛采用的主要有巴氏杀菌、 高温短时杀菌和超高温杀菌等 3种方式。由 于果蔬汁的热敏性,热力杀菌会对其品质带 来一些不利的影响,因此非热力杀菌方法 已 成为食品工程技术的研究焦点。 高压咏冲电场技术(high intensity pulsed electric field,PEF)就是将食品置于一个带有 2个电极的处理室中,然后给予高压电脉冲 处理,形成的脉冲电场作用于处理室中的食 品,从而将 微 生物杀 灭。电场强 度一般 为 15~80kV/cm[ ,通常几十微秒便可以完成 杀菌。目前有关咏冲电场的杀菌机理假说主 要 有 电穿 孔 (electroporation)_2】和 电 崩 解 (electric breakdown)[引。 影响咏冲电场杀菌效果的因素很 多,主 要有加工因素(如电场强度、处理时间、脉冲 波形、处理温度)、产品因素 (导电率、pH、离 子强度、颗粒大小、栅栏因子等)和微生物 因 素(微生物的种类、浓度、生长阶段等)[4--6]。 因此进行 PEF杀菌效果的评价比较复杂,现 有的报道中由于研究条件不同,结果有一定 的差异。 文中通过采用不同电极形式,研究了脉 第一作者:博士,副教授。 收稿时问:2003—05—09,改回时问:2003—06—25 冲电场强度和咏冲时间对酵母和大肠杆菌的 杀灭效果。 1 材料与方法 1.1 胡萝 卜汁的制备 胡萝 卜原料从市场购得,加工工艺过程 为:胡萝 卜一清洗一去皮一切片一热烫一榨 汁一均质一胡萝 卜汁。加工得到的胡萝 卜汁 放置在 一25℃冻结后贮藏,每次实验前 2天 于4C解冻后,121℃杀菌 20 min,冷却后接 种微生物。胡萝 卜汁的可溶性 固形物(TSS) 为 6.04、pH 6.05、电导率 5.10ms/cm。 1.2 微生物菌种 实验采 用啤酒酵母 (CGMCC 2.604)和 大肠杆菌(CGMCC 1.90)为 目标微生物,均 购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。 1.3 微生物的培养与测定 大肠杆菌 :先进行试管菌种的活化培养, 做成斜面保存。将菌种接种到适宜的液体培 养基中,30℃恒温培 养 12 h,再 用 121℃、灭 菌 20 min的胡萝 卜汁稀释 10倍,使胡萝 卜 汁中大肠肝菌的数量达到 10。~10 cfu/mL。 PEF电场处理后倒平板,放置 30℃恒温培养 48 h后记数。培养基为营养琼脂培养基。 19 鲢 _— 髓 ~ 摆 维普资讯 http://www.cqvip.com 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vo1.29 No.10 酵母 :先进行试管菌种的活化培养,做成 斜面保存。将菌种接种到适宜的液体培养基 中,27℃恒温培养 12 h,再用 121℃、灭菌 20 min的胡萝 卜汁稀释 10倍,酵母的数量达到 10。~10 cfu/mL。PEF电场处理后倒平板, 放置 27℃恒温培养 72 h后记数。培养基为 葡萄糖一酵母汁一蛋白胨培养基。 1.4 微生物的残活率 杀菌效果采用残活率来表示,计算公式: logS:logN/N0【 ] 式中:N 为脉冲电场处理后的微生物数 (cfu/mL);N 为 脉冲处理 前 的微生物 数 (cfu/mL)。 1.5 高压脉冲电场杀菌试验装置 实验中使用的高压脉冲电场杀菌试验装 置为自行,图 1是试验装置图。 水浴 图 1 高 压脉冲电场装置图 该装置主要由高压脉冲发生系统、高压 脉冲处理室、蠕动泵、物料贮罐和冷却部分构 成,其中高压脉冲发 生系统是装置的关键 物料在蠕动泵作用下按箭头所示方向循环流 动,即物料贮罐一冷却器一蠕动泵一高压脉 冲处理室一贮罐。装置特点:高压脉冲处理 室和物料贮罐安装在一个能够进行紫外消毒 的相对密闭环境 中,可以减少环境引起的污 染 ;采用冰水浴来控制 回路中物料温度,由于 在脉冲处理过程中物料温度会升高,通过冷 却可以避免升温造成热效应对微生物的致死 作用。图 2为脉冲电场产生电路图。 ①处理环境系统的消毒:每次处理前 1 h 打开处理室的紫外灯,处理过程中紫外灯始 终打开,只有当人手在里面操作时暂时关闭。 变压 22( 赢 蜃蒙臻 竖妓珏 里至垫 图 2 高 压 脉冲 电场 电路 图 ②循环回路的消毒:回路中先采用 60~ 70℃.2%的 NaOH循环 5 min,然后再 用无 菌水循环 5 min,30 ug/L C102溶 液循环 5 min,无菌水循环 5 min,最大限度保证无菌状 态,最后进行实验。每次实验处理都按程序 进行消毒处理。 ③高压脉冲电场处理参数见表 1。 表 1 高压脉冲电场处理参数 (4)电场强度的计算 对于平板电极,电场强度根据公式 : E:o/d 其中:u 为电压;d为板间距。 对于同轴电极,直接以电压表示。 1.6 实验设计 (1)平板电极实验 脉冲时间为 0.45ms时,电场强度梯度 20 设计为 7、9、11、13、15、17kV/cm;电场强度 为 16kV/cm,脉冲时间梯度设计 为 0.075、 0.15、0.3、0.45、0.6和 0.75ms。 (2)同轴电极实验 高压脉冲 电场的电压设计为 19、20、21 和 23 kv,脉冲时间梯度设计从 0.207ms到 1.424 ms。对 于 19、20、23 kV 三 组 处理 ,脉 冲电场处理后用新的无菌瓶装胡萝 卜汁。 { # ^ } } } 文 ∥ ; 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 29卷 第 1O期 廖小军等:高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭效果 2 结果与 2.1 平板式电极灭菌效果 2.1.1 电场强度 对 大肠 杆 菌和啤 酒酵 母 的 灭菌效 果 电场强度 ,kv.cm一 瓣 E一01 * 翘 E—02 E-O3 图 3 电场强度对大肠杆菌和啤酒 酵母残活率的影响 图 3是平板式 电极对大肠杆菌和啤酒 酵母的灭菌效果图。从图中可以看 出,随着 电场强度的增大,脉冲电场的灭菌效果增强。 对于大肠杆菌,电场强度为 7、9、11、13、15和 17 kV/cm,对应 的残 活率分 别 为 一0.225、 一 0.674、一0.942、一1.113、一1.56和 一2.40 个对数。对于啤酒酵母,处理 的电场强度分 别为 15、16和 17 kV/cm,对应的残活率分别 为一2.686、一3.019、一3.165个对数。 很明显,在相同处理条件下,啤酒酵母的 残活率 比大肠杆菌低。在 17 kV/cm的场强 下,两者残活率相差了 0.772个对数。 2.1.2 脉 冲处理 时 间对大 肠杆 菌和啤 酒酵 母 的灭 菌效果 图 4为平板电极的脉冲处理时间对大肠 杆菌和啤酒酵母的灭菌效果。可以看出,随 脉冲处理时间的增长灭菌效果愈加明显。 对于大肠杆菌,脉冲时间分别为 0.075、 0.15、0.3、0.45、0.6和 0.75ms时,菌的残活 率 分 另4为 一 1.141、~ 1.463、一 1.594、 一 1.748、一2.010、一2.232个对数。对啤酒酵 母 .脉 冲时间分 别为0.075、0.1 5、0.3和 解 屺 翘 脉冲处理时问/ms 图 4 脉冲 处理 时 问对大 肠杆 菌和 酵 母 残活率的影响 0.45ms时,菌 的 残 活 率 分 别 为 一1.252、 一 1.539、一1.963、一2.421个对数。 同样,在相同处理条件下,啤酒酵母的残 活率 比大 肠杆 菌低。脉冲 时 间为 0.45ms 时,两者残活率相差了 0.673个对数。 2.2 同轴电极电压和脉;中数对酵母茵的灭 菌效果 图 5是同轴电极不同电压和脉冲处理时 间对酵母菌的灭菌效果。图中显示,随脉冲 时间的延长和电压的增大,电场对啤酒酵母 的杀灭效果逐渐增强。 脉冲时问 /ms 碍 E—01 虹 誊 E一12 链 娶E一13 图 5 不同电压和咏冲数对酵母菌 残 活率 的影 响 a:胡萝 汁经过 21 kv脉冲处理后仍用初始的瓶子灌 装 :b:胡萝 汁经过 19kv、2OkV、23kV脉冲处理后换 用新的无菌瓶灌装 图 5中 21 kv处理和 23、20、19 kV三组 处理方法有所不 同,21 kv这组 在脉冲 电场 21 维普资讯 http://www.cqvip.com r - ≯ 鼢≥ § }兽 食品与发酵工业 Food and Fementation Industries Vo1.29 No.10 处理后没有更换新的无菌瓶灌装,仍采用处 理前的瓶灌装,处理后的汁被瓶子污染,而其 他 3组处理都是在脉冲电场处理后用新的无 菌瓶灌装胡萝 卜汁。所以 21kV处理后的酵 母菌的残活率明显高于其他 3组,与电压为 20kV的换过瓶的处理相 比,同一个脉冲数 的菌的残存率最大差值达到 0.624个对数。 在同一个电压处理下,随脉冲处理时间 的延长,啤酒酵母的残活率逐渐下降。当电 压为 23kV,脉冲时间为 0.207ms时,酵母菌 残活率为 一3.392个对数,然后随脉冲时间 延长 缓 慢 降 低,到 1.242 ms时 降 低 为 一 4.113个对数 。 同一个脉冲处理时间下,随电压的提高, 啤酒酵母残活率也在下降。在 0.207 ms时, 19、20、23 kV 的电压下菌的残活率分别 为 一 2.468、一2.738、一3.392个对 数。 3 结论 与讨论 随高压脉冲电场的电场强度增强和脉冲 处理时间的延长,啤酒酵母和大肠杆菌的残 活率逐渐降低。(1)平板 电极 中当电场强度 达到 17 kV/cm、0.45 ms时,啤酒酵母和大肠 杆菌最小残活率分别为 一3.165和 一2.397 个对数 ;电场强度为 16kV/cm 时,当脉冲处 理时间达到 0.75 ms时,大肠杆菌最小残活 率为 一2.232个对数;当脉冲处理时间达到 0.45 ms时,啤酒酵母最小残活率为 2.421 个对数。(2)同轴式电极中电压为 23 kV、脉 冲处理时间为 1.242 ms时啤酒酵母最 小残 活率为 一4.113个对数。 由于实验过程中采用的是循环回路,胡 萝 卜汁每经过 1次处理后再进行循环,都存 在处理后 的胡萝 卜汁被循环 回路污染的问 题,为此,笔者将进一步研究如何完善实验装 置,避 免循 环处理 。 参 考 文 献 1 Barbosa—Cdnovas G V.Pulsed Electric Power in Food Preservation.www.iris.org.2001 2 Zimmermann U .Rev Physiol Biochem Pharmacol, 1986,105:175~ 256 3 McDonald C J,Loyd S W,Vitale M A et a1.J Food Sci,2000(6):984~989 4 Evrendilek G A,Jin T Z,Ruhlman K T et a1.In— novative Food Sci & Emerging Techol, 2000, (1):77~86 5 Jin T Z,Zhang,Q H.J Food Proc Pres,1999, (23)481——497 6 Grahi T H.Appl M icrotechnol。1996,45:148~ 157 7 Vega—Mercado H,Pothakamury U R,Chang F J et a1.Food Res Int,1996,29(2):117~121 8 史梓男。廖小军,钟 葵等.高电压技术(增刊), 2002.28(120):51~52 Inactivation of Saccharomyces cerevisiae and E .coli by Pulsed Electric Fields Technology Liao Xiaojun Zhong Kui W ang Liming Shi Zhinan 1(Food Science and Nutritional Engineering College,China Agricultural University,Beijing,100083) 2(Department of Electricical Engineering。Tsinghua University,Beijing,100084) ABSTRACT The inactivation of electric field strength and pulsed treatment time in high intensi— tv Dulsed electric field(PEF)on Saccharomyces cerevisiae(CGMCC 2.604)and E.coli(CGM— CC 1.90 )inoculated in the carrot iuice was studied.The fraction of surviving cells of Saccha— r0m、 es fere is ne(CGMCC 2.604)and E.coli(CGMCC 1.90)decreased as the electric field strength and pulsed treatment time increased,and the minimum fraction of surviving cells of Sac— f nr0m、 e cerevisiae by CO—axial electric field process was 一4.1 13 1og cycle at 23kV voltage for 1.242ms Du1sed treatment time and that of E .coli by parallel electric field process was 一 2.397 1og cycle at 16kV/cm for 0.45ms pulsed treatment time.Saccharomyces cerevisiae was more sen— sitive to electric field strength and pulsed treatment time than E .coli. Key words high intensity pulsed electric field,carrot juice,Saccharomyces cerevisiae,E.coli 22 维普资讯 http://www.cqvip.com
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