高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的研究進展

金 偉 平雪良 吉 祥 許衛(wèi)斌

（江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122）

高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的研究進展

金 偉 平雪良 吉 祥 許衛(wèi)斌

（江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122）

殺菌是食品加工處理過程中的一個重要工序。殺菌效果的好壞直接影響食品的安全與衛(wèi)生，傳統(tǒng)的殺菌技術(shù)會對食品的營養(yǎng)價值和風味產(chǎn)生一定的副作用。高壓脈沖電場（PEF）殺菌技術(shù)因其殺菌效果好、快速、低耗、安全等優(yōu)點而被廣泛地用于食品殺菌中。文章介紹國內(nèi)外高壓脈沖電場殺菌技術(shù)對高壓脈沖發(fā)生器、處理室、殺菌系統(tǒng)的影響，并綜述對其應(yīng)用的研究。

高壓脈沖電場；殺菌；高壓脈沖發(fā)生器；處理室

隨著生活水平的日益提高，人們對食品質(zhì)量要求日趨升高。為保持食品感官和營養(yǎng)價值的最小損耗，非熱殺菌技術(shù)開始被廣泛的應(yīng)用于食品加工中，在眾多非熱處理技術(shù)中，高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）是最具工業(yè)發(fā)展前景的非熱殺菌技術(shù)之一［1］。高壓脈沖電場殺菌技術(shù)是將待處理的液態(tài)物料采用泵送等方式流經(jīng)設(shè)有高強脈沖電場的處理器，微生物在極短時間內(nèi)受強電場力的作用后，細胞結(jié)構(gòu)被破壞，進而菌體死亡，達到殺菌目的。高壓脈沖電場對微生物有良好的殺菌效果，但PEF殺菌機制仍處于爭論階段，經(jīng)過40多年的研究，在眾多PEF殺菌機制之中，被人們廣泛接受的主要有3種觀點：① 細胞膜跨膜電位機制［2］；②電崩潰機制［3］；③ 電穿孔機制［4］。高壓脈沖電場殺菌技術(shù)具有殺菌效果好，一般能減小6個對數(shù)周期，殺菌時間短，殺菌溫度低，對食品的化學(xué)成分、外觀及風味等基本無影響，耗能小，對環(huán)境無污染，無二次污染及三廢問題。

1 PEF殺菌系統(tǒng)裝置

完整的PEF殺菌系統(tǒng)主要包括4個部分：高壓脈沖發(fā)生器、處理室、流體處理系統(tǒng)及監(jiān)控輔助系統(tǒng)，其中高壓脈沖發(fā)生器和處理室是PEF殺菌系統(tǒng)的兩大核心部分。所以對PEF殺菌系統(tǒng)的研究主要是針對高壓脈沖發(fā)生器和處理室。

1.1 高壓脈沖發(fā)生器

高壓脈沖發(fā)生器主要包括高壓直流電源和高壓脈沖波形兩大部分。高壓直流電源的作用就是將電網(wǎng)輸入的220V的交流電源通過逆變壓器變成幾十千伏的交流電，然后經(jīng)過整流變成高壓直流電［5］。一般來說，PEF殺菌系統(tǒng)的高壓脈沖波形可以使用方波、指數(shù)衰減波、鐘形波等幾種形式，目前常用的是指數(shù)脈沖，它由電阻－電容組成的電路產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)比較簡單，價格比較便宜，適宜于工業(yè)化應(yīng)用［6］。國內(nèi)外許多科研機構(gòu)和大學(xué)對高壓脈沖發(fā)生器進行了研制。比較典型的有：

（1）2001年，美國俄亥俄州立大學(xué)（OSU）研制了第一臺固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器［7］。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高達60kV、750A的正負脈沖，并且正負脈沖都有相對應(yīng)獨立的固體開關(guān)。可以單獨產(chǎn)生正脈沖或負脈沖，也可以產(chǎn)生正負交替的脈沖。其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

（2）2003年，大連理工大學(xué)利用大功率開關(guān)器件（IGBT）配合脈沖升壓變壓器制成了10kV的高壓脈沖發(fā)生器［8］。該發(fā)生器通過復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）來產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，后經(jīng)IGBT模塊驅(qū)動，實現(xiàn)了脈沖電壓0～10kV，脈沖頻率10～5 000Hz，脈沖寬度在2～30μs以及脈沖個數(shù)在1～100內(nèi)的精確控制。其結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 OSU高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Figure 1 High voltage pulse generator structure of OSU

圖2 大連理工大學(xué)高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Figure 2 High voltage pulse generator structure of Dalian University of Technology

（3）2009年，清華大學(xué)陳杰等［9］設(shè)計了一個名為“THUPEF3”的高壓脈沖殺菌系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過觸發(fā)器單元能產(chǎn)生單級或雙極方波脈沖，上升時間僅為1μs。單極和雙極波形的脈沖頻率和時間都能夠精確調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的最高電壓能達到20kV并且脈沖的重復(fù)頻率達到1kHz，THU－PEF3高壓脈沖發(fā)生器電路見圖3。

圖3 THU－PEF3高壓脈沖發(fā)生器電路圖Figure 3 High voltage pulse generator circuit of THU－PEF3

（4）2010年，Universidad de las Américas Puebla［10］提出了一種新型高壓脈沖發(fā)生器。該脈沖發(fā)生器能提供15kV的方波電壓，方波頻率范圍為250Hz～30kHz。系統(tǒng)采用了一個60Hz的變壓器（T1），先后通過 AC／DC、DC／DC、DC／AC轉(zhuǎn)換將普通的正弦交流電壓轉(zhuǎn)換為大小和頻率都可控的交流電壓，最后通過一個低功率的變壓器（T2）將電壓增加到最終系統(tǒng)所需的電壓，其脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 美洲大學(xué)高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Figure 4 High voltage pulse generator structure of Universidad de las Américas Puebla

此外，國外在此領(lǐng)域有研究的其他單位還有俄亥俄州立大學(xué)（OSU）以及Pure－Pulse Technogies公司等，中國在此領(lǐng)域有研究的其他單位有華南理工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、江南大學(xué)、西安交通大學(xué)等知名高校。江南大學(xué)正在對高壓脈沖發(fā)生器及處理室進行研究，目前已初步形成了高壓電源為30kV的PEF殺菌系統(tǒng)。

1.2 處理室

處理室是PEF殺菌系統(tǒng)的重要組成部分，它最基本的功能就是放置待處理的物料和安放電極。一個PEF處理室一般有2個電極，以及裝載電極的絕緣材料構(gòu)成。根據(jù)物料是否流動，處理室分為靜態(tài)式和連續(xù)式；根據(jù)電極形式分為平板式、同軸式和共場式3種［11］。

處理室設(shè)計遵循的總體原則，大致可以歸納為① 電場分布均勻；② 不易放電且適用于各種食品物料；③ 腔體直徑的大小應(yīng)盡量滿足物料處理量的要求而不能造成負載過?。?2］。同時在設(shè)計處理室時還應(yīng)考慮如何使樣品更容易注入處理室和減小處理室的復(fù)雜性［13］。

近年來，國內(nèi)外不少學(xué)者設(shè)計開發(fā)了不同類型的處理室，部分設(shè)計見表1。

表1 不同類型的處理室［14］Table 1 Different types of treatment chamber

均勻的電場分布是處理室設(shè)計的核心要求，分布在處理室內(nèi)的電場強度一致可以最大化地提高PEF殺菌系統(tǒng)的殺菌效果。無論是靜態(tài)處理室還是連續(xù)式處理室都要求合理分布的電場強度。隨著PEF殺菌系統(tǒng)趨向于商業(yè)化應(yīng)用，在確保均勻的電場分布的條件下，流速快、流量大是當前處理室發(fā)展的趨勢［15］。目前設(shè)計的處理室還未能運用于所有的食品殺菌而且大部分處理室僅用于液態(tài)食品殺菌［14］。為了避免處理室可能產(chǎn)生的電極污染、電火花、電擊穿等問題，采用多流道的處理室處理單元可以明顯的解決這些問題［16］。國外一些學(xué)者已經(jīng)開始運用聚合物復(fù)合材料作為電極材料來克服不銹鋼電極的磨損特性，進而避免了殺菌過程中的二次污染［17］。

2 殺菌系統(tǒng)的影響分析及應(yīng)用

PEF殺菌系統(tǒng)決定電場強度、脈沖特性、處理時間等技術(shù)參數(shù)，PEF殺菌系統(tǒng)的各個技術(shù)參數(shù)對食品殺菌效果都有著或大或小的影響：

（1）電場強度：電場強度是影響PEF殺菌效果的一個顯著因素，隨著電場強度的增加，殺菌效果明顯增強［18］。相關(guān)數(shù)據(jù)［19］表明，微生物的失活率與電場強度呈指數(shù)遞增關(guān)系。

（2）作用時間：作用時間是脈沖寬度與脈沖個數(shù)的乘積，脈沖寬度與電場對細胞膜破裂有著密切的關(guān)系［20］，隨著脈沖作用時間的增長，殺菌效果明顯增強［21］。

（3）脈沖波形：高壓脈沖處理系統(tǒng)可以采用方波，指數(shù)衰減波，交變指數(shù)衰減波，其中方波的處理效果最佳，指數(shù)波次之，交變指數(shù)衰減波效果最差［22］。

（4）作用溫度：在恒定的電場強度下，殺菌效果隨著溫度的升高而升高［23］。與此同時，隨著溫度的升高，處理物料的導(dǎo)電性及處理室內(nèi)電壓都會發(fā)生改變［24］。

（5）其他：除去上述因素，脈沖頻率、脈沖極性、電流大小，物料流速等也會對PEF殺菌系統(tǒng)的殺菌效果產(chǎn)生一定的影響。

在歐洲，考慮設(shè)備成本和能耗150J／mL以及按照5m3／h的能量計算，同時考慮設(shè)備折舊和每天的生產(chǎn)班次，PEF的處理成本為每升1～2歐分［25］。良好的經(jīng)濟性大大的促進了PEF殺菌系統(tǒng)的研制。

鑒于高壓脈沖電場殺菌技術(shù)的眾多優(yōu)良特性，PEF殺菌技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于食品加工過程之中。PEF殺菌系統(tǒng)可以應(yīng)用于食品殺菌、果蔬榨汁與脫水、輔助食品成分提取、食品保藏，廢水凈化等方面。當然，目前對PEF技術(shù)的研究仍在進行之中，相信該技術(shù)會有更大的應(yīng)用空間。

3 結(jié)論

文章主要針對國內(nèi)外高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行綜述。國內(nèi)外的試驗研究［26，27］證明，高壓脈沖電場殺菌是一種有效、安全、環(huán)保的殺菌方式。目前，國外發(fā)達國家對PEF殺菌技術(shù)的理論研究及設(shè)備比較成熟，已由中試階段向商業(yè)化應(yīng)用過渡，而中國也對PEF殺菌技術(shù)的各方面進行了相關(guān)研究，但PEF殺菌系統(tǒng)仍處于實驗室階段，較商業(yè)化仍有一定的差距。研制大功率、控制精度高、處理量大、應(yīng)用范圍廣的PEF殺菌系統(tǒng)才能更快的推動PEF殺菌技術(shù)商業(yè)化的步伐。此外，在研究PEF殺菌理論和加快PEF殺菌系統(tǒng)研制的同時，應(yīng)該更關(guān)注該技術(shù)對食品質(zhì)量及安全性的研究。安全性、經(jīng)濟性、高效性的高壓脈沖電場殺菌技術(shù)才能更好的發(fā)展與應(yīng)用。

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Development of pulsed electric field sterilization system

JIN Wei PING Xue－liang JI Xiang XU Wei－bing

（Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214122，China）

Sterilization is an important procedure in food processing.The effect of sterilization has a direct influence on food safety and healthy，The traditional sterilization technology will have a side effect on the value and flavor of food.Pulsed electric field（PEF）sterilization technology is widely used in food processing for affectivity，rapidness，safety and low consumption.This paper summarizes the development of high voltage pulsed electric field sterilization technology both at home and aboard，including high voltage pulse generator，treatment chamber，influence of sterilization system and its application.

pulsed electric field；sterilization；high voltage pulse generator；treatment chamber

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.065

江蘇省科技創(chuàng)新計劃（編號：BY2010120）

金偉（1988－），男，江南大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：1298078009＠qq.com

2011－11－10