高壓脈沖電場殺菌設備

一、高壓脈沖電場殺菌設備設備簡介

高壓脈沖電場殺菌（PEF殺菌/電脈沖殺菌設備）是一種新型的非熱食品殺菌技術，它是以較高的電場強度(8-30kV/cm)、較高的脈沖頻率（100-20KHz）對液體、固體、氣體進行處理，并且可以組成連續殺菌和無菌灌裝的生產線。

二、殺菌原理

殺菌機是通過外部電場與微生物細胞膜直接作用，從而破壞細胞膜的結構，形成“電穿孔"而導致微生物滅活。微生物細胞和外環境之間進行著活躍的物質交換，細胞膜的完整性對保證細胞生命活動的正常進行有著極其重要的作用。殺菌作用與其對微生物細胞膜的影響密切相關。當微生物被置于高壓脈沖電場中時，細胞膜會被破壞，從而導致細胞內容物外滲，引起細胞死亡。

由于細胞膜兩表面堆積的異號電荷相互吸引，引起膜的擠壓；當電場強度增大到一個臨界值時，細胞膜的通透性劇增，腹上出現許多小孔，使膜的強度降低；進一步的作用使細胞膜產生不可修復的大穿孔，使細胞組織破裂、崩潰，導致微生物失活。

三、設備參數

設備名稱：高壓脈沖電場殺菌設備

設備材質：304不銹鋼

輸入電壓：AC220V,50Hz；

輸出電壓：8-30KV可調

輸出功率（瞬時）：500w、1000W、2000w（可選）

輸出頻率：20KHZ可調；

輸出占空比：0-100%可調；

脈沖極性：正脈沖

四、設備結構

主要包括五大部分：控制單位、脈沖電源、固體處理室、液體處理倉、氣體處理倉。

1.控制單位

設備的整個操控系統，采用觸摸屏操控界面和單腔高壓電場殺菌設計，非常方便操作。

2.脈沖電源

高壓脈沖電場殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發生器用來產生10KV以上的脈沖，改高壓脈沖被加到處理室電極的兩極板上，在處理室內產生10KV/CM以上的強電場。

3.處理室

處理室與高壓脈沖發生器相連接，它的主要作用是將高壓脈沖電場傳遞給流經此室的液體食品及半固體食品，已達到殺菌目的。

五、設備優勢

1. 殺菌處理時間短，能耗低，殺菌率高；

2. 不需要殺菌劑，操作費用低，無副產品，不產生二次污染；

3. 穿透力強，殺菌效果好，適用于熱敏性食品。

六、適用范圍

1. 飲料                                                      2.    食品

  3.    藥品                                                         4.    中藥

七、物料處理效果

高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究

室溫條件下，電場強度為50 kV/cm，脈沖數對電場殺菌效果影響較小，所以可以選用較小的脈沖數。

原料乳中微生物殘留數與場強大小關系

處理脈沖數6個，整個殺菌過程中，由于脈沖數較少，處理后的牛乳沒有溫升。

微生物殘留數與脈沖數大小的關系

電場強度是最主要的影響因素，場強越大，電場的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場殺菌效果越好，最后是脈沖數的影響，電場殺菌效果隨脈沖數的增加而增加，但增加幅度不大．

殺菌溫度與殺菌效果的關系

l 質量分數為2％的含脂乳經PEF處理，無菌包裝．4℃保存。它的物理化學性質沒有改變．微生物貨架期2周。

l 熱-巴氏殺菌乳與PEF--巴氏殺菌乳感官評定上沒有區別。

l 采用氨基酸分析儀對經電場處理前后牛乳中的游離氨基酸質量分數進行了分析研究．發現牛乳中的總游離氨基酸質量數增多。

l 采用高效液相色譜儀對經電場處理前后牛乳中的維A質量分數進行了測定．發現牛乳中維A的質量分數幾乎無損失。

l 同樣，有研究表明場強在10～100 kV／cm．脈沖數在100～1200的條件下．牛乳中pH值、電導率、乳糖質量分數和蛋白質質量分數變化均不顯著。

l 僅有VC的質量分數會有相當大程度的減少。

高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究

電場強度、脈沖數、殺菌溫度的優水平分別為60 kV/cm、6、35℃。

1.電場強度E=40 kV/cm，溫度為室溫(20℃左右)。

殘留菌數與樣品溫度的關系

2. E=40 kV/cm，脈沖頻率F=200 Hz，處理一次脈沖數C=2。

殘留菌數與電場強度的關系

3.脈沖頻率f=400 Hz，處理一次脈沖數C=4，溫度為室溫(20℃左右)

殘留菌數與場強的關系

桃汁理化指標

l 抗壞血酸、總算含量均未發生變化，氨基態氮略有降低。電導率測定未發生變化。

l 高壓脈沖電場對桃汁非熱殺菌，其電場強度和殺菌溫度是主要的影響因素，脈沖數對殺菌影響不顯著。殺菌后的桃汁保持了原桃汁原有的營養和鮮味，高壓脈沖電場非熱殺菌不改變桃汁的物理、化學性質。

高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究

①　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行計數, 結果表明酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅。

②　在脈沖頻率為100Hz, 場強為35kV/cm時, 當脈沖處理時間達到200µs時, 大腸桿菌下降3.62個lg，酵母菌下降2.34個lg，而霉菌僅下降了0.74個lg值, 霉菌孢子對PEF較不敏感。

③　當處理頻率為333Hz時, 電場強度為35kV/cm,處理時間為 200µs, 霉菌下降了1.82個lg值。當處理時間達到800µs，霉菌數量降低3.6個lg。

PEF處理對石榴汁理化性質的影響

(1) 多酚含量與原樣無顯著差異

(2) 類黃酮稍有下降

(3) 澄清度僅下降1%左右

(4) 對色澤有所影響，但小于熱處理

高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究

PEF對綠茶飲料殺菌具有非常明顯的作用，單場強度和處理時間是其殺菌效果的主要參數，隨著電場強度和處理時間的增大，殺菌效果越來越好。當電場強度達到40kV/cm時，殺菌效果非常顯著，處理時間為40µs時總菌數已經降低了2.7個對數值。

PEF處理后，綠茶飲料的茶多酚、氨基酸含量和色澤均未發生明顯變化，PEF不僅能夠使綠茶飲料達到檢測無菌的水平，還可以保持其原有品質。

高壓脈沖電場對食品組分的影響

PEF 對食品蛋白質組分的影響

酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質，PEF 處理可以鈍化酶活和改變酶的結構，那么 PEF 也必然會對食品蛋白質組分的結構與功能產生影響。而且從原理上講，脈沖電場會影響蛋白質基團間的靜電相互作用和帶電基團的定位，擾亂蛋白質氨基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導致電荷分離，從而影響蛋白質的結構（二級和三級）。另外，電極周圍的電化學反應也可能會對包括蛋白質在內的食品組分產生一定的影響。

Barsotti等報道，PEF處理不會引起卵球蛋白的明顯變性，而PEF處理過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等報道，在使微生物數目減少5.3個對數值的作用強度下，PEF對牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和結構的影響不顯著；

Fernandea-Diaz等用31.5KV/cm左右的指數衰減脈沖電場處理卵清溶液，發現PEF可使卵清蛋白部分展開或提高SH解離成易反應S-的離子化程度。Perez等用12.5kv/cm的指數衰減脈沖電場靜態處理卵清蛋白和β-乳球蛋白濃縮液，發現兩種蛋白都有不同程度(26-40%)的變性，差示掃描量熱儀（DSC）測定顯示PEF處理后的β-乳球蛋白濃縮液熱變性溫度下降 4-5℃，而卵清蛋白的熱穩定性有所增強，電泳分析有共價鍵參與的凝聚生成。

Budi 等報道PEF可抑制胰島素分子柔性，從而影響底物與活性位點的接觸。

Xiang 等發現22kV/cmPEF作用80個脈沖可引起牛乳中25％蛋白變性。  

Li 等研究了PEF對大豆分離蛋白結構與功能性質的影響，結果表明隨著脈沖強度和脈沖處理時間的延長,大豆分離蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，當脈沖強度或處理時間大于一定程度，蛋白質分子變性程度增加，功能性質下降。

張鐵華等研究了PEF對蛋清蛋白功能性質的影響。研究結果表明蛋清蛋白的溶解度在脈沖電場強度大于35kV/cm時下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫穩定性及疏水性先隨脈沖電場強度增加而增大，但當脈沖電場強度大于30kV/cm后逐漸下降。

盧蓉蓉等研究了PEF對乳鐵蛋白（LF）結合鐵能力的影響，發現LF的鐵結合能力大體隨電場強度、處理時間和脈沖寬度增加而降低。

曾新安等和劉燕燕等研究了PEF對大豆分離蛋白溶液的表面性質和粒徑分布，研究結果表明一定強度的PEF可影響氨基酸的極性和電負性，進而影響了蛋白質分子間的相互作用，從而影響蛋白質膠體體系的電位、穩定性，改變膠束的粒徑分布。

PEF 對食品脂質組分的影響

一些研究者已經提出了 PEF 處理食品過程中的電化學問題和電極腐蝕問題。Johan等發現PEF處理過程中的電化學反應引起的電極腐蝕問題。Roodenburg 等的研究顯示，在 PEF 處理食品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質會少量釋放到食品中。這些因素決定 PEF 處理食品過程中，電化學反應必然發生，電化學反應的產物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引發脂質由單重態氧、自由基和其他氧化性物質引發氧化反應（鏈式反應），產生一系列復雜的氧化產物。

最近，PEF 處理過程中脂肪酸、油脂等發生變化的現象開始受到研究者的關注， Garde-Cerdan 等發現 PEF 處理（殺菌）可引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少，其中月桂酸的變化最為明顯；Guderjan 等應用 PEF 輔助提取油菜籽中的油脂來提高出油率，發現 PEF 輔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道 PEF 處理油酸和花生油會導致一定程度的脂質氧化，過氧化值升高以及不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了 PEF 處理對油酸理化性質的影響及 PEF 處理過的油酸在貯藏過程中理化性質的變化。實驗結果表明油酸的過氧化值隨著 PEF 處理強度和貯藏時間的增加顯著增大，羰基值在 PEF 處理后的一周后迅速升高，PEF 處理過的油酸碘價在貯藏 2d 后有下降趨勢。

PEF 對食品碳水化合物組分的影響

關于 PEF 對碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報道 25kV/cmPEF 處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發生顯著變化。Garde-Cerdan 等研究發現 PEF 處理對葡萄汁中還原糖含量幾乎沒有影響。Han 等采用 PEF 對玉米淀粉進行處理，結果表明 50kV/cmPEF 處理后淀粉顆粒表面會出現明顯的小孔和凹坑，X 射線衍射峰的強度和焓值及糊化轉變溫度降低，表明淀粉在 PEF 作用下發生了分子結構破壞和重排。

Cortes 等研究發現 PEF 處理對橘汁中類胡蘿卜素的活力有很小的影響。Rivas 等研究了 PEF 處理牛乳和橙汁及處理后的保藏期（4℃保存 81d）的變化，發現 40kV/cmPEF 處理后樣品中的維生素可保留 90%以上。Zhang 等報道花色苷－矢車菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可發生降解，吡喃環斷裂生成查爾酮。Elez-Martinez  等研究了 PEF 處理后橙汁中維C以及抗氧化能力的變化，發現維C的保留量隨場強、處理時間增大而減小。35kV/cm PEF 處理后橙汁中維C的保留率在 87%以上。