高电压脉冲电场浸提技术的研究

高电压脉冲电场浸提技术的研究
PEF技术是一种非热技术，PEF处理是在室温下进行的，处理时间小于1s，并且PEF技术在很大程度上减少了食品感官和物理特性的有害变化。

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，PEF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带来的副作用。

PEF技术主要是利用脉冲电场对微生物细胞的电刺激、电融合、以及可逆电穿孔，处理的强度均比较低。

为这种新兴的生物物理技术，提供了一个更广阔的作用对象。

近几十年来，PEF技术在食品工业的应用逐渐成熟和完善，主要应用于苹果汁、橘汁等处理，牛奶杀菌处理、鸡蛋制品处理等等，但最近在有效成分的提取方面有较多的应用，因此探讨其作用机理，为更好的促进PEF技术的推广和应用奠定基础。

PEF技术具有非热、作用时间短、效率高、操作简便、成本低等突出的优势，更重要的是其适用范围极广，在工业、农业、医学、临床以及许多基础学科研究的应用前景是十分可观。

本研究的创新之处就在于首次把PEF浸提技术从工程提取、物理溶出和数学模型的角度研究，为PEF技术理论研究奠定了基础。

因此，本研究不仅具有很大的应用价值，而且具有更重要的理论创新意义。

PEF技术的应用研究已广泛开展，但在食品工业方面中，还有一些问题需要解决。

而针对不同系统、不同物料还没有建立正确的数学模型；科学解释和处理各影响因素的互作效应也不能在数学模型中科学体现。

这都极大地限制了PEF技术在食品工业中的应用。

本文即以大豆油脂、苹果渣胶、淋巴细胞和K562细胞等为研究对象，通过高电压脉冲电场作用，从中提取大豆油脂、苹果果胶及细胞的微观作用效果等研究PEF的作用机理，以使这种方法更好的投入到实际生产中，为高电压技术的发展奠定坚实的基础。

本文进行了PEF浸提机理研究，主要包括以下四个方面（1）比较了几种大豆油脂的浸提溶剂，从油脂的得率、色泽、气味等因素考虑，选石油醚作为主要溶剂。

通过单因素试验，得到高电压脉冲电场对大豆油的提取效果随脉冲数的增加显著增加。

在脉冲数为5时提取率明显增加，之后随着脉冲数的增加大豆脂肪提取率增加且较平稳。

随场强的增加显著增加，且在5kv/cm时达到最大值。

之后随着场强的增加大豆脂肪提取率略有减少，且逐渐趋于恒定。

通过正交试验发现，对大豆油脂提取影响最大的为脉冲数，且为显著性水平为0.05下的显著因素，其次为场强，为显著性水平0.25下的显著因素，料液比，为显著性水平0.25下的显著因素。

确定的最佳参数附近安排二次通用旋转组合设计，建立了数学模型，回归方程：
Y=19.86310+0.05152x₂+0.10205x₃-0.14606x<sub>1</ sub>²-0.08066x₂²-0.50492x<sub>3</sub >²+0.11375x₁x₂+0.19875x₂x ₃得出了最佳的参数组合：脉冲数=47.58，场强=19.2kv/cm，石油醚：豆粉=11:1，达到了精确寻优。

（2）通过单因素分析，分别研究了电场强度、脉冲数、pH值、料液比、温度对PEF法提取苹果渣果胶提取效果的影响。

通过对电场强度、pH值、脉冲数、料液比、温度五个因素取合理水平进行正交试验。

利用PEF技术提取苹果渣果胶时，电场强度、pH值、脉冲数和料液比均是显著因素。

其中，电场强度是最主要的影响因素，其显著性水平为0.01；其次为脉冲数，显著性水平为0.01；pH值的显著水平为0.05；料液比的显著性水平为0.05；通过正交试验确定电场强度、pH值、脉冲数、料液比及温度的最优水平分别为15kV/cm，3，10，1:19，62℃对该条件进行验证实验，苹果渣果胶得率为14.12%。

（3）针对脉冲电场非热效应造成微生物细胞膜电穿孔的特点，采用高电压脉冲电场设备，对血液中K562肿瘤细胞和淋巴细胞进行作用，试验结果表明，高电压脉冲电场能够诱导K562肿瘤细胞凋亡。

经过PEF处理后的K562细胞，细胞膜发生裂隙，细胞内出现气泡，线粒体膨大，胞浆内容物与大量细胞器外溢，核内染色质向核周边聚集逐渐形成凋亡小体，胞内的染色质趋边，细胞形成拉碎状，染色质呈凝固状，胞质空化。

细胞膜结构破坏，厚度变薄，细胞无法保存正常的内环境，从而出现不可逆的损伤；利用AV/PI双标记流式细胞仪定量检测K562的四种亚群细胞：活细胞、早期凋亡细胞、晚期凋亡细胞与损伤细胞的分布结果，发现高电压脉冲电场诱发K562细胞凋亡的效果明显。

利用FCM检测发现：K562肿瘤细胞的AnnexinV-FIT和PI双阳性细胞数由脉冲数4个时的2.24%（P＜0.05）提高到10个时的8.42%（P＜0.01），由此得到脉冲个数对K562肿瘤细胞的影响趋势，接近呈线性关系。

在场强15kV/cm以下，对K562肿瘤细胞的影响，呈现平稳增长的趋势，斜率较小，在
15kV/cm²0kV/cm区域，K562细胞凋亡发生剧烈变化，呈现陡增趋势，
并在25kV/cm以后K562肿瘤细胞凋亡增长平缓，凋亡细胞数可以达到细胞总数的86.81%（P＜0.01）；淋巴细胞的凋亡率随脉冲数的增加而增加，并在4个脉冲数以后出现较为明显的变化，当脉冲个数为10个时，高电压脉冲电场对淋巴细胞的杀伤达到最大值；在0²0kV/cm区域，淋巴细胞的凋亡随场强的增加而增加明显，当场强达到20kV/cm时，淋巴细胞的凋亡进入平缓区，但在30kV/cm出现最大凋亡率。

（4）通过PEF对电介质的极化效应研究发现，细胞可以看成是偶极子式的极化效应，并同时伴有轻微的热效应，这与电场的频率（脉冲数）变化有关。

PEF 作用下K562细胞膜和胞腔受到巨大的影响，对膜造成的影响分析为穿孔效应。

通过电导率的测定，验证了PEF对K562细胞溶液的作用。

当电场强度小于15kV/cm，时电导率维持在较低值，平稳变化，此时，电场强度不足以引起细胞膜的变化，当场强提高到20kV/cm，电导率迅速增加，说明细胞膜开始被破坏的数量剧增，引起细胞内物的外溢，当继续增加场强至30kV/cm时，电导率变化不大，说明在20-30kV/cm之间，造成了细胞膜的不可逆破坏，继续增加场强电导率变化微小。

根据固液两相浸提的原理，提出了PEF浸提技术的数学模型，并首次提出了多通道缩核浸提理论。

PEF的作用恰恰极大提高了传质Biot数，从而打破了传统意义上的固液浸提过程，加速了传质过程。