高压脉冲电场杀菌(1)

A．细胞膜电位差为V’m；B．外加电场矿远大于跨膜电位差V’m时，
细胞膜受挤压变薄；C．细胞膜上的电位差达到临界崩解电位差硌
时，细胞膜崩解并导致穿孔；D．细胞膜大面积崩解。
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高压脉冲电场杀菌机理
3.Tsong(1991)电穿孔理论
由于微生物细胞在高压脉冲电场的作用下细胞膜上的 双磷脂层和蛋白质暂时变得不稳定导致的一种现象。在外 加电场的作用下其细胞膜压缩并形成小孔，通透性增加， 小分子物质如水分子可透过细胞膜进入细胞内，致使细胞 体积膨胀，最后导致细胞膜破裂，细胞内容物外漏，使细 胞死亡。
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指 数 衰 减 波
方
波
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高压脉冲电场的处理系统
处理室
食品在处理室内受到高压脉冲电场作用时，要避 免电火花的产生。一旦产生电火花．电极就会被腐 蚀，食品被电解，产生气泡。因此，在设计食品处 理室时，应着重解决好以下问题：电极表面要尽可 能光滑以减少电子的逸出．采用圆形电极以避免电 场集中，为食品提供一个均匀的高压脉冲电场。
处理系统
脉冲发生器
高压脉冲电场杀菌装置的核心部分。高压 脉冲发生器用来产生10kV以上的脉冲，该 高压脉冲被加到处理室电极的两极板上， 在处理室内产生10kV/cm以上的强电场。
处理室
处理室与高压脉冲发生器相连接，它的 主要作用是将高压脉冲电场传递给流经 此室的液体食品，以达到杀菌的目的。
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脉冲发生器
高压脉冲电场的处理系统
指数形脉冲容易产生，但低于最高 指数衰减波 电压36.8％的电压无杀菌作用，且能
使食品的温度升高
方波
方波脉冲比指数形脉冲杀菌效果更好， 对细菌有致命作用，但需脉冲整形网 络，结构复杂，对电路的设计及元器 件的要求高，成本也比较高
震荡波、 这两种波的效果都不是很好 交变波
2.Zimmermann(1986)电崩解理论
6.粘弹极性形成模型
3.Tsong(1991)电穿孔理论
7.电解产物效应
4.空穴理论
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高压脉冲电场杀菌机理
1.Hamilton和Sale(1967)理论
当一个外部电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电 位(TMP)。对半径r处于均匀场强E中的球形来说，其沿 电场方向的跨膜电位．可由下式得出： U(t)=1.5rE 式中：u——沿电场方向的跨膜电位，t；
高压脉冲电场杀菌
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主要内容
概况 高压脉冲电场的处理系统 高压脉冲电场杀菌机理 影响高压脉冲电场杀菌效果的因素 在食品中的应用研究
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概况
高压脉冲电场(pulsed electric field，PEF)是一种非热处理 技术，具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等 特点，成为近几年来国内外研究的热点之一。
持续时间
温度
脉冲特性
处理室
刚开始的杀 菌效果随脉冲 时间的延长而 明显增强，但 达到拐点值后， 脉冲时间的增 加对杀菌效果
此理论指出在电极施 加电场时，电极附近介质 中的电解质电离产生阴离 子，这些阴阳离子在强电 场作用下极为活跃，穿过 在电场作用下通透性提高 的细胞膜，与细胞的生命 物质如蛋白质、核糖核酸 结合而使之变性。
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影响高压脉冲电场杀菌效果的因素
➢电场强度 ➢脉冲持续时间 ➢处理室特性
➢微生物的种类 ➢生长时间
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4.空穴理论
高压脉冲电场杀菌机理
放电时，产生强 大的脉冲电流
高压通路，进 而形成气套
压力由气套传给 液体，形成强大 超声液压冲击波
空穴
放电终了瞬间，气套处形成空 穴，由于压力突然减小，液体 又以超声速回填空穴，形成第 二个超声回填空穴冲击波。
空穴
正是由于这种高压脉冲能量直接转换成的冲压式机械能，引起液体食品
脉冲电场工作参数
➢温度 ➢脉冲特性
微生物特性
➢生长条件
➢成分 ➢电导率 ➢离子强度
食品特性参数
➢pH值 ➢水的活性
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影响高压脉冲电场杀菌效果的因素
脉冲电场工作参数
电场强度
电场强度时 影响杀菌效果 最重要的因素 之一，当超过 微生物的临界 跨膜电压时， 微生物死亡率 随场强的增加 而增加。
r——细胞半径，µm； E——电场强度(kV/mm)，并且认为当跨膜电位 (TMP)达到1V时，细胞膜便失去 功能。
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高压脉冲电场杀菌机理
2.Zimmermann(1986)电崩解理论
细胞膜被视为电容，在高压电脉冲作用下，膜两侧 电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成 挤压力，当TMP达到临界崩解电位差时，细胞膜就开始 崩解，导致细胞膜穿孔(充满电解质)形成，进而在膜上 产生瞬间放电，使膜分解。
静态分批式 规模小、考虑影响因素较少，不适于大规
模工业化应用。
连续式
处理室内装有电极和冷却装置（PEF连续工 作，电极温度会升高），同芯电极的连续式 处理室，电容小，结构简单，不易放电。
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食品处理装置结构简图
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高压脉冲电场杀菌机理
1.Hamilton和Sale(1967)理论
5.电磁机制模型
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高压脉冲电场杀菌机理
6.粘弹极性形成模型
7.电解产物效应
此模型认为，一是细菌的 细胞膜在杀菌时受到强烈的 电场作用而产生剧烈振荡， 二是在强烈电场作用下，介 质中产生等离子体，并且等 离子体发生剧烈膨胀，产生 强烈的冲击波，超出细菌细 胞膜的可塑性范围而将细菌 击碎。
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早在1967年
英国学者就发现25kV/cm直流脉 冲能有效致死营养细菌和酵母菌。
20世纪80 年代以来
20世纪90年 代中后期
美国、日本等发达国家研究比较 活跃，并制造了成套的技术设备。
我国开始进行这方面的研究。
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高压脉冲电场的处理系统
良好的高压脉冲处理系统是高压脉冲电场杀菌技术得以 应用的前提。设计的关键是脉冲发生器和处理室。
中微生物细胞内部的强烈振动和细胞膜破裂等现象，从而产生杀菌效应。
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高压脉冲电场杀菌机理
5.电磁机制模型
电磁理论认为电场能量与磁场能量是相互转换的， 在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀 菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场 杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感 线圈直接相连，细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场 作用。