小型高压脉冲电场杀菌系统的试制

小型高压脉冲电场杀菌系统的试制

Development of food sterilization system under high voltage pulsed field 尤吉1 颜惠庚1，2 杜存臣2

YOU Ji1 YAN Hui-geng1，2 DU Cun-chen2 （1．，江苏 常州213016；2.常州工程职业技术学院，江苏 常州213164）

(1.Jiangsu Polytechnic University，Changzhou，Jiangsu 213016，China；

2.Changzhou Institute of Engineering Technology，Changzhou，Jiangsu

213164，China)

摘要：阐述了高压脉冲电场杀菌系统的一般组成, 并介绍了高压脉冲电源的原理及食品处理室的结构, 探讨了电场强度和杀菌效果的关系。试验结果表明：在试验参数的条件下,牛奶中大肠杆菌死亡率达99%。

关键词：高压脉冲电场；杀菌；食品

Abstract:The elementary composition of a mini system for food pasteurization by using high voltage pulsed field was explained, the design principle of high voltage pulsed field generator and the structure of the treatment chamber were introduced in this paper. The inactivation experiments were carried out at different electric fields. The results showed that as the electric field intensity and treatment increased, the inactivation rate increased and 99% Escherichia coli were inactivated at electric field of 50 kV/cm.

Keywords:High-voltage pulsed electric field (HPEF)；Sterilization； Food

高压脉冲电场杀菌技术与传统热杀菌相比较, 具有保持食品的原有风味、处理时间短、能耗低等特点, 在果汁及其他液体食品的杀菌处理中具有独特的优越性, 有望取代或补充热杀菌技术[1]。

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作者简介：尤吉（1981-），女，江苏工业学院在读研究生。

E_mail:angelstar001@

收稿日期：2006-11-21

目前，美国、德国、日本、加拿大等国家都竞相研究这一新的杀菌技术, 在杀菌机理、对微生物形态影响、对微生物高压脉冲电场敏感性因素的分析、对食品质量影响等方面做了许多研究工作[2, 3]。而我国在这方面的研究尚处于初步阶段, 因此, 研究高压脉冲电场杀菌技术具有特别重要的意义。

良好的杀菌系统是脉冲电场杀菌技术得以应用的前提[4]。目前,国内外学者对此进行了大量研究,美、法等国建立了一批可商业化应用的设备，但是这些设备少则数十万美元,多则上百万美元,价格十分昂贵[5, 6]，从而限制了该技术在工业上的广泛应用。为此，低成本、高效率、操作方便的高压脉冲电场杀菌系统的研制具有十分重要的意义。

1 杀菌系统的组成

高压脉冲电场杀菌系统一般组成见图1，其中脉冲电源和处理室是核心部分，检测仪表包括温度表，流量计，测量脉冲电压波形的仪表等。系统的工作流程是：物料通过泵运送到处理室接受脉冲电源提供的脉冲电场进行杀菌处理，处理后的物料温度会升高，则需经过冷却系统进行冷却，随后回到容器。

在实验室里进行杀菌试验可以采用静态处理室，则只需图1中虚线框内的部件，物料预先无菌灌装成袋后放入处理室处理，处理后取出冷却即可。

图1 高压脉冲电场杀菌系统结构示意图

2 杀菌系统的高压脉冲电源

高压脉冲的波形可以为矩形波、指数衰减波和震荡波等多种形式。通常认为指数波、震荡波的灭菌效果不如矩形波，因此，本实验采用输出波形为矩形波的高压脉冲电源，其电路示意图见图2。该电源由单片机产生脉冲信号，经前置推动、高压放大，通过脉冲变压器输出20 kV的脉冲电压，波形为近似矩形波，见图3。该电源可以对脉冲的宽度和重复周期进行调整，脉宽调节范围为5～15μs，重复周期调节范围为0.1～1 ms。

图2 高压脉冲电源电路示意图

图3 矩形波形图

3 杀菌系统的处理室

待处理食品在处理室内受到高压脉冲电场的作用，为了避免击穿放电，在极板间应选择既能耐高压且又不能太厚的绝缘薄膜材料。电极表面应尽可能光滑没有毛刺以减少电子的逸出, 采用圆形平板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[11]。

由于受实验室条件的限制，食品处理量少，且为手工间隙操作，因此处理室可设计成简易的静态处理室。该处理室内物料是静止的，由脉冲电源提供极板间的电压。本实验是通过调节两极板的间距来获得不同的场强。样品无菌灌装成小袋，置于极板之间，采用不同的脉冲场强进行杀菌对比，见图4。此处理室尤其适合对流动性能较差的食品进行处理。

图4 静态式处理室

4 使用效果

将大肠杆菌接种到无菌牛奶中，混匀后无菌灌装于试验袋中，置于本实验装置（见图5）中接受脉冲电场处理，每袋处理时间为10 s。两极板间加20 kV的脉冲电压，极板间距分别取11.0，8.5，7.0，6.0，5.0，4.0 mm，而形成的场强分别为18.2，23.5，28.6，33.3，40.0，50.0 kv/cm。杀菌效果用细菌总数下降对

数表示：∣log C/C

0 ∣ ，其中，C 为处理后样品中的细菌总数，C

为原样品中

的细菌总数。对在不同电场强度下的细菌残余量和初始含菌量进行检测计数，试验结果见图6。从图6中可以看出，随着场强的增大杀菌效果越明显，当电场强度为50 kV/cm时，大肠杆菌数下降可达2个数量级，死亡率可达99%。

图5 高压脉冲电场静态杀菌装置

图6 电场强度与细菌数下降对数的关系（大肠杆菌） 由于本试验的脉冲电压不够高，脉冲波形还不理想，因此还没有实现完全杀灭所有细菌。进一步提高电场强度，改善脉冲波形，或许效果可以得到进一步的提高。

5 结论

高压脉冲杀菌方法要成功获得应用，尤其在工业生产中应用，还有待于进一