高压脉冲电场杀菌电力系统的研究
间歇式HPEF的高压脉冲电源及其杀菌实验
间歇式HPEF 的高压脉冲电源及其杀菌实验3王仁丽1,廖敏夫1,孔繁东2,方 婷3,邹积岩1(11大连理工大学电力电子技术研究所,大连116024;21大连轻工学院生物与食品工程学院,大连116034;3.福建农林大学食品科学学院,福州350002)摘 要:高压脉冲电场非热处理应用到食品杀菌可代替传统的热处理方法灭活液体中的病菌,高强度电脉冲能迅速杀死细胞但并不破坏食品的自然风味如色泽和营养,为此研制了高功率脉冲电源,其输出最高电压15kV ,最大电流40A 。
在详细介绍了高功率电力电子器件IG B T 使用过程中的过流和过压保护等问题和在输出端串联无感小电阻来修正波形实现了输出波形更陡峭的良好效果后,进行了两种相对难杀的典型微生物(枯草芽孢杆菌和黑曲霉菌)在间歇式处理室中的杀菌实验。
结果表明,脉冲电场强度为13kV/cm 、脉冲宽度为15μs 时,连续作用200个脉冲后,黑曲霉菌灭菌率能达99.64%,1000个脉冲后,所有的黑曲霉菌都被杀死;枯草芽孢杆菌相对难灭,在13kV/cm 、15μs 作用下灭菌率仅达87.08%;应在提高电场强度的同时避免放电,这对下一步的连续式杀菌实验有技术指导作用。
关键词:高压脉冲电场;灭菌;非热;高功率脉冲电源;间歇式处理室中图分类号:TM89;TS205.9文献标识码:A 文章编号:100326520(2007)022*******R esearch on Sterilization of Pulsed G enerator in HPEF Fixed ChamberWAN G Renli 1,L IAO Minf u 1,KON G Fandong 2,FAN G Ting 3,ZOU Jiyan 1(1.Instit ute of Power Elect ronics ,Dalian U niversity of Technology ,Dalian 116024,China ;2.Affiliation College of Bio &Food Science ,Dalian Instit ute of Light Indust ry ,Dalian 116034,China ;3.College of Food Science and Technology ,Fujian Agricult ureand Forest ry University ,Fuzhou 350002,China )Abstract :Application of high pulsed electric field (HPEF )in nonthermal food processing is an alternative technology to tranditional thermal processing.The high 2intensity electric pulses kill rapidly microbial contaminants but do not change the natural taste of foods such as the color and nutrition.This study focused on preparing the high 2power pulsed supply with the peak impulse voltage 15kV and impulse current to 40A.The paper describes the protection in use of the high 2power electron devices IG B T (Insolate Gate Bipolar Translator ),including current protection and over voltage protection.In order to make the waveform more pefect ,a small non inductive resistance in series is cho 2sen to shape the output pulse voltage wave in the chamber.In the end of the paper ,our emphasis is on inactivation of Aspergillus Niger and Bacillus ,which are hard to be killed in water.The effects of the sterilization of these two main microorganisms are introduced.Experiment describes that the water solution of aspergillus niger was treated with the HPEF fixed static chamber at electric field strength of 13kV/cm for 15μs.The inactivation was 99.64%at 200numbers of pulses ,while the treatment number increase to 1000,all the microorganism can be killed.The Bacillus ,which has been cultivated after 72hours ,is hard to kill.At the same electric field strength condition ,the inactivation of bacillus can only be to 87.08%at 1000number of pulses.Both improvement of the electric field in 2tensity and reduction of the discharging probability will be a practical guide to the development and application of HPEF in the field of food processing engineering.K ey w ords :high pulsed electric field ;sterilization ;nonthermal effects ;high 2power pulsed supply ;fixed chamber0 引 言食品杀菌技术主要有热杀菌和非热杀菌,目前绝大多数液态食品的处理是利用巴氏加热灭菌。
高压脉冲电场杀菌
上个世纪 60 年代，Sale 和 Hamilton 等学者率先 对 PEF 灭菌技术进行了研究，并通过实验证明了 PEF 的非热效应。
80 年代以后，Hulsheger、Zimmermann 等学者对 PEF灭菌机理做了进一步探讨，并研制出了小型试 验设备。
90 年代后，华盛顿州立大学研制出了较为成熟的 设备，并获得了专利。Zimmermann 等人还对指 数衰减脉冲波、振荡脉冲波和矩形脉冲波的灭菌 效果做了对比研究，发现矩形脉冲波的作用效果 最好。
李迎秋等研究了高压脉冲电场对大豆 分离蛋白功能性质的影响。结果表明 随着脉冲强度和脉冲处理时间的延长 ，大豆分离蛋白的溶解度、乳化性、 起泡性及疏水性都增加。高压脉冲电 场使大豆分离蛋白疏水性和巯基含量 发生了改变，说明高压脉冲电场对大 豆分离蛋白的疏水相互作用和二硫键 有一定的影响。
张鹰等用脉冲电场处理脱脂牛乳，结果 使游离氨基酸含量增加而乳糖含量没有
高压脉冲电场保鲜技术主要是利用强电场进行杀菌,它可以 克服加热杀菌方法引起的蛋白质变性和维生素破坏,因而较 好地保证食品原有的营养成分和原有的风味实验已证明高压
脉冲电场对液体食品中的酵母、各类革兰氏阴性菌、革兰氏 阳性菌细菌袍子等菌类有明显的抑制作用,同时,处理没有对 食品的感官质量造成任何影响，而且处理过程温升小,耗能 低, 以近几年来对高压脉冲电场技术在液体食品杀菌保鲜的 研究进展较快,具有较好的工业前景,正向商业化发展
高压脉冲电场非热杀菌
高压脉冲电场非热杀菌机理及新进展研究综述摘要:高压脉冲电场(PEF)杀菌技术有很好的处理效果, 但存在着处理装置成本高、作用影响因素复杂、影响原因不明确等问题, 要促进其向产业化应用的发展, 必须明确影响机制, 促进该技术应用的规范化, 保证产品安全性。
本文对高压脉冲电场杀菌技术的作用机理、杀菌作用影响因素及相关问题进行了综述与探讨。
高压脉冲电场杀菌能保持食品的原有风味、具有处理时间短、能耗低.本文介绍了高压脉冲电场杀菌的原理、工艺流程、影响因素、处理效果及其研究现状和进展。
该项技术有望部分取代现有的食品热杀菌技术。
关键词:高压脉冲电场; 机理; 影响因素；非热杀菌；进展Research New Advances in Non-thermal Sterilization T echnology by High V oltage Pulsed Electric Fields （HVPEF）Student:Dong Qian teacher: Ye QiangAbstract: High intensity pulsed electric field (PEF) provides effective inactivation of microorganisms. Otherwise, the application of PEF in industrial scale is blocked by the high cost of the PEF equipment, the complexity of influencing factors, and the indetermination of the influencing mechanism. So, it's necessary to confirm the influencing mechanism, the regulation of the PEF, the product safety before the application of PEF in industrial scale .In this paper, the inactivation mechanism, critical influencing factors, and related aspects of PEF inactivation werereviewed and discussed.Key words:high intensity pulsed electric field; mechnism; influencing factors; Non-thermal sterilization; Advance随着人们生活水平的提高，消费者对食品的要求也越来越高，不仅要求食品新鲜和保持其原有的风味，还要求尽量保持食品原有的营养物质。
高压脉冲电场灭菌参数及电穿孔机制研究
高压脉冲电场灭菌参数及电穿孔机制研究目录摘要........................................................................................................................... .. (I)ABSTRACT........................................................................................................... ..............................II 目录........................................................................................................................... ........................IV 第一章绪论.. (1)1.1本文选题的研究背景及意义 (1)1.2传统灭菌技术 (2)1.2.1热力灭菌 (2)1.2.2辐照灭菌 (3)1.2.3化学灭菌 (3)1.3高压脉冲电场灭菌技术的原理与优势 (4)1.3.1高压脉冲电场技术原理 (4)1.3.2高压脉冲电场灭菌技术的优点 (6)1.4高压脉冲电场技术发展与现状 (6)1.4.1国内外研究现状 (6)1.4.2高压脉冲电场灭菌技术的主要应用领域 (7)1.5本文主要研究内容 (8)第二章高压脉冲电场技术灭菌参数优化 (10)2.1实验材料 (10)2.2实验设备 (10)2.3实验方法 (12)2.3.1微生物菌种 (12)2.3.2培养基配置 (12)2.3.3微生物菌种培养 (12)2.3.4高压脉冲电场处理 (13)2.4结果与分析 (13)2.4.1电场强度对酵母细胞与大肠杆菌灭菌效果的影响 (13)2.4.2高压脉冲电场处理时间对酵母细胞灭菌效果的影响 (14)2.4.3高压脉冲电场脉宽对酵母细胞和大肠杆菌灭菌效果的影响(14)2.4.4高压脉冲电场频率对酵母细胞存活率的影响 (15)2.5本章总结 (15)第三章电场强度对酵母细胞酶活性变化和致死双重效应研究 (17)3.1实验试剂 (17)3.2实验设备 (18)3.3实验方法 (18)3.3.1微生物菌种的制备 (18)3.3.2高压脉冲电场处理 (19)3.3.3PEF处理后酿酒酵母悬浮液温度测定 (19)3.3.4C-FDA/PI染色 (19)3.3.5染色酿酒酵母流式细胞仪采集 (19)3.4结果与分析 (20)3.4.1不同电场强度PEF处理酿酒酵母悬浮液温度变化 (20)3.4.2C-FDA/PI单染以及双染酵母细胞流式图谱分析 (20)3.4.3高压脉冲电场处理对酿酒酵母活性与致死双重效应的影响(21)3.4.4高压脉冲电场处理对酿酒酵母细胞相对大小及表面积的影响(22)3.5本章总结 (22)第四章基于纳米颗粒的电穿孔机制研究 (24)4.1实验试剂 (25)4.2实验设备 (25)4.3实验方法 (26)4.3.1培养基配置 (26)4.3.3高压脉冲电场系统及处理 (26)4.3.4扫描电镜分析 (27)4.4结果与分析 (27)4.4.1细胞膜结构变化扫描电镜结果分析 (27)4.4.2基于纳米级荧光微球的酵母细胞膜穿孔初步探究 (27) 4.4.3PEF处理后酵母细胞致死与穿孔对比分析 (29)4.4.4高压脉冲电场强度与细胞膜穿孔孔径大小关系 (30)4.4.5高压脉冲电场处理时间为细胞膜电穿孔孔径大小关系 (32) 4.5本章总结 (32)第五章总结与展望 (34)5.1工作总结 (34)5.2论文创新点 (34)5.3研究展望 (34)致谢 (36)参考文献 (37)附录 (41)。
高压脉冲电场系统设计及其杀菌灭酶效果与对苹果汁品质影响研究（可编辑）
高压脉冲电场系统设计及其杀菌灭酶效果与对苹果汁品质影响研究中国农业学士学位论文摘要摘要本文对实验室处理系统进行设计与优化,并以微生物、醉和鲜榨苹果汁为实验材料,研究杀菌灭酶效果和对苹果汁品质的影响,利用模型和动力学方程对微生物和酶灭活效果进行分析,采用和荧光显微技术考察对微生物细胞结构影响,利用和荧光分析对酶构象影响及通过对鲜榨苹果汁芳香成分进行分析,实验结果与结论如下设计与建立了一套实验室处理系统,脉冲波形为衰减波,处理室容量为,板间距为 ,电场强度最大可达随电场强度和脉冲数增加对大肠杆菌和酿酒酵母杀灭效果提高,酿酒酵母的杀灭效果大于大肠杆菌。
平板电极中大肠杆菌和酿酒酵母最大降低了和个对数,同轴电极中大肠杆菌和酿酒酵母最大降低了和个对数。
随电场强度增大大肠杆菌和酿酒酵母平板电极值逐渐下降,其对敏感性增加, 值分别从和降到和和模型分析表明,随脉冲数增加大肠杆菌。
值逐渐下降,相同脉冲数时同轴电极植小于平板电极。
模型中分别由降为和模型中氏分别由和降为和模型分析表明,平板电极和同轴电极中随电场强度增强大肠杆菌和酿酒酵母值呈下降趋势,大肠杆菌值分别由和降为和酿酒酵母值分别由和降为和大肠杆菌和酿酒酵母残活率实测值一与模型预测值一有良好的相关性,大肠杆菌相关系数好分别为和酵母菌留分别为。
和处理后大肠杆菌和酿酒酵母细胞死亡原因是细胞膜破坏、原生质团聚和流失共同造成的。
表明, 处理后大肠杆菌与酿酒酵母细胞发生明显变化,表面粗糙、褶皱,原生质收缩、团聚、分布不均匀,出现质壁分离。
大肠杆菌细胞壁和细胞膜局部变得模糊,部分细胞原生质大量或全部流失,剩下细胞壁和细胞膜酿酒酵母细胞芽痕增多。
观察表明,处理后部分大肠杆菌细胞和酿酒酵母细胞变形,有原生质流出,酵母芽痕增多。
荧光显微观察发现,处理后大肠杆菌和酿酒酵母中被染色的细胞数量明显增加。
随电场强度和脉冲数增加,对和钝化效果提高,和酶活与脉冲数和电场强度有良好相关性,同轴电极钝化酶效果优于平板电极。
食品处理中高强度脉冲电场的应用研究
食品处理中高强度脉冲电场的应用研究随着工业化和科技的不断发展，人们对食品的生产、加工和保鲜也提出了更高的要求。
在食品加工处理中，高强度脉冲电场技术的应用越来越受到人们的关注。
高强度脉冲电场技术指的是将食品暴露在高强度电场中，通过电场作用在食品中产生的各种效应改变食品的物化性质，达到杀菌、去除异味、保鲜等效果。
高强度脉冲电场技术的应用范围广泛，一般可分为三个领域：食品加工、食品杀菌和食品保鲜。
下面我们将详细探讨这三个领域的应用情况。
一、食品加工在食品加工过程中，高强度脉冲电场技术可以改变食品的物理和化学性质，从而提高食品的品质和产量。
例如，将鱼类暴露在高强度脉冲电场中，可以使鱼类的肉质更加柔嫩，口感更加细腻。
将果汁暴露在高强度脉冲电场中，可以使果汁的味道更加浓郁，口感更加清爽。
此外，高强度脉冲电场还可以用于酿造和调味品的生产，让产品更加美味可口。
二、食品杀菌在杀菌方面，高强度脉冲电场技术可以取代传统的加热杀菌方法，具有节能、环保、高效等优点。
经过高强度脉冲电场处理后的食品可以达到更高的杀菌率，且不会对食品的营养和口感产生影响。
例如，在对牛奶进行杀菌处理时，高强度脉冲电场技术可以将牛奶中的菌落数量减少到安全水平以下，同时牛奶的品质也不会受到任何影响。
三、食品保鲜在食品保鲜方面，高强度脉冲电场技术与传统的气调保鲜、真空保鲜和低温保鲜等方法相比，具有更大的优势。
通过高强度脉冲电场处理，食品中的微生物数量可以得到有效的控制，从而延长食品的保鲜期。
例如，将水果暴露在高强度脉冲电场中，可以杀灭水果表面的微生物，延长水果的保鲜期。
总结：高强度脉冲电场技术作为一种新型的食品加工处理技术，具有广泛的应用场景和潜力。
随着科技的不断进步，高强度脉冲电场技术也会得到更加广泛的应用。
但是，我们也需要注意到高强度脉冲电场技术的局限性，例如，该技术只适用于某些特定类型的食品，对于一些需要加热处理的食品则无法使用。
因此，在使用高强度脉冲电场技术时，我们需要充分考虑各种因素，以确保食品的安全和品质。
高压脉冲电场(PEF)技术对食品杀菌的研究
高压脉冲电场（PEF)技术对食品杀菌的研究摘要：高压脉冲电场技术是一种低能耗、高效率的食品加工技术, 在杀菌方面, PEF 技术表现出良好的应用前景。
本文概述了关于PEF技术的一些理论和研究成果,指出了其与热杀菌相比的优势以及待解决的问题。
关键词：高压脉冲电场技术；食品；杀菌杀菌是食品生产中的一个非常重要的环节，杀菌的好坏直接影响着食品的品质量。
传统的热力杀菌技术对一些产品特别是热敏性产品的色、香、味、功能性以及营养成分等具有破坏作用。
为满足消费者对营养、原汁原味、不含防腐剂、天然安全的要求，高压脉冲电场技术倍受瞩目。
高压脉冲电场(PEF)用于食品杀菌, 从20世纪60年代在美国就已开始研究, 并逐渐扩大到工业应用，进入90年代中后期我国开始进行这方面的研究，但由于设备的限制，研究水平已经相对比较落后，特别是在产业化方面。
该项新技术设备的投入相对较高、处理量少、但产品品质较好。
而且与传统热力杀菌相比，非热力技术在能耗方面有着明显的优势，可以节约一定的能源，体现了一定的经济效益。
1 高压脉冲电场技术的现存理论高压脉冲电场的杀菌原理是在两个电极间产生瞬时高压脉冲电场作用于食品而杀菌的。
其基本过程是用瞬时高压处理放置在两极间的低温冷却食品。
高压脉冲电场杀菌机理经过40年的探讨，形成了以下几个代表性的观点:①“细胞膜穿孔效应”理论：当外加电场作用于细胞时，食品微生物的细胞膜在其作用下，诱导产生横跨膜电位。
当整个膜电位达到极限值(约为lV)时，膜破裂，使膜结构变成无序状态，形成细孔，渗透能力增强。
因此，细胞的可渗透性可以依据外加电场强度的加强而增加。
②电解产物理论：在电极点施加电场时，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。
③臭氧效应理论：在电场作用下液体介质电解产生臭氧，在低浓度下臭氧已能有效杀灭细菌。
利用脉冲电场技术加速食品杀菌的研究
利用脉冲电场技术加速食品杀菌的研究一、引言食品安全是现代社会中一个备受关注的问题。
食品中存在的细菌和微生物会对人体健康产生潜在的威胁。
因此，食品加工行业一直在不断努力寻找高效、安全的杀菌方法。
近年来，利用脉冲电场技术加速食品杀菌成为研究的热点。
二、脉冲电场技术的原理脉冲电场技术是一种利用电场刺激细胞膜，使细胞膜发生临时孔洞从而杀死细菌的方法。
其原理是利用高压电脉冲作用于食品中的细菌，将细菌细胞膜击穿，导致细胞内外环境的交换，进而破坏细菌的正常生长和代谢机制。
三、脉冲电场技术在食品杀菌中的应用1.果汁和饮料杀菌果汁和饮料是细菌滋生的理想环境。
传统的杀菌方法常常使用热处理或化学添加剂，但这些方法存在各种弊端。
脉冲电场技术在果汁和饮料的杀菌中表现出了明显的优势。
研究表明，经过适当脉冲电场处理后，果汁和饮料中细菌的数量可以显著减少，同时保持食品的品质。
2.肉类和海产品杀菌肉类和海产品中的细菌污染常常引起食物中毒等问题。
脉冲电场技术被广泛应用于肉类和海产品的杀菌过程中。
通过控制脉冲电场的参数，可以有效地杀灭细菌，同时保持食品的营养价值和风味。
3.奶制品杀菌奶制品是细菌生长的理想培养基。
传统的杀菌方法常常使用高温处理或化学添加剂，但这些方法存在对营养成分的损害和味道的改变。
脉冲电场技术因其低温、无添加剂的特点，在奶制品的杀菌过程中得到了广泛应用。
四、脉冲电场技术的优势1.无副作用与传统的杀菌方法相比，脉冲电场技术不会产生副作用，并且对食品原料的成分和质量没有明显影响。
这使得脉冲电场技术成为一种安全、可靠的食品杀菌方法。
2.高效率脉冲电场技术以其高效杀菌的特点而闻名。
研究表明，经过适当处理后，脉冲电场可以在很短的时间内杀死绝大部分细菌。
这大大提高了食品杀菌的速度和效率。
3.保留食品原有的风味和营养成分与传统的高温处理方法不同，脉冲电场技术在杀菌过程中不会对食品的味道和营养成分产生明显的影响。
这使得脉冲电场技术成为一种既高效又保留食品品质的杀菌方法。
脉冲放电杀菌技术及其应用研究进展
脉冲放电杀菌技术及其应用研究进展摘要：在科学发达的今天,动物传染病和人类传染病仍在大肆流行。
目前,主要有3种形式的疫苗,即减毒活疫苗、灭活疫苗和基因工程疫苗。
尽管减毒活疫苗曾起到了巨大的作用,但随着科学的发展和时间的推移,减毒活疫苗有返祖和基因重组的现象,因此,目前已逐渐降低其使用度。
基因工程疫苗是近十来年发展起来的一种新型疫苗,但是研制一种新的基因工程疫苗耗时长、投资大,还可能存在生物安全问题。
故短期内在应对突发的传染病时不可能取得明显成效,而灭活疫苗却能够在短时内取得预期的效果。
关键词:脉冲电场；病原体；灭活一、化学试剂杀菌机理当前的灭活疫苗大部分使用福尔马林、β-丙内脂、乙烯亚胺、苯酚、柳硫汞等化学试剂进行灭活。
这些化学试剂主要机理是作用于病毒核酸及病毒壳蛋白、病原体的DNA和RNA,改变细胞膜通透性,导致微生物蛋白变性或凝固,改变蛋白与核酸功能基团的因子,作用于细菌胞内酶的功能基(如SH基)而改变或抑制其活性。
如福尔马林对病毒灭活的机理主要作用于病毒核酸及病毒壳蛋白。
灭活的主要部位是福尔马林与病毒中含有氨基的核苷酸(腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶)发生反应。
福尔马林与病毒蛋白的作用直接使氨基酸或氨基酸集团暴露,引起蛋白质变性以阻碍核酸从病毒颗粒中释放,使病毒失去感染力。
20世纪60年代猪瘟灭活疫苗的失败可能与灭活剂改变表面蛋白的结构与功能有关系。
β-丙内脂的作用机理可能是作用于病原体的DNA和RNA。
尽管化学试剂在疫苗制备过程中起着非常重要的作用,但是在杀菌作用的同时对动物机体具有一定的副作用,甚至在动物体内残留。
如甲醛除了上述的功用外,同时具有强烈的致癌和促癌作用。
长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病,引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、细胞核的基因突变,DNA单链内交连和DNA与蛋白质交连及抑制DNA损伤的修复、妊娠综合征,引起新生儿染色体异常、白血病,青少年记忆力和智力下降。
β-丙内脂本身具有致癌性,虽可被加温水解对人体无害,但对工作人员仍有致癌作用。
高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究的开题报告
高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究的开题报告
研究背景：
在医疗、食品、制药等行业，常常需要对物品进行灭菌，以保证其安全性和质量。
传统的灭菌方法有化学灭菌、热灭菌、紫外线灭菌等，但是这些方法存在一些缺陷，
比如需要使用化学药品，可能产生副作用；加热可能导致物品变质；紫外线灭菌可能
无法触及物品的深层。
因此，需要开发一种新的灭菌方法。
高压脉冲电场灭菌技术是一种新型的灭菌技术，能够快速、高效地杀灭微生物，同时不会对物品本身产生负面影响。
该技术的实现需要涉及高压电场发生器、高压脉
冲电场传导系统、物品隔离室等关键性技术。
研究内容：
本研究将针对高压脉冲电场灭菌系统涉及的各个关键性技术进行研究，包括
1.高压电场发生器的设计和优化，使其能够提供适宜的电压、电流和频率，以保障高压脉冲的稳定和可控。
2.高压脉冲电场传导系统，该系统需要考虑隔离室内物品的形态结构和材质，设计合适的装置，并对传导系统进行优化，以提高灭菌效果。
3.物品隔离室的设计和制作，根据不同的物品进行隔离室的设置，以使物品受到高压脉冲电场的均匀辐射，保证灭菌效果。
4.系统控制与监测技术，开发控制系统，包括数据采集、处理、传输和算法优化等技术，从而确保系统安全稳定。
研究意义与目的：
高压脉冲电场灭菌技术在医疗、食品和制药生产中有着较广泛的应用前景，而各项关键性技术的研究是该技术的重要保证。
本研究目的在于深入研究高压脉冲电场灭
菌技术关键性技术，探索其在工业生产中的实际应用，为产业发展提供技术支持。
同时，本研究的结果也将为高压脉冲电场灭菌技术实现可持续发展提供理论和实践基础。
高压电脉冲灭菌理论的研究进展
Ξ高压电脉冲灭菌理论的研究进展时兰春, 王伯初(重庆大学生物工程学院,重庆400044)摘要:通过精确地控制脉冲电场强度和改变脉冲电场对微生物细胞膜处理时间,使得微生物的细胞膜被不可逆地破坏,从而达到微生物致死目的。
高压脉冲电场灭菌与传统的巴氏灭菌相比具有: 传递快速、均匀、处理时间短、产热少等优点,可以最大程度地减少对食品中营养素的破坏,是一种颇具发展前景的非热力学灭菌方法。
文中就国内外对脉冲电场的灭菌机理和目前所形成的3 种具有代表性的观点及此灭菌方法的前景等方面的研究进展,做一综述。
关键词:高压脉冲电场; 灭菌; 微生物中图分类号:Q689文献标识码:A随着生活水平的提高,消费者对食品的要求也不断提高。
消费者希望食品不仅卫生、新鲜,而且富有营养。
众所周知,传统灭菌方法如热处理( 巴氏杀菌、微波杀菌等) 或化工单元操作杀死了食品中的微生物的同时,也破坏了食品的原有风味、颜色以及某些营养物质。
因此,改进食品的灭菌方法以保持他们的自然品质,是众多科研工作者所追求的目标之一。
高压电脉冲能有效杀灭微生物而不会产生以上危害,是一种颇有发展前景的灭菌方法 1 。
目前,脉冲电场已被应用于基因工程和生物技术领域内的细胞杂交和电融合,并能通过控制脉冲电场强度,达到控制实验中微生物的存活数量 2 。
因而,我们可以通过改变处理时间和电场强度,使得微生物的细胞膜被不可逆地破坏, 从而达到微生物致死目的。
因此,笔者依据脉冲电场在基因工程和生物技术领域积累的大量资料和致力于在食品工业中应用高压脉冲电场灭菌的研究进展,做一较系统的概述,供从事这方面的研究者参考。
压电,产生瞬时的高压脉冲、电弧光以及电化学反应来灭菌 3 ,但由于会造成食品电污染( 因电极的腐蚀) 和食品中颗粒的瓦解( 因冲击波的作用) ,目前仅用于污水处理。
20 世纪60 年代,学者Sale 和Ham ilton4 率先进行了高压电脉冲灭菌效果的研究,他们认为电场强度和作用时间是影响电灭菌效果的两个最主要因素,并通过实验证明了产生灭菌作用的既非电解产物也非热力学的原因。
高压脉冲电场杀菌
高压脉冲电场杀菌2007-04-30 11:481 灭菌机理关于高压脉冲电场杀菌的机理，现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型，电解产物效应、臭氧效应等，大多数学者倾向于认同电磁场对细胞膜的影响，并以此为基础对抑菌动力学进行探索。
细胞膜穿孔效应假说认为，细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它带有一定的电荷，具有一定的通透性和强度。
膜的外表面与膜内表面之间具有一定的电势差。
当细胞上加一个外加电场、这个电场将使膜内外电势差增大。
此时，细胞膜的通透性也随着增加，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增、膜上出现许多小孔，使膜的强度降低。
此外当所加电场为一脉冲电场时，电压在瞬间剧烈波动，在膜上产生振荡效应。
孔的加大和振荡效应的共同作用使细胞发生崩溃，从而达到杀菌目的。
穿孔效应假说可以通过两种方法来证实，一是电子显微镜下的照片显示、酵母菌被处理后可以见到菌体上有明显的裂痕。
另一证据是检测杀菌前后菌液中的离子浓度c。
JayaMm对磷酸盐缓冲液中的乳酸杆菌进行高压脉冲电场杀菌，比较杀菌前后的阴离子浓度，发现在乳酸杆菌被杀灭后Cl-离子浓度高了很多。
由于实验排除了Cl-的其它来源、故而只能得出因为乳酸杆菌细胞膜破裂，细胞内物质外泄的结论。
电磁机制理论是建立在电极释放的电磁能量互相转化基础上。
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(场强6．87特斯拉，功率16KJ)作用。
粘弹极性形成模型认为，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。
电解产物理论指出在电极点施加电场时，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。
高压电场杀菌技术的杀菌原理及应用前景研究
高压电场杀菌技术的杀菌原理及应用前景研究高压电场杀菌技术是一种利用高压电场对微生物进行杀菌的技术。
它通过施加高压电场，使微生物内外部电压发生差异，进而破坏微生物的细胞膜、细胞壁和细胞核，达到杀菌的目的。
高压电场杀菌技术的原理主要包括两个方面：电场杀菌和高压电力学效应。
首先，电场杀菌是指在高压电场中，微生物的细胞内外部电压不一致，导致细胞膜电位差改变，细胞膜的孔道和通道打开，导致细胞的内外物质交换失衡，细胞内外的水分平衡和离子平衡被破坏，细胞的正常生命活动紊乱，并最终导致细胞死亡。
其次，高压电力学效应是指高压电场施加到微生物细胞上时，间接产生的一系列影响。
高压电场作用下，液体介质被极化，产生介电损耗、电渗流和电热效应。
介电损耗是指微生物细胞内外部电介质的摩擦而产生大量热能，使细胞的内部温度急剧上升，导致微生物细胞蛋白质的变性，DNA的降解，最终导致微生物的死亡。
高压电场杀菌技术的应用前景很广泛。
首先，高压电场杀菌技术可以应用于食品工业。
食品存储中常常存在着细菌、霉菌和酵母等微生物的污染，这些微生物会对食品的质量和安全性产生严重的威胁。
高压电场杀菌技术可以有效地杀灭食品中的微生物，延长食品的保质期，保证食品的安全和口感。
其次，高压电场杀菌技术也可以应用于制药工业。
在药物的生产过程中，通常需要对药物进行杀菌消毒，以避免微生物的污染。
传统的杀菌方法需要使用高温和化学消毒剂，这存在着对药物有效成分的破坏和对环境的污染的风险。
而高压电场杀菌技术可以在不使用高温和化学物质的情况下杀菌，保证药物的品质和纯度，降低对环境的影响。
另外，高压电场杀菌技术还可以应用于医疗领域。
在医院的手术室、病房和消毒设备等地方，常常存在着各种细菌和病毒的传播和污染风险。
高压电场杀菌技术可以用于对医院环境的消毒和空气净化，有效地杀灭病原微生物，预防和控制医院感染，保障患者的安全和健康。
总之，高压电场杀菌技术通过施加高压电场，破坏微生物的细胞结构和干扰细胞的正常生命活动，以达到杀菌的目的。
高压脉冲电场杀菌系统设计与试验
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高压脉冲电场对大肠杆菌灭菌条件的优化
高压脉冲电场对大肠杆菌灭菌条件的优化近年来，随着人们对食品安全和质量的关注度不断提高，食品灭菌成为了研究的热点之一。
其中，高压脉冲电场灭菌技术因其安全、高效、环保等优势，受到了广泛的关注和应用。
本文将以大肠杆菌为研究对象，探讨高压脉冲电场对其灭菌条件的优化，以期提高灭菌效率和实用性。
第一步，确定实验参数。
在本次实验中，需要确定高压脉冲电场灭菌的主要参数，包括脉冲电场强度、电场脉冲数、电场作用时间等。
这些参数直接影响着大肠杆菌的死亡率和灭菌效果，需要进行合理的选择和组合。
第二步，准备试验样品。
在实验前，需要对大肠杆菌进行预处理，使其生长状态达到稳定。
同时，还需要制作适当浓度的大肠杆菌溶液，并将其均匀注入试管中。
第三步，进行实验。
在实验过程中，需要将试管放置在高压脉冲电场设备中，设置好参数后进行处理。
处理过程通常包括安装接头、施加电压、运行电源等多个步骤，需要进行严密的操作。
第四步，处理实验数据。
实验结束后，需要对实验结果进行数据处理和分析，以评估高压脉冲电场灭菌的效果。
评估的主要指标包括菌落数、死亡率、LD值等。
第五步，寻找最优参数。
根据实验结果，我们可以寻找最优参数组合，即可以使灭菌效果最大的一组参数。
这也是优化实验的一个重要步骤，不同的参数组合对灭菌效果产生的影响不同，所以需要进行系统的分析和排列组合。
第六步，验证实验结果。
最后，我们需要对最优参数组合进行验证，以确保其灭菌效果稳定、准确、可靠。
这也是衡量高压脉冲电场灭菌技术实用性的关键。
综上所述，高压脉冲电场灭菌技术具有很高的研究和应用价值。
通过以上步骤的执行，我们可以得到一组高效、可靠的灭菌参数，为食品灭菌和保健品生产等领域提供有力支撑。
当然，由于实验条件和受试环境的不同，在具体操作过程中还需要注意安全、规范和实用性等问题。
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脉冲电场处理过程中 , 液态食品要通过一个处理 腔 , 才能接受高压短脉冲 (10ns - 20μs) 及高压脉 冲产生的高压电场穿过液态食品 ( 大约 35 50 KV/ cm) 杀死微生物 。这种脉冲短且频率高 ,当 液态食品在泵过处理腔时 , 腔内所通过液态食品 均被处理 。
目前 , 高压脉冲电场杀菌处理技术工业化推 广应用的主要困难是产生足够能量的高压脉冲电 场的电力装置的设计和制造问题 。
在每个处理腔中 , 每个脉冲能传递 10～100 焦耳能量 , 足以使在腔内食品温度上升几度 。当 食品经过两个处理腔之间时 , OSU 的高压脉冲电 场处理系统能提供一个装置使被处理食品冷却 。 从而限制了被处理食品温度上升 。
在每个单元系统设计里 , 重点要考虑的是一
个无触点开关所能承受的最大电压 , 在这个单元 内 ,总电位差是 120kV。每个开关都应能承受这一 电压值 (当相反的开关关闭 ,有 120kV 经过开着的 开关) 。每个系统设计都需要两个独立 120kV 容量 开关 。
包装与食品机械 2003 年第 21 卷第 3 期
高压脉冲电场杀菌电力系统的研究 Ξ
李艺琳 ,李钢 ,李国忱
(哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150076)
摘要 :高压脉冲电场用于液态食品杀菌 ,具有时间短 、能耗低 ,能有效保存食品营养成份和 天然色 、香 、味特征 ,非常具有工业化应用前途 。本文重点介绍高压脉冲电场杀菌电力系统的结 构特点和应用 。
[J ] . 包装与食品机械 ,2002 ,5 :4 - 6. [ 5] 无锡轻大食品装备有限公司技术资料 .
(上接第 11 页) 度下 ,产量与功率成正比 。 DT公司建造的高压脉冲电力系统 , 工作时的
功率达几十 MW , 超过了一般食物生产线的需 要 。因此 , 这种高压脉冲电力技术很适用于商业 领域里的食品处理 。
冲电力系统 。该高压脉冲电力系统比传统的真空管 或放电器产生高压的方法更有效 、更可靠 。
DT公司建造并交付了第一台商业规模的高 压脉冲电力系统 。使高压脉冲电场杀菌处理技术
Ξ 基金项目 :黑龙江省自然科学基金 ,项目号[ C0208]黑龙江省教育厅科技项目 (10531065) 收稿日期 :2003 - 04 - 24 作者简介 :李艺琳 (1968 - ) ,哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院 ,工程师 ,主要研究方向电力电子 。
[ 1] 赵武奇 , 殷涌光 . 高压脉冲电场杀菌系统设计与实 验[J ] . 吉大农业机械学报 ,2002 , (5) :67 —68.
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高压脉冲电场杀菌电力系统的研究 —李艺琳 ,李钢 ,李国忱
能从实验室过渡到在商业上应用 。
3 高压脉冲电力系统的结构特点
如图 1 所示 , 俄亥俄州立大学食品系 (简称 OSU) 的高压脉冲电场调制器系统是由 DT公司建 造的 , 该调制器具有双极性 , 它能提供正 、负脉冲 达到 60kV , 750A 峰值 , 每个极都有独立供电电源
参考文献 : [ 1] 崔洪斌 . 大豆生物活性物质开发与利用 [ M] . 北京 :
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在这个单元中 , 每个无触点开关都是由多个 串联的 IGB T组成 , 这些所有的单个 IGB T的开关 能同时开和闭 。并且电压通过这些开关来分配 , 用这种方法 ,每个开关操作为一个单独装置 ,在正 常工作或过载期间 , 可根据开关所能通过的最大 电压 ,来决定串多少个独立装置 。
高压脉冲作用于要处理的食品 , 食品流过插 有直径 1cm 管子的多处理腔 , 每个处理腔设计成 给流过食品提供相同电场 。高压脉冲的重复率 、 液体流速都能被控制以确保所有流过这个系统的 液体能经过大量电脉冲 。就电力而言 , 处理腔并 排连接 , 这样在每一个处理腔都能提供相同峰值 电压 ( ±60kV) 。
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含纤维食品物料的湿法粉碎 —徐 凯 ,高友生 ,张裕中
213 机械撞击 、剪切作用 机械剪切对纤维物料的粉碎是一个较大尺度 上的粉碎 , 在定转子相配合的地方 , 由于刀具之 间的剪切使纤维破碎 。另外 , 在此过程中 , 由于 旋转流的离心力而使混合相流体与固体壁面产生 剧烈的撞击 、摩擦 , 因此机械力的作用不仅直接 对纤维物料产生切断作用 , 同时还对流体中的聚 合状态物料产生着分散作用 。这是对剪切力的重 要补充 , 也是纤维切断的一个重要因素 。
高压脉冲 , 这些系统是昂贵的、效率低并且幅值和 频率都受限制 , 不能提供有效的高幅值电源 , 这种 系统用于商业运作其产量和费用都是不经济的 。经 过十几年开发研制 , 由美国 DT公司研制出高压脉
杀菌 , 经高压脉冲电场杀菌加工处理的食品始终 处于冷却状态 ,因为加热很少 ,所以加工后的饮料 具有安全 ,风味和口感近似于新鲜饮料 ,营养成份 与新鲜的没经过处理的食品没什么区别 。在高压
( Harbin University of Commerce Harbin 150076 ,China)
Abstract : High voltage pulsed was applied in liquid food sterilization. The method showed so many advantages , such as short time ,low energy consumption , effective conservation of the food′s nutrients and natural characters of color , smell and taste. In this paper , we will describe the architecture of the pulsed power system and the application of high voltage system to food sterilization.
图 4 芹菜纤维经剪切后显微照片 表 1 剪切式均质机与其他设备对比试验结果
功率 ( kW) 流量 ( m3) 电流 (A) 粉碎细度
针磨 200 45 340 一般
两道砂磨 胶体磨 剪切式均质机
30
20
200
7
< 40
45
50 240 - 280
差
一般
260 很好
4 结论与展望
本文对纤维物料在剪切式均质机中的粉碎作 了初步的分析 , 并根据试验结果验证了有关的推 断 , 这只是一些前期的工作 。今后的研究将针对 剪切式均质机内的流场特性作理论研究 , 并比较 现有的不同形式的粉碎设备 [4 ]作深入研究 。
3 试验研究
311 试验设备 高剪切均质机 无锡轻大食品装备有限公司 QDL 系列 光学显微镜 GALEN III QS - 585 型 120 度压力曲筛 312 试验原料 芹菜 玉米 313 试验步骤 芹菜初粉碎后进入高剪切均质机 , 均质时间 5 分钟 。玉米浸泡 3 小时后 , 进入高剪切均质机 , 均质 5 分钟 。 314 结果与分析 (1) 对芹菜经过高剪切均质机粉碎后的物料 进行显微分析 ,如图 4 所示 。 我们可以看出 ,纤维束在剪切力的作用下 ,纵 向纤维有明显的被切断痕迹 。这就验证在剪切式 均质机中对纤维物料的剪切作用 。 (2) 对玉米物料的试验是在山东九九有限公 司进行的 。用剪切式均质机与其它设备进行了对 比试验 ,结果如表所示 。
化大力开展研究推广的项目 。 高压脉冲电场杀菌是利用高强度脉冲电场瞬
2. 高压脉冲电场杀菌电力系统
时破坏微生物的细胞膜 , 使都使用真空管或放电器来产生
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 ℃) 从而可以避免加热杀菌的缺陷。
现在 , 高压脉冲电场杀菌处理 ( PEF) 技术应 用研究主要集中在液态食品 (如饮料 、牛奶等) 的
4 结语
实验已证明 , 经高压脉冲电场处理过的大面 积液体食物能使其病原体减少 , 高压脉冲电场处 理效果可等同于巴氏灭菌 。对热敏感的食品 , 可
考虑利用非加热的高压脉冲电场来处理 , 以保证 食品味道 、颜色 、营养价值不变 。高压脉冲电力系 统的使用 , 使高压脉冲电场处理这一技术能从实 验室应用到大规模商业处理设备 。
被处理的食品是电路的一个主要部分 ———在 每个脉冲期间 , 在处理腔中的液体相当于负载电 阻且能被调制器观测到 。每个单元的流量与被处 理的液体电阻率都有直接关系 , 典型的液态食品 电阻率都在同一数量级内变化 , 主要取决于液体 成分构成 、溶解矿物质的量 (如盐) 及液体中的固 体 (如果肉) 。调节器具有非常低的阻抗 , 相当于 一个稳压源 , 这确保了在任何情况下都能出现所 期望的电磁场 。在每个脉冲里 , 电流将随着产品 的电阻率变化而改变 。脉冲如图 2 所示是一个 40kV 双极性脉冲通过流经八个处理腔中的一个 处理腔的橙汁 , 在这个处理腔峰值电流大约为 75A , 8 个处理腔大约 600A 的脉冲 (240MW 功 率) 。在这个例子中 ,上升时间已经被调制器中电 感所限制 ,并且总脉冲 (2. 5μs) 小于上升时间 。在 这个结构里 ,在液体流动中 ,一个气泡或其它物质 可能引起冲击电流 , 调制器中的电感允许开关在 电流冲击引起破坏之前打开 。对于较长脉冲 , 脉 冲的剩余部分将封顶在 50kV。在功率 75kW 内 ,成 对脉冲以某一频率重复出现 。