高压脉冲电场杀菌课件

第十三章第十三章高压脉冲电场杀菌高压脉冲电场杀菌第十三章高压脉冲电场杀菌1定义定义脉冲电场脉冲电场(Pulsed Electric Fields,PEF)处理是处理是一种新型的非热食品杀菌技术一种新型的非热食品杀菌技术它是以较高的电场强度它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短、较短的脉冲宽度（的脉冲宽度（0-100s）和较高的脉冲频率）和较高的脉冲频率（0-2000Hz）对液体、半固体食品进行处）对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。生产线。定义脉冲电场(Pulsed Electric Fields,2高压脉冲电场技术的发展历程高压脉冲电场技术的发展历程上个世纪上个世纪 60 年代，年代，Sale 和和 Hamilton 等学者率先等学者率先对对 PEF 灭菌技术进行了研究，并通过实验证明了灭菌技术进行了研究，并通过实验证明了 PEF 的非热效应。的非热效应。80 年代以后，年代以后，Hulsheger、Zimmermann 等学者等学者对对 PEF灭菌机理做了进一步探讨，并研制出了小灭菌机理做了进一步探讨，并研制出了小型试验设备。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。设备，并获得了专利。Zimmermann 等人还对指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效果做了对比研究，发现矩形脉冲波的作用效果最好。最好。高压脉冲电场技术的发展历程上个世纪 60 年代，Sale 和3目前较为成熟的是华盛顿州立大学食品非热研究目前较为成熟的是华盛顿州立大学食品非热研究中心利用脉冲电容储能，触发放电产生指数衰减中心利用脉冲电容储能，触发放电产生指数衰减型高压脉冲研制的型高压脉冲研制的 PEF 处理实验系统，以及随后处理实验系统，以及随后利用脉冲成型网络（利用脉冲成型网络（PFN）研制的高压方波）研制的高压方波 PEF 处理实验系统。处理实验系统。2000 年美国年美国 DTI 公司为俄亥俄州立大学食品技术公司为俄亥俄州立大学食品技术系设计制造了第一台商用系设计制造了第一台商用 PEF 处理系统处理系统PEF 技术是近年来研究最多的食品非热处理技术技术是近年来研究最多的食品非热处理技术之一。之一。目前较为成熟的是华盛顿州立大学食品非热研究中心利用脉冲电容储4国内状况l与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少。少。l国内在上世纪国内在上世纪 90 年代后期开始进行年代后期开始进行 PEF 杀菌方面的研究，杀菌方面的研究，目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开展展 PEF 技术的相关研究技术的相关研究l江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套 OSU-4L 型型 PEF 杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造l中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对 PEF 对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作l浙江大学、清华大学在浙江大学、清华大学在 PEF 设备和处理腔设计方面取得设备和处理腔设计方面取得了一定成果了一定成果国内状况与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少5国内状况与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少。与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少。国内在上世纪国内在上世纪 90 年代后期开始进行年代后期开始进行 PEF 杀菌方面的研究，杀菌方面的研究，目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开展展 PEF 技术的相关研究技术的相关研究江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套 OSU-4L 型型 PEF 杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对 PEF 对果对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作浙江大学、清华大学在浙江大学、清华大学在 PEF 设备和处理腔设计方面取得了一设备和处理腔设计方面取得了一定成果定成果国内状况与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步晚、研究少6l近年来，我国学术期刊上出现少量关于 PEF 在食品保藏中应用的报导，但远没有国外研究的深入l可以说，我国对 PEF 技术的研究方兴未艾，但与国外相比尚存在较大差距。近年来，我国学术期刊上出现少量关于 PEF 在食品保藏中应用7高压脉冲电场杀菌机理高压脉冲电场杀菌机理l目前目前 PEF 对微生物的作用机理尚不完全清楚对微生物的作用机理尚不完全清楚l多数学者认为多数学者认为 PEF 是通过外部电场与微生物细胞是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿电穿孔孔”而导致微生物灭活而导致微生物灭活l微生物细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，微生物细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行有细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行有着极其重要的作用着极其重要的作用lPEF 的杀菌作用与其对微生物细胞膜的影响密切相的杀菌作用与其对微生物细胞膜的影响密切相关关l当微生物被置于高压脉冲电场中时，细胞膜会被破当微生物被置于高压脉冲电场中时，细胞膜会被破坏，从而导致细胞内容物外渗，引起细胞死亡。坏，从而导致细胞内容物外渗，引起细胞死亡。高压脉冲电场杀菌机理目前 PEF 对微生物的作用机理尚不完全8（一）细胞膜的电穿孔（一）细胞膜的电穿孔(electroporation)电穿孔现象是指细胞暴露在电穿孔现象是指细胞暴露在 PEF 作用下出现的细胞作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。细胞质膜通透性大膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。细胞质膜通透性大幅增加，胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破幅增加，胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。损。其基本原理如下：其基本原理如下：设细胞为球形，其所处外电场诱导的膜电位可由下式设细胞为球形，其所处外电场诱导的膜电位可由下式表示：表示：式中，式中，r是细胞的半径，是细胞的半径，E是外加电场强度，是外加电场强度，是电场是电场方向与指定点法线之间的夹角，方向与指定点法线之间的夹角，是外加交流电场的角频是外加交流电场的角频率，率，t是细胞膜电介质的弛豫时间常数。是细胞膜电介质的弛豫时间常数。（一）细胞膜的电穿孔(electroporation)9PEF 杀菌效果杀菌效果 lPEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠杆菌杆菌 O157、霉菌和酵母等、霉菌和酵母等l研究结果表明研究结果表明 PEF 处理对这些微生物的营处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，但芽孢表养体细胞均有较好的杀灭作用，但芽孢表现出较强的耐受性。现出较强的耐受性。PEF 杀菌效果 PEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆10影响高压脉冲电场杀菌的因素影响高压脉冲电场杀菌的因素 影响影响PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为加工因素，产品因素和微生物特征因素。果，基本上分为加工因素，产品因素和微生物特征因素。影响高压脉冲电场杀菌的因素 影响PE11高压脉冲电场对食品组分的影响高压脉冲电场对食品组分的影响 1、PEF 对食品蛋白质组分的影响对食品蛋白质组分的影响 酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，PEF 处理可以钝化酶活和改变酶的结构处理可以钝化酶活和改变酶的结构那么那么 PEF 也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能产生影响产生影响而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。质在内的食品组分产生一定的影响。高压脉冲电场对食品组分的影响 1、PEF 对食品蛋白质组分的12Barsotti等报道，等报道，PEF 处理不会引起卵球蛋白的明显变性，处理不会引起卵球蛋白的明显变性，而而 PEF 处理过的蛋清蛋白的热凝胶性能稍有下降，但还处理过的蛋清蛋白的热凝胶性能稍有下降，但还是明显好于热处理的蛋清；是明显好于热处理的蛋清；Li 等报道，在使微生物数目减等报道，在使微生物数目减少少5.3 个对数值的作用强度下，个对数值的作用强度下，PEF 对牛奶免疫球蛋白对牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和结构的影响不显著）的活性和结构的影响不显著；Fernandea-Diaz 等用等用 31.5KV/cm 左右的指数衰减脉冲电左右的指数衰减脉冲电场处理卵清溶液，发现场处理卵清溶液，发现 PEF 可使卵清蛋白部分展开或提可使卵清蛋白部分展开或提高高 SH 解离成易反应解离成易反应 S-的离子化程度。的离子化程度。Perez 等用等用 12.5kv/cm 的指数衰减脉冲电场静态处理卵清蛋白和的指数衰减脉冲电场静态处理卵清蛋白和-乳乳球蛋白浓缩液，发现两种蛋白都有不同程度球蛋白浓缩液，发现两种蛋白都有不同程度(26-40%)的的变性，差示扫描量热仪（变性，差示扫描量热仪（DSC）测定显示）测定显示 PEF 处理后的处理后的-乳球蛋白浓缩液热变性温度下降乳球蛋白浓缩液热变性温度下降 4-5，而卵清蛋白的热，而卵清蛋白的热稳定性有所增强，电泳分析有共价键参与的凝聚生成。稳定性有所增强，电泳分析有共价键参与的凝聚生成。Budi 等报道等报道 PEF 可抑制胰岛素分子柔性，从而影响底物可抑制胰岛素分子柔性，从而影响底物与活性位点的接触。与活性位点的接触。Xiang 等发现等发现 22 kV/cmPEF 作用作用 80 个脉冲可引起牛乳中个脉冲可引起牛乳中 25蛋白变性。蛋白变性。Barsotti等报道，PEF 处理不会引起卵球蛋白的明显变13Li 等研究了等研究了 PEF 对大豆分离蛋白结构与功能性质的影响，对大豆分离蛋白结构与功能性质的影响，结果表明随着脉冲强度和脉冲处理时间的延长结果表明随着脉冲强度和脉冲处理时间的延长,大豆分离大豆分离蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，当脉冲强蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，当脉冲强度或处理时间大于一定程度，蛋白质分子变性程度增加，度或处理时间大于一定程度，蛋白质分子变性程度增加，功能性质下降。功能性质下降。张铁华等研究了张铁华等研究了 PEF对蛋清蛋白功能性质的影响。研究结对蛋清蛋白功能性质的影响。研究结果表明蛋清蛋白的溶解度在脉冲电场强度大于果表明蛋清蛋白的溶解度在脉冲电场强度大于35kV/cm 时时下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫稳定性及疏水下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫稳定性及疏水性先随脉冲电场强度增加而增大，但当脉冲电场强度大于性先随脉冲电场强度增加而增大，但当脉冲电场强度大于 30kV/cm 后逐渐下降。后逐渐下降。卢蓉蓉等研究了卢蓉蓉等研究了 PEF对乳铁蛋白（对乳铁蛋白（LF）结合铁能力的影）结合铁能力的影响，发现响，发现 LF 的铁结合能力大体随电场强度、处理时间和的铁结合能力大体随电场强度、处理时间和脉冲宽度增加而降低。脉冲宽度增加而降低。曾新安等和刘燕燕等研究了曾新安等和刘燕燕等研究了 PEF 对大豆分离蛋白溶液的对大豆分离蛋白溶液的表面性质和粒径分布，研究结果表明一定强度的表面性质和粒径分布，研究结果表明一定强度的 PEF 可可影响氨基酸的极性和电负性，进而影响了蛋白质分子间的影响氨基酸的极性和电负性，进而影响了蛋白质分子间的相互作用，从而影响蛋白质胶体体系的相互作用，从而影响蛋白质胶体体系的电位、稳定性，电位、稳定性，改变胶束的粒径分布。改变胶束的粒径分布。Li 等研究了 PEF 对大豆分离蛋白结构与功能性质的影响，142、PEF 对食品脂质组分的影响对食品脂质组分的影响 一些研究者已经提出了一些研究者已经提出了 PEF 处理食品过程中处理食品过程中的电化学问题和电极腐蚀问题。的电化学问题和电极腐蚀问题。Johan 等发现等发现 PEF 处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问题。题。Roodenburg 等的研究显示，在等的研究显示，在 PEF 处理食处理食品过程中，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质品过程中，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会少量释放到食品中。这些因素决定会少量释放到食品中。这些因素决定 PEF 处理食处理食品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。的氧化产物。2、PEF 对食品脂质组分的影响 一些15 最近，最近，PEF 处理过程中脂肪酸、油脂等发生变化的现处理过程中脂肪酸、油脂等发生变化的现象开始受到研究者的关注，象开始受到研究者的关注，Garde-Cerdan 等发现等发现 PEF 处处理（杀菌）可引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少，其中月桂理（杀菌）可引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少，其中月桂酸的变化最为明显；酸的变化最为明显；Guderjan 等应用等应用 PEF 辅助提取油菜辅助提取油菜籽中的油脂来提高出油率，发现籽中的油脂来提高出油率，发现 PEF 辅助提取的油菜籽辅助提取的油菜籽油的酸值显著高于未用油的酸值显著高于未用 PEF 处理的。资智洪等和曾新安处理的。资智洪等和曾新安等报道等报道 PEF 处理油酸和花生油会导致一定程度的脂质氧处理油酸和花生油会导致一定程度的脂质氧化，过氧化值升高以及不饱和脂肪酸含量下降。梁琦等研化，过氧化值升高以及不饱和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了究了 PEF 处理对油酸理化性质的影响及处理对油酸理化性质的影响及 PEF 处理过的油处理过的油酸在贮藏过程中理化性质的变化。实验结果表明油酸的过酸在贮藏过程中理化性质的变化。实验结果表明油酸的过氧化值随着氧化值随着 PEF 处理强度和贮藏时间的增加显著增大，处理强度和贮藏时间的增加显著增大，羰基值在羰基值在 PEF 处理后的一周后迅速升高，处理后的一周后迅速升高，PEF 处理过的处理过的油酸碘价在贮藏油酸碘价在贮藏 2d 后有下降趋势。后有下降趋势。最近，PEF 处理过程中脂肪酸、油脂等163、PEF 对食品碳水化合物组分的影响对食品碳水化合物组分的影响 关于关于 PEF 对碳水化合物影响的研究较少。对碳水化合物影响的研究较少。张鹰等报道张鹰等报道 25kV/cmPEF 处理的脱脂牛乳中乳糖处理的脱脂牛乳中乳糖含量未发生显著变化。含量未发生显著变化。Garde-Cerdan 等研究发现等研究发现 PEF 处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没有影响。处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没有影响。Han 等采用等采用 PEF 对玉米淀粉进行处理，结果表明对玉米淀粉进行处理，结果表明 50kV/cmPEF 处理后淀粉颗粒表面会出现明显的处理后淀粉颗粒表面会出现明显的小孔和凹坑，小孔和凹坑，X 射线衍射峰的强度和焓值及糊化射线衍射峰的强度和焓值及糊化转变温度降低，表明淀粉在转变温度降低，表明淀粉在 PEF 作用下发生了分作用下发生了分子结构破坏和重排。子结构破坏和重排。3、PEF 对食品碳水化合物组分的影响 174、PEF 对食品其它组分的影响对食品其它组分的影响 Cortes 等研究发现等研究发现 PEF 处理对橘汁中类胡处理对橘汁中类胡萝卜素的活力有很小的影响。萝卜素的活力有很小的影响。Rivas 等研究了等研究了 PEF 处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（4保保存存 81d）内水溶性维生素（维生素）内水溶性维生素（维生素 H、叶酸、维、叶酸、维生素生素 B5 和核黄素）的变化，发现和核黄素）的变化，发现 40kV/cmPEF 处理后样品中的维生素可保留处理后样品中的维生素可保留 90%以上。以上。Zhang 等报道花色苷矢车菊素等报道花色苷矢车菊素 3-O-葡萄糖苷在葡萄糖苷在 PEF 作作用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。Elez-Martinez 等研究了等研究了 PEF 处理后橙汁中维生素处理后橙汁中维生素 C 以及抗氧化能力的变化，发现维生素以及抗氧化能力的变化，发现维生素 C 的保留量的保留量随场强、处理时间增大而减小。随场强、处理时间增大而减小。35kV/cm PEF 处处理后橙汁中维生素理后橙汁中维生素 C 的保留率在的保留率在 87%以上。以上。4、PEF 对食品其它组分的影响 18高压脉冲电场系统设备高压脉冲电场系统设备 PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、温度测定系统。下图是江南大学实验用的温度测定系统。下图是江南大学实验用的PEF处理单元图处理单元图表。表。高压脉冲电场系统设备 PEF系统设备主19高压脉冲电场杀菌课件20PEF波形波形 不同的电路系统产生不同的不同的电路系统产生不同的PEF波形，主要有指数衰波形，主要有指数衰减波形、方波波形和阻尼减波形、方波波形和阻尼RLC脉冲波形。如图脉冲波形。如图1-3a,b所示。所示。指数衰减波形由于有一条低场强的长尾，因而灭菌效果较指数衰减波形由于有一条低场强的长尾，因而灭菌效果较差，而且能促使食品产热，但这种波形的电路系统简单，差，而且能促使食品产热，但这种波形的电路系统简单，系统装置造价比较低。方波的峰值电压持续时间较长，因系统装置造价比较低。方波的峰值电压持续时间较长，因而杀菌效果比较好，但方波的电路系统复杂，系统装置造而杀菌效果比较好，但方波的电路系统复杂，系统装置造价比较昂贵。根据脉冲方向的不同又可分为单向波和双向价比较昂贵。根据脉冲方向的不同又可分为单向波和双向波，单极波是指脉冲方向单是一的，或者总是正极，或者波，单极波是指脉冲方向单是一的，或者总是正极，或者总是负极。双向波是指脉冲方向随时间做正负交替变化。总是负极。双向波是指脉冲方向随时间做正负交替变化。一般认为，双向波对微生物的致死能力大于单向波，并能一般认为，双向波对微生物的致死能力大于单向波，并能减少电极表面固形物的沉淀和食品的电解。脉冲频率是指减少电极表面固形物的沉淀和食品的电解。脉冲频率是指脉冲发生的频率，即每秒中内脉冲发生的个数。脉冲宽度脉冲发生的频率，即每秒中内脉冲发生的个数。脉冲宽度是指每个脉冲持续的时间。是指每个脉冲持续的时间。PEF波形 不同的电路系统产生不同的P21高压脉冲电场杀菌课件22