什么是高壓脈沖電場？

一、原理

高壓脈沖電場(pulsed electric field，PEF)是一種非熱處理技術，具有處理時間短，溫升小，能耗低和殺菌效果明顯等特點，成為近幾年來國內外研究的熱點之一。

良好的高壓脈沖處理系統是高壓脈沖電場殺菌技術得以應用的前提。設計的關鍵是脈沖發生器和處理室。

脈沖發生器

高壓脈沖電場殺菌裝置的核心部分。高壓脈沖發生器用來產生10kV以上的脈沖，該高壓脈沖被加到處理室電極的兩極板上，在處理室內產生10kV/cm以上的強電場。

處理室

處理室與高壓脈沖發生器相連接，它的主要作用是將高壓脈沖電場傳遞給流經此室的液體食品，以達到殺菌的目的。食品在處理室內受到高壓脈沖電場作用時，要避免電火花的產生。一旦產生電火花．電極就會被腐蝕，食品被電解，產生氣泡。因此，在設計食品處理室時，應著重解決好以下問題：電極表面要盡可能光滑以減少電子的逸出．采用圓形電極以避免電場集中，為食品提供一個均勻的高壓脈沖電場。

食品處理裝置結構簡圖

高壓脈沖電場殺菌機理

1.Hamilton和Sale(1967)理論

當一個外部電場加到細胞兩端時，就會產生跨膜電位(TMP)。對半徑r處于均勻場強E中的球形來說，其沿電場方向的跨膜電位．可由下式得出：

U(t)=1.5rE

式中：u——沿電場方向的跨膜電位，t；

r——細胞半徑，µm；

E——電場強度(kV/mm)，并且認為當跨膜電位(TMP)達到1V時，細胞膜便失去功能。

2.Zimmermann(1986)電崩解理論

細胞膜被視為電容，在高壓電脈沖作用下，膜兩側電位差進一步變大，由于電荷相反，它們相互吸引形成擠壓力，當TMP達到臨界崩解電位差時，細胞膜就開始崩解，導致細胞膜穿孔(充滿電解質)形成，進而在膜上產生瞬間放電，使膜分解。

3.Tsong(1991)電穿孔理論

由于微生物細胞在高壓脈沖電場的作用下細胞膜上的雙磷脂層和蛋白質暫時變得不穩定導致的一種現象。在外加電場的作用下其細胞膜壓縮并形成小孔，通透性增加，小分子物質如水分子可透過細胞膜進入細胞內，致使細胞體積膨脹，最后導致細胞膜破裂，細胞內容物外漏，使細胞死亡。

4.空穴理論

正是由于這種高壓脈沖能量直接轉換成的沖壓式機械能，引起液體食品中微生物細胞內部的強烈振動和細胞膜破裂等現象，從而產生殺菌效應。

5.電磁機制模型

電磁理論認為電場能量與磁場能量是相互轉換的，在兩個電極反復充電與放電的過程中，磁場起了主要殺菌作用，而電場能向磁場的轉換保證了持續不斷的磁場殺菌作用。這樣的放電裝置在放電端使用電容器與電感線圈直接相連，細菌放置在電感線圈內部，受到強磁場作用。

6.粘彈極性形成模型

此模型認為，一是細菌的細胞膜在殺菌時受到強烈的電場作用而產生劇烈振蕩，二是在強烈電場作用下，介質中產生等離子體，并且等離子體發生劇烈膨脹，產生強烈的沖擊波，超出細菌細胞膜的可塑性范圍而將細菌擊碎。

7.電解產物效應

此理論指出在電極施加電場時，電極附近介質中的電解質電離產生陰離子，這些陰陽離子在強電場作用下極為活躍，穿過在電場作用下通透性提高的細胞膜，與細胞的生命物質如蛋白質、核糖核酸結合而使之變性。

二、脈沖電場發展史

l 早在1967年，英國學者就發現25kV/cm直流脈沖能有效致死營養細菌和酵母菌。

l 20世紀80年代以來，美國、日本等發達國家研究比較活躍，并制造了成套的技術設備。

l 20世紀90年代中后期，我國開始進行這方面的研究。

l 目前主要有江南大學、中國農業大學、清華大學、華南理工大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學等高校在開展 PEF 技術的相關研究

l 江南大學從美國俄亥俄州立大學購置一套 OSU-4L 型 PEF 殺菌設備，并進行了較為基礎性的研究和設備改造

l 中國農業大學、吉林大學和華南理工大學等機構對 PEF 對果蔬汁中殺菌鈍酶效果及機理研究做了許多基礎工作

l 浙江大學、清華大學在 PEF 設備和處理腔設計方面取得了一定成果

三、脈沖電場物料處理效果

高壓脈沖電場對牛奶殺菌的研究

室溫條件下，電場強度為50 kV/cm，脈沖數對電場殺菌效果影響較小，所以可以選用較小的脈沖數。

原料乳中微生物殘留數與場強大小關系

處理脈沖數6個，整個殺菌過程中，由于脈沖數較少，處理后的牛乳沒有溫升。

微生物殘留數與脈沖數大小的關系

電場強度是最主要的影響因素，場強越大，電場的殺菌效果越好，其次是溫度，溫度越高，電場殺菌效果越好，最后是脈沖數的影響，電場殺菌效果隨脈沖數的增加而增加，但增加幅度不大．

殺菌溫度與殺菌效果的關系

l 質量分數為2％的含脂乳經PEF處理，無菌包裝．4℃保存。它的物理化學性質沒有改變．微生物貨架期2周。

l 熱-巴氏殺菌乳與PEF--巴氏殺菌乳感官評定上沒有區別。

l 采用氨基酸分析儀對經電場處理前后牛乳中的游離氨基酸質量分數進行了分析研究．發現牛乳中的總游離氨基酸質量數增多。

l 采用高效液相色譜儀對經電場處理前后牛乳中的維牛素A質量分數進行了測定．發現牛乳中維a的質量分數幾乎無損失。

l 同樣，有研究表明場強在10～100 kV／cm．脈沖數在100～1200的條件下．牛乳中pH值、電導率、乳糖質量分數和蛋白質質量分數變化均不顯著。

l 僅有VC的質量分數會有相當大程度的減少。

高壓脈沖電場對桃汁殺菌的研究

電場強度、脈沖數、殺菌溫度的優水平分別為60kV/cm、6、35℃。

1.電場強度E=40kV/cm，溫度為室溫(20℃左右)。

殘留菌數與樣品溫度的關系

2. E=40kV/cm，脈沖頻率F=200 Hz，處理一次脈沖數C=2。

殘留菌數與電場強度的關系

3.脈沖頻率f=400Hz，處理一次脈沖數C=4，溫度為室溫(20℃左右)

殘留菌數與場強的關系

桃汁理化指標

l 抗壞血酸、總算含量均未發生變化，氨基態氮略有降低。電導率測定未發生變化。

l 高壓脈沖電場對桃汁非熱殺菌，其電場強度和殺菌溫度是主要的影響因素，脈沖數對殺菌影響不顯著。殺菌后的桃汁保持了原桃汁原有的營養和鮮味，高壓脈沖電場非熱殺菌不改變桃汁的物理、化學性質。

高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究

①　酵母菌和霉菌是果汁中最常見的有害微生物, 它們可以在較低的 pH值下生存。對 PEF處理前后石榴汁中的酵母菌 霉菌以及大腸桿菌進行計數, 結果表明酵母菌和霉菌比大腸桿菌更難殺滅。

②　在脈沖頻率為100Hz, 場強為35kV/cm時, 當脈沖處理時間達到200µs時, 大腸桿菌下降 3.62個lg， 酵母菌下降2.34個lg， 而霉菌僅下降了0.74個lg值, 霉菌孢子對PEF較不敏感。

③　當處理頻率為 333Hz時, 電場強度為35kV/cm,處理時間為 200µs, 霉菌下降了1.82個lg值。當處理時間達到800µs，霉菌數量降低3.6個lg。

PEF處理對石榴汁理化性質的影響

(1) 多酚含量與原樣無顯著差異

(2) 類黃酮稍有下降

(3) 澄清度僅下降1%左右

(4) 對色澤有所影響，但小于熱處理

高壓脈沖電場對綠茶飲料殺菌的研究

PEF對綠茶飲料殺菌具有非常明顯的作用，單場強度和處理時間是其殺菌效果的主要參數，隨著電場強度和處理時間的增大，殺菌效果越來越好。當電場強度達到40kV/cm時，殺菌效果非常顯著，處理時間為40µs時總菌數已經降低了2.7個對數值。

PEF處理后，綠茶飲料的茶多酚、氨基酸含量和色澤均未發生明顯變化，PEF不僅能夠使綠茶飲料達到檢測無菌的水平，還可以保持其原有品質。

高壓脈沖電場對食品組分的影響

PEF 對食品蛋白質組分的影響

酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質，PEF 處理可以鈍化酶活和改變酶的結構，那么 PEF 也必然會對食品蛋白質組分的結構與功能產生影響。而且從原理上講，脈沖電場會影響蛋白質基團間的靜電相互作用和帶電基團的定位，擾亂蛋白質氨基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導致電荷分離，從而影響蛋白質的結構（二級和三級）。另外，電極周圍的電化學反應也可能會對包括蛋白質在內的食品組分產生一定的影響。

Barsotti等報道，PEF 處理不會引起卵球蛋白的明顯變性，而PEF處理過的蛋清蛋白的熱凝膠性能稍有下降，但還是明顯好于熱處理的蛋清；Li等報道，在使微生物數目減少5.3個對數值的作用強度下，PEF對牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和結構的影響不顯著；

Fernandea-Diaz等用31.5KV/cm左右的指數衰減脈沖電場處理卵清溶液，發現PEF可使卵清蛋白部分展開或提高SH解離成易反應S-的離子化程度。Perez等用12.5kv/cm的指數衰減脈沖電場靜態處理卵清蛋白和β-乳球蛋白濃縮液，發現兩種蛋白都有不同程度(26-40%)的變性，差示掃描量熱儀（DSC）測定顯示PEF處理后的β-乳球蛋白濃縮液熱變性溫度下降 4-5℃，而卵清蛋白的熱穩定性有所增強，電泳分析有共價鍵參與的凝聚生成。

Budi 等報道PEF可抑制胰島素分子柔性，從而影響底物與活性位點的接觸。

Xiang 等發現22kV/cmPEF作用80個脈沖可引起牛乳中25％蛋白變性。

Li 等研究了PEF對大豆分離蛋白結構與功能性質的影響，結果表明隨著脈沖強度和脈沖處理時間的延長,大豆分離蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，當脈沖強度或處理時間大于一定程度，蛋白質分子變性程度增加，功能性質下降。

張鐵華等研究了PEF對蛋清蛋白功能性質的影響。研究結果表明蛋清蛋白的溶解度在脈沖電場強度大于35kV/cm時下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫穩定性及疏水性先隨脈沖電場強度增加而增大，但當脈沖電場強度大于30kV/cm后逐漸下降。

盧蓉蓉等研究了PEF對乳鐵蛋白（LF）結合鐵能力的影響，發現LF的鐵結合能力大體隨電場強度、處理時間和脈沖寬度增加而降低。

曾新安等和劉燕燕等研究了PEF對大豆分離蛋白溶液的表面性質和粒徑分布，研究結果表明一定強度的PEF可影響氨基酸的極性和電負性，進而影響了蛋白質分子間的相互作用，從而影響蛋白質膠體體系的電位、穩定性，改變膠束的粒徑分布。

PEF 對食品脂質組分的影響

一些研究者已經提出了 PEF 處理食品過程中的電化學問題和電極腐蝕問題。Johan 等發現 PEF 處理過程中的電化學反應引起的電極腐蝕問題。Roodenburg 等的研究顯示，在 PEF 處理食品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質會少量釋放到食品中。這些因素決定 PEF 處理食品過程中，電化學反應必然發生，電化學反應的產物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引發脂質由單重態氧、自由基和其他氧化性物質引發氧化反應（鏈式反應），產生一系列復雜的氧化產物。

最近，PEF 處理過程中脂肪酸、油脂等發生變化的現象開始受到研究者的關注， Garde-Cerdan 等發現 PEF 處理（殺菌）可引起葡萄汁中脂肪酸總量的減少，其中月桂酸的變化最為明顯；Guderjan 等應用 PEF 輔助提取油菜籽中的油脂來提高出油率，發現 PEF 輔助提取的油菜籽油的酸值顯著高于未用 PEF 處理的。資智洪等和曾新安等報道 PEF 處理油酸和花生油會導致一定程度的脂質氧化，過氧化值升高以及不飽和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了 PEF 處理對油酸理化性質的影響及 PEF 處理過的油酸在貯藏過程中理化性質的變化。實驗結果表明油酸的過氧化值隨著 PEF 處理強度和貯藏時間的增加顯著增大，羰基值在 PEF 處理后的一周后迅速升高，PEF 處理過的油酸碘價在貯藏 2d 后有下降趨勢。

PEF 對食品碳水化合物組分的影響

關于 PEF 對碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報道 25kV/cmPEF 處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發生顯著變化。Garde-Cerdan 等研究發現 PEF 處理對葡萄汁中還原糖含量幾乎沒有影響。Han 等采用 PEF 對玉米淀粉進行處理，結果表明 50kV/cmPEF 處理后淀粉顆粒表面會出現明顯的小孔和凹坑，X 射線衍射峰的強度和焓值及糊化轉變溫度降低，表明淀粉在 PEF 作用下發生了分子結構破壞和重排。

Cortes 等研究發現 PEF 處理對橘汁中類胡蘿卜素的活力有很小的影響。Rivas 等研究了 PEF 處理牛乳和橙汁及處理后的保藏期（4℃保存 81d）內水溶性維生素（維生素 H、葉酸、維生素B5和核黃素）的變化，發現 40kV/cmPEF 處理后樣品中的維生素可保留 90%以上。Zhang 等報道花色苷－矢車菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可發生降解，吡喃環斷裂生成查爾酮。Elez-Martinez等研究了PEF處理后橙汁中維C以及抗氧化能力的變化，發現維C的保留量隨場強、處理時間增大而減小。35kV/cm PEF 處理后橙汁中維C的保留率在87%以上。