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脉冲放电技术在食品与发酵工业中的应用

江南大学太湖学院

《先进制造技术》

论文题目脉冲放电技术在食品与

发酵工业的应用

所属院系：

机电系

班级：

机械73班

学号：

0723092

姓名：

王超

指导老师：

李儒荀（教授）

脉冲放电技术在食品与发酵工业中的应用

专业：

机械制造及其自动化班级：

机械73学号：

0723092姓名:

王超

（一）摘要

阐述了高压脉冲电场的杀菌机理,综述高压脉冲电场在食品发酵方面的应用并分析其对食品质量的影响,提出实现其工业化应用有待解决的问题,展望高压脉冲电场在食品工业中的应用前景。

（二）关键词

高压脉冲电场;杀菌;食品与发酵工业

（三）正文

液态食品的杀菌方法主要有加热杀菌和非加热杀菌2大类。

自19世纪中叶,法国人巴斯德发明巴氏杀菌以来,加热杀菌在20世纪后期又得到了进一步的发展,超高温瞬时杀菌现在已广泛用于食品工业。

但由于高温在杀菌的同时往往给食品的品质带来不利的影响,如变色、变味、营养损失等

在传统食品加工中主要采用热杀菌,从而导致营养物质破坏,变色加剧,挥发性成分损失。

冷杀菌是当代一类崭新的技术,是指在常温或小幅度升温的条件下进行杀菌,可以采取物理方法,也可以采用非物理方法,保证食品的安全性及贮藏性。

因此，冷杀菌技术也就越来越受到人们的关注。

目前先进的冷杀菌技术包括超高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、磁力杀菌、感应电子杀菌、辐照杀菌、脉冲强光杀菌,微波杀菌、超声波杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌、抗生酶杀菌等,应用于食品加工中有广阔的前景。

本文主要就三种脉冲杀菌技术在食品与发酵工业中的应用进行浅析。

第一章液中脉冲放电

所谓液中脉冲放电,就是以液体作为电介质,在其中插入两个电极而建立电场（图1）,当两电极之间的电压升高至两极间电介质的击穿电压时,极间放电间隙被击穿而放电。

如果建立的电场是脉冲的,则放电也是脉冲的,这就称为液中脉冲放电。

从放电方式来看,液中脉冲放电有两种方式。

一种是自发脉冲放电。

通常用于常规和低压的情况,图1中,左边为一典型的RC型驰张式脉冲充电回路。

当外加电源接通后,电源通过整流器2向电容器4充电,3为限流电阻,当电容器的电压（也就是两极8和9之间的电压）上升到两极间介质的击穿电压时,放电间隙被击穿,电容器快速放电,把储存的能量瞬间释放。

能量释放后,电压下降到放电熄灭电压（接近于零）,放电通道内的电子和正离子复合,进行消电离,间隙中的介质又迅速恢复到绝缘状态,放电停止,电容器又重新充电。

如此周而复始,自发地形成一系列的脉冲放电过

程。

放电的能量、频率取决于回路的结构与特征。

另一种脉冲放电方式是强制脉冲放电。

通常用于高压（几千到几万伏或更高电压）的情况。

见图1,此时隔离间隙5在非放电时是断开的,只有当需要放电时,才给它一个外来的脉冲信号,使其接通而放电。

无论那种放电方式,它们放电的机理及在液中产生的效果都是相同的,只是强度有所区别。

1.1在液体中产生的效应

1.1.1力学效应液中放电时,放电通道周围的液体瞬时气化并形成气泡,高速剧烈膨胀而爆炸,产生强烈的冲击波,其压强可达到100kPa以上,有的高达10GPa.冲击波的前沿速度达10~50km/s,同时施加给不可压缩的液体及其中的物质。

可用于薄壁工件的快速成型、冲压、冲孔、切断、拉伸等,可用来粉碎材料、清洗零件、强化材料表面、杀菌、粉碎细胞、细胞融合等。

1.1.2电磁效应液中放电时,会产生极大的冲击大电流,可达到几百到数百万安培,会伴随产生几百到几千万高斯的强磁场和极大的磁场梯度,以及频率很宽的电磁波辐射。

对带电粒子会产生极强的电动力、磁力等作用,可用于工件的成型,加速化学反应,干扰、诱发和

破坏生物体及细菌、病毒的生活能力。

可用来研究强磁场中物质（生物或非生物）的基本特征等。

1.1.3热学效应在放电通道内,由于等离子体（带电粒子）的高速运动,相互碰撞,会产生大量的热,使通道温度相当高。

通道中心可成上万度甚至几千万度的高温等离子流。

当然通道内的温度分布是不均匀的,一般由通道中心向边缘逐渐降低。

但由于放电通道极小,如果短时或少数几次放电,对整个液体而言,尤其在液体介质流动的情况下,其整体温升并不高,一般不会因热学效应而引起液体介质特性的变化。

1.1.4声学效应放电通道中的高温等离子体流,除了使液体介质气化、热分解气化外,也会使两电极表面材料熔化,气化。

这些气化后的液体介质和金属蒸汽瞬时间体积猛增,迅速膨胀,具有火药、爆竹点燃后爆炸的特性,并发出清脆的爆炸声。

伴随的强力超声波,可用于海底矿藏的探测,或作为电火花的振源等。

1.1.5光学效应液中放电时会发光和产生电晕现象,尤其是高压液中放电,还会产生极强的紫外光,起强烈的灭菌作用。

1.1.6化学效应放电通道高温会把液体介质气化,进而热裂分解,产生多种等离子体和基本粒子,如H和OH离子团在激励状态下的O和H,以及氧气、氢气和臭氧分子、光子、电子等。

这可大大提高化学活性以及化学元素和化合物的亲和力,这一效应可用于乳化、均质等。

液中脉冲放电时,液体介质中所产生的上述各种效应的强弱,在很大程度上取决于单位容积内的放电能量E:

E=12CU2·NQ=12CU2Qf·t

（1）

式中:

C——电容器电容量（μF）;

U——电容器电压（kV）;

Q——液体容积（cm3）;

N——脉冲次数;

f——脉冲频率（1/s）;

t——加工或处理时间（s）

另外,脉冲波形,尤其是脉宽和脉冲停歇时间、两电极间的间隙大小等,也大大影响液中各效应的强弱。

1.2在两电极上产生的效应

1.2.1电极材料去除效应放电通道形成以后,两极表面的材料会被逐渐地蚀除。

一是因高速运动的电子和正离子分别对阳极和阴极的轰击作用;二是因电子和正离子的功能和冲量,通过碰撞转换为热能,在两极表面产生上万度的高温,使两电极表面材料瞬时熔化和气化、爆炸、抛离,大部分进入液体介质,也有一部分飞溅、镀覆、吸附在相对的电极表面。

1.2.2吸附效应（亦称覆盖效应）两电极间表面熔化、气化、爆炸、飞溅时,有一部分吸附在对面的电极表面。

另外,对于水基介质而言,由于水是一种弱电解质,放电过程中会产生电化学阳极溶解和阴极沉淀效应。

在放电过程中,也会产生一些带电的微粒（工作介质分解成的微粒、电极材料抛出的带电微粒、胶体粒子等等）,在电（磁场）的作用下,也会向两极移动而被吸附在电极表面。

1.3液体脉冲放电杀菌效果

液体脉冲放电杀菌效果,主要取决于放电参数及它们的最佳组合,掌握得好,其杀菌率可达100%。

又由于放电时,能量以瞬时高强度方式释放,能耗很低,液体的温升很小,不影响液态食品本身的特性,即味道、色泽、维生素、成分都没有变化。

第二章高压脉冲电场杀菌

高压脉冲电场杀菌是采用高压脉冲器产生的脉冲电场进行杀菌的方法。

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。

脉冲电场处理属于非加热处理,由于在常温、常压下进行,处理后的食品与新鲜食品在物理性质、化学性质、营养成分上改变很小,风味、滋味无感觉出来的差异,杀菌的效果明显,可以达到商业无菌要求,特别适合于热敏性很高或有特殊要求的食品杀菌。

同时由于杀菌时间短、能耗低,与传统的热杀菌处理相比,具有明显的优势,其在果汁及其它食品的加工中已显示出特有的优越性,有望取代或补充热杀菌技术。

2　高压脉冲电场的杀菌机理

2·1　高压脉冲电场的产生

　　高压脉冲电场的获得有两种方法:

一种是利用特定的高频高压变压器来得到持续的高压脉冲电场,用这种原理制作大型设备有很多困难。

另一种是利用LC振荡电路的原理来形成高压脉冲电场,利用自动控制装置对LC振荡电路进行连续的充电与放电,可在几十毫秒内完成杀菌处理,所以应用较多。

杀菌用高压脉冲电场的强度一般为15~100kV/cm,脉冲频率为1~100kHz,放电频率为1~20Hz。

2·2　高压脉冲电场的杀菌理论

关于高压脉冲电场杀菌机理已有多种假设,如臭氧效应、电解产物效应、电磁机理模型,细胞膜穿孔效应等,但目前比较认可的解释有Zim-mermann（1986）的电崩解理论和Tsong（1991）的电穿孔理论[2-5]。

电崩解理论认为微生物细胞膜可看作一个注满电解质的电容器,在外加电场的作用下细胞膜上的电位差就会随电压的增大而增大,导致细胞膜厚度减少,当膜电位差达到临界崩解电位差时,细胞膜上孔形成,在膜上产生瞬间放电,使膜分解。

电穿孔则认为外加电场下细胞膜压缩形成小孔,通透性增强,小分子进入到细胞内,致使细胞的体积膨胀,导致细胞膜的破裂,内容物外漏,细胞死亡。

总之,高压脉冲电场杀菌作用主要表现在两个方面：

（1）场的作用,脉冲电场产生磁场,细胞膜在脉冲电场和磁场的交替作用下,通透性增加,膜遭破坏,细胞膜的保护作用减弱甚至消失。

（2）电离作用,电极附近物质电离产生的阴阳离子与膜内生命物质作用,阻碍了膜内正常生化反应和新陈代谢的进行。

同时,液体介质电离产生臭氧的强氧化作用,使细胞内物质发生一系列反应。

通过场和电离的联合作用,杀灭菌体。

2·3　高压脉冲电场的杀菌灭酶效果

大量实验表明,高压脉冲电场对大肠杆菌及酵母菌的灭菌效果显著,而对细菌孢子无效果,只对发芽的孢子有失活现象。

但也有试验分析得出:

当用40kV/cm的电场强度、3·6ms的处理时间杀菌时,细菌芽孢失活率可达98%,所以用高压脉冲电场杀细菌芽孢是可行的[7]。

国外某些研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌,以及苹果汁、香蕉汁、菠萝汁、牛奶、蛋清液等进行了大量研究,结果显示抑菌效果可达4~6个对数级,其处理时间极短,在几个微秒到几个毫秒最长不超过1s,该处理对食品的感官质量不造成影响,其货架期一般都可延长4~6周。

Castro1994的实验结果显示,高压脉冲电场对鲜牛奶中碱性磷酸酶失活率为60%,对脱脂牛奶中荧光假单胞菌属产生的蛋白酶的失活率为60%,对模拟牛奶中胞质素的失活率为90%。

带极性的指数型高压脉冲对α-淀粉酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶的失活率分别为85%、85%、75%,而对过氧化物酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶的失活率分别为30%、40%、5%,溶菌酶和胃蛋白酶的失活率是电场强度的函数,在强度为13kV/cm和50kV/cm、脉冲数为30的电场作用下,溶菌酶的失活率分别为15%和60%。

为了提高脉冲的杀菌效果,IU等人指出,高压脉冲与中等程度的热处理相结合或与溶菌酶、乳链球菌素等天然抗微生物制剂相结合处理苹果汁,能有效地减少大肠杆菌。

脉冲杀菌与低浓度的杀菌剂如臭氧和H2O2结合,杀菌效果将更显著,有望在食品工业中得到应用。

2·4　影响高压脉冲电场杀菌的因素分析

2·4·1　电场强度

　　对杀菌效果影响最显著。

电场强度增大,对象菌存活率明显下降。

电场强度从5kV/m变到25kV/m,杀菌对数曲线斜率增加一倍。

2·4·2　处理的温度、时间及pH值一般情况下,处理温度上升（在24~60℃范围内）,杀菌效果提高,其提高的程度一般在10倍以内,Hulsheger等认为温度与脉冲电场有协同效应;随着杀菌时间延长,对象菌存活率开始急剧下降,然后平缓,逐渐变平,最后增加杀菌时间亦无多大作用;在正常的pH值范围内,pH对灭菌效果无显著影响,但当pH值低于酸碱平衡值时灭菌率会增加。

2·4·3　介质电导率、脉冲频率及脉冲数目

　　介质电导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数,介质电导率提高,脉冲频率上升,脉冲宽度下降。

这样,电容器放电时,脉冲数目不变,即杀菌总时间下降,从而杀菌效果相应降低;对于每一次电容器放电,提高脉冲频率,就具有更多的脉冲数目,杀菌效果上升。

但Hulsheger等报道,脉冲频率对灭菌效果没有影响,且随着脉冲频率增加,能耗增加,操作费用大为增加。

若电场强度固定,细菌的存活率随所施加的脉冲数目增加而减少。

2·4·4　高压脉冲电场的波形及极化形式