[科普中国]-高电压脉冲电场浸提技术

简介

PEF技术是一种非热技术，PEF处理是在室温下进行的，处理时间小于is，并且PEF技术在很大程度上减少了食品感官和物理特性的有害变化。自20世纪90年代初期，国外开始对非热杀菌技术(冷杀菌)在食品工业中的应用研究进入高潮，PEF杀菌是研究的热点，它是通过高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞膜使细菌致死，由于利用高电位而非电流杀菌，因此杀菌过程中的温度低(最高温度小于50℃，从而可以避免热杀菌带来的副作用。

PEF技术主要是利用脉冲电场对微生物细胞的电刺激、电融合、以及可逆电穿孔，处理的强度均比较低。为这种新兴的生物物理技术，提供了一个更广阔的作用对象。近几十年来，PEF技术在食品工业的应用逐渐成熟和完善，主要应用于苹果汁、橘汁等处理，牛奶杀菌处理、鸡蛋制品处理等等，但最近在有效成分的提取方面有较多的应用，因此探讨其作用机理，为更好的促进PEF技术的推广和应用奠定基础。

PEF技术具有非热、作用时间短、效率高、操作简便、成本低等突出的优势，更重要的是其适用范围极广，在工业、农业、医学、临床以及许多基础学科研究的应用前景是十分可观。本研究的创新之处就在于首次把PEF浸提技术从下程提取、物理溶出和数学模型的角度研究，为PEF技术理论研究奠定了基础。因此，本研究不仅具有很大的应用价值，而且具有更重要的理论创新意义。

PEF技术的应用研究已广泛开展，但在食品工业方面中，还有一些问题需要解决。而针对不同系统、不同物料还没有建立正确的数学模型;科学解释和处理各影响因素的互作效应也不能在数学模型中科学体现。这都极大地限制了PEF技术在食品工业中的应用。

PEF提取装置的基本结构处理室构造 处理室有间歇式及连续式两种，连续式可工业化生产。物料在处理室内受到高电压脉冲作用时，要避免有气泡，否则有电火花产生。一旦产生电火花电极就会被腐蚀，物料被电解。因此，在设计处理室时，应着重解决好以下问题:电极表面要尽可能光滑以减少电子的逸出，采用圆形电极以避免电场集中，为物料提供一个均匀的高电压脉冲电场。 图1.1为物料处理室结构简图，处理装置的上下两端进出料端子为不锈钢，通过导电板一端接高电压脉冲电源，另一端接地，绝缘体材料选用聚异丁烯酸树脂。由于绝缘体中心孔内液体食品的电阻远大于其他部分的电阻，所以在绝缘体中心孔形成集中电场，其电场强度远大于其他部分电场强度。因此，绝缘体中心孔区是提取区域。电极附近的电压相对较低，这样就起到了保护电极的作用。

PEF浸提系统 管路的进、出口都放在超净工作台中，采用如图1.2所示的高电压脉冲电场处理装置，样液流动方向如图1.2箭头方向所示，温度传感器可显示物料进出处理室的温度，并可通过泵送流过恒温(温度可设)水浴，进入处理室，同时经高压脉冲电场(通过进出料端子将高压脉冲电压施加到处理室上)作用后，经水浴流入收集容器。

国内外PEF技术研究进展国内外发展概况最初使用高压电场是用于灭菌领域，在19世纪20年代到30年代美国的一些农场，用此方法进行牛奶的灭菌，当时采用的是220V低压交变电场而非脉冲电场。20世纪50年代，又产生了一种叫做液内放电法的灭菌方法，它是通过浸在液体内的电极快速释放高压电，产生瞬时的高压脉冲、电弧光以及电化学反应来灭菌。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)，目前多用于污水处理。 20世纪60年代，Sale和Hamilton率先进行了高压脉冲电场灭菌效果的研究，他们认为电场强度和作用时间是影响灭菌的两个最主要因素，并通过实验证明了产生灭菌作用的既非电解产物又非热力学原因。 80年代以后，Hulsheger, Zimmermann, Vega Mercado和Tsong等学者对脉冲电场杀菌机理做了进一步的探讨，并开始了用于工业生产的设备研究，90年代后美国华盛顿州立大学已研究出了较为成熟的仪器，并申请了专利在美国、日本、法国、德国、比利时、西班牙、荷兰、加拿大、冰岛、瑞士、瑞典、中国等国家的研究机构和公司对此进行了系统的研究。

国内在此领域开展研究的单位和学者也不少，如吉林大学、华南理工大学、中国农业大学、清华大学、大连理工大学、西安交通大学、西北农林科技大学、大连轻工业学院、无锡轻工大学、重庆大学等知名高校。大连轻工业学院生物与食品工程学院利用大连理工大学电气系研制的高压方波脉冲发生装置，研究了设备参数—电场强度、脉冲个数和脉宽变化对微生物存活率的影响。无锡轻工大学数理研究所介绍了液态食品高强度脉冲电场杀菌新技术的特点、装置及实验效果，并指出在实际运用PEF技术时，场强大小、杀菌时间、食品的酸碱度、对象菌的种类等因素应综合考虑，以确定最佳杀菌方案，获得最佳杀菌效果。中国农业大学食品学院等科研院校也在进行高压脉冲电场杀菌技术的研究，并取得了一定成果。华南理工大学开发了一套处理量在50L/h的中试设备，国内未见有工业化PEF设备。我国虽然在近年来也开展了相的研究，总体说来，国内的相关研究尚处于探索和起步阶段。只是处于实验室小试，距离商业化还有一定距离，需要研究者不断改进PEF杀菌设备的处理系统，确定脉冲电场的最佳杀菌条件及其杀菌机理。PEF技术已被公认为国际上研究最热最先进的灭菌技术之一，是对传统灭菌方法的革命，其创新性、科学性和先进性不容置疑。在使用PEF技术对各种食品进行灭菌保鲜方面已有大量报道，但在提取、干燥、冷冻和解冻等方面研究的较少，而在PEF处理后的食品质量、安全问题及医学、环境方面的研究就更加的少了。近些年来这些方面引起了许多学者的重视，相关 和报道呈迅速增多之势，但 总体数量和所涉及的生物材料相对还较少。

高压脉冲电场在生物学方面的应用高压脉冲电场可以产生可逆性穿孔，将各种外源物质(蛋白质、DNA片段等)送入细胞。因此，高压脉冲电场能应用于在诱导癌细胞凋亡及肿瘤治疗;实现细胞融合，为异核体和杂交胚胎做准备;通过把质粒或外来基因导入细胞实现基因转染;促进药物的运输进去细胞;经皮给药。这几方一面有了一定的研究。

脉冲电场以其独特的生物电效应在肿瘤治疗等领域展示出良好的发展前景，并在国际上掀起了一股研究热潮。Beebe等研究发现高强度电场(场强达到300 kV/cm)作用于人Jurkat和HL-60细胞脉冲到纳秒级(10300 ns)观察到细胞内Caspase激活、细胞色素C释放，细胞内钙离子升高，由于ns级脉冲主要作用于胞内膜结构而非细胞膜，所以凋亡的诱导与胞膜穿孔关系不明显。Richard等用场强为40 kV/cm，脉宽为300 ns的脉冲电场作用于鼠黑色素瘤，

发现在细胞出现坏死的同时观察到细胞内钙离子浓度升高，DNA片段化，肿瘤血供减少而诱发的凋亡。

细胞融合就是将多个细胞合并形成一个细胞，也称为细胞杂交。细胞间DNA的交换可以通过电融合来实现。细胞电融合技术主要是利用高压脉冲电场对膜造成的可逆击穿来诱导相互接触细胞的融合。这个效应基于电场导致电偶极子的形成。在非均匀场中，电偶极子的形成导致细胞线性平移(电泳)，从而形成细胞链。通过细胞在相互接触的部位电穿孔来进行遗传物质的交换。Teissie等利用贴壁培养细胞间的自然相互接触，直接施加高压脉冲电场诱导了贴壁培养的哺乳类动物细胞的大量融合。郑强、赵南明在贴壁培养的IBRSZ细胞上利用高压脉冲电场进行的电融。利用高压脉冲电场产生电融合主要用在动物及植物育种使得不同的基因组结合在一起，从而产生新的物种，且可以产生人类单克隆抗体用于癌症治疗。为电融合技术在生物医学领域的应用展示了光明前景。

将DNA电转染进入活细胞以改善活细胞的特性，这是目前电穿孔特性较广泛应用的领域。Wong和Neumann等人通过电穿孔方法，率先成功地将tk基因转移到培养小鼠的L一细胞(tk基因有缺陷)中，并且证实了被转移基因的表现。郭旭东、森布尔、布赫在高压脉冲电场中处理小鼠精子的转基因载体作用研究中利用高压脉冲电场处理精子体外受精获得的胚胎进行手术移值。

PEF处理装置的系统设计高压脉冲电场的设置采用的是连续流动式处理装置。主要有高电压脉冲电源、PEF处理室、示波器、蠕动泵、温度测量系统等组成。通过示波器可见波形为近似三角波，可通过示波器获得电压极值和平均值，物料流经处理室是为PEF所作用。物料通过泵的作用通过处理室，并被成品罐收集，在处理过程中，可以调整相应的PEF控制部分，获得不同的作用参数，如场强、脉冲数等。

PEF下苹果果胶的浸提研究果胶在食品加工过程中多有应用，而从植物中提取的果胶，相对安全;并且苹果汁生产加工过程中，许多苹果渣成为废弃物，再生产困难，回收增值效果差。将PEF技术应用于从苹果渣中提取果胶，可以很好的解决苹果渣的废弃问题，并可使企业获利，通过 的试验研究，可以确定苹果果胶的常温提取工艺，对苹果果胶的食品添加剂生产具有重要的促进作用。

试验材料和方法试验试剂和仪器

苹果，无水乙醇，盐酸，氢氧化钾，锌粉，三氯乙酸，D一半乳糖醛酸，浓硫酸

高电压脉冲电场装置，榨汁机，高速离心机，恒温干燥箱(PH070A型)，低温恒温槽CDCW-2008)，电子天平(JA 10002型)，恒温水浴(CS501}，胶体磨，紫外可见分光光度计，数字酸度计(PHS-25}，锥形瓶，漏斗，滤纸，比色管，烧杯等。

PEF浸提苹果果胶方法(1)鲜苹果经榨汁机作用后分离得到苹果渣，可以通过恒温干燥箱获得渣的水分含量;

(2)湿渣含水率约为40%，经温水洗脱可溶性糖和色素后，置于烧杯中，加蒸馏水待用;

(3)将烧杯中的料液过胶体磨，调节pH值到3;

(4)将料液过脉冲电场，即通过蠕动泵的作用，将料液通过PEF处理室，调整PEF参数，对料液进行作用;

(5) PEF处理后的料液经高速离心机作用，取上清液，并通过测定果胶溶液中半乳糖醛酸的含量，获得果胶浸提率。

高压脉冲电场浸提机理在PEF辅助场的作用下，可以快速浸提大豆油脂，快速溶出苹果果胶，本章将从理论上系统建模分析PEF作用机理，建立数学几何模型，并加以验证，为今后PEF的广泛应用奠下坚实的理论基础。

近几年，PEF被用来提取细胞内的一些物质，这主要是基于PEF可以实现细胞膜的穿孔，对提取细胞内的成分具有很好的作用效果。已有学者利用PEF对中国林蛙多糖进行提取，并将其与碱提取法、酶提取法以及复合酶提取法进行了比较，结果表明，PEF在增加细胞内物质溶出方面效果显著用高电压脉冲电场技术处理胡萝卜碎块，胡萝卜汁的提取率提高了50%， 第四章中通过电镜可以看到PEF改变了细胞形态和出现了细胞内结构的变化。以往人们都是借助于经验，很难找到反映其内在规律的数学模型。

自然界中，凡是有电荷存在的地方，周围就存在电场，电荷在其周围产生电场，而电场对电荷产生力的作用，引起电荷在电场中的排布和运动。凡是静止电荷产生的电场为静电场，当电量大小与电荷性质随时间变化的电场称为交变电场，本试验所采用的PEF为静电场。由于处理室的中间小孔与两端的尺寸比例较大，将两端看成是平板电极，处理室中充满同一介质时，电极之间的电场大小均匀，，E为电极之间的电场强度。E与两端的电压降和极板之间的距离有关。为交替脉冲三角波，脉冲方向和大小随时间交替变化。

电介质是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在的电场的一种物质。电介质的种类繁多，本试验中所使用的物料可以看成是一种电介质，不同物质的介电常数不同，尤其气体和液体的介电常数相差很大，因此PEF处理室通过的物料中混有气泡，将对电场带来巨大的影响，导致气液两相界面处电场均匀度失衡，造成电场稳定状态的变化。

在外加电场作用下，电介质中的正、负电荷将沿着电场方向做有限的位移或转向，形成电矩，这种现象称为电介质的极化。电介质的极化主要有电子式极化、离子式极化、偶极子式极化和空间电荷极化几种基本形式。

1.电子式极化

电介质所带电量相等，并且作用中心重合，不显电性;外加电场后电荷由于外加电场的作用而发生相对的移动，正负电荷的作用中心不重合而形成电矩;外加电场撤销后，依靠正负电荷的相互吸引，而使得电介质正负电荷的作用中心重合，显示中性2。

2.离子式极化

物质有不同的原子或离子构成，正负电荷排列均匀规范，正负电荷相互抵消呈中性;外加静电场后正负电荷向两极相对移动，破坏了原来的中性分布，形成了离子式极化。

3.偶极子式极化

质点为具有偶极矩的极性分子，无外加电场时，极性分子分布杂乱，偶极矩的各个分量分布几率相等，在任意方向上，偶极矩的矢量和为零，电介质保持中性;外加电场后，每个分子受到电场的作用而产生旋转，并发生定向排布而形成偶极子极化。

4.空间电荷极化

由于电介质中多少存在一些可迁徙的电子或离子，因而在电场作用下将发生这些带电物质的移动，并聚积在电极附近的介质界面上，形成宏观的空间电荷，这种极化称为空间电荷极化3。

大豆油脂的浸提理论大豆油脂的浸提根据相似相容原理，有机溶剂可以溶解大豆油脂，如采用工业己烷和轻汽油等有机溶剂。因此，可选定某一种有机溶剂溶对含油物料进行浸泡或喷淋，把含油物料中的油脂提取出来。这样的浸提方法，称为“固液萃取”。大豆油脂可以通过一次浸提法，直接浸提溶出，同压榨法相比较，工艺简单，易于工业化生产，并实现自动化生产。

大豆油脂浸取法的基本工艺过程是:大豆经过预处理，浸泡于有机溶剂中，使大部分油脂溶解在溶剂中，通过固液分离，实现溶液和豆粕的分离，然后通过在不同温度实现，溶剂和油脂的分离，并且通过特定的工艺实现，有机溶剂的回收和再利用，大豆残渣(豆粕)经过烘干、除溶剂处理，可得到干豆粕，可以用来加工富含蛋白的饲料，也可以加工纤维等，而通过溶剂的回收利用，并可以从中得到残留在豆粕中的大豆油脂。

采用PEF技术浸提大豆油脂通过PEF作为辅助场提取大豆油脂，可以在常温下完成大豆油脂的浸提过程，缩短了浸提时间，并对油脂的热影响降至最低。将经过预处理的大豆和有机溶剂通过PEF处理装置，回收液经过分离有机溶剂而获得大豆油脂;通过引入PEF技术的作用，实现了大豆油脂的常温提取，并为后续豆粕的在加工创造了条件，可以极大地提高企业的能动性，可以节省企业的流动资金，提高副产品的开发生产利用率2。