[科普中国]-高电压灭菌技术

简介

食品加工目的之一是保护与保存食品，杀死微生物，钝化酶类等。食品腐败变质的主要原因是某些微生物和菌类的存在，每年因此而造成很大的损失，灭菌是食品加工的必经工序.然而传统的热力灭菌不能将食品中的微生物全部杀灭，特别是一些耐热的芽抱杆菌;同时加热会不同程度破坏食品中的营养成分和食品的天然特性。为了更大限度保持食品的天然色、香、味和一些生理活性成分，满足现代人的生活要求，新型的灭菌技术应运而生。其中有微波杀菌技术，高压杀菌技术，高电压灭菌技术，脉冲强光杀菌技术，半导体光催化杀菌技术等。

食品工业一直采用热处理杀菌消毒，但极大地影响食品色、香、味及营养成份。而新的非热处理如添加防腐剂、辐照灭菌、物理处理、冷藏等方法等存在各自的局限性。脉冲电场(或放电)可以有效杀灭液体中的细菌。其实际应用须解决3个问题:是否引起新的污染;是否比传统方法有明显的经济优势;实现规模化。强脉冲电场，特别是高压脉冲放电产生的强烈冲击波以及紫外光、强电流、臭氧等综合效应较直流电流和低频交流电压更能有效杀灭微生物，能量利用率更高。但电解损耗、电解的化学产物以及冲击波、紫外线等对食品成分的分解都可能给食品引入新的污染，因此连续放电电弧杀菌并不适用于食品加工业。一般认为持续时间很短的高压脉冲电场(PEF)能使电解、分解等不利因素降至最低。

在美国，因为食物中毒而死亡的人数每年都有很多人。作为食品加工企业来说，一旦出现食物中毒事故，仅罚金和诉讼费等的支出就会使营销额减少几百万美元。而采用放射线杀菌的方法，无疑对环境和操作人员都会产生不利影响。为此，食品科学专家们提出了取代放射线杀菌法的新技术。全美食品安全技术中心的查尔斯·塞斯博士，最近公布了几桩无细菌食品处理的实例。譬如，在每平方厘米的肉食上施加大约6吨重的压力进行高压力灭菌。结果，其味跟原来一样，没有什么改变，色泽也比原先更好看.尽管如此，高压力处理仍有其缺陷。这种方法虽然能使细菌彻底灭绝，但由于加工过程中混入的某些可怕的病毒未必都能灭绝杀光。而且这种方法需要的高压力设备又必须是一架巨型装置，故很难推广应用。

脉冲电场杀菌比起加热处理、辐射处理等有明显的经济优势。迄今的研究均处于实验阶段，规模应用装置的脉冲电场对食品产生的物理、化学、微生物、酶活性以及营养特性等方面的影响都有待深入研究

高压脉冲技术用于食品灭酶灭菌，主要原理是基于细胞结构和液态食品体系间的电学特性差异。当把液态食品作为电介质置于电场中时，食品中微生物的细胞膜在强电场作用下被电击穿，产生不可修复的穿孔或破裂，使细胞组织受损，导致微生物失活。证实在脉冲电场强度为12-100kV/cm，脉冲时间为微秒级的条件下，可有效地对食品进行灭菌，且以瞬间反向充电波形最为有效。高压脉冲灭菌技术具有能耗低，灭菌速度快，可有效保存食品的营养成分和天然特征等优点。例如利用脉冲电场处理橘子汁，能在微秒级别时间内有效的杀灭其中的细菌，微生物及芽抱，而不破坏其中的维生素，蛋白质等营养成分。该技术是一种常温下非加热杀菌的新技术，运用该技术应综合考虑场强的大小，杀菌时间、细菌的种类等因素，以确定最佳方案。目前该技术在国际上正处于实验室研究和发展阶段，进一步成熟后很有可能弥补传统杀菌法的不足，给液态食品工艺带来一场变革。

国内外研究动态国外研究概况最早使用射频电场，由于电场90%，同时COD明显下降，BOD:有所上升。说明放电破坏了染料分子，提高了溶液的可生物降解性，是一种有前景的染料处理新方法。改进装置后试验活性染料、直接染料、酸性染料、碱性染料等都取得效果良好的除色。目前，工作重点在机理探讨、装置优化等方面展开。

高压脉冲水处理可拓展到降解各种难处理工业废水、有机农药、特种有害物质、液体食品灭菌等方面，发挥更大的作用。

由于高压脉冲放电水处理横跨电工、环境、化学、微生物、物理、工程等多门学科，是典型的学科综合交叉，迄今的研究还很不够，尚需一个相当长的发展过程，尤其是在实际应用方面。

高电压灭菌技术在我国的应用正处于起步阶段，其工作的规模的提高，机理的证明，及大面积的普及仍需要大量的包括电，食品及化学多方面的综合研究。

优点高电压灭菌与传统的巴氏灭菌法相比有以下优点1:

1.灭菌效果好。

高电压灭菌法能更有效的杀灭食物中的菌类，酶及微生物，使其存活率只有几个百分点。

2.对食物的营养成分保存效果好。

高电压脉冲灭菌法能更有效的保存食物中的营养成分，其中食物的主要指标，蛋白质及维生素的损伤率只有几个百分点，甚至为零。而巴氏灭菌法对食物的营养成分破坏相对来说是很严重的，其中蛋白质及维生素的损耗远远超出高电压灭菌法。由于传统灭菌法产生的高温会不可避免的破坏食物中的营养成分，而高电压灭菌法可以在瞬间灭菌，使食物在灭菌处理后温度几乎不变，或只升高几个摄氏度，营养成分几乎不遭到破坏，所以就这一点来说，高电压灭菌法所达到的效果是传统灭菌法所远不能及的。

3.灭菌速度极快。

高电压灭菌法能在很短的时间里完成灭菌过程，而巴氏灭菌法的灭菌时间较长，二者的灭菌速度有很大的区别。高电压灭菌法是通过瞬间的电场强度变化，使细胞膜被击穿，从而使对人体有害的菌类等物质被杀灭，或失去活性。一般的高电压脉冲宽度为纳秒或微秒级。

4.灭菌后易处理。

用高电压灭菌法灭菌后，食物温度变化很少，完成消毒过程之后即可进行封装，而用巴氏灭菌法进行灭菌后，食物温度很高，必须经过一段时间的冷却后才能进行封装， 效率远不及高电压脉冲灭菌法. .

方案的设计消毒室电极的设计由于电极间隙增大对高电压脉冲发生器的要求成正比增加。所以由于脉冲发生器的输出脉冲峰值电压所限，对液体食品施加电压的电极间隙不应过大。过小又易引起放电。综合考虑各因素，对应的消毒室电极间隙设为3mm, 5mm, 8mm, 10mm1 .

高电压脉冲参数的初步设定实验的目的是通过对液体食物施加若干高电压脉冲后，达到对液体食物杀菌的效果。因此高电压波形的研制是关键。

波形的要求国内外各有不同，其中美国的参考资料要求高电压波形为电容瞬间反向充电的波形，而国内对波形的要求为双矩形波(国内对波形作过研究，实验结果证明双矩形波的效果超过正弦波及其它波形)。综合各国研究表明，高电压灭菌的最可能实验机理是通过正反两向高电压电场的施加，使细胞膜在短时间内受到正反两方向的高电场强度的拉伸，受到严重破坏，出现空洞，从而使细胞死亡，达到灭菌目的。美国通过高倍显微镜对细菌的细胞膜进行观察，发现在施加高电压脉冲后，细胞膜上出现空洞。而国内研究同样表明，在长时间内对食物施加高电压正弦波，其效果远不及双矩形波，既在短时间(纳秒级)使电场变化很大的效果。由此可见，对液体食物达到杀菌效果的最可能有效的波形是在短时间(纳秒级)使电场在正负两个方向波动，此种波形是美国的瞬间反向充电及国内双矩形波都具有的共同特性。

实验的波形脉宽由此定为在纳秒级内，产生瞬间高电压的陡动波形1。

实验波形的电场强度峰值同样是关键，在此观点上国内外有共同点，既必须达到12kV /cm以上才能起到灭菌的效果。通过国内外实验表明低于此电压则不会达到灭菌的目的。过低电压反而会加速食物细菌的繁殖。

峰值电场强度越高，则灭菌效果会越好，但电压过高易产生电弧放电，电弧放电同时会产生高温，紫外线，金属电极的分解等副效应，由此对食物产生的影响会使食物成分发生变化，不仅会使食物的味道发生变化，甚至会产生对人体有害的成分。因此应降低峰值电场强度避免产生电弧放电，但同时又要提高峰值电场强度，提高灭菌效率。综合以上二者，及通过资料设定，峰值电场强度最大大约达到100kV/cm即可，既很好的达到灭菌效果，又达到在脉冲电压施加过程中不会放电的效果.

达到100kV /cm的电场强度，则要求脉冲发生器产生很高的电压。产生过高的电压，对脉冲发生器的各器件要求自然会很高，电压增大，难度相应会成倍增加。综合以上各参数，脉冲发生器应产生峰值电压为30kV，脉冲宽度为纳秒级，上升沿在纳秒级的脉冲电压。

高电压脉冲发生器原理 脉冲发生器的工作原理，如图3-1所示:

因为输出的脉冲峰值电压需要可控，所以普通的220V交流电通过调压器，输入到产生直流高压部分的输入端。变压器输出50Hz的交流高电压通过保护电阻和硅堆，对主电容充电。这样整个直流高压发生部分就可以输出直流高电压，通过一个限流电阻对放电电容进行充电，此时，放电电容的电压与直流高电压发生部分产生的直流高压相同。为加速放电电容的放电，它的放电回路加了一个电感，这样放电电容通过RC回路加速放电，以获得最短的高电压脉冲，在高电压脉冲发生器输出端得到最短的脉冲前沿和宽度。此时输出端虽然可获得极陡的脉冲前沿，由于RC回路会产生频率很高，时间较长的振荡1。

这样，输出的脉冲波形由于振荡的产生，会加长脉冲的宽度。而本次试验所要求的脉冲只要求极陡的脉冲前沿和最短的脉冲宽度。否则脉冲较长的话，是否会引起液体食品中的放电，引起新的污染，这种情况尚未可知。而且从各种资料来看，对液体食品最有效，灭菌效果最好的高电压脉冲部分是陡的脉冲前沿和陡的脉冲下降沿。振荡情况下，除振荡的第一个周期是我们所希望的部分，其余部分就是我们考虑应该滤掉的干扰。因此，这里引入了一个大的硅堆，以此可以消除RC回路产生的振荡。