[科普中国]-电脉冲杀菌

简介

脉冲电场(pulsed electric field，PEF)杀菌是指对流经两电极间的液态或半液态物料施加一定频率的高电压短脉冲放电，从而使物料中微生物死灭的处理技术。

20世纪60年代，A.J.H.Sale和W.A.Hamilon首先对高压脉冲电场杀菌技术进行了研究，他们首先证明25 kV/cm脉冲电场使细菌营养体和酵母死亡的原因既不是电解产物也不是温度升高，并指出脉冲宽度与脉冲频率的乘积和脉冲电场强度是影响杀菌效果的两个主要因素，不同种类的微生物对电场的敏感程度不同，酵母比细菌营养体对电场更加敏感。通过一系列实验，他们提出高压脉冲电场使细胞致死的原因是细胞膜上的半透性通道发生不可逆变性，导致膜的功能丧失。经过近半个世纪对其杀菌机理的研究，目前比较认同产生杀菌效果的原因是高压脉冲电场导致细胞膜产生跨膜电压△ψ，跨膜电压破坏微生物细胞膜。1

原理电崩解理论U.Zimmermann(1974)提出了电介质破坏理论，该理论认为细胞膜的磷脂双分子层具有电容性质，可将其视为一电容器。细胞膜作为一种特殊类型的半透膜，膜的两侧存在着多种离子组成的电解质溶液。在外加电场的作用下，带电离子重新分布，细胞膜内电介质极化，随着电场强度的增大，细胞膜极化加剧，膜两侧相斥离子之间产生相互吸引的库仑力，此作用力相当于在膜两侧施加了挤压力，导致细胞膜变薄、局部破坏，此时的损伤是可逆的。若进一步增强电场强度或延长处理时间，更大面积的细胞膜会被破坏，发生不可逆损伤，从而会导致细胞死亡。

电穿孔理论细胞膜的完整性对维持微生物生命活动的正常进行起着极其重要的作用。Tsong等人提出的电穿孔理论认为：细胞膜的磷脂双分子层结构和膜蛋白均易受电场的影响。正常生理状态下，细胞的静息电位一般在几十毫伏。当外加强电场使细胞的跨膜电压达到1V左右时，膜上的蛋白通道打开，磷脂分子再定位形成许多新的膜孔，起初膜的改变是可逆的，但当电脉冲电场使跨膜电压进一步增大，产生脉冲电流将击穿细胞膜，引起细胞膜发生不可逆的改变，从而达到杀灭微生物的效果。

电脉冲杀菌装置电脉冲杀菌装置主要由脉冲发生器、控制开关、进料泵、处理室和冷却系统几部分组成，其中脉冲发生器和处理室是装置的关键部分。处理室两电极一端接高压脉冲电源，另一端接地。采用泵送方式将待杀菌的液态或半液态食品送进处理室，然后经过高压脉冲电场杀菌，处理时会产生一定的热量引起食品升温(一般操作中食品的最高温度低于50℃)，为了使物料温度不致过高，可以通过冷却系统降温。

使用该技术应综合考虑电场强度、脉冲波形、杀菌时间、食品电导率和细菌的种类、数量、生长期等多种因素，以确定最佳的杀菌方案。电脉冲杀菌的电场强度一般为5~80kV/cm，放电频率为1～20Hz，处理波数为数十到数千个。采用的脉冲波形有指数衰减波、方波和振荡波，其中方波杀灭微生物的效率最高，指数波次之，震荡波最低。

杀菌效果已有不少研究报道表明脉冲放电对许多与食品有关的微生物具有较好的杀菌效果，如大肠杆菌(E．coli)、枯草杆菌(B．subtilis)、短乳杆菌(L．brevis)、蜡状芽孢杆菌(B．cerus)、啤酒酵母(S．cerevisiae)、金黄色葡萄球菌(S．aureus)、粪链球菌(S．faecalis)等。脉冲电场要起到杀菌作用的决定因素是电场强度，数值上等于电极间距与所施加电压之比。当电场强度达到某个阈值时，脉冲电场才开始有杀菌作用，此后随电场强度的增大，杀菌作用增强，。不同物料和在不同电场强度下的单位容积能量阈值不同，只有超过能量阈值才有明显的杀菌效果，一般情况下该阈值为50J/mL。

电脉冲杀菌的特点电脉冲杀菌具有以下3个主要特点2：

1．杀茵时问短、能耗低

杀菌时间一般为us～ms级，用很低的能耗处理就可杀死99%的细菌，每吨液态食品灭菌耗电约为0.5～2.0 kW·h，是高温杀菌耗能的1%。

2．温升小

脉冲杀菌时的温升一般小于5℃；因而可有效地保存食品的营养成分和天然风味。处理后食品在物理性质、化学性质、营养成分等方面与新鲜食品的差别很小。

3．杀菌效果明显

采用25 kV/cm的电场强度，在，60℃杀菌时，细菌的存活率logN/No=109，杀菌率能满足商业无菌的要求。

4．影响脉冲电场杀茵效果的主要因素

(1)对象菌的种类不同菌种的微生物对电场的承受能力有很大差别，如革兰氏阴性菌较阳性菌易杀灭；无芽孢菌较有芽孢菌容易被杀灭；处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感。在相同脉冲电场杀菌条件下，食品中常见细菌的存活率排序为：霉菌>乳酸菌>大肠杆菌>酵母。

(2)原始活菌数在相同温度下施加同样时间的脉冲，原始活菌数多的食品，其活菌数减少的对数值要大于原始活菌数低的食品。

(3)食品的浓度与黏度浓度高、黏度大的食品利用脉冲杀菌时，杀菌效果要受到一定程度的影响，如对浓缩果汁的脉冲杀菌效果不如鲜果汁的杀菌效果好。

(4)介质电导率介质电导率会影响放电时的脉冲强度和脉冲次数。介质电导率高的，脉冲频率相应提高，但脉冲宽度随之下降。这意味着即使脉冲数目不变，由于杀菌总时间下降，杀菌效果相应下降。

(5)介质pH在脉冲杀菌的前期，pH对杀菌效果的影响不大，但当脉冲数增至一定值时，pH开始显示对杀菌效果的影响。

(6)处理温度在24～60℃的温度范围内，脉冲杀菌效果随处理温度的升高而有所提高，其提高程度一般在10倍以内。

(7)处理时间在一定时间范围内，随着杀菌时间的延长，对象菌的存活率明显下降，但当下降变得平缓时，即使再延长杀菌时间，杀菌效果也无明显增加。

(8)电场强度电场强度对杀菌效果的影响均比以上因素明显，增加电场强度，对象菌的存活率明显下降。电场强度从5Kv/cm增加至25kV/cm时，杀菌对数曲线斜率增加一倍。

电脉冲在食品加工中的应用电脉冲杀菌被认为具有以下优点1：

①杀菌时对象升温小，并且可以通过冷却系统把处理温度控制在5~55℃。

②杀菌时间短(从数微秒到数毫秒)，电流产生的热量少，可以尽量保留物料原有的外观、风味和营养价值。

③与普通热杀菌相比，电脉冲杀菌是一种比较节能的杀菌方式，所消耗能量为100~400kJ/L。

因此，电脉冲杀菌主要希望用于对热敏感的液态食品，如果汁、牛乳、蛋液、青豆汤、啤酒等。

目前，国际上对于电脉冲杀菌正处于实验室研究阶段，很少应用于大规模工业生产。其存在的主要问题：

①杀菌效果差异大。受处理条件、食品性质、微生物等多因素影响，实际应用中电脉冲杀菌的杀菌效果尚不稳定。

②杀菌不彻底。经高压脉冲电场处理后，食品中微生物的数量虽然有报道可降低2～8个对数值，但很难做到像热杀菌那样，达到彻底杀灭微生物的目标。研究发现，在相同的电脉冲杀菌条件下，对初始菌数高的样品与初始菌数低的样品分别进行处理，虽然前者菌数下降的对数值远远大于后者，但是初始菌数高的样品中微生物残留量也高，难以达到商业无菌的要求。

③设备实际应用的难题。首先，处理室电极容易被腐蚀；其次，液态食品中如有气泡存在，通过处理室容易产生电火花，一旦产生电火花会损坏脉冲发生器的控制开关。