什么是高压脉冲电场？

一、原理

高压脉冲电场(pulsed electric field，PEF)是一种非热处理技术，具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等特点，成为近几年来国内外研究的热点之一。

良好的高压脉冲处理系统是高压脉冲电场杀菌技术得以应用的前提。设计的关键是脉冲发生器和处理室。

脉冲发生器

高压脉冲电场杀菌装置的核心部分。高压脉冲发生器用来产生10kV以上的脉冲，该高压脉冲被加到处理室电极的两极板上，在处理室内产生10kV/cm以上的强电场。

处理室

处理室与高压脉冲发生器相连接，它的主要作用是将高压脉冲电场传递给流经此室的液体食品，以达到杀菌的目的。食品在处理室内受到高压脉冲电场作用时，要避免电火花的产生。一旦产生电火花．电极就会被腐蚀，食品被电解，产生气泡。因此，在设计食品处理室时，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，为食品提供一个均匀的高压脉冲电场。

食品处理装置结构简图

高压脉冲电场杀菌机理

1.Hamilton和Sale(1967)理论

当一个外部电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电位(TMP)。对半径r处于均匀场强E中的球形来说，其沿电场方向的跨膜电位．可由下式得出：

U(t)=1.5rE

式中：u——沿电场方向的跨膜电位，t；

r——细胞半径，µm；

E——电场强度(kV/mm)，并且认为当跨膜电位(TMP)达到1V时，细胞膜便失去功能。

2.Zimmermann(1986)电崩解理论

细胞膜被视为电容，在高压电脉冲作用下，膜两侧电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成挤压力，当TMP达到临界崩解电位差时，细胞膜就开始崩解，导致细胞膜穿孔(充满电解质)形成，进而在膜上产生瞬间放电，使膜分解。

3.Tsong(1991)电穿孔理论

由于微生物细胞在高压脉冲电场的作用下细胞膜上的双磷脂层和蛋白质暂时变得不稳定导致的一种现象。在外加电场的作用下其细胞膜压缩并形成小孔，通透性增加，小分子物质如水分子可透过细胞膜进入细胞内，致使细胞体积膨胀，最后导致细胞膜破裂，细胞内容物外漏，使细胞死亡。

4.空穴理论

正是由于这种高压脉冲能量直接转换成的冲压式机械能，引起液体食品中微生物细胞内部的强烈振动和细胞膜破裂等现象，从而产生杀菌效应。

5.电磁机制模型

电磁理论认为电场能量与磁场能量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感线圈直接相连，细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场作用。

6.粘弹极性形成模型

此模型认为，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而产生剧烈振荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。

7.电解产物效应

此理论指出在电极施加电场时，电极附近介质中的电解质电离产生阴离子，这些阴阳离子在强电场作用下极为活跃，穿过在电场作用下通透性提高的细胞膜，与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。

二、脉冲电场发展史

l 早在1967年，英国学者就发现25kV/cm直流脉冲能有效致死营养细菌和酵母菌。

l 20世纪80年代以来，美国、日本等发达国家研究比较活跃，并制造了成套的技术设备。

l 20世纪90年代中后期，我国开始进行这方面的研究。

l 目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大学、华南理工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开展 PEF 技术的相关研究

l 江南大学从美国俄亥俄州立大学购置一套 OSU-4L 型 PEF 杀菌设备，并进行了较为基础性的研究和设备改造

l 中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对 PEF 对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多基础工作

l 浙江大学、清华大学在 PEF 设备和处理腔设计方面取得了一定成果

三、脉冲电场物料处理效果

高压脉冲电场对牛奶杀菌的研究

室温条件下，电场强度为50 kV/cm，脉冲数对电场杀菌效果影响较小，所以可以选用较小的脉冲数。

原料乳中微生物残留数与场强大小关系

处理脉冲数6个，整个杀菌过程中，由于脉冲数较少，处理后的牛乳没有温升。

微生物残留数与脉冲数大小的关系

电场强度是最主要的影响因素，场强越大，电场的杀菌效果越好，其次是温度，温度越高，电场杀菌效果越好，最后是脉冲数的影响，电场杀菌效果随脉冲数的增加而增加，但增加幅度不大．

杀菌温度与杀菌效果的关系

l 质量分数为2％的含脂乳经PEF处理，无菌包装．4℃保存。它的物理化学性质没有改变．微生物货架期2周。

l 热-巴氏杀菌乳与PEF--巴氏杀菌乳感官评定上没有区别。

l 采用氨基酸分析仪对经电场处理前后牛乳中的游离氨基酸质量分数进行了分析研究．发现牛乳中的总游离氨基酸质量数增多。

l 采用高效液相色谱仪对经电场处理前后牛乳中的维牛素A质量分数进行了测定．发现牛乳中维a的质量分数几乎无损失。

l 同样，有研究表明场强在10～100 kV／cm．脉冲数在100～1200的条件下．牛乳中pH值、电导率、乳糖质量分数和蛋白质质量分数变化均不显著。

l 仅有VC的质量分数会有相当大程度的减少。

高压脉冲电场对桃汁杀菌的研究

电场强度、脉冲数、杀菌温度的优水平分别为60kV/cm、6、35℃。

1.电场强度E=40kV/cm，温度为室温(20℃左右)。

残留菌数与样品温度的关系

2. E=40kV/cm，脉冲频率F=200 Hz，处理一次脉冲数C=2。

残留菌数与电场强度的关系

3.脉冲频率f=400Hz，处理一次脉冲数C=4，温度为室温(20℃左右)

残留菌数与场强的关系

桃汁理化指标

l 抗坏血酸、总算含量均未发生变化，氨基态氮略有降低。电导率测定未发生变化。

l 高压脉冲电场对桃汁非热杀菌，其电场强度和杀菌温度是主要的影响因素，脉冲数对杀菌影响不显著。杀菌后的桃汁保持了原桃汁原有的营养和鲜味，高压脉冲电场非热杀菌不改变桃汁的物理、化学性质。

高压脉冲电场对石榴汁杀菌的研究

①　酵母菌和霉菌是果汁中最常见的有害微生物, 它们可以在较低的 pH值下生存。对 PEF处理前后石榴汁中的酵母菌 霉菌以及大肠杆菌进行计数, 结果表明酵母菌和霉菌比大肠杆菌更难杀灭。

②　在脉冲频率为100Hz, 场强为35kV/cm时, 当脉冲处理时间达到200µs时, 大肠杆菌下降 3.62个lg， 酵母菌下降2.34个lg， 而霉菌仅下降了0.74个lg值, 霉菌孢子对PEF较不敏感。

③　当处理频率为 333Hz时, 电场强度为35kV/cm,处理时间为 200µs, 霉菌下降了1.82个lg值。当处理时间达到800µs，霉菌数量降低3.6个lg。

PEF处理对石榴汁理化性质的影响

(1) 多酚含量与原样无显著差异

(2) 类黄酮稍有下降

(3) 澄清度仅下降1%左右

(4) 对色泽有所影响，但小于热处理

高压脉冲电场对绿茶饮料杀菌的研究

PEF对绿茶饮料杀菌具有非常明显的作用，单场强度和处理时间是其杀菌效果的主要参数，随着电场强度和处理时间的增大，杀菌效果越来越好。当电场强度达到40kV/cm时，杀菌效果非常显著，处理时间为40µs时总菌数已经降低了2.7个对数值。

PEF处理后，绿茶饮料的茶多酚、氨基酸含量和色泽均未发生明显变化，PEF不仅能够使绿茶饮料达到检测无菌的水平，还可以保持其原有品质。

高压脉冲电场对食品组分的影响

PEF 对食品蛋白质组分的影响

酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，PEF 处理可以钝化酶活和改变酶的结构，那么 PEF 也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能产生影响。而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）。另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。

Barsotti等报道，PEF 处理不会引起卵球蛋白的明显变性，而PEF处理过的蛋清蛋白的热凝胶性能稍有下降，但还是明显好于热处理的蛋清；Li等报道，在使微生物数目减少5.3个对数值的作用强度下，PEF对牛奶免疫球蛋白（IgG）的活性和结构的影响不显著；

Fernandea-Diaz等用31.5KV/cm左右的指数衰减脉冲电场处理卵清溶液，发现PEF可使卵清蛋白部分展开或提高SH解离成易反应S-的离子化程度。Perez等用12.5kv/cm的指数衰减脉冲电场静态处理卵清蛋白和β-乳球蛋白浓缩液，发现两种蛋白都有不同程度(26-40%)的变性，差示扫描量热仪（DSC）测定显示PEF处理后的β-乳球蛋白浓缩液热变性温度下降 4-5℃，而卵清蛋白的热稳定性有所增强，电泳分析有共价键参与的凝聚生成。

Budi 等报道PEF可抑制胰岛素分子柔性，从而影响底物与活性位点的接触。

Xiang 等发现22kV/cmPEF作用80个脉冲可引起牛乳中25％蛋白变性。

Li 等研究了PEF对大豆分离蛋白结构与功能性质的影响，结果表明随着脉冲强度和脉冲处理时间的延长,大豆分离蛋白的溶解度、乳化性、起泡性及疏水性增加，当脉冲强度或处理时间大于一定程度，蛋白质分子变性程度增加，功能性质下降。

张铁华等研究了PEF对蛋清蛋白功能性质的影响。研究结果表明蛋清蛋白的溶解度在脉冲电场强度大于35kV/cm时下降；蛋清蛋白的乳化性、起泡能力、泡沫稳定性及疏水性先随脉冲电场强度增加而增大，但当脉冲电场强度大于30kV/cm后逐渐下降。

卢蓉蓉等研究了PEF对乳铁蛋白（LF）结合铁能力的影响，发现LF的铁结合能力大体随电场强度、处理时间和脉冲宽度增加而降低。

曾新安等和刘燕燕等研究了PEF对大豆分离蛋白溶液的表面性质和粒径分布，研究结果表明一定强度的PEF可影响氨基酸的极性和电负性，进而影响了蛋白质分子间的相互作用，从而影响蛋白质胶体体系的电位、稳定性，改变胶束的粒径分布。

PEF 对食品脂质组分的影响

一些研究者已经提出了 PEF 处理食品过程中的电化学问题和电极腐蚀问题。Johan 等发现 PEF 处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问题。Roodenburg 等的研究显示，在 PEF 处理食品过程中，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会少量释放到食品中。这些因素决定 PEF 处理食品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。

最近，PEF 处理过程中脂肪酸、油脂等发生变化的现象开始受到研究者的关注， Garde-Cerdan 等发现 PEF 处理（杀菌）可引起葡萄汁中脂肪酸总量的减少，其中月桂酸的变化最为明显；Guderjan 等应用 PEF 辅助提取油菜籽中的油脂来提高出油率，发现 PEF 辅助提取的油菜籽油的酸值显著高于未用 PEF 处理的。资智洪等和曾新安等报道 PEF 处理油酸和花生油会导致一定程度的脂质氧化，过氧化值升高以及不饱和脂肪酸含量下降。梁琦等研究了 PEF 处理对油酸理化性质的影响及 PEF 处理过的油酸在贮藏过程中理化性质的变化。实验结果表明油酸的过氧化值随着 PEF 处理强度和贮藏时间的增加显著增大，羰基值在 PEF 处理后的一周后迅速升高，PEF 处理过的油酸碘价在贮藏 2d 后有下降趋势。

PEF 对食品碳水化合物组分的影响

关于 PEF 对碳水化合物影响的研究较少。张鹰等报道 25kV/cmPEF 处理的脱脂牛乳中乳糖含量未发生显著变化。Garde-Cerdan 等研究发现 PEF 处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没有影响。Han 等采用 PEF 对玉米淀粉进行处理，结果表明 50kV/cmPEF 处理后淀粉颗粒表面会出现明显的小孔和凹坑，X 射线衍射峰的强度和焓值及糊化转变温度降低，表明淀粉在 PEF 作用下发生了分子结构破坏和重排。

Cortes 等研究发现 PEF 处理对橘汁中类胡萝卜素的活力有很小的影响。Rivas 等研究了 PEF 处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（4℃保存 81d）内水溶性维生素（维生素 H、叶酸、维生素B5和核黄素）的变化，发现 40kV/cmPEF 处理后样品中的维生素可保留 90%以上。Zhang 等报道花色苷－矢车菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。Elez-Martinez等研究了PEF处理后橙汁中维C以及抗氧化能力的变化，发现维C的保留量随场强、处理时间增大而减小。35kV/cm PEF 处理后橙汁中维C的保留率在87%以上。