食品高压脉冲电场杀菌技术Non-thermal sterilization technology high voltage pulsed electric fields （HVPEF）and its applications in food industry何进武黄惠华HE Jin-wu HUANG Hui-hua(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)（College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology,Guangzhou，Guangdong510640,China）摘要：介绍了高压脉冲电场杀菌的原理、设备装置、影响因素和杀菌效果。

该技术离大规模商业化还有一定距离，需要科技工作者进一步研究。

关键词：高压脉冲电场；杀菌；影响因素；应用；效果Abstract:It takes short time,needs less energy and can keep the food nutrition and flavor at the most extent.The mechanisms,equipment, influencing factors and applications of HVPEF in food industry are reviewed in this paper.Keywords:HVPEF；Sterilization；Influencing factors；Application；Effect 非热杀菌是一种当代崭新的食品加工技术，其杀菌条件易于控制，外界环境影响较小。

由于杀菌过程中食品的温度并不升高或升高很低，既有利于保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及营养成分。

在众多非热杀菌技术中，高压脉冲电场杀菌以其良好的应用特性而被国内外学者广泛研究，成为当前最有前途实现工业化应用的杀菌方法之一。

高压脉冲电场食品杀菌技术是一种非热杀菌技术。

和传统的食品热杀菌技术相比,它具有杀菌时间短、能耗低、能有效保存食品营养成分和天然色、香、味的特征等特点[1～5],是当前食品非热杀菌技术研究的热点。

————————————作者简介：何进武(1983-),男，华南理工大学轻工与食品学院在读研究生。

E-mail：hejinwu2005@收稿日期：2007-02-11１高压脉冲电场杀菌机理应用高压脉冲电场使液体介质中的微生物失活已有广泛研究。

经过近40年的探讨，主要形成了几种代表性的观点：(1)跨电膜理论Hamilton和Sale[6]认为当一个外部电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电位。

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，可由式（1）得出：U(t)=1.5rE（1）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，当跨膜电位达到1V时，细胞膜便失去功能。

(2)介电破坏理论根据该理论，Zimmermann[7,8]认为可将细胞膜视为电容，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，当跨膜电位达到1V，挤压力大于膜的恢复力时，膜就会破裂。

(3)电穿孔理论Tsong从液态镶嵌模型出发认为，高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度，使细胞膜失去半渗透性质，细胞膨胀而死[3,9,10]。

(4)空穴理论液体食品流经高压脉冲电场，当主间隙放电时，产生强大的脉冲电流，它将使液体气化成温度高达数万度以上的等离子体，形成高压通路。

或多或少产生的一些气体，形成极薄“气套”包围着火化，压力由薄薄的气套传递给液体，产生高速绝热膨胀而形成强大的超声液压冲击波。

放电终了瞬间，气套处形成空穴，由于压力突然减少，液体又以超声速回填空穴，形成第二个超声回填空穴冲击波。

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[11]。

归纳起来，这些机理认为电场对微生物的作用主要表现在场的作用和电离作用2个方面，通过以上2种作用共同进行杀死菌体。

对于高压脉冲电场杀死菌体的作用，国内外许多学者还提出多种其它的机制模型：如电磁机制模型、类脂物阻塞模型等，但是这些机制需要进一步通过试验得到验证[12]。

2杀菌装置高压脉冲电场杀菌装置的基本结构见图1[13]，它主要由脉冲发生器、处理室和高压脉冲电场杀菌装置控制系统组成。

图1高压脉冲电场食品杀菌装置液体食品通过变量泵调节流量进入处理室，处理室里装有电极，电极间加上高压，将产生强电场，利用这个强电场对流经处理室的液体食品进行杀菌。

2.1高压脉冲发生器高压脉冲发生器是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l0kV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l0kV/cm以上的强电场。

脉冲可采用方波、指数、交变等3种形式，目前常用的是指数脉冲，它由电阻－电容组成的电路产生，结构比较简单，价格比较便宜，适合于工业化应用。

这种脉冲发生器由高压直流电源向电容充电，电容器上的电能在高速电子开关的闭合瞬间向处理室释放，从而形成指数脉冲。

因此，大功率充电电源和高速电子开关是高压脉冲发生器设计的关键[14]。

2.2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。

处理室可分为静态分批式和连续式两种。

静态分批式处理室规模小、考虑影响因素较少,不适于大规模工业化应用。

为此,人们设计了各种连续式处理室,处理室内装有电极和冷却装置。

处理室的电极主要有平行盘式、柱－柱式、柱－盘式、同心轴式等等。

在许多实验中经常采用平行盘式和同心轴[14,15]。

目前所设计的处理室，绝大部分只能在实验室使用，远未达到工业应用的程度。

有很多问题需要解决，如处理室液体食品流过的截面面积过小，还无法找出最容易出现火花放电的危险点以及处理室内电场均匀分布等问题[14]。

2.3高压脉冲电场杀菌装置控制系统高压脉冲电场食品杀菌装置控制系统实现以下功能：控制泵的开启与关断；产生原始矩形脉冲信号；实时监测与调节杀菌工作电压,并在杀菌电压异常时快速中断冲电源供应；输出以下4个信号：泵的开关量控制信号；脉宽值；脉间值；脉冲电压值；在线调节脉冲电源参数即脉宽、脉间及脉冲电压值[13]。

3影响高压脉冲电场杀菌效果的因素3.1脉冲电场参数的影响（1）电场强度电场强度在各因素中对杀菌效果影响最明显，增加电场强度、对象菌的存活率明显下降[16,17]。

实验表明：电场强度从5kV/cm增至25kV/cm，杀菌对数曲线斜率增加1倍。

介质电导率提高，脉冲频率上升，脉冲宽度下降，若脉冲数目不变，杀菌效果将下降[12]。

（2）脉冲数脉冲数增加杀菌效果明显提高。

Kui Zhong等人研究发现，随着电场强度的提高和脉冲数的增加，山葵过氧化物酶的活性下降。

经过25kV/cm,207个脉冲和22kV/cm,1214个脉冲的处理,山葵过氧化物酶的相对活性分别下降16.7%，34.7%[18]。

（3）脉冲形状脉冲的形状通常使用方形波，指数衰减波和交变，其中方形波效果最好，指数次之，交变处理系统最差[9,15,16]。

（4）处理时间杀菌时间是各次放电释放脉冲时间的总和。

随着杀菌时间的延长，对象菌存活率开始急剧下降，然后逐渐平缓，最后增加杀菌时间亦无多大作用[2,12]。

（5）电流大小关于电流的影响，所见报道不多，但据D.R.Sepulveda等人的研究发现，当其它参数保持不变的情况下，在所研究德范围内，电流和吸收的总电能的大小对杀菌效率几乎没有影响[19]。

这是一个新的发现，值得进一步研究。

3.2微生物特征的影响包括微生物种类、生长条件及生长时期。

不同的微生物具有不同抗脉冲电场的能力。

微生物在对数期的抗脉冲电场的能力最小，在设计杀菌模刑时应考虑在对数生长期。

生长条件也影响杀菌效果，这些条件包括温度、生长培养基的成分、氧的浓度、恢复期的条件(接种时期、恢复培养基的成分、恢复期的温度等)[20]。

3.2.1微生物的种类微生物的种类对高压脉冲电场的杀菌效果有重要影响，一般说来，革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抵抗力大于酵母，而细菌和霉菌的饱子的抵抗力大于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和酵母。

微生物的大小和形状也影响杀菌效果，小的微生物抵抗力较大[20]。

但D.Garcı´a等人研究比较了在相同状况下高压脉冲电场对四4种革兰氏阳性菌和四种革兰氏阴性菌的杀灭作用效果。

发现微生物本身的特征如细胞大小，形状和细胞膜的类型并没有对高压脉冲电场作用产生预期的影响[21]。

3.2.2微生物的浓度 C.Ferrer等人在对高压脉冲电场杀菌的柑桔和胡萝卜汁混合饮料研究时发现：在低的电场强度和胡萝卜汁含量为零时，原料中最初的污染物水平是影响处理后残菌量的最重要参数[22]。

研究发现，对菌数高的样品与菌数低的样品加以同样强度、同样时间的脉冲，前者菌数下降的对数值比后者要多得多[14]。

但也存在相反的情况，如G.Donsi等人在带平行板电极的处理室用高压脉冲电场处理从固体或液体中接种来的啤酒酵母时发现：当最初的啤酒酵母的浓度在103～108CFU/mL时，高压脉冲电场的致死作用会随着初始酵母浓度的降低而增强[23]。

3.2.3生长条件Takayuki Ohshima等人用高压脉冲电场处理不同温度培养的Escherichia coli时，发现培养温度对其高压脉冲电场致死率又重要影响，且在其最佳的培养温度37℃生命力最强[24]。

3.3介质条件和食品本身特性的影响3.3.1处理介质的pH D.Garcıa等人研究发现对高压脉冲电场作用影响最大的因素是处理时介质的pH。

实验结果显示:L.monocytogenes在pH为7.0时具有最小的高压脉冲电场致死率，而在pH为4.0时达到最大[21]。

N.Gomez等人研究也发现乳酸菌和李斯特菌在高电场强度和低pH介质中更容易致死。

例如，乳酸菌在pH分别为3.5，5.0，6.5，7.0介质中处理400μS,致死数量级分别为5.0，2.8，2.6，1.1。

电场强度增加，乳酸菌的致死率也相应提高，特别是在较低的pH时，这种提高更显著。

pH是影响高压脉冲电场作用的一个重要因素，其他的革兰氏阳性菌如L.plantarum在中性介质中比在酸性介质有更强的抗高压脉冲电场作用[17,25]。

3.3.2处理时的温度Nikolai I.Lebovka等研究发现高压脉冲电场对微生物的杀灭时间随着处理温度提高和电场强度的增加而显著的减少。

高压脉冲电场处理时，物料内在的温度而使物料组织软化。