高壓脈沖電場殺菌系統的研究進展

金 偉 平雪良 吉 祥 許衛斌

（江南大學，江蘇 無錫 214122）

高壓脈沖電場殺菌系統的研究進展

金 偉 平雪良 吉 祥 許衛斌

（江南大學，江蘇 無錫 214122）

殺菌是食品加工處理過程中的一個重要工序。殺菌效果的好壞直接影響食品的安全與衛生，傳統的殺菌技術會對食品的營養價值和風味產生一定的副作用。高壓脈沖電場（PEF）殺菌技術因其殺菌效果好、快速、低耗、安全等優點而被廣泛地用于食品殺菌中。文章介紹國內外高壓脈沖電場殺菌技術對高壓脈沖發生器、處理室、殺菌系統的影響，并綜述對其應用的研究。

高壓脈沖電場；殺菌；高壓脈沖發生器；處理室

隨著生活水平的日益提高，人們對食品質量要求日趨升高。為保持食品感官和營養價值的最小損耗，非熱殺菌技術開始被廣泛的應用于食品加工中，在眾多非熱處理技術中，高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）是最具工業發展前景的非熱殺菌技術之一［1］。高壓脈沖電場殺菌技術是將待處理的液態物料采用泵送等方式流經設有高強脈沖電場的處理器，微生物在極短時間內受強電場力的作用后，細胞結構被破壞，進而菌體死亡，達到殺菌目的。高壓脈沖電場對微生物有良好的殺菌效果，但PEF殺菌機制仍處于爭論階段，經過40多年的研究，在眾多PEF殺菌機制之中，被人們廣泛接受的主要有3種觀點：① 細胞膜跨膜電位機制［2］；②電崩潰機制［3］；③ 電穿孔機制［4］。高壓脈沖電場殺菌技術具有殺菌效果好，一般能減小6個對數周期，殺菌時間短，殺菌溫度低，對食品的化學成分、外觀及風味等基本無影響，耗能小，對環境無污染，無二次污染及三廢問題。

1 PEF殺菌系統裝置

完整的PEF殺菌系統主要包括4個部分：高壓脈沖發生器、處理室、流體處理系統及監控輔助系統，其中高壓脈沖發生器和處理室是PEF殺菌系統的兩大核心部分。所以對PEF殺菌系統的研究主要是針對高壓脈沖發生器和處理室。

1.1 高壓脈沖發生器

高壓脈沖發生器主要包括高壓直流電源和高壓脈沖波形兩大部分。高壓直流電源的作用就是將電網輸入的220V的交流電源通過逆變壓器變成幾十千伏的交流電，然后經過整流變成高壓直流電［5］。一般來說，PEF殺菌系統的高壓脈沖波形可以使用方波、指數衰減波、鐘形波等幾種形式，目前常用的是指數脈沖，它由電阻－電容組成的電路產生，結構比較簡單，價格比較便宜，適宜于工業化應用［6］。國內外許多科研機構和大學對高壓脈沖發生器進行了研制。比較典型的有：

（1）2001年，美國俄亥俄州立大學（OSU）研制了第一臺固態高壓脈沖發生器［7］。該系統能夠產生高達60kV、750A的正負脈沖，并且正負脈沖都有相對應獨立的固體開關。可以單獨產生正脈沖或負脈沖，也可以產生正負交替的脈沖。其結構圖見圖1。

（2）2003年，大連理工大學利用大功率開關器件（IGBT）配合脈沖升壓變壓器制成了10kV的高壓脈沖發生器［8］。該發生器通過復雜可編程邏輯器件（CPLD）來產生脈沖觸發信號，后經IGBT模塊驅動，實現了脈沖電壓0～10kV，脈沖頻率10～5 000Hz，脈沖寬度在2～30μs以及脈沖個數在1～100內的精確控制。其結構圖見圖2。

圖1 OSU高壓脈沖發生器結構圖Figure 1 High voltage pulse generator structure of OSU

圖2 大連理工大學高壓脈沖發生器結構圖Figure 2 High voltage pulse generator structure of Dalian University of Technology

（3）2009年，清華大學陳杰等［9］設計了一個名為“THUPEF3”的高壓脈沖殺菌系統，該系統能通過觸發器單元能產生單級或雙極方波脈沖，上升時間僅為1μs。單極和雙極波形的脈沖頻率和時間都能夠精確調節。系統的最高電壓能達到20kV并且脈沖的重復頻率達到1kHz，THU－PEF3高壓脈沖發生器電路見圖3。

圖3 THU－PEF3高壓脈沖發生器電路圖Figure 3 High voltage pulse generator circuit of THU－PEF3

（4）2010年，Universidad de las Américas Puebla［10］提出了一種新型高壓脈沖發生器。該脈沖發生器能提供15kV的方波電壓，方波頻率范圍為250Hz～30kHz。系統采用了一個60Hz的變壓器（T1），先后通過 AC／DC、DC／DC、DC／AC轉換將普通的正弦交流電壓轉換為大小和頻率都可控的交流電壓，最后通過一個低功率的變壓器（T2）將電壓增加到最終系統所需的電壓，其脈沖發生器結構圖見圖4。

圖4 美洲大學高壓脈沖發生器結構圖Figure 4 High voltage pulse generator structure of Universidad de las Américas Puebla

此外，國外在此領域有研究的其他單位還有俄亥俄州立大學（OSU）以及Pure－Pulse Technogies公司等，中國在此領域有研究的其他單位有華南理工大學、中國農業大學、浙江大學、江南大學、西安交通大學等知名高校。江南大學正在對高壓脈沖發生器及處理室進行研究，目前已初步形成了高壓電源為30kV的PEF殺菌系統。

1.2 處理室

處理室是PEF殺菌系統的重要組成部分，它最基本的功能就是放置待處理的物料和安放電極。一個PEF處理室一般有2個電極，以及裝載電極的絕緣材料構成。根據物料是否流動，處理室分為靜態式和連續式；根據電極形式分為平板式、同軸式和共場式3種［11］。

處理室設計遵循的總體原則，大致可以歸納為① 電場分布均勻；② 不易放電且適用于各種食品物料；③ 腔體直徑的大小應盡量滿足物料處理量的要求而不能造成負載過小［12］。同時在設計處理室時還應考慮如何使樣品更容易注入處理室和減小處理室的復雜性［13］。

近年來，國內外不少學者設計開發了不同類型的處理室，部分設計見表1。

表1 不同類型的處理室［14］Table 1 Different types of treatment chamber

均勻的電場分布是處理室設計的核心要求，分布在處理室內的電場強度一致可以最大化地提高PEF殺菌系統的殺菌效果。無論是靜態處理室還是連續式處理室都要求合理分布的電場強度。隨著PEF殺菌系統趨向于商業化應用，在確保均勻的電場分布的條件下，流速快、流量大是當前處理室發展的趨勢［15］。目前設計的處理室還未能運用于所有的食品殺菌而且大部分處理室僅用于液態食品殺菌［14］。為了避免處理室可能產生的電極污染、電火花、電擊穿等問題，采用多流道的處理室處理單元可以明顯的解決這些問題［16］。國外一些學者已經開始運用聚合物復合材料作為電極材料來克服不銹鋼電極的磨損特性，進而避免了殺菌過程中的二次污染［17］。

2 殺菌系統的影響分析及應用

PEF殺菌系統決定電場強度、脈沖特性、處理時間等技術參數，PEF殺菌系統的各個技術參數對食品殺菌效果都有著或大或小的影響：

（1）電場強度：電場強度是影響PEF殺菌效果的一個顯著因素，隨著電場強度的增加，殺菌效果明顯增強［18］。相關數據［19］表明，微生物的失活率與電場強度呈指數遞增關系。

（2）作用時間：作用時間是脈沖寬度與脈沖個數的乘積，脈沖寬度與電場對細胞膜破裂有著密切的關系［20］，隨著脈沖作用時間的增長，殺菌效果明顯增強［21］。

（3）脈沖波形：高壓脈沖處理系統可以采用方波，指數衰減波，交變指數衰減波，其中方波的處理效果最佳，指數波次之，交變指數衰減波效果最差［22］。

（4）作用溫度：在恒定的電場強度下，殺菌效果隨著溫度的升高而升高［23］。與此同時，隨著溫度的升高，處理物料的導電性及處理室內電壓都會發生改變［24］。

（5）其他：除去上述因素，脈沖頻率、脈沖極性、電流大小，物料流速等也會對PEF殺菌系統的殺菌效果產生一定的影響。

在歐洲，考慮設備成本和能耗150J／mL以及按照5m3／h的能量計算，同時考慮設備折舊和每天的生產班次，PEF的處理成本為每升1～2歐分［25］。良好的經濟性大大的促進了PEF殺菌系統的研制。

鑒于高壓脈沖電場殺菌技術的眾多優良特性，PEF殺菌技術已經逐步應用于食品加工過程之中。PEF殺菌系統可以應用于食品殺菌、果蔬榨汁與脫水、輔助食品成分提取、食品保藏，廢水凈化等方面。當然，目前對PEF技術的研究仍在進行之中，相信該技術會有更大的應用空間。

3 結論

文章主要針對國內外高壓脈沖電場殺菌系統的研究現狀進行綜述。國內外的試驗研究［26，27］證明，高壓脈沖電場殺菌是一種有效、安全、環保的殺菌方式。目前，國外發達國家對PEF殺菌技術的理論研究及設備比較成熟，已由中試階段向商業化應用過渡，而中國也對PEF殺菌技術的各方面進行了相關研究，但PEF殺菌系統仍處于實驗室階段，較商業化仍有一定的差距。研制大功率、控制精度高、處理量大、應用范圍廣的PEF殺菌系統才能更快的推動PEF殺菌技術商業化的步伐。此外，在研究PEF殺菌理論和加快PEF殺菌系統研制的同時，應該更關注該技術對食品質量及安全性的研究。安全性、經濟性、高效性的高壓脈沖電場殺菌技術才能更好的發展與應用。

1 Sánchez－Moreno，Concepción，Lucía Plaza，et al.Nutritional approaches and health－related properties of plant foods processed by high pressure and pulsed electric fields［J］.Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2009，49（6）：552～576.

2 Sale A J H，Hamilton W A.Effects of high electric fields on microrganisms killing of bacteria and yeasts［J］.Biochemistry and Biophysics，1967（148）：781～788.

3 Zimmermann U.Electrical breakdown electropermeabilization and electrofusion［J］.Physiol Biochem Pharmacol，1986（105）：196～256.

4 Tsong T Y.Electroporation of cell membranes［J］.Biophys J.，1991（60）：297～306.

5 應雪正，王劍平，葉尊忠.國內外高壓脈沖電場食品殺菌關鍵技術概況［J］.食品科技，2006（3）：4～7.

6 何進武，黃惠華.食品高壓脈沖電場殺菌技術［J］.食品與機械，2007，23（4）：155～158.

7 Gaudreau M P J，Petry J.A sold state pulsed power system for food processing［J］.Pulsed Power Plasma Science，2002（8）：1 174～1 177.

8 薛志勇，朱玫，李學慧.等.離子體制備氮化鐵磁流體用高頻高壓脈沖電源的研制［J］.大連大學學報，2003，24（2）：1～5.

9 Chen J，Zhang R B，Wang X Q，et al.Effects of pulsed electric fields on phenols and colour in young red wine［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2010，30（1）：206～209.

10 Rocher E G，Palomares R A，et al.A high voltage pulse generator for pulsed electric field pasteurization［C］／／Electronics，Communications and Computer（CONIELECOMP），2010 20th International Conference on Cholula：IEEE，2010：276～280.

11 劉翠.高壓脈沖電場滅菌系統關鍵性技術研究［D］.無錫：江南大學，2009.

12 余林林，方婷，陳錦權.高壓脈沖電場處理室的研究進展［J］.食品與機械，2009，25（2）：95～100.

13 平雪良，劉翠，楊瑞金，等.高壓脈沖電場靜態處理室的研制［J］.食品與生物技術學報，2010，29（2）：193～196.

14 Huang K，Wang J.Designs of pulsed electric fields treatment chambers for liquid foods pasteurization process：A review［J］.Journal of Food Engineering，2009（95）：227～239.

15 Kempkes M A，Liang R，Petry J，et al.PEF systems for food and waste streams［C］／／IEEE International Power Modulators and High Voltage Conference，Proceedings of the 2008.Las Vegas：IEEE，2008：73～76.

16 Sally R，Alkhafaji，Mohammed Farid.An investigation on pulsed electric fields technology using new treatment chamber design［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2007（8）：205～212.

17 Bart Roodenburg，Sjoerd W H，Leo B J，et al.Conductive plastic film electrodes for pulsed electric field（PEF）treatment－aproof of principle［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010（11）：274～282.

18 陳拓，楊瑞金，張莎，等.高壓脈沖電場對胡蘿卜汁的殺菌效果及類胡蘿卜素含量的影響［J］.食品與發酵工業，2010，36（7）：41～44.

19 Heinz V，Phillips S，Zenker M，et al.Inactivation of Bacillus subtilis by high intensity pulsed electric fields under close to isothermal conditions［J］.Food Biotechnol，1999（13）：155～168.

20 Neumann E，Sprafke A，Boldt E，et al.Biophysical considerations of membrane electroporation［M］.Guide to Electroporation and Electrofusion，San Diego：Academic Press，1992：77～90.

21 陳偉，楊瑞金，崔曉美.高壓脈沖電場應用于液蛋殺菌的研究［J］.食品科學，2007，28（4）：60～64.

22 吳為民，李樹杰，許東衛.脈沖高電壓液體滅菌技術的研究［J］.高電壓技術，1994，20（4）：3～7.

23 Martín O，Qin B L.Inactivation of Escherichia coliin skim milk by high intensity pulsed e1ectric fie1ds［J］.Journal of Food process Enginneering，1997，20（4）：317～336.

24 Wouters P C，Alvarez I，Raso J.Critical factors determining inactivation kinetics by pulsed electric field food processing［J］.Trends in Food Science ＆ Technology，2001，23（12）：112～121.

25 張慜.新型食品加工技術［M］.北京：中國輕工業出版社，2010：128～134.

26 Qin B L，Pothakamury U R，Vega H，et al.Food pasteurization using high－intensity pulsed electric fields［J］.Food Technology，1995，49（12）：55～60.

27 崔曉美，楊瑞金，趙偉，等.高壓脈沖電場對石榴汁殺菌的研究［J］.農業工程學報，2007，23（3）：252～256.

Development of pulsed electric field sterilization system

JIN Wei PING Xue－liang JI Xiang XU Wei－bing

（Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214122，China）

Sterilization is an important procedure in food processing.The effect of sterilization has a direct influence on food safety and healthy，The traditional sterilization technology will have a side effect on the value and flavor of food.Pulsed electric field（PEF）sterilization technology is widely used in food processing for affectivity，rapidness，safety and low consumption.This paper summarizes the development of high voltage pulsed electric field sterilization technology both at home and aboard，including high voltage pulse generator，treatment chamber，influence of sterilization system and its application.

pulsed electric field；sterilization；high voltage pulse generator；treatment chamber

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.065

江蘇省科技創新計劃（編號：BY2010120）

金偉（1988－），男，江南大學在讀碩士研究生。E－mail：1298078009＠qq.com

2011－11－10