脈衝電場

脈衝電場(Pulsed Electric Fields, PEF)處理是一種新型的非熱食品殺菌技術，它是以較高的電場強度(10-50kV/cm)、較短的脈衝寬度（0-100μs）和較高的脈衝頻率（0-2000Hz）對液體、半固體食品進行處理，並且可以組成連續殺菌和無菌灌裝的生產線。

基本介紹

• 中文名：脈衝電場
• 外文名：Pulsed Electric Fields
• 作用：殺菌作用
• 簡稱： PEF

脈衝電場作用

主要為殺菌作用:

基本原理　脈衝電場產生磁場，這種脈衝電場和脈衝磁場交替作用，使細胞膜透性增加，振盪加劇，膜強度減弱，因而膜被破壞，膜內物質容易流出，膜外物質容易滲入，細胞膜的保護作用減弱甚至消失。 2、電離作用　電極附近物質電離產生的陰、陽離子與膜內生命物質作用，因而阻斷了膜內正常生化反應和新陳代謝過程等的進行；同時，液體介質電離產生O3的強烈氧化作用，能與細胞內物質發生一系列反應。　通過以上2種作用的聯合進行，殺死菌體。

殺菌原理

目前 PEF 對微生物的作用機理尚不完全清楚，多數學者認為 PEF 是通過外部電場與微生物細胞膜直接作用，從而破壞細胞膜的結構，形成“電穿孔”而導致微生物滅活。微生物細胞和外環境之間進行著活躍的物質交換，細胞膜的完整性對保證細胞生命活動的正常進行有著極其重要的作用。PEF 的殺菌作用與其對微生物細胞膜的影響密切相關。當微生物被置於高壓脈衝電場中時，細胞膜會被破壞，從而導致細胞內容物外滲，引起細胞死亡。

細胞膜的電穿孔

電穿孔現象是指細胞暴露在 PEF 作用下出現的細胞膜失穩並在細胞膜上形成小孔的現象。細胞質膜通透性大幅增加，胞內的滲透壓高於細胞外，最終導致細胞膜的破損。

細胞膜的電崩潰機制與模型

微生物細胞膜由鑲嵌蛋白質的磷脂雙分子層構成，它有一定的電荷，具有一定的通透性，也有一定的強度。膜的內外表面間具有一定的電勢差（Vm），當細胞膜上外加一個電場（E）時，這個電場將使膜內外的電勢差增大。由於細胞膜兩表面堆積的異號電荷相互吸引，引起膜的擠壓；當電場強度增大到一個臨界值時，細胞膜的通透性劇增，腹上出現許多小孔，使膜的強度降低；進一步的作用使細胞膜產生不可修復的大穿孔，使細胞組織破裂、崩潰，導致微生物失活。

目前，穿孔效應假說被大多數學者所接受，但電穿孔特性的研究在國內仍處於早期階段，國外研究時間較長，但至今仍然有許多現象無法解釋，而新的現象又不斷地被報導。

PEF 殺菌效果

早期的研究主要集中在 PEF 對微生物的殺菌效果方面，人們已就 PEF 對多種腐敗菌和致病菌的殺菌效果進行了大量而系統地研究。目前，人們已經對 PEF 的殺菌效果有了深入的認識和掌握。PEF 殺菌實驗的指示微生物包括枯草芽抱桿菌、德氏乳桿菌、單核細胞增生李斯特氏菌、螢光假單孢菌、啤酒酵母、金黃色葡萄球菌、嗜熱鏈球菌、大腸桿菌、大腸桿菌 O157、黴菌和酵母等，研究結果表明 PEF 處理對這些微生物的營養體細胞均有較好的殺滅作用，但芽孢表現出較強的耐受性。

影響高壓脈衝電場殺菌的因素

影響PEF殺菌的因素有很多，它們嚴重影響著殺菌效果，基本上分為加工因素，產品因素和微生物特徵因素。

（1）PEF加工因素：電場強度、處理時間、脈衝頻率、脈衝寬度、脈衝形狀、樣品流速、初始溫度。

（2）產品因素：產品成分、導電性、離子強度、pH、水分活度、黏度。

（3）微生物特徵因素：微生物種類、生長條件、生長時期。

高壓脈衝電場對食品組分的影響

PEF 對食品蛋白質組分的影響

酶是一種具有催化活力的特殊蛋白質，PEF 處理可以鈍化酶活和改變酶的結構，那么 PEF 也必然會對食品蛋白質組分的結構與功能產生影響。而且從原理上講，脈衝電場會影響蛋白質基團間的靜電相互作用和帶電基團的定位，擾亂蛋白質胺基酸殘基間的電場分布和靜電相互作用，導致電荷分離，從而影響蛋白質的結構（二級和三級）。另外，電極周圍的電化學反應也可能會對包括蛋白質在內的食品組分產生一定的影響。

PEF 對食品脂質組分的影響

一些研究者已經提出了 PEF 處理食品過程中的電化學問題和電極腐蝕問題。Johan 等發現 PEF 處理過程中的電化學反應引起的電極腐蝕問題。Roodenburg 等的研究顯示，在 PEF 處理食品過程中，電極中的鐵、鉻、鎳、錳等金屬物質會少量釋放到食品中。這些因素決定 PEF 處理食品過程中，電化學反應必然發生，電化學反應的產物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引發脂質由單重態氧、自由基和其他氧化性物質引發氧化反應（鏈式反應），產生一系列複雜的氧化產物。

PEF 對食品碳水化合物組分的影響

關於 PEF 對碳水化合物影響的研究較少。張鷹等報導 25kV/cmPEF 處理的脫脂牛乳中乳糖含量未發生顯著變化。Garde-Cerdan 等研究發現 PEF 處理對葡萄汁中還原糖含量幾乎沒有影響。Han 等採用 PEF 對玉米澱粉進行處理，結果表明 50kV/cmPEF 處理後澱粉顆粒表面會出現明顯的小孔和凹坑，X 射線衍射峰的強度和焓值及糊化轉變溫度降低，表明澱粉在 PEF 作用下發生了分子結構破壞和重排。

PEF 對食品其它組分的影響

Cortes 等研究發現 PEF 處理對橘汁中類胡蘿蔔素的活力有很小的影響。Rivas 等研究了 PEF 處理牛乳和橙汁及處理後的保藏期（4℃保存 81d）內水溶性維生素（維生素 H、葉酸、維生素 B5 和核黃素）的變化，發現 40kV/cmPEF 處理後樣品中的維生素可保留 90%以上。Zhang 等報導花色苷－矢車菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可發生降解，吡喃環斷裂生成查爾酮。Elez-Martinez 等研究了 PEF 處理後橙汁中維生素 C 以及抗氧化能力的變化，發現維生素 C 的保留量隨場強、處理時間增大而減小。35kV/cm PEF 處理後橙汁中維生素 C 的保留率在 87%以上。

高壓脈衝電場系統設備

PEF系統設備主要包括五部分：電源裝置、脈衝發生裝置（包括電容和控制開關）、樣品處理室、冷卻系統、溫度測定系統。