用於液態食品的高壓電脈衝殺菌技術是目前冷殺菌研究中最為活躍的課題之一。電脈衝殺菌一般是把液態食品作為電介質置於殺菌容器內，與容器絕緣的兩個放電電極也置於其中，利用高壓脈衝發生器產生的脈衝電場對食品進行間歇式殺菌，或者使液態食品流經脈衝電場進行連續殺菌。
基本介紹
- 中文名：電脈衝殺菌
- 別稱：脈衝放電殺菌
概念,原理,電崩解理論,電穿孔理論,電脈衝殺菌裝置,殺菌效果,特點,食品加工套用,
概念
脈衝電場(pulsed electric field，PEF)殺菌是指對流經兩電極間的液態或半液態物料施加一定頻率的高電壓短脈衝放電，從而使物料中微生物死滅的處理技術。
20世紀60年代，A.J.H.Sale和W.A.Hamilon首先對高壓脈衝電場殺菌技術進行了研究，他們首先證明25 kV/cm脈衝電場使細菌營養體和酵母死亡的原因既不是電解產物也不是溫度升高，並指出脈衝寬度與脈衝頻率的乘積和脈衝電場強度是影響殺菌效果的兩個主要因素，不同種類的微生物對電場的敏感程度不同，酵母比細菌營養體對電場更加敏感。通過一系列實驗，他們提出高壓脈衝電場使細胞致死的原因是細胞膜上的半透性通道發生不可逆變性，導致膜的功能喪失。經過近半個世紀對其殺菌機理的研究，目前比較認同產生殺菌效果的原因是高壓脈衝電場導致細胞膜產生跨膜電壓△ψ，跨膜電壓破壞微生物細胞膜。
原理
電崩解理論
U.Zimmermann(1974)提出了電介質破壞理論，該理論認為細胞膜的磷脂雙分子層具有電容性質，可將其視為一電容器。細胞膜作為一種特殊類型的半透膜，膜的兩側存在著多種離子組成的電解質溶液。在外加電場的作用下，帶電離子重新分布，細胞膜內電介質極化，隨著電場強度的增大，細胞膜極化加劇，膜兩側相斥離子之間產生相互吸引的庫侖力，此作用力相當於在膜兩側施加了擠壓力，導致細胞膜變薄、局部破壞，此時的損傷是可逆的。若進一步增強電場強度或延長處理時間，更大面積的細胞膜會被破壞，發生不可逆損傷，從而會導致細胞死亡。
電穿孔理論
細胞膜的完整性對維持微生物生命活動的正常進行起著極其重要的作用。Tsong等人提出的電穿孔理論認為：細胞膜的磷脂雙分子層結構和膜蛋白均易受電場的影響。正常生理狀態下，細胞的靜息電位一般在幾十毫伏。當外加強電場使細胞的跨膜電壓達到1V左右時，膜上的蛋白通道打開，磷脂分子再定位形成許多新的膜孔，起初膜的改變是可逆的，但當電脈衝電場使跨膜電壓進一步增大，產生脈衝電流將擊穿細胞膜，引起細胞膜發生不可逆的改變，從而達到殺滅微生物的效果。
電脈衝殺菌裝置
電脈衝殺菌裝置主要由脈衝發生器、控制開關、進料泵、處理室和冷卻系統幾部分組成，其中脈衝發生器和處理室是裝置的關鍵部分。處理室兩電極一端接高壓脈衝電源，另一端接地。採用泵送方式將待殺菌的液態或半液態食品送進處理室，然後經過高壓脈衝電場殺菌，處理時會產生一定的熱量引起食品升溫(一般操作中食品的最高溫度低於50℃)，為了使物料溫度不致過高，可以通過冷卻系統降溫。
使用該技術應綜合考慮電場強度、脈衝波形、殺菌時間、食品電導率和細菌的種類、數量、生長期等多種因素，以確定最佳的殺菌方案。電脈衝殺菌的電場強度一般為5~80kV/cm，放電頻率為1～20Hz，處理波數為數十到數千個。採用的脈衝波形有指數衰減波、方波和振盪波，其中方波殺滅微生物的效率最高，指數波次之，震盪波最低。
殺菌效果
已有不少研究報導表明脈衝放電對許多與食品有關的微生物具有較好的殺菌效果，如大腸桿菌(E．coli)、枯草桿菌(B．subtilis)、短乳桿菌(L．brevis)、蠟狀芽孢桿菌(B．cerus)、啤酒酵母(S．cerevisiae)、金黃色葡萄球菌(S．aureus)、糞鏈球菌(S．faecalis)等。脈衝電場要起到殺菌作用的決定因素是電場強度，數值上等於電極間距與所施加電壓之比。當電場強度達到某個閾值時，脈衝電場才開始有殺菌作用，此後隨電場強度的增大，殺菌作用增強，。不同物料和在不同電場強度下的單位容積能量閾值不同，只有超過能量閾值才有明顯的殺菌效果，一般情況下該閾值為50J/mL。
特點
電脈衝殺菌具有以下3個主要特點：
1．殺茵時問短、能耗低
殺菌時間一般為us～ms級，用很低的能耗處理就可殺死99%的細菌，每噸液態食品滅菌耗電約為0.5～2.0 kW·h，是高溫殺菌耗能的1%。
2．溫升小
脈衝殺菌時的溫升一般小於5℃；因而可有效地保存食品的營養成分和天然風味。處理後食品在物理性質、化學性質、營養成分等方面與新鮮食品的差別很小。
3．殺菌效果明顯
採用25 kV/cm的電場強度，在，60℃殺菌時，細菌的存活率logN/No=109，殺菌率能滿足商業無菌的要求。
4．影響脈衝電場殺茵效果的主要因素
(1)對象菌的種類不同菌種的微生物對電場的承受能力有很大差別，如革蘭氏陰性菌較陽性菌易殺滅；無芽孢菌較有芽孢菌容易被殺滅；處於對數生長期的菌體比處於穩定期的菌體對電場更為敏感。在相同脈衝電場殺菌條件下，食品中常見細菌的存活率排序為：黴菌>乳酸菌>大腸桿菌>酵母。
(2)原始活菌數在相同溫度下施加同樣時間的脈衝，原始活菌數多的食品，其活菌數減少的對數值要大於原始活菌數低的食品。
(3)食品的濃度與黏度濃度高、黏度大的食品利用脈衝殺菌時，殺菌效果要受到一定程度的影響，如對濃縮果汁的脈衝殺菌效果不如鮮果汁的殺菌效果好。
(4)介質電導率介質電導率會影響放電時的脈衝強度和脈衝次數。介質電導率高的，脈衝頻率相應提高，但脈衝寬度隨之下降。這意味著即使脈衝數目不變，由於殺菌總時間下降，殺菌效果相應下降。
(5)介質pH在脈衝殺菌的前期，pH對殺菌效果的影響不大，但當脈衝數增至一定值時，pH開始顯示對殺菌效果的影響。
(6)處理溫度在24～60℃的溫度範圍內，脈衝殺菌效果隨處理溫度的升高而有所提高，其提高程度一般在10倍以內。
(7)處理時間在一定時間範圍內，隨著殺菌時間的延長，對象菌的存活率明顯下降，但當下降變得平緩時，即使再延長殺菌時間，殺菌效果也無明顯增加。
(8)電場強度電場強度對殺菌效果的影響均比以上因素明顯，增加電場強度，對象菌的存活率明顯下降。電場強度從5Kv/cm增加至25kV/cm時，殺菌對數曲線斜率增加一倍。
食品加工套用
電脈衝殺菌被認為具有以下優點：
①殺菌時對象升溫小，並且可以通過冷卻系統把處理溫度控制在5~55℃。
②殺菌時間短(從數微秒到數毫秒)，電流產生的熱量少，可以儘量保留物料原有的外觀、風味和營養價值。
③與普通熱殺菌相比，電脈衝殺菌是一種比較節能的殺菌方式，所消耗能量為100~400kJ/L。
因此，電脈衝殺菌主要希望用於對熱敏感的液態食品，如果汁、牛乳、蛋液、青豆湯、啤酒等。
目前，國際上對於電脈衝殺菌正處於實驗室研究階段，很少套用於大規模工業生產。其存在的主要問題：
①殺菌效果差異大。受處理條件、食品性質、微生物等多因素影響，實際套用中電脈衝殺菌的殺菌效果尚不穩定。
②殺菌不徹底。經高壓脈衝電場處理後，食品中微生物的數量雖然有報導可降低2～8個對數值，但很難做到像熱殺菌那樣，達到徹底殺滅微生物的目標。研究發現，在相同的電脈衝殺菌條件下，對初始菌數高的樣品與初始菌數低的樣品分別進行處理，雖然前者菌數下降的對數值遠遠大於後者，但是初始菌數高的樣品中微生物殘留量也高，難以達到商業無菌的要求。
③設備實際套用的難題。首先，處理室電極容易被腐蝕；其次，液態食品中如有氣泡存在，通過處理室容易產生電火花，一旦產生電火花會損壞脈衝發生器的控制開關。
