高压脉冲电场杀菌系统的研究进展

金 伟 平雪良 吉 祥 许卫斌

（江南大学，江苏 无锡 214122）

高压脉冲电场杀菌系统的研究进展

金 伟 平雪良 吉 祥 许卫斌

（江南大学，江苏 无锡 214122）

杀菌是食品加工处理过程中的一个重要工序。杀菌效果的好坏直接影响食品的安全与卫生，传统的杀菌技术会对食品的营养价值和风味产生一定的副作用。高压脉冲电场（PEF）杀菌技术因其杀菌效果好、快速、低耗、安全等优点而被广泛地用于食品杀菌中。文章介绍国内外高压脉冲电场杀菌技术对高压脉冲发生器、处理室、杀菌系统的影响，并综述对其应用的研究。

高压脉冲电场；杀菌；高压脉冲发生器；处理室

随着生活水平的日益提高，人们对食品质量要求日趋升高。为保持食品感官和营养价值的最小损耗，非热杀菌技术开始被广泛的应用于食品加工中，在众多非热处理技术中，高压脉冲电场（pulsed electric field，PEF）是最具工业发展前景的非热杀菌技术之一［1］。高压脉冲电场杀菌技术是将待处理的液态物料采用泵送等方式流经设有高强脉冲电场的处理器，微生物在极短时间内受强电场力的作用后，细胞结构被破坏，进而菌体死亡，达到杀菌目的。高压脉冲电场对微生物有良好的杀菌效果，但PEF杀菌机制仍处于争论阶段，经过40多年的研究，在众多PEF杀菌机制之中，被人们广泛接受的主要有3种观点：① 细胞膜跨膜电位机制［2］；②电崩溃机制［3］；③ 电穿孔机制［4］。高压脉冲电场杀菌技术具有杀菌效果好，一般能减小6个对数周期，杀菌时间短，杀菌温度低，对食品的化学成分、外观及风味等基本无影响，耗能小，对环境无污染，无二次污染及三废问题。

1 PEF杀菌系统装置

完整的PEF杀菌系统主要包括4个部分：高压脉冲发生器、处理室、流体处理系统及监控辅助系统，其中高压脉冲发生器和处理室是PEF杀菌系统的两大核心部分。所以对PEF杀菌系统的研究主要是针对高压脉冲发生器和处理室。

1.1 高压脉冲发生器

高压脉冲发生器主要包括高压直流电源和高压脉冲波形两大部分。高压直流电源的作用就是将电网输入的220V的交流电源通过逆变压器变成几十千伏的交流电，然后经过整流变成高压直流电［5］。一般来说，PEF杀菌系统的高压脉冲波形可以使用方波、指数衰减波、钟形波等几种形式，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，适宜于工业化应用［6］。国内外许多科研机构和大学对高压脉冲发生器进行了研制。比较典型的有：

（1）2001年，美国俄亥俄州立大学（OSU）研制了第一台固态高压脉冲发生器［7］。该系统能够产生高达60kV、750A的正负脉冲，并且正负脉冲都有相对应独立的固体开关。可以单独产生正脉冲或负脉冲，也可以产生正负交替的脉冲。其结构图见图1。

（2）2003年，大连理工大学利用大功率开关器件（IGBT）配合脉冲升压变压器制成了10kV的高压脉冲发生器［8］。该发生器通过复杂可编程逻辑器件（CPLD）来产生脉冲触发信号，后经IGBT模块驱动，实现了脉冲电压0～10kV，脉冲频率10～5 000Hz，脉冲宽度在2～30μs以及脉冲个数在1～100内的精确控制。其结构图见图2。

图1 OSU高压脉冲发生器结构图Figure 1 High voltage pulse generator structure of OSU

图2 大连理工大学高压脉冲发生器结构图Figure 2 High voltage pulse generator structure of Dalian University of Technology

（3）2009年，清华大学陈杰等［9］设计了一个名为“THUPEF3”的高压脉冲杀菌系统，该系统能通过触发器单元能产生单级或双极方波脉冲，上升时间仅为1μs。单极和双极波形的脉冲频率和时间都能够精确调节。系统的最高电压能达到20kV并且脉冲的重复频率达到1kHz，THU－PEF3高压脉冲发生器电路见图3。

图3 THU－PEF3高压脉冲发生器电路图Figure 3 High voltage pulse generator circuit of THU－PEF3

（4）2010年，Universidad de las Américas Puebla［10］提出了一种新型高压脉冲发生器。该脉冲发生器能提供15kV的方波电压，方波频率范围为250Hz～30kHz。系统采用了一个60Hz的变压器（T1），先后通过 AC／DC、DC／DC、DC／AC转换将普通的正弦交流电压转换为大小和频率都可控的交流电压，最后通过一个低功率的变压器（T2）将电压增加到最终系统所需的电压，其脉冲发生器结构图见图4。

图4 美洲大学高压脉冲发生器结构图Figure 4 High voltage pulse generator structure of Universidad de las Américas Puebla

此外，国外在此领域有研究的其他单位还有俄亥俄州立大学（OSU）以及Pure－Pulse Technogies公司等，中国在此领域有研究的其他单位有华南理工大学、中国农业大学、浙江大学、江南大学、西安交通大学等知名高校。江南大学正在对高压脉冲发生器及处理室进行研究，目前已初步形成了高压电源为30kV的PEF杀菌系统。

1.2 处理室

处理室是PEF杀菌系统的重要组成部分，它最基本的功能就是放置待处理的物料和安放电极。一个PEF处理室一般有2个电极，以及装载电极的绝缘材料构成。根据物料是否流动，处理室分为静态式和连续式；根据电极形式分为平板式、同轴式和共场式3种［11］。

处理室设计遵循的总体原则，大致可以归纳为① 电场分布均匀；② 不易放电且适用于各种食品物料；③ 腔体直径的大小应尽量满足物料处理量的要求而不能造成负载过小［12］。同时在设计处理室时还应考虑如何使样品更容易注入处理室和减小处理室的复杂性［13］。

近年来，国内外不少学者设计开发了不同类型的处理室，部分设计见表1。

表1 不同类型的处理室［14］Table 1 Different types of treatment chamber

均匀的电场分布是处理室设计的核心要求，分布在处理室内的电场强度一致可以最大化地提高PEF杀菌系统的杀菌效果。无论是静态处理室还是连续式处理室都要求合理分布的电场强度。随着PEF杀菌系统趋向于商业化应用，在确保均匀的电场分布的条件下，流速快、流量大是当前处理室发展的趋势［15］。目前设计的处理室还未能运用于所有的食品杀菌而且大部分处理室仅用于液态食品杀菌［14］。为了避免处理室可能产生的电极污染、电火花、电击穿等问题，采用多流道的处理室处理单元可以明显的解决这些问题［16］。国外一些学者已经开始运用聚合物复合材料作为电极材料来克服不锈钢电极的磨损特性，进而避免了杀菌过程中的二次污染［17］。

2 杀菌系统的影响分析及应用

PEF杀菌系统决定电场强度、脉冲特性、处理时间等技术参数，PEF杀菌系统的各个技术参数对食品杀菌效果都有着或大或小的影响：

（1）电场强度：电场强度是影响PEF杀菌效果的一个显著因素，随着电场强度的增加，杀菌效果明显增强［18］。相关数据［19］表明，微生物的失活率与电场强度呈指数递增关系。

（2）作用时间：作用时间是脉冲宽度与脉冲个数的乘积，脉冲宽度与电场对细胞膜破裂有着密切的关系［20］，随着脉冲作用时间的增长，杀菌效果明显增强［21］。

（3）脉冲波形：高压脉冲处理系统可以采用方波，指数衰减波，交变指数衰减波，其中方波的处理效果最佳，指数波次之，交变指数衰减波效果最差［22］。

（4）作用温度：在恒定的电场强度下，杀菌效果随着温度的升高而升高［23］。与此同时，随着温度的升高，处理物料的导电性及处理室内电压都会发生改变［24］。

（5）其他：除去上述因素，脉冲频率、脉冲极性、电流大小，物料流速等也会对PEF杀菌系统的杀菌效果产生一定的影响。

在欧洲，考虑设备成本和能耗150J／mL以及按照5m3／h的能量计算，同时考虑设备折旧和每天的生产班次，PEF的处理成本为每升1～2欧分［25］。良好的经济性大大的促进了PEF杀菌系统的研制。

鉴于高压脉冲电场杀菌技术的众多优良特性，PEF杀菌技术已经逐步应用于食品加工过程之中。PEF杀菌系统可以应用于食品杀菌、果蔬榨汁与脱水、辅助食品成分提取、食品保藏，废水净化等方面。当然，目前对PEF技术的研究仍在进行之中，相信该技术会有更大的应用空间。

3 结论

文章主要针对国内外高压脉冲电场杀菌系统的研究现状进行综述。国内外的试验研究［26，27］证明，高压脉冲电场杀菌是一种有效、安全、环保的杀菌方式。目前，国外发达国家对PEF杀菌技术的理论研究及设备比较成熟，已由中试阶段向商业化应用过渡，而中国也对PEF杀菌技术的各方面进行了相关研究，但PEF杀菌系统仍处于实验室阶段，较商业化仍有一定的差距。研制大功率、控制精度高、处理量大、应用范围广的PEF杀菌系统才能更快的推动PEF杀菌技术商业化的步伐。此外，在研究PEF杀菌理论和加快PEF杀菌系统研制的同时，应该更关注该技术对食品质量及安全性的研究。安全性、经济性、高效性的高压脉冲电场杀菌技术才能更好的发展与应用。

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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

江苏省科技创新计划（编号：BY2010120）

金伟（1988－），男，江南大学在读硕士研究生。E－mail：1298078009＠qq.com

2011－11－10