中强脉冲电场叉指式平板处理室的多物理场仿真与试验

王思敏 甘芝霖* 孙爱东 孙铭爽

(1.北京林业大学 生物科学与技术学院，北京 100083；2.林业食品加工与安全北京市重点实验室，北京 100083；3.东北农业大学 食品学院，哈尔滨 150030)

目前食品研究中常用的脉冲电场装置的电场强度约为10～40 kV/cm[1-4]，称为高强脉冲电场(High intensity pulsed electric fields，HIPEF)，在食品贮藏保鲜中表现出良好的应用效果[5-6]。然而，产生HIPEF需要外界提供极高的脉冲电压，这不仅提高了对电源和其他配套设备的要求，而且不利于操作的安全性，造成电极腐蚀和能源浪费[7-8]。中强脉冲电场(Moderate intensity pulsed electric fields，MIPEF)是一种新兴的食品非热杀菌技术，此前常用于基因转移、细胞预处理、诱导果蔬代谢等领域，近年来国外对MIPEF在食品领域的研究逐渐增多，而国内鲜有研究。

MIPEF使用温和的电场强度进行处理，对脉冲电压的要求大大降低，在设备制造、安全性和能耗等方面都比HIPEF更具优势，其特征在于以非热效应(电场效应)为主，并协同以一定的热效应(欧姆加热效应)，可以使加工温度低于巴氏杀菌温度[9]。MIPEF的场强较低，脉宽较长，处理时间可以在几秒钟、几分钟或几小时[10-11]。研究表明，MIPEF处理能够有效杀灭食品中的病原微生物[12-14]，如Timmermans等[12]对比了2.7 kV/cm，1 ms的MIPEF处理与10 kV/cm，2 μs的HIPEF处理对橙汁、椰子水和西瓜汁中大肠杆菌、单核细胞增生性李斯特菌、植物乳杆菌、森氏沙门氏菌和酿酒酵母灭活效果的影响，发现与HIPEF相比，MIPEF对试验菌种的灭活效果更显著。细菌孢子对加热、干燥、压力等处理具有极强的抵抗力，但Wang等[15]研究表明MIPEF可以使孢子失活，当温度为55、65和75 ℃时，MIPEF处理对枯草杆菌孢子的灭活作用显著高于未经MIPEF处理的温热处理组。MIPEF处理还有利于李子中花色苷[16]、南瓜中羟基肉桂酸和黄酮[17]、番茄中多酚和类胡萝卜素[18]等生物活性成分的保留。可见，MIPEF在食品加工中具有广阔的应用前景。MIPEF对处理过程的均匀性和有效性具有较高要求，这可以通过均匀的电场分布来实现[19]。处理室的设计和性能是实现脉冲电场均匀性和有效性的关键方面，因此，处理室的合理设计至关重要[20]。与其他结构的处理室相比，平板式处理室内部电场强度更均匀，能量利用效率较高[21]，对处理效果更加有利[22]。然而目前平板式处理室多为间歇式，样品处理量较少，且易放电[21]，亟需进一步改进提高其性能。

本研究拟设计并优化一种适用于MIPEF的叉指式平板处理室，运用COMSOL Multiphysics软件对优化前后处理室的电场分布、流体特性和温度分布进行仿真分析，搭建MIPEF处理系统，测定物料出口处的温度和大肠杆菌的灭活效果对优化效果进行实际评价，基于优化后的处理室对比MIPEF处理和巴氏杀菌处理对蓝莓果汁品质的影响，以期为平板式处理室的改进及MIPEF在食品加工中的应用提供依据。

1 MIPEF处理系统

1.1 叉指式平板处理室

本研究将精细电路中常用的叉指结构变形，引入传统平板处理室，构建叉指式平板处理室，并对其进行优化。叉指式平板处理室(图1(a)、(b))包括内部电极和外层封装2部分，内部电极由2个结构相同的梳形平板电极(图1(c)、(d))组成，每个电极有5个“梳齿”薄板，厚度5 mm。电极相互交叉形成“叉指”。“叉指”开口位置均放置1条宽1 mm，厚1 mm的聚四氟乙烯绝缘片，用于支撑电极和固定间距。封装与电极对构成封闭的物料通路，保证了处理室的密封性和安全性。电极材料和封装材料分别选用耐蚀性较强的316不锈钢和环氧树脂。运用SolidWorks软件对处理室进行三维建模。

1.入口；2.出口；3.封装层；4.直角拐角；5.圆角拐角；6.绝缘片；7.电极；8.金属棒1.Inlet; 2.Export; 3.Packaging layer; 4.Right-angled corner; 5.Filleted corner; 6.Insulator; 7.Electrode; 8.Metal rod

利用COMSOL Multiphysics软件进行预模拟时，发现处理室局部存在尖峰电场。为获得更均匀的电场强度分布，本研究将原有的直角电极边缘改进为圆角，并采用相同的数值模拟条件进行仿真。本研究中，改进前后的直角型和圆角型叉指式平板处理室分别简称为直角型处理室和圆角型处理室。直角型处理室和圆角型处理室物料通路间距1 mm，前后宽度为50 mm，总长度分别为229和215.24 mm。

1.2 MIPEF处理装置

MIPEF处理系统由本实验室自主搭建，系统构成见图2。

图2 MIPEF处理系统构成Fig.2 Structure of MIPEF treatment system

2 COMSOL数值模拟方法

COMSOL Multiphysics软件被应用于多种技术并取得了良好的仿真效果[23-25]。本研究运用COMSOL Multiphysics软件对处理室的电场分布、流体特性和温度分布进行耦合仿真。

2.1 二维模型的建立

叉指式平板处理室内电极的三维模型整体上是一个拉伸体，计算时可忽略沿延伸方向上的影响，对由纵截面构建的二维模型进行仿真。在COMSOL中建立叉指式平板处理室二维模型见图3。

图3 叉指式平板处理室二维模型Fig.3 2D models of parallel treatment chambers with interdigital structure

2.2 控制方程

2.2.1电场

基于电荷守恒方程，涉及电场的控制方程为：

(1)

(2)

式中：E为电场强度，V/m。

2.2.2流场

将处理室内的液体物料看作为牛顿流体，其密度和动力黏度受温度和压力等因素的影响，在耦合过程中满足连续性方程和动量守恒方程，所用连续性方程为：

(3)

式中：ρ为物料密度，kg/m3；t为物料在电场中停留的时间，s；v为物料速度(矢量)，m/s。

(4)

式中：d为处理室特征长度，m；μ为物料动力黏度，Pa·s。用雷诺数(Re)判断流体的流动情况，本研究中Re远小于2 300，选择层流接口，动量守恒方程为：

(5)

式中：P为压力，Pa；g为重力加速度，m/s2。

2.2.3温度场

物料的温度改变遵循能量守恒方程：

(6)

式中：Cp为常压热容，J/(kg·K)；k为热导率，W/(m·K)；Q为边界热源，表示为电导率和电场强度的函数。

Q=σ·E2

(7)

计算过程中，忽略脉冲电场导致的磁场变化，电位决定电场强度的大小和方向。

2.3 边界条件

模拟处理室在电压200 V，频率500 Hz，脉宽1 ms，物料流速0.1 m/s，初始温度277.15 K条件下的工作情况。电场使用的边界条件为：正电极设置电位200 V，负电极设置为接地。流场设置入口速度为0.1 m/s，出口压力设置为0，流体设置为不可压缩，壁条件设置为无滑移。温度场中流体入口设置为温度277.15 K，出口设置为对流通量。

2.4 材料属性

处理室电极材料为316不锈钢，其热导率为16.2 W/(m·K)，密度7 930 kg/m3，常压热容502 J/(kg·K)。绝缘片材料为聚四氟乙烯，其热导率为0.24 W/(m·K)，密度2 200 kg/m3，常压热容1 050 J/(kg·K)。流体物料采用质量浓度为50 mg/L的NaCl溶液，由于浓度较低，溶液的密度、黏度、热导率、热容均与水相似，具体参数参考COMSOL Multiphysics材料库中水的属性，溶液的电导率可以由式(8)得出：

(8)

式中：物料的初始温度T0=277.15 K，经测定σ(T0)=0.005 1 S/m，温度系数α=0.000 2 K-1。

2.5 网格剖分

使用COMSOL自带工具划分网格，选用自由三角形网格，在流体通道边界细化网格，添加边界层。在网格统计窗口检查网格质量，得到质量良好的网格后用于求解计算。

2.6 求解与计算

对3个物理场进行耦合求解，直角型处理室求解耗时1 779 s，圆角型处理室求解耗时1 740 s，得到电场、流场和温度场的仿真结果。

3 验证试验

3.1 试验方法

测定MIPEF装置的杀菌效果和物料出口温度，对改进前后处理室在实际应用中的性能进行评价。脉冲电源由上海索宜电子科技有限公司定制，可产生连续的单极性方波信号，脉冲电压、宽度和频率可调。试验中电场参数如下：脉冲频率500 Hz，脉宽1 ms，工作电压分别为100、150、200、250和300 V，对应的电场强度分别为1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 kV/cm。

1)MIPEF杀菌试验：本研究选用大肠杆菌作为脉冲电场处理的目标微生物。挑取单菌落移至无菌LB肉汤中，于37 ℃摇床培养6 h，离心(4 ℃，9 000 r/min，15 min)重悬，用质量浓度为50 mg/L的NaCl溶液将菌悬液稀释至105CFU/mL左右，置于4 ℃冰箱内备用。处理后经梯度稀释后涂平板，37 ℃恒温培养24 h后计数，菌落个数为10～300 CFU用于计数。统计处理前后的微生物数量，使用致死率(S)对数值表示杀菌效果，计算公式为：

(9)

式中：N0和N分别为处理前和处理后的微生物数量，CFU/mL。处理室使用前后分别用体积分数为75%的酒精和无菌水冲洗5 min，每次处理前用体积分数为75%的酒精和无菌水冲洗30 s。

2)温度测定：在“3.1试验方法”中提到的MIPEF装置参数条件下，待系统运行稳定后，于处理室出口处使用热敏电阻温度计测定物料温度。

3)蓝莓汁理化指标测定：将冷冻蓝莓果实解冻，以质量比m(蓝莓)∶m(水)=1∶6 g/g进行榨汁，于4 ℃、8 000 r/min离心10 min，4层纱布过滤，备用。采用pH计测定pH；pH示差法测定花色苷浓度；采用试剂盒(南京建成公司)测定铁离子还原能力，结果由标准曲线计算得出，用生成物FeSO4的浓度表示；使用色差仪测定蓝莓果汁的亮度(L*)、红度(a*)、蓝度(b*)和色差(ΔE)。

3.2 数据处理

每组试验重复3次，采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理，Origin 2018软件进行绘图，并使用SPSS 19.0进行显著性分析(P<0.05)，试验结果表示为“平均值±标准差”。

4 结果与分析

COMSOL软件求解完成后，得到改进前后处理室的三场耦合分布情况，为方便理解，将COMSOL软件默认温度单位K换算为℃。

4.1 电场分布

脉冲电场处理室设计的要点之一是必须避免电场分布不受控制的改变，因此需要改善处理室的电场分布，如电场强度水平和均匀性[19]。优化前后的处理室在水平和竖直方向的通道内电场强度均为2 kV/cm(图4(a1)、(b1))，电场强度分布较为均匀。优化前的直角型处理室在拐角处出现尖峰电场，电场强度为22.7 kV/cm(图4(a2))，优化后的处理室拐角处的电场强度降低至2.64 kV/cm(图4(b2))，说明处理室经过圆角处理后，消除了电场尖峰，没有局部电场强度过高的区域，电场分布的均匀性得到进一步改善。电场线密度指单位垂直截面的电场线根数，其大小与电场强度大小成正比，可以看出圆角型处理室在拐角处电场线更分散，密度更小(图4(b3))，这一结果与电场强度分布结果相呼应。

图4 叉指式平板处理室电场分布Fig.4 The electric field distribution of parallel treatment chambers with interdigital structure

4.2 流速分布

物料的流速分布是影响MIPEF处理效果的重要因素，主要体现在2方面：1)决定物料在处理室内的停留时间，通道内路径总长一定，流速越小，停留时间越长；2)影响温度变化，流速增加减弱了热传导和热对流效应[20]。图5示出物料在叉指式平板处理室中的流速分布情况，处理室内物料中心流速高，边界层速度变小趋近于零，符合层流特点，与已有研究结果一致[20]。直角和圆角型处理室最大流速分别为0.17和0.15 m/s，说明经过圆角处理后，物料中心流速减小，分布更均匀。

图5 叉指式平板处理室物料流速分布Fig.5 Velocity distribution of material in parallel treatment chambers with interdigital structure

4.3 温度分布

随着物料流动，物料中积累了大量由电流产生的热量，导致物料温度逐渐升高，并在处理室出口处达到最高(图6)。直角型处理室物料出口温度为61.7 ℃(图6(a))，优化后物料出口温度为57.4 ℃(图6(b))，比优化前降低了4.3 ℃。这种现象可能归因于圆角处理减弱了电极拐角处的电场强度，且拐角处的通道面积增大，使电流密度减小，从而减少了热量的产生。结果表明，相比于直角型处理室，圆角型处理室温度升高幅度更小，理论上来讲更有利于保持物料原有品质。

图6 叉指式平板处理室温度分布Fig.6 Temperature distribution of parallel treatment chambers with interdigital structure

4.4 MIPEF杀菌效果和处理室出口处的物料温度

物料流速为0.1 m/s，考虑物料在前后方向上的流动，物料在直角和圆角型处理室内的停留时间分别为2.29～3.29和2.15～3.15 s。根据停留时间与脉冲频率计算物料受到的脉冲数，得到直角型和圆角型处理室内物料受到的脉冲数分别为1 145～1 645和1 075～1 575。为同时对比改进前后处理室的杀菌效果，对同一指标(致死率对数值和温度)内直角型和圆角型处理室的数据一同进行了显著性分析，结果见表1。在COMSOL模拟条件下，即电场强度为2 kV/cm时，直角型和圆角型处理室的物料出口温度分别为56.47和54.33 ℃，较仿真结果分别偏小5.23和3.07 ℃，与理论值差异较小，表明仿真模型具有可靠性。处理室出口处的物料温度随电场强度的增强而升高，电场强度为1.0 和1.5 kV/cm时，直角型和圆角型处理室出口处的物料温度均无显著差异(P>0.05)，当电场强度继续增大，圆角型处理室出口处物料温度明显低于直角型处理室(P>0.05)，温度差异逐渐增大，电场强度为3 kV/cm时，直角型和圆角型处理室的物料出口温度分别为70.97和66.00 ℃，表明优化后的圆角型处理室的物料出口温度降低了4.97 ℃。上述研究结果表明，圆角型处理室更有利于降低物料温度的升高幅度，这可能是因为优化前直角型处理室拐角型处出现尖峰电场，电场强度高达22.7 kV/cm，导致产生更多的欧姆热，提升物料的温度[26]，改进后的圆角型处理室电极拐角处电场强度降低至2.64 kV/cm，减少了电流产生的热量，因此物料温度的升高幅度也进一步降低。

表1 MIPEF对大肠杆菌杀灭效果和处理室出口处物料温度测定结果Table 1 The inactivation effect of MIPEF on E.coli and the results of temperature of material in the exit of treatment chamber

随电场强度增大，MIPEF处理对大肠杆菌杀灭效果逐渐增强(表1)，电场强度高于2 kV/cm时，经过直角型和圆角型处理室处理，大肠杆菌菌落数均降低3 lg(CFU/mL)以上，优于35 kV/cm，100 Hz，40～160 μs的HIPEF处理对石榴汁大肠杆菌的灭活效果[27]。通常来讲，电场强度是影响MIPEF杀菌效果的关键因素，MIPEF杀菌效果会随着电场强度的升高而增强，这在本研究和报道中均得到了证实[2-4]。电场强度的升高也会伴随热效应的增强，也就是说温度也可能影响MIPEF的杀菌效果[20]，这与本研究中杀菌效果和物料温度的变化趋势是相一致的。但是，电场强度和温度对杀菌效果影响的权重还有待进一步探究。

4.5 MIPEF与巴氏杀菌对蓝莓汁品质的影响

基于优化后的圆角型处理室，对比了MIPEF处理和巴氏杀菌处理对蓝莓果汁理化品质的影响结果见表2。与巴氏杀菌处理相比，MIPEF处理对蓝莓果汁的品质影响更小。经热处理(65 ℃，30 min)后，蓝莓果汁pH显著升高，铁离子还原能力显著降低(P<0.05)，而MIPEF处理均保持了蓝莓汁原有的pH和铁离子还原能力水平。与未处理组相比，热处理和MIPEF处理组均使蓝莓汁中的花色苷发生显著降解(P>0.05)，但MIPEF处理组(13.23 mg/L)比热处理组(11.91 mg/L)对花色苷的降解作用更小。比较蓝莓汁各颜色指标可知，MIPEF处理组总色差为4.88，热处理组为8.78，说明MIPEF处理组比热处理组对蓝莓果汁颜色的影响更小。MIPEF处理组与热处理组对蓝莓果汁的亮度(L*)和红度(a*)的影响无显著差异(P>0.05)，而MIPEF处理组比热处理产生更小的蓝移和色差(ΔE)。因此，与热处理相比，MIPEF处理更能保持鲜榨蓝莓果汁的品质。

表2 MIPEF与巴氏杀菌对蓝莓汁品质的影响Table 2 Effects on the quality of blueberry juice with MIPEF and pasteurization

5 结 论

本研究将叉指结构引入平板式处理室，设计并优化了一种适用于MIPEF的叉指式平板处理室，该处理室可以实现液体物料的连续式处理，提高处理效率。运用COMSOL Multiphysics软件对其工作过程中的电场分布、流体特性以及温度分布进行模拟仿真，结果表明：除电极拐角处出现电场尖峰外，叉指式平板处理室的内部场强基本均匀；对拐角处进行改进，优化后的圆角型叉指式平板处理室，消除了拐角处的尖峰电场，内部电场强度分布更均匀，物料温度的升高幅度明显降低。基于叉指式平板处理室搭建了MIPEF处理系统，相对HIPEF具有设备要求低、节约能源和更加安全的优点，MIPEF系统工作电压为100～300 V，电场强度为1.0～3.0 kV/cm。大肠杆菌试验和物料温度测定表明，同一电场参数下，相比于直角型处理室，圆角型处理室能实现相同水平的杀菌效果，且物料温度上升幅度更低。通过与热处理对比，发现MIPEF处理更有效地保持蓝莓果汁的理化品质。综上，本研究研制的基于MIPEF下的圆角型叉指式平板处理室在果汁加工中具有一定的应用潜力。