高壓指數(shù)波脈沖電場(chǎng)滅菌系統(tǒng)的研究

師燦輝 梁國(guó)瓊 胡中正

摘？要：設(shè)計(jì)搭建了指數(shù)波高壓脈沖滅菌系統(tǒng)，通過(guò)平板處理室對(duì)釀酒酵母進(jìn)行了靜止和流動(dòng)滅菌實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：指數(shù)波脈沖發(fā)生器具有制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合在滅菌系統(tǒng)中應(yīng)用；脈沖數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度的增加可以提高平板處理室的滅菌效率；流動(dòng)型滅菌效率要優(yōu)于靜止型滅菌。

關(guān)鍵詞：指數(shù)波高壓脈沖；平板處理室；靜止型滅菌；流動(dòng)型滅菌；滅菌效率

0 引言

高壓脈沖電場(chǎng)（PEF）滅菌技術(shù)是一種新型的低溫冷滅菌技術(shù)，主要針對(duì)液態(tài)食品滅菌，和傳統(tǒng)熱力滅菌相比，具有滅菌時(shí)間短、能量消耗少、滅菌效率高、溫升小等優(yōu)勢(shì)[1-2]。比如對(duì)牛奶的滅菌，PEF可以實(shí)現(xiàn)在常溫下滅菌，最大程度保持原有食品的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味[3]。

PEF滅菌系統(tǒng)主要由高壓脈沖發(fā)生器、滅菌處理室、監(jiān)控設(shè)備和輸送動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成[4-5]。其中，高壓脈沖發(fā)生器包括高壓脈沖電源和控制開(kāi)關(guān)，輸送動(dòng)力系統(tǒng)的功能是將待滅菌液體送入滅菌處理室內(nèi)。滅菌處理室作為PEF滅菌系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是將高壓脈沖施加到液態(tài)食品上[6]。滅菌處理室包括靜止型處理室和流動(dòng)型處理室，靜止型處理室只能用于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模滅菌實(shí)驗(yàn)，處理腔容積有限，適用于科學(xué)研究。而流動(dòng)型處理室可以持續(xù)不斷對(duì)液態(tài)食品完成滅菌，進(jìn)行流動(dòng)型處理室的滅菌實(shí)驗(yàn)研究，有助于PEF滅菌技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[7]。

影響PEF系統(tǒng)滅菌效率的因素主要有脈沖波形、電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)[8]。其中，脈沖波形分為震蕩波、指數(shù)波和方波，脈沖波形對(duì)滅菌效率的影響體現(xiàn)在單個(gè)脈沖可持續(xù)的有效滅菌時(shí)間[9]。指數(shù)波相對(duì)于方波和震蕩波較容易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低，且滅菌效果好，本文決定采用指數(shù)波，利用自行設(shè)計(jì)的平板處理室，通過(guò)控制不同電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)等參數(shù)進(jìn)行滅菌研究。

1 高壓指數(shù)波脈沖電場(chǎng)滅菌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 高壓指數(shù)波脈沖波形設(shè)計(jì)

指數(shù)波脈沖發(fā)生器基本可以用圖1的指數(shù)波發(fā)生電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先由直流電源向電容充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容充滿電后開(kāi)始向外釋放電能，電壓達(dá)到高壓開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電壓后，開(kāi)關(guān)接通，電容釋放的電能施加在處理室的兩端，在處理室的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生高壓電場(chǎng)，高壓電場(chǎng)可以使微生物的細(xì)胞膜發(fā)生破裂，從而完成滅菌。該電路應(yīng)用非常廣泛，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所采用的指數(shù)脈沖發(fā)生器均由該電路產(chǎn)生。

搭建出實(shí)際電路，在滅菌實(shí)驗(yàn)中設(shè)置直流電源的電壓為10 kV，利用示波器測(cè)量出施加在處理室兩端的電壓波形如圖2所示。

本PEF滅菌系統(tǒng)的平板處理室處理腔體采用聚四氟乙烯制成，有良好的絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度，兩塊金屬電極板被分隔開(kāi)，單次高壓脈沖的有效處理體積為7 mL，下端為進(jìn)料口，上端為出料口，平板處理室結(jié)構(gòu)如圖3所示，加工出處理室實(shí)物如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本文實(shí)驗(yàn)選用的滅菌對(duì)象為釀酒酵母制備的水溶液，釀酒酵母是一種單細(xì)胞微生物，非致病性菌株，繁殖快。酵母菌接種在YPD培養(yǎng)基中，放入轉(zhuǎn)速為120 r/min，溫度為30 ℃的恒溫?fù)u床培養(yǎng)24 h，然后再與無(wú)菌水均勻混合制備成酵母菌懸液，使其濃度達(dá)到10-6～10-7 cfu/mL，電導(dǎo)率為115 μS/cm，pH=7呈中性溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

PEF滅菌系統(tǒng)采用TESLAMAN TRC2020高壓直流電源（40 kV）、火花間隙開(kāi)關(guān)（自制）、平板處理室（自制）、Kamoer F01A STP蠕動(dòng)泵以及Tektronix TDS2024C示波器、Tektronix P6015A高壓探頭和柔性羅氏線圈組成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其中，蠕動(dòng)泵的工作速率可調(diào)，改變火花間隙開(kāi)關(guān)的間距來(lái)控制作用在處理室兩端的電壓大小，示波器用來(lái)記錄處理室兩端的電壓以及通過(guò)酵母菌懸液的電流波形。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

利用自行搭建PEF滅菌系統(tǒng)進(jìn)行滅菌實(shí)驗(yàn)，采用指數(shù)脈沖控制菌液電導(dǎo)率不變，采用不同電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)平板處理室分別進(jìn)行靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟具體如下。

1）制備酵母菌懸液和培養(yǎng)基。

2）滅菌實(shí)驗(yàn)前對(duì)平板處理室進(jìn)行清洗。

3）將平板處理室安裝至PEF滅菌系統(tǒng)，采用不同電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)進(jìn)行靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗(yàn)，并記錄電壓電流波形。

3 滅菌結(jié)果分析

3.1 靜止型平板處理室滅菌結(jié)果

將平板處理室接于PEF滅菌系統(tǒng)中進(jìn)行靜止型滅菌實(shí)驗(yàn)，設(shè)置火花間隙開(kāi)關(guān)間距，保持開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通頻率為1 pps持續(xù)向處理室施加指數(shù)脈沖。當(dāng)脈沖數(shù)N分別為50、100、200、500、1 000，脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度E為19 kV/cm和25 kV/cm時(shí)，平板處理室的滅菌效率如圖5所示。將電場(chǎng)強(qiáng)度作為變量，此時(shí)平板處理室的滅菌效率如圖6所示。

由圖5和圖6可發(fā)現(xiàn)，靜止型平板處理室的滅菌效率隨著脈沖數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而提高。當(dāng)施加的脈沖數(shù)為50個(gè)，電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm時(shí)的滅菌效率為6.48%和13.47%；施加的脈沖數(shù)為100個(gè)，滅菌效率分別為10.74%和20.37%；脈沖數(shù)增加到200個(gè)，兩個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下的靜止型平板處理室的滅菌效率分別為14.08%和27.18%；施加的脈沖數(shù)為500個(gè)，滅菌效率分別為25.71%和37.04%；施加的脈沖數(shù)目進(jìn)一步增加，當(dāng)施加的脈沖數(shù)目為1 000個(gè)，電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm時(shí)的滅菌效率分別為41.76%和46.15%。由此可以得出結(jié)論，當(dāng)脈沖數(shù)相同數(shù)，施加的電壓越大，滅菌效率越高；當(dāng)施加的電壓相同時(shí)，PEF滅菌的時(shí)間越長(zhǎng)，脈沖數(shù)越多，靜止型平板處理室的滅菌效率將逐步提高。

3.2 流動(dòng)型平板處理室滅菌結(jié)果

流動(dòng)型平板處理室相對(duì)于靜止型平板處理室的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行持續(xù)滅菌，有利用PEF滅菌系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。利用流動(dòng)型平板處理室進(jìn)行PEF滅菌實(shí)驗(yàn)時(shí)，相對(duì)于靜止型平板處理室的PEF滅菌實(shí)驗(yàn)，需要增加物料輸送系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)采用蠕動(dòng)泵作為輸送動(dòng)力來(lái)源。當(dāng)施加到流動(dòng)型平板處理室的脈沖個(gè)數(shù)為50、100、200、500、1 000時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm時(shí)的滅菌效率如圖7所示。當(dāng)施加在處理室上的電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm，脈沖個(gè)數(shù)分別為50、100、200、500、1 000時(shí)的滅菌效率如圖8所示。

由圖7和圖8的滅菌效率變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率隨著脈沖數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而提高。當(dāng)作用在靜止型平板處理室的脈沖數(shù)為50，電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm的滅菌效率分別為12.72%和23.54%；隨著脈沖數(shù)的增加，當(dāng)脈沖數(shù)的個(gè)數(shù)為100時(shí)，不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的滅菌效率分別為21.75%和28.75%；脈沖個(gè)數(shù)增加到200個(gè)時(shí)，兩個(gè)電場(chǎng)下的流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率分別為26.97%和34.53%；當(dāng)施加脈沖的個(gè)數(shù)為500，兩者的滅菌效率分別為36.36%和42.64%；施加的脈沖數(shù)繼續(xù)增加，當(dāng)脈沖數(shù)為1 000個(gè)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度為19 kV/cm和25 kV/cm的滅菌效率分別為52.79%和64.16%。根據(jù)不同脈沖數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度下的滅菌效率，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于流動(dòng)型平板處理室依舊滿足靜止型平板處理室的滅菌效率變化規(guī)律。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在相同電參數(shù)的作用下，流動(dòng)型平板處理室的滅菌效率要優(yōu)于靜止型平板處理室。由圖8可以預(yù)測(cè)，繼續(xù)提高電場(chǎng)強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高滅菌效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)搭建PEF滅菌系統(tǒng)，其中包括對(duì)指數(shù)波脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)和平板處理室的設(shè)計(jì)。通過(guò)平板處理室的靜止型和流動(dòng)型滅菌實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了PEF滅菌系統(tǒng)的實(shí)用性。同時(shí)，詳細(xì)介紹了PEF滅菌系統(tǒng)的脈沖電源波形和處理室。滅菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，指數(shù)波對(duì)滅菌效率有著良好的作用，也具有很高的經(jīng)濟(jì)性，流動(dòng)型滅菌結(jié)果要優(yōu)于靜止型滅菌，滅菌時(shí)間極短，指數(shù)波流動(dòng)型滅菌適用于PEF滅菌的工業(yè)化應(yīng)用。

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