高壓脈沖電場對液體食品的非熱殺菌效果研究

0高壓脈沖電場pef液體殺菌法熱殺肉是保護水果、蔬菜和果汁產品最重要的方法，它不僅會殺死細菌，還會破壞產品的營養成分、顏色和口感。而從1879年就開始研究的電場殺菌是利用在液體中電極上的瞬時高壓電弧放電來破壞微生物,使其滅活,為液體食品殺菌消毒。雖然電場殺菌的主要弱點是被處理液體食品中會因放電的電解或破壞作用而產生化學污染物,但選擇小脈寬、高強度的高壓脈沖電場(PEF)來處理食品,既可最大限度地減少電解產物、歐姆加熱及對食物微粒的破壞,又可使被處理食品擁有滿意的貨架期、保持新鮮的物化特性和營養成分,因此PEF液體處理技術逐漸成為近年來國際上新興的邊緣學科和研究熱門。本文自行研制了循環式處理裝置,并設計了試驗方法,研究了PEF的殺菌效果。1儀器和試驗設備1.1速聯合控制液用量小本試驗采用實驗室用循環式處理系統(見圖1),其特點是能連續處理,可由處理時間和流速聯合控制處理量,同時處理流量較小,適合實驗室基礎研究階段使用。其中自行研制的高壓脈沖電源(見圖2)包括一套依靠電感電容諧振的恒流裝置、高壓升壓變壓器(50kV)、高壓整流裝置、儲能電容器(0.03μF)、頻率可調的旋轉開關及其控制系統。1.2放電回路圖1利用連續處理室外接P6015A高壓探頭(分壓比1000∶1)采集電壓波形(脈寬1μs的衰減波),接至雙通道數字示波器(經GBIP卡與計算機相連)一通道上,同時在放電回路中利用羅果夫斯基線圈測量放電電流,接至示波器的另一通道。1.3試驗原材料的配置和后續處理胡蘿卜汁的制備胡蘿卜經清洗、去皮、切片、熱燙、榨汁、均質后加工成胡蘿卜汁,置于-25°C凍結后貯藏,每次實驗前兩天于4°C解凍,再于121°C殺菌15min,冷卻后接種微生物。胡蘿卜汁中兩菌的接種情況先作試管菌種的活化培養,刮取一環接種到營養瓊脂(對前者)或葡萄糖-酵母汁-蛋白胨(對后者)液體培養基中,30°C(對前者)或27°C(對后者)恒溫培養12h,再按1∶9比率接種至殺菌后的胡蘿卜汁中,汁中兩菌數量均達106~108cfu/mL。電場處理后倒平板,30°C(對前者)或27°C(對后者)恒溫培養48h后記數。微生物活性s殺菌效果用S表示,S=log(N/N0),其中N0、N為PEF處理前、后的微生物數,cfu/mL。2常用殺菌方法對啤酒酵母的消毒處理效果分析1472.1平板電極滅菌效果分析平板電極實驗(結果見圖3)中,電場強度E設計為5、10、15、20、25kV/cm;對應每個E,脈沖數Np均設計為200、400、600、800、1000、1200、1400。由圖3可見,S隨E增大而下降,說明PEF對大腸桿菌和啤酒酵母的滅菌效果隨E增大而增強。S隨Np增加大致呈線性下降。在脈沖作用的初始階段(1~2min),溶液的細菌數密度高,S下降極快,隨著Np增加,細菌大都被殺死,S下降放緩;E=10kV/cm時,Np>400時即開始顯現處理效果;Np>1000時,殺菌率都>3個對數,效果明顯。啤酒酵母個體較大,對E較敏感,E=15kV/cm時S即較大幅下降;大腸桿菌個體較小,對E不敏感,E>20kV時S下降最明顯。由圖3可見:a)本試驗電場和電壓波形情況下,E=15kV/cm時即能普遍殺滅啤酒酵母。電壓升高即E增大對殺菌的作用小于時間延長即Np增大的作用。b)系統因隔離性而可能造成二次污染,Np越大或S越低,就越可能導致二次污染而影響測量結果。圖3中出現的處理時間延長后效果反而降低的情況,即可能是二次污染所致。c)E=25kV/cm時S下降趨緩,但仍可能下降,故滅菌效果要求高時,仍有必要提高電壓等級。2.2同軸電極滅菌效果分析同軸電極實驗(結果見圖4)中,高壓PEF的電壓U設計為5、10、15、20、25kV,對應每個U,Np均與平板電極實驗相同。由圖4可見,S隨U升高而下降,說明PEF對大腸桿菌和啤酒酵母的滅菌效果隨U升高而增強。滅菌效果隨Np增大也顯著加強。U相同時,兩種細菌的S隨Np增大而逐漸下降。但U≥20kV時,Np>1400后,啤酒酵母的S反彈,這是因處理時間長導致胡蘿卜汁二次污染。同軸電場為稍不均勻場,內電極附近場強較高,故短時間內殺菌效果明顯;Np>200后,較高場強的殺菌率明顯下降,效果隨Np增大而增加變緩。平均場強>10kV/cm時對啤酒酵母的處理效果明顯,且隨U升高而增強,但Np=1400時幾種較高U的處理效果差別不大。對大腸桿菌的處理效果呈明顯下降趨勢。原始溫度接近0°C的胡蘿卜汁雖然會因電流的熱作用而短時升溫,但在循環處理方式下可經冷卻系統迅速降溫,使溫升<20°C(由溫度傳感器測得),故整個殺菌過程中可完全排除熱殺菌的效果。但循環系統在滿足較大流速,使處理液及時降溫的同時,還存在一些弊端,如處理后與處理前的胡蘿卜汁混合而使殺菌效果大大降低,從這一角度考慮,PEF的殺菌效果應好于實際測得的效果。3膜的崩解和電極的制備用透射電鏡(SEM)觀察PEF處理前后兩種細菌的形態(見圖5)后發現,處理后兩種細菌的細胞膜均變模糊,細胞質團聚、外流,導致細胞內空。國際較流行的電崩解理論認為,微生物的細胞膜可看作一注滿電解質的電容器,在外加電場作用下膜上的電荷分離形成跨膜電位差Ud,使膜的厚度減少,Ud達到臨界崩解電位差Uc時,膜就開始崩解,在膜上形成孔(充滿電解質),進而瞬間放電,使膜分解。膜上孔的面積占膜的總面積很少時,膜的崩解是可逆的。細胞膜若長時間地經受高于臨界場強的電場作用,就會大面積崩解,由可逆變成不可逆,最后導致微生物死亡。4細菌多樣性變化脈沖電場對胡蘿卜汁中啤酒酵母和大腸桿菌的滅活效果很好,對于平板電極,場強>20kV/cm、脈沖數>1400時,對大腸桿菌、啤酒酵母的滅活率達-3.5、-4.5個對數;對于同軸電極,電壓=15kV、