高電壓滅菌技術

高電壓滅菌技術是指利用高電壓脈衝進行滅菌的滅菌技術。主要原理是基於細胞結構和液態食品體系間的電學特性差異。當把液態食品作為電介質置於電場中時，食品中微生物的細胞膜在強電場作用下被電擊穿，產生不可修復的穿孔或破裂，使細胞組織受損，導致微生物失活。

基本介紹

• 中文名：高電壓滅菌技術
• 外文名：High voltage sterilization technology
• 優點：速度快、效果好
• 作用：殺菌
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

食品加工目的之一是保護與保存食品，殺死微生物，鈍化酶類等。食品腐敗變質的主要原因是某些微生物和菌類的存在，每年因此而造成很大的損失，滅菌是食品加工的必經工序.然而傳統的熱力滅菌不能將食品中的微生物全部殺滅，特別是一些耐熱的芽抱桿菌;同時加熱會不同程度破壞食品中的營養成分和食品的天然特性。為了更大限度保持食品的天然色、香、味和一些生理活性成分，滿足現代人的生活要求，新型的滅菌技術應運而生。其中有微波殺菌技術，高壓殺菌技術，高電壓滅菌技術，脈衝強光殺菌技術，半導體光催化殺菌技術等。

食品工業一直採用熱處理殺菌消毒，但極大地影響食品色、香、味及營養成份。而新的非熱處理如添加防腐劑、輻照滅菌、物理處理、冷藏等方法等存在各自的局限性。脈衝電場(或放電)可以有效殺滅液體中的細菌。其實際套用須解決3個問題:是否引起新的污染;是否比傳統方法有明顯的經濟優勢;實現規模化。強脈衝電場，特別是高壓脈衝放電產生的強烈衝擊波以及紫外光、強電流、臭氧等綜合效應較直流電流和低頻交流電壓更能有效殺滅微生物，能量利用率更高。但電解損耗、電解的化學產物以及衝擊波、紫外線等對食品成分的分解都可能給食品引入新的污染，因此連續放電電弧殺菌並不適用於食品加工業。一般認為持續時間很短的高壓脈衝電場(PEF)能使電解、分解等不利因素降至最低。

在美國，因為食物中毒而死亡的人數每年都有很多人。作為食品加工企業來說，一旦出現食物中毒事故，僅罰金和訴訟費等的支出就會使行銷額減少幾百萬美元。而採用放射線殺菌的方法，無疑對環境和操作人員都會產生不利影響。為此，食品科學專家們提出了取代放射線殺菌法的新技術。全美食品安全技術中心的查爾斯·塞斯博士，最近公布了幾樁無細菌食品處理的實例。譬如，在每平方厘米的肉食上施加大約6噸重的壓力進行高壓力滅菌。結果，其味跟原來一樣，沒有什麼改變，色澤也比原先更好看.儘管如此，高壓力處理仍有其缺陷。這種方法雖然能使細菌徹底滅絕，但由於加工過程中混入的某些可怕的病毒未必都能滅絕殺光。而且這種方法需要的高壓力設備又必須是一架巨型裝置，故很難推廣套用。

脈衝電場殺菌比起加熱處理、輻射處理等有明顯的經濟優勢。迄今的研究均處於實驗階段，規模套用裝置的脈衝電場對食品產生的物理、化學、微生物、酶活性以及營養特性等方面的影響都有待深入研究

高壓脈衝技術用於食品滅酶滅菌，主要原理是基於細胞結構和液態食品體系間的電學特性差異。當把液態食品作為電介質置於電場中時，食品中微生物的細胞膜在強電場作用下被電擊穿，產生不可修復的穿孔或破裂，使細胞組織受損，導致微生物失活。證實在脈衝電場強度為12-100kV/cm，脈衝時間為微秒級的條件下，可有效地對食品進行滅菌，且以瞬間反向充電波形最為有效。高壓脈衝滅菌技術具有能耗低，滅菌速度快，可有效保存食品的營養成分和天然特徵等優點。例如利用脈衝電場處理橘子汁，能在微秒級別時間內有效的殺滅其中的細菌，微生物及芽抱，而不破壞其中的維生素，蛋白質等營養成分。該技術是一種常溫下非加熱殺菌的新技術，運用該技術應綜合考慮場強的大小，殺菌時間、細菌的種類等因素，以確定最佳方案。目前該技術在國際上正處於實驗室研究和發展階段，進一步成熟後很有可能彌補傳統殺菌法的不足，給液態食品工藝帶來一場變革。

國內外研究動態

國外研究概況

最早使用射頻電場，由於電場<2kV/cm (Sale,1967)，不能致死細菌。1967年，英國發現25kV/cm直流脈衝能有效致死營養細菌和酵母菌。電解產物和水溫升高都不是致死原因，滅活率由電脈衝寬度和數目的乘積及水中電場強度決定。各種細菌對電場具有不同的敏感度，其中酵母菌比營養細菌更敏感，細菌的芽抱忍耐電場高達30kV/cm。實驗觀察到了血紅細胞和原生質的溶解，細胞間物質的泄漏，大腸桿菌的失活以及日一半乳糖昔酸的鬆弛。推斷是電場使細胞膜的半滲透性壁壘功能產生了不可逆的破壞並導致細胞的死亡。

80年代後期以來，日本的研究比較活躍。Mizuno將酵母菌或桿菌散布溶液和去離子水中用不同的電極測試(Mizuno A,1988)，線一圓筒電極能線上電極附近形成非常強的電場強度，而棒一棒會形成放電電弧，產生強烈的衝擊波，通過機械力毀壞細胞。

有人認為使用針板或棒一棒這類不規則電極會發生電弧或火花放電並產生一些化學活性基。此時除物理效應(電場或衝擊波擊穿細胞膜)外，還要考慮化學效應殺死微生物。過氧化物等作用於生物分子，會破壞DNA，導致細胞死亡。電弧放電發射的光譜分析可探測到H基和OH基的產生，通過分光光度計的吸收光譜探明了過氧化氫的存在。水的電導率對化學活性物種的形成也有影響，在一定電導率下可獲得OH基和過氧化氫的最大質量濃度。水中脈衝放電產生的OH基對酵母菌的生存幾乎沒有危害。而過氧化氫能殺死酵母菌細胞，而且隨其質量濃度的增加，細胞存活率按對數值線性下降(Sato M,1996)。因此他推斷過氧化氫是放電生成的唯一重要的殺菌氧化物。

使用高壓脈衝殺滅磷肥緩衝溶液中乳酸桿菌細胞，發現存活率隨著電場強度、處理時間和液體溫度的增加而下降，主要原因為電場使細胞壁破裂，而非歐姆熱效應(JayaramS, 1992)，新的殺菌方法使用了相對低的溫度和較短的處理時間，可降低液體食品營養成份的損失，是一種極好的液體食品殺菌法。

日本三洋電機公司同樣進行了高壓脈衝殺菌法的研究。該方法系利用高電壓以人工方法製造出類似打雷狀態。在高壓放電過程中產生大量等離子，這種等離子具有對穀物的良好殺菌作用。污染穀物的微生物幾乎全部附著在穀物表面，只要處理好表面，就可把穀物表面的病原菌和腐敗菌殺滅99%以上，從而保證穀物的質量。該方法的優點是不用任何藥劑;對環境和人體無任何不良影響;同時還可避免處理後穀物溫度升高現象，所以此方法特別適用於不宜加熱滅菌的穀物，例如蘿蔔苗種子和軟罐頭食品的殺菌。其殺菌成本為處理每公斤去殼大米兩日元。該殺菌裝置計畫明年上市(2003)，預計一台每小時處理200公斤的裝置價格約5500萬日元。

日本麒麟啤酒公司與群馬大學共同研製成功一種不用加熱在低溫下殺死啤酒中細菌的新方法在啤酒中施加瞬時高電壓能夠殺死啤酒味道及質量的污染菌。這種高電壓殺菌新方法與以前加熱殺菌相比，不但能耗小，而且不影響啤酒質量。據稱，除啤酒外它還可廣泛用於牛奶等飲料的殺菌。已研製出的新裝置，可使最高達40 K V的交流電流充電至電容器上，並把瞬時的高電壓施加在啤酒液中(高電壓水中脈衝放電)。可獲得幾乎100%的殺菌效果。

美國研究滅菌技術更側重於對液體滅菌技術的研究，例如橘子汁，費鹽水，蘋果汁等。但技術主要處於研究領域。其中對高壓脈衝電場對液體的滅菌能力進行了大量的實驗，得出了許多液體介質在高壓脈衝電場處理前後，營養成分的變化數據。包括相同液體介質，相同脈衝波形，相同電場強度下，施加不同脈衝數後，實驗液體介質中菌類，芽抱，微生物，蛋白質，維生素成分的變化;相同液體介質，相同脈衝波形，相同脈衝數下，施加不同電場強度後，實驗液體介質中菌類，芽抱，微生物，蛋白質，維生素成分的變化:對不同液體介質，相同脈衝波形，相同脈衝數下，施加相同電場強度後，實驗液體介質中菌類，芽抱，微生物，蛋白質，維生素成分的變化。實驗結果證明，對液體施加高電壓脈衝後，液體介質中的菌類存活率幾乎為零，芽抱存活率幾乎為零，微生物存活率幾乎為零，蛋白質成分損傷率只有幾個百分點，維生素的損傷率也只有兒個百分點。這種滅菌效果是巴氏滅菌法遠遠無法達到的。他們認為，食物的滅菌效果與電場三大要素有關，既電場強度，脈衝波形，對食物施加的脈衝數。其中脈衝波形是幾乎不變的，而不同的液體食物對電場強度，及脈衝數的要求是不同的。脈衝波形是電容瞬間反向充電的波形，脈衝寬度在幾個(3-5)微秒內。

國內研究概況

目前國內的高電壓滅菌技術套用在包括食物，純淨水，工業廢水處理等許多領域。北京科淨源機電技術有限責任公司生產的滅菌靈，利用高壓脈衝電場，破壞帶負電的細胞表面，利用其很強的穿透力，透過細胞壁，破壞細菌賴以生存的酶系統，從而阻止細菌吸收葡萄糖，停止其新陳代謝，達到殺菌目的。它可徹底殺死水中菌、藻類等微生物群體，比傳統的化學方法殺菌滅菌具有無可比擬的優勢。

50年代末，美研製成功第一台靜電水垢控制器，1975年我國也研製成功並己大量運行。空調、製冷、熱交換、冷卻循環、鍋爐等系統，使用的冷卻水極易起污垢和滋生菌藻。為消除影響，起初多用機械法和酸鹼法。但前者勞動強度大且除垢不徹底、周期長;後者易腐蝕設備，引起公害。後來，大多採取化學藥劑置換、軟化、絮凝進行給水預處理，但使用不便，也容易污染環境.目前都致力於物理法預處理技術，即將水經過諸如磁場、高頻電場、電解、靜電等處理後送入用水系統。最早用於廢水處理的電解(董業斌，1996)法屬於低電壓範疇，但其機理對高電壓處理廢水有參考價值。

一般認為靜電場的去垢殺菌滅藻機理是電場改變了水分子的物化性質;電場作用引起電子與水中的礦物質碰撞，使垢物的結構發生變化;水中鐵離子扮演重要作用:活性氧自由基的化學作用對水中的細菌具有極強的破壞能力;一定強度的電場也會使水中藻類細胞破壞。

高壓靜電水處理技術(方興東，2000)雖己大量套用，但還缺乏較為全面的、系統的相關理論。

強脈衝放電所產生的電漿具有高密度儲存能和高膨脹效應，能形成強烈的熱能、膨脹壓力熱能、光能、聲能及輻射能力，進而在水中產生各種游離基，這些活性游離基可以破壞工業廢水中的有害成份。因此近年來，在高能電子輻射、臭氧化和光化學催化氧化等游離基處理方法取得進展後便轉向高壓脈衝放電處理廢水。

高壓納秒脈衝非平衡等離子處理直接藍和活性艷紅染料水數十秒後可脫除顏色並引起試樣COD的變化。檢測發現有有機酸生成，說明該法可有效破壞染料分子中的苯環或蔡環結構。這是高能電子轟擊、臭氧和紫外線的協同作用結果。溶液初始pH值、脈衝電壓峰值、試樣處理時間和添加鹽份等因素對脫色效果的影響也得到研究。

用高壓大電流脈衝放電技術處理染料廢水，包括分散紅玉、分散蘭、分散紅、分散黑、分散深蘭、分散福隆青蓮等六種染料的試驗結果表明它可有效破壞染料發色基團，使染料溶液基本脫色，色度降低率>90%，同時COD明顯下降，BOD:有所上升。說明放電破壞了染料分子，提高了溶液的可生物降解性，是一種有前景的染料處理新方法。改進裝置後試驗活性染料、直接染料、酸性染料、鹼性染料等都取得效果良好的除色。目前，工作重點在機理探討、裝置最佳化等方面展開。

高壓脈衝水處理可拓展到降解各種難處理工業廢水、有機農藥、特種有害物質、液體食品滅菌等方面，發揮更大的作用。

由於高壓脈衝放電水處理橫跨電工、環境、化學、微生物、物理、工程等多門學科，是典型的學科綜合交叉，迄今的研究還很不夠，尚需一個相當長的發展過程，尤其是在實際套用方面。

高電壓滅菌技術在我國的套用正處於起步階段，其工作的規模的提高，機理的證明，及大面積的普及仍需要大量的包括電，食品及化學多方面的綜合研究。

優點

高電壓滅菌與傳統的巴氏滅菌法相比有以下優點:

1.滅菌效果好。

高電壓滅菌法能更有效的殺滅食物中的菌類，酶及微生物，使其存活率只有幾個百分點。

2.對食物的營養成分保存效果好。

高電壓脈衝滅菌法能更有效的保存食物中的營養成分，其中食物的主要指標，蛋白質及維生素的損傷率只有幾個百分點，甚至為零。而巴氏滅菌法對食物的營養成分破壞相對來說是很嚴重的，其中蛋白質及維生素的損耗遠遠超出高電壓滅菌法。由於傳統滅菌法產生的高溫會不可避免的破壞食物中的營養成分，而高電壓滅菌法可以在瞬間滅菌，使食物在滅菌處理後溫度幾乎不變，或只升高几個攝氏度，營養成分幾乎不遭到破壞，所以就這一點來說，高電壓滅菌法所達到的效果是傳統滅菌法所遠不能及的。

3.滅菌速度極快。

高電壓滅菌法能在很短的時間裡完成滅菌過程，而巴氏滅菌法的滅菌時間較長，二者的滅菌速度有很大的區別。高電壓滅菌法是通過瞬間的電場強度變化，使細胞膜被擊穿，從而使對人體有害的菌類等物質被殺滅，或失去活性。一般的高電壓脈衝寬度為納秒或微秒級。

4.滅菌後易處理。

用高電壓滅菌法滅菌後，食物溫度變化很少，完成消毒過程之後即可進行封裝，而用巴氏滅菌法進行滅菌後，食物溫度很高，必須經過一段時間的冷卻後才能進行封裝， 效率遠不及高電壓脈衝滅菌法. .

方案的設計

消毒室電極的設計

由於電極間隙增大對高電壓脈衝發生器的要求成正比增加。所以由於脈衝發生器的輸出脈衝峰值電壓所限，對液體食品施加電壓的電極間隙不應過大。過小又易引起放電。綜合考慮各因素，對應的消毒室電極間隙設為3mm, 5mm, 8mm, 10mm .

高電壓脈衝參數的初步設定

實驗的目的是通過對液體食物施加若干高電壓脈衝後，達到對液體食物殺菌的效果。因此高電壓波形的研製是關鍵。

波形的要求國內外各有不同，其中美國的參考資料要求高電壓波形為電容瞬間反向充電的波形，而國內對波形的要求為雙矩形波(國內對波形作過研究，實驗結果證明雙矩形波的效果超過正弦波及其它波形)。綜合各國研究表明，高電壓滅菌的最可能實驗機理是通過正反兩向高電壓電場的施加，使細胞膜在短時間內受到正反兩方向的高電場強度的拉伸，受到嚴重破壞，出現空洞，從而使細胞死亡，達到滅菌目的。美國通過高倍顯微鏡對細菌的細胞膜進行觀察，發現在施加高電壓脈衝後，細胞膜上出現空洞。而國內研究同樣表明，在長時間內對食物施加高電壓正弦波，其效果遠不及雙矩形波，既在短時間(納秒級)使電場變化很大的效果。由此可見，對液體食物達到殺菌效果的最可能有效的波形是在短時間(納秒級)使電場在正負兩個方向波動，此種波形是美國的瞬間反向充電及國內雙矩形波都具有的共同特性。

實驗的波形脈寬由此定為在納秒級內，產生瞬間高電壓的陡動波形。

實驗波形的電場強度峰值同樣是關鍵，在此觀點上國內外有共同點，既必須達到12kV /cm以上才能起到滅菌的效果。通過國內外實驗表明低於此電壓則不會達到滅菌的目的。過低電壓反而會加速食物細菌的繁殖。

峰值電場強度越高，則滅菌效果會越好，但電壓過高易產生電弧放電，電弧放電同時會產生高溫，紫外線，金屬電極的分解等副效應，由此對食物產生的影響會使食物成分發生變化，不僅會使食物的味道發生變化，甚至會產生對人體有害的成分。因此應降低峰值電場強度避免產生電弧放電，但同時又要提高峰值電場強度，提高滅菌效率。綜合以上二者，及通過資料設定，峰值電場強度最大大約達到100kV/cm即可，既很好的達到滅菌效果，又達到在脈衝電壓施加過程中不會放電的效果.

達到100kV /cm的電場強度，則要求脈衝發生器產生很高的電壓。產生過高的電壓，對脈衝發生器的各器件要求自然會很高，電壓增大，難度相應會成倍增加。綜合以上各參數，脈衝發生器應產生峰值電壓為30kV，脈衝寬度為納秒級，上升沿在納秒級的脈衝電壓。

高電壓脈衝發生器原理

脈衝發生器的工作原理，如圖3-1所示:

因為輸出的脈衝峰值電壓需要可控，所以普通的220V交流電通過調壓器，輸入到產生直流高壓部分的輸入端。變壓器輸出50Hz的交流高電壓通過保護電阻和矽堆，對主電容充電。這樣整個直流高壓發生部分就可以輸出直流高電壓，通過一個限流電阻對放電電容進行充電，此時，放電電容的電壓與直流高電壓發生部分產生的直流高壓相同。為加速放電電容的放電，它的放電迴路加了一個電感，這樣放電電容通過RC迴路加速放電，以獲得最短的高電壓脈衝，在高電壓脈衝發生器輸出端得到最短的脈衝前沿和寬度。此時輸出端雖然可獲得極陡的脈衝前沿，由於RC迴路會產生頻率很高，時間較長的振盪。

這樣，輸出的脈衝波形由於振盪的產生，會加長脈衝的寬度。而本次試驗所要求的脈衝只要求極陡的脈衝前沿和最短的脈衝寬度。否則脈衝較長的話，是否會引起液體食品中的放電，引起新的污染，這種情況尚未可知。而且從各種資料來看，對液體食品最有效，滅菌效果最好的高電壓脈衝部分是陡的脈衝前沿和陡的脈衝下降沿。振盪情況下，除振盪的第一個周期是我們所希望的部分，其餘部分就是我們考慮應該濾掉的干擾。因此，這裡引入了一個大的矽堆，以此可以消除RC迴路產生的振盪。