高壓指數(shù)波脈沖電場(chǎng)滅菌系統(tǒng)的研究

作者簡(jiǎn)介：師燦輝（1993—），男，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

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)能電容充滿電后開始向外釋放電能，電壓達(dá)到高壓開關(guān)的導(dǎo)通電壓后，開關(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。

圖1 指數(shù)波形成電路

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。

圖2 指數(shù)波實(shí)際波形

1.2 滅菌處理室設(shè)計(jì)

平板處理室為廣西大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)，電極形狀為直板型，電極上施加電壓后處理室內(nèi)能夠產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可用式（1）表示。

式中，U（注：?jiǎn)挝粸閗V）為施加在處理室電極上的電壓，d（注：?jiǎn)挝粸閏m）為兩電極板的間隔距離。提高脈沖電壓的幅值，會(huì)使處理室內(nèi)部的電強(qiáng)度增加，滅菌效果顯著提升^[10]。

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，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。

圖4 平板處理室實(shí)物圖

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。

4）采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行滅菌前和滅菌后的菌落數(shù)觀察，記錄平均值。

5）計(jì)算滅菌率，滅菌率的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中N0 表示滅菌前的菌落個(gè)數(shù)，N 表示滅菌后的菌落個(gè)數(shù)。

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)置火花間隙開關(guān)間距，保持開關(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。

圖5 脈沖數(shù)參數(shù)下的靜止型平板處理室滅菌效率

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)下的靜止型平板處理室的滅菌效率

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。

圖7 脈沖數(shù)參數(shù)下的流動(dòng)型平板處理室滅菌效率

圖8 電場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)下的流動(dòng)型平板處理室滅菌效率

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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞承豪,覃思,湯真.低脈沖頻率下液體流動(dòng)性對(duì)脈沖電場(chǎng)處理效果的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2020(7): 21-30.

[2] 張若兵,陳杰,廖小軍,等.高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備及其在食品非熱處理中的應(yīng)用[J].高壓電技術(shù),2011(3): 777-786.

[3] 湯真,俞承豪,師燦輝,等.基于脈沖電場(chǎng)處理技術(shù)低溫原牛乳滅菌系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2020(7):26-30.

[4] 張若兵,張星,劉懷宇,等.基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備控制器研制[J].高電壓技術(shù),2015,41(12): 4021-4026.

[5] 張若兵,梁大鵬.陡前沿方波對(duì)金黃色葡萄球菌的殺滅效果[J].高電壓技術(shù),2014(4):1249-1254.

[6] 王曉雨,董守龍,馬劍豪,等.一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發(fā)生器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2020(4):799-806.

[7] 胡大華,平雪良,金偉,等.高壓脈沖電場(chǎng)同軸與共場(chǎng)殺菌處理室性能實(shí)驗(yàn)研究[J].食品工業(yè)科技,2013(18): 119-122.

[8] 肖健夫,張若兵,陳杰,等.方波PEF處理中負(fù)載失匹情況下波形的優(yōu)化[J].高電壓技術(shù),2014(1): 256-261.

[9] QIN S,TIMOSHKIN I V,MACLEAN M,et al.Pulsed electric field treatment of saccharomyces cerevisiae using different waveforms[J]. IEEE transactions on dielectrics & electrical insulation,2015,22(4): 1841-1848.

[10] 楊宇帆,陳倩,王浩,等.高壓電場(chǎng)技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2019,40(19):316-320+325.