脉冲电场

新型的非热食品杀菌技术

脉冲电场(Pulsed Electric Fields, PEF)处理是一种新型的非热食品杀菌技术，它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度（0-100μs）和较高的脉冲频率（0-2000Hz）对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。

作用

主要为杀菌作用:

基本原理　脉冲电场产生磁场，这种脉冲电场和脉冲磁场交替作用，使细胞膜透性增加，振荡加剧，膜强度减弱，因而膜被破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。 2、电离作用　电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用，因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行；同时，液体介质电离产生O3的强烈氧化作用，能与细胞内物质发生一系列反应。　通过以上2种作用的联合进行，杀死菌体。

杀菌原理

PEF 对微生物的作用机理尚不完全清楚，多数学者认为 PEF 是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活。微生物细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行有着极其重要的作用。PEF 的杀菌作用与其对微生物细胞膜的影响密切相关。当微生物被置于高压脉冲电场中时，细胞膜会被破坏，从而导致细胞内容物外渗，引起细胞死亡。

细胞膜的电穿孔

电穿孔现象是指细胞暴露在 PEF 作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。细胞质膜通透性大幅增加，胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。

细胞膜的电崩溃机制与模型

微生物细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它有一定的电荷，具有一定的通透性，也有一定的强度。膜的内外表面间具有一定的电势差（Vm），当细胞膜上外加一个电场（E）时，这个电场将使膜内外的电势差增大。由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压；当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，腹上出现许多小孔，使膜的强度降低；进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔，使细胞组织破裂、崩溃，导致微生物失活。

穿孔效应假说被大多数学者所接受，但电穿孔特性的研究在国内仍处于早期阶段，国外研究时间较长，但至今仍然有许多现象无法解释，而新的现象又不断地被报道。

PEF 杀菌效果

早期的研究主要集中在 PEF 对微生物的杀菌效果方面，人们已就 PEF 对多种腐败菌和致病菌的杀菌效果进行了大量而系统地研究。人们已经对 PEF 的杀菌效果有了深入的认识和掌握。PEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠杆菌 O157、霉菌和酵母等，研究结果表明 PEF 处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，但芽孢表现出较强的耐受性。

影响因素

影响PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为加工因素，产品因素和微生物特征因素。

（1）PEF加工因素：电场强度、处理时间、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲形状、样品流速、初始温度。

（2）产品因素：产品成分、导电性、离子强度、pH、水分活度、黏度。

（3）微生物特征因素：微生物种类、生长条件、生长时期。

组分影响

PEF 对食品蛋白质组分的影响

酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，PEF 处理可以钝化酶活和改变酶的结构，那么 PEF 也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能产生影响。而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）。另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。

PEF 对食品脂质组分的影响

一些研究者已经提出了 PEF 处理食品过程中的电化学问题和电极腐蚀问题。Johan 等发现 PEF 处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问题。Roodenburg 等的研究显示，在 PEF 处理食品过程中，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会少量释放到食品中。这些因素决定 PEF 处理食品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。

PEF 对食品碳水化合物组分的影响

关于 PEF 对碳水化合物影响的研究较少。张鹰等报道 25kV/cmPEF 处理的脱脂牛乳中乳糖含量未发生显著变化。Garde-Cerdan 等研究发现 PEF 处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没有影响。Han 等采用 PEF 对玉米淀粉进行处理，结果表明 50kV/cmPEF 处理后淀粉颗粒表面会出现明显的小孔和凹坑，X 射线衍射峰的强度和焓值及糊化转变温度降低，表明淀粉在 PEF 作用下发生了分子结构破坏和重排。

PEF 对食品其它组分的影响

Cortes 等研究发现 PEF 处理对橘汁中类胡萝卜素的活力有很小的影响。Rivas 等研究了 PEF 处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（4℃保存 81d）内水溶性维生素（维生素 H、叶酸、维生素 B5 和核黄素）的变化，发现 40kV/cmPEF 处理后样品中的维生素可保留 90%以上。Zhang 等报道花色苷－矢车菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。Elez-Martinez 等研究了 PEF 处理后橙汁中维生素 C 以及抗氧化能力的变化，发现维生素 C 的保留量随场强、处理时间增大而减小。35kV/cm PEF 处理后橙汁中维生素 C 的保留率在 87%以上。

系统设备

PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、温度测定系统。

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