高压指数波脉冲电场灭菌系统的研究

作者简介：师灿辉（1993—），男，硕士研究生，研究方向：自动化控制系统。

0   引言

高压脉冲电场（PEF）灭菌技术是一种新型的低温冷灭菌技术，主要针对液态食品灭菌，和传统热力灭菌相比，具有灭菌时间短、能量消耗少、灭菌效率高、温升小等优势^[1-2]。比如对牛奶的灭菌，PEF 可以实现在常温下灭菌，最大程度保持原有食品的营养和风味^[3]。

PEF 灭菌系统主要由高压脉冲发生器、灭菌处理室、监控设备和输送动力系统构成^[4-5]。其中，高压脉冲发生器包括高压脉冲电源和控制开关，输送动力系统的功能是将待灭菌液体送入灭菌处理室内。灭菌处理室作为PEF 灭菌系统的重要组成部分，主要作用是将高压脉冲施加到液态食品上^[6]。灭菌处理室包括静止型处理室和流动型处理室，静止型处理室只能用于实验室小规模灭菌实验，处理腔容积有限，适用于科学研究。而流动型处理室可以持续不断对液态食品完成灭菌，进行流动型处理室的灭菌实验研究，有助于PEF 灭菌技术的工业化应用^[7]。

影响PEF 系统灭菌效率的因素主要有脉冲波形、电场强度和脉冲数^[8]。其中，脉冲波形分为震荡波、指数波和方波，脉冲波形对灭菌效率的影响体现在单个脉冲可持续的有效灭菌时间^[9]。指数波相对于方波和震荡波较容易实现，造价低，且灭菌效果好，本文决定采用指数波，利用自行设计的平板处理室，通过控制不同电场强度和脉冲数等参数进行灭菌研究。

1   高压指数波脉冲电场灭菌系统的设计

1.1 高压指数波脉冲波形设计

指数波脉冲发生器基本可以用图1 的指数波发生电路来实现。首先由直流电源向电容充电，当储能电容充满电后开始向外释放电能，电压达到高压开关的导通电压后，开关接通，电容释放的电能施加在处理室的两端，在处理室的内部就会产生高压电场，高压电场可以使微生物的细胞膜发生破裂，从而完成灭菌。该电路应用非常广泛，绝大多数实验室所采用的指数脉冲发生器均由该电路产生。

图1 指数波形成电路

搭建出实际电路，在灭菌实验中设置直流电源的电压为10 kV，利用示波器测量出施加在处理室两端的电压波形如图2 所示。

图2 指数波实际波形

1.2 灭菌处理室设计

平板处理室为广西大学自主研发设计，电极形状为直板型，电极上施加电压后处理室内能够产生均匀的电场，电场强度可用式（1）表示。

式中，U（注：单位为kV）为施加在处理室电极上的电压，d（注：单位为cm）为两电极板的间隔距离。提高脉冲电压的幅值，会使处理室内部的电强度增加，灭菌效果显著提升^[10]。

本PEF 灭菌系统的平板处理室处理腔体采用聚四氟乙烯制成，有良好的绝缘性和机械强度，两块金属电极板被分隔开，单次高压脉冲的有效处理体积为7 mL，下端为进料口，上端为出料口，平板处理室结构如图3所示，加工出处理室实物如图4 所示。

图4 平板处理室实物图

2   实验方法

2.1 实验原料

本文实验选用的灭菌对象为酿酒酵母制备的水溶液，酿酒酵母是一种单细胞微生物，非致病性菌株，繁殖快。酵母菌接种在YPD 培养基中，放入转速为120 r/min，温度为30 ℃的恒温摇床培养24 h，然后再与无菌水均匀混合制备成酵母菌悬液，使其浓度达到10-6~10-7 cfu/mL，电导率为115 μS/cm，pH=7 呈中性溶液。

2.2 实验设备

PEF 灭菌系统采用TESLAMAN TRC2020 高压直流电源（40 kV）、火花间隙开关（自制）、平板处理室（自制）、Kamoer F01A STP 蠕动泵以及Tektronix TDS2024C 示波器、Tektronix P6015A 高压探头和柔性罗氏线圈组成的实时监控系统。其中，蠕动泵的工作速率可调，改变火花间隙开关的间距来控制作用在处理室两端的电压大小，示波器用来记录处理室两端的电压以及通过酵母菌悬液的电流波形。

2.3 实验步骤

利用自行搭建PEF 灭菌系统进行灭菌实验，采用指数脉冲控制菌液电导率不变，采用不同电场强度和脉冲数对平板处理室分别进行静止型和流动型灭菌实验。实验步骤具体如下。

1）制备酵母菌悬液和培养基。

2）灭菌实验前对平板处理室进行清洗。

3）将平板处理室安装至PEF 灭菌系统，采用不同电场强度和脉冲数进行静止型和流动型灭菌实验，并记录电压电流波形。

4）采用平板计数法进行灭菌前和灭菌后的菌落数观察，记录平均值。

5）计算灭菌率，灭菌率的计算公式如式（2）所示。

式中N0 表示灭菌前的菌落个数，N 表示灭菌后的菌落个数。

3 灭菌结果分析

3.1 静止型平板处理室灭菌结果

将平板处理室接于PEF 灭菌系统中进行静止型灭菌实验，设置火花间隙开关间距，保持开关的导通频率为1 pps 持续向处理室施加指数脉冲。当脉冲数N 分别为50、100、200、500、1 000，脉冲电场强度E 为19 kV/cm 和25 kV/cm 时，平板处理室的灭菌效率如图5 所示。将电场强度作为变量，此时平板处理室的灭菌效率如图6 所示。

图5 脉冲数参数下的静止型平板处理室灭菌效率

图6 电场强度参数下的静止型平板处理室的灭菌效率

由图5 和图6 可发现，静止型平板处理室的灭菌效率随着脉冲数和电场强度的增加而提高。当施加的脉冲数为50 个，电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm 时的灭菌效率为6.48% 和13.47%；施加的脉冲数为100 个，灭菌效率分别为10.74% 和20.37%；脉冲数增加到200个，两个电场强度下的静止型平板处理室的灭菌效率分别为14.08% 和27.18%；施加的脉冲数为500 个，灭菌效率分别为25.71% 和37.04%；施加的脉冲数目进一步增加，当施加的脉冲数目为1 000 个，电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm 时的灭菌效率分别为41.76%和46.15%。由此可以得出结论，当脉冲数相同数，施加的电压越大，灭菌效率越高；当施加的电压相同时，PEF 灭菌的时间越长，脉冲数越多，静止型平板处理室的灭菌效率将逐步提高。

3.2 流动型平板处理室灭菌结果

流动型平板处理室相对于静止型平板处理室的优点是可以进行持续灭菌，有利用PEF 灭菌系统的工业化应用。利用流动型平板处理室进行PEF 灭菌实验时，相对于静止型平板处理室的PEF 灭菌实验，需要增加物料输送系统，本实验采用蠕动泵作为输送动力来源。当施加到流动型平板处理室的脉冲个数为50、100、200、500、1 000 时，电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm 时的灭菌效率如图7 所示。当施加在处理室上的电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm，脉冲个数分别为50、100、200、500、1 000 时的灭菌效率如图8 所示。

图7 脉冲数参数下的流动型平板处理室灭菌效率

图8 电场强度参数下的流动型平板处理室灭菌效率

由图7 和图8 的灭菌效率变化趋势可以发现，流动型平板处理室的灭菌效率随着脉冲数和电场强度的增加而提高。当作用在静止型平板处理室的脉冲数为50，电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm 的灭菌效率分别为12.72% 和23.54%；随着脉冲数的增加，当脉冲数的个数为100 时，不同电场强度下的灭菌效率分别为21.75% 和28.75%；脉冲个数增加到200 个时，两个电场下的流动型平板处理室的灭菌效率分别为26.97% 和34.53%；当施加脉冲的个数为500，两者的灭菌效率分别为36.36% 和42.64%；施加的脉冲数继续增加，当脉冲数为1 000 个时，电场强度为19 kV/cm 和25 kV/cm的灭菌效率分别为52.79% 和64.16%。根据不同脉冲数和电场强度下的灭菌效率，可以发现对于流动型平板处理室依旧满足静止型平板处理室的灭菌效率变化规律。同时可以发现，在相同电参数的作用下，流动型平板处理室的灭菌效率要优于静止型平板处理室。由图8可以预测，继续提高电场强度可以进一步提高灭菌效率。

4   结束语

本文通过设计搭建PEF 灭菌系统，其中包括对指数波脉冲发生器的设计和平板处理室的设计。通过平板处理室的静止型和流动型灭菌实验，验证了PEF 灭菌系统的实用性。同时，详细介绍了PEF 灭菌系统的脉冲电源波形和处理室。灭菌实验结果也表明，指数波对灭菌效率有着良好的作用，也具有很高的经济性，流动型灭菌结果要优于静止型灭菌，灭菌时间极短，指数波流动型灭菌适用于PEF 灭菌的工业化应用。

参考文献：

[1] 俞承豪,覃思,汤真.低脉冲频率下液体流动性对脉冲电场处理效果的研究[J].自动化与仪器仪表,2020(7): 21-30.

[2] 张若兵,陈杰,廖小军,等.高压脉冲电场设备及其在食品非热处理中的应用[J].高压电技术,2011(3): 777-786.

[3] 汤真,俞承豪,师灿辉,等.基于脉冲电场处理技术低温原牛乳灭菌系统研究[J].自动化与仪器仪表,2020(7):26-30.

[4] 张若兵,张星,刘怀宇,等.基于现场可编程门阵列的高压脉冲电场设备控制器研制[J].高电压技术,2015,41(12): 4021-4026.

[5] 张若兵,梁大鹏.陡前沿方波对金黄色葡萄球菌的杀灭效果[J].高电压技术,2014(4):1249-1254.

[6] 王晓雨,董守龙,马剑豪,等.一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器[J].电工技术学报,2020(4):799-806.

[7] 胡大华,平雪良,金伟,等.高压脉冲电场同轴与共场杀菌处理室性能实验研究[J].食品工业科技,2013(18): 119-122.

[8] 肖健夫,张若兵,陈杰,等.方波PEF处理中负载失匹情况下波形的优化[J].高电压技术,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] 杨宇帆,陈倩,王浩,等.高压电场技术在食品加工中的应用研究进展[J].食品工业科技,2019,40(19):316-320+325.