高壓指數(shù)波脈沖電場滅菌系統(tǒng)的研究

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

0   引言

高壓脈沖電場（PEF）滅菌技術(shù)是一種新型的低溫冷滅菌技術(shù)，主要針對液態(tài)食品滅菌，和傳統(tǒng)熱力滅菌相比，具有滅菌時間短、能量消耗少、滅菌效率高、溫升小等優(yōu)勢^[1-2]。比如對牛奶的滅菌，PEF 可以實現(xiàn)在常溫下滅菌，最大程度保持原有食品的營養(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型處理室，靜止型處理室只能用于實驗室小規(guī)模滅菌實驗，處理腔容積有限，適用于科學(xué)研究。而流動型處理室可以持續(xù)不斷對液態(tài)食品完成滅菌，進(jìn)行流動型處理室的滅菌實驗研究，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，脈沖波形對滅菌效率的影響體現(xiàn)在單個脈沖可持續(xù)的有效滅菌時間^[9]。指數(shù)波相對于方波和震蕩波較容易實現(xiàn)，造價低，且滅菌效果好，本文決定采用指數(shù)波，利用自行設(shè)計的平板處理室，通過控制不同電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)等參數(shù)進(jìn)行滅菌研究。

1   高壓指數(shù)波脈沖電場滅菌系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 高壓指數(shù)波脈沖波形設(shè)計

指數(shù)波脈沖發(fā)生器基本可以用圖1 的指數(shù)波發(fā)生電路來實現(xiàn)。首先由直流電源向電容充電，當(dāng)儲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)部就會產(chǎn)生高壓電場，高壓電場可以使微生物的細(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)實驗室所采用的指數(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

搭建出實際電路，在滅菌實驗中設(shè)置直流電源的電壓為10 kV，利用示波器測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)波實際波形

1.2 滅菌處理室設(shè)計

平板處理室為廣西大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計，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，電場強(qiáng)度可用式（1）表示。

式中，U（注：單位為kV）為施加在處理室電極上的電壓，d（注：單位為cm）為兩電極板的間隔距離。提高脈沖電壓的幅值，會使處理室內(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，加工出處理室實物如圖4 所示。

圖4 平板處理室實物圖

2   實驗方法

2.1 實驗原料

本文實驗選用的滅菌對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 實驗設(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時監(jiān)控系統(tǒng)。其中，蠕動泵的工作速率可調(diào)，改變火花間隙開關(guān)的間距來控制作用在處理室兩端的電壓大小，示波器用來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 實驗步驟

利用自行搭建PEF 滅菌系統(tǒng)進(jìn)行滅菌實驗，采用指數(shù)脈沖控制菌液電導(dǎo)率不變，采用不同電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)對平板處理室分別進(jìn)行靜止型和流動型滅菌實驗。實驗步驟具體如下。

1）制備酵母菌懸液和培養(yǎng)基。

2）滅菌實驗前對平板處理室進(jìn)行清洗。

3）將平板處理室安裝至PEF 滅菌系統(tǒng)，采用不同電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)進(jìn)行靜止型和流動型滅菌實驗，并記錄電壓電流波形。

4）采用平板計數(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）計算滅菌率，滅菌率的計算公式如式（2）所示。

式中N0 表示滅菌前的菌落個數(shù)，N 表示滅菌后的菌落個數(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)行靜止型滅菌實驗，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，脈沖電場強(qiáng)度E 為19 kV/cm 和25 kV/cm 時，平板處理室的滅菌效率如圖5 所示。將電場強(qiáng)度作為變量，此時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)和電場強(qiáng)度的增加而提高。當(dāng)施加的脈沖數(shù)為50 個，電場強(qiáng)度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時的滅菌效率為6.48% 和13.47%；施加的脈沖數(shù)為100 個，滅菌效率分別為10.74% 和20.37%；脈沖數(shù)增加到200個，兩個電場強(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，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，電場強(qiáng)度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時的滅菌效率分別為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，PEF 滅菌的時間越長，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 流動型平板處理室滅菌結(jié)果

流動型平板處理室相對于靜止型平板處理室的優(yōu)點是可以進(jìn)行持續(xù)滅菌，有利用PEF 滅菌系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。利用流動型平板處理室進(jìn)行PEF 滅菌實驗時，相對于靜止型平板處理室的PEF 滅菌實驗，需要增加物料輸送系統(tǒng)，本實驗采用蠕動泵作為輸送動力來源。當(dāng)施加到流動型平板處理室的脈沖個數(shù)為50、100、200、500、1 000 時，電場強(qiáng)度為19 kV/cm 和25 kV/cm 時的滅菌效率如圖7 所示。當(dāng)施加在處理室上的電場強(qiáng)度為19 kV/cm 和25 kV/cm，脈沖個數(shù)分別為50、100、200、500、1 000 時的滅菌效率如圖8 所示。

圖7 脈沖數(shù)參數(shù)下的流動型平板處理室滅菌效率

圖8 電場強(qiáng)度參數(shù)下的流動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可以發(fā)現(xiàn)，流動型平板處理室的滅菌效率隨著脈沖數(shù)和電場強(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)的個數(shù)為100 時，不同電場強(qiáng)度下的滅菌效率分別為21.75% 和28.75%；脈沖個數(shù)增加到200 個時，兩個電場下的流動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 個時，電場強(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)和電場強(qiáng)度下的滅菌效率，可以發(fā)現(xiàn)對于流動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。同時可以發(fā)現(xiàn)，在相同電參數(shù)的作用下，流動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，繼續(xù)提高電場強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高滅菌效率。

4   結(jié)束語

本文通過設(shè)計搭建PEF 滅菌系統(tǒng)，其中包括對指數(shù)波脈沖發(fā)生器的設(shè)計和平板處理室的設(shè)計。通過平板處理室的靜止型和流動型滅菌實驗，驗證了PEF 滅菌系統(tǒng)的實用性。同時，詳細(xì)介紹了PEF 滅菌系統(tǒng)的脈沖電源波形和處理室。滅菌實驗結(jié)果也表明，指數(shù)波對滅菌效率有著良好的作用，也具有很高的經(jīng)濟(jì)性，流動型滅菌結(jié)果要優(yōu)于靜止型滅菌，滅菌時間極短，指數(shù)波流動型滅菌適用于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性對脈沖電場處理效果的研究[J].自動化與儀器儀表,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.基于脈沖電場處理技術(shù)低溫原牛乳滅菌系統(tǒng)研究[J].自動化與儀器儀表,2020(7):26-30.

[4] 張若兵,張星,劉懷宇,等.基于現(xiàn)場可編程門陣列的高壓脈沖電場設(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,2020(4):799-806.

[7] 胡大華,平雪良,金偉,等.高壓脈沖電場同軸與共場殺菌處理室性能實驗研究[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.