食品的脉冲电场加工

脉冲电场(PEF)应用可用于实现生物组织或微生物的分解。已经确定了各种应用，例如改善提取或干燥过程中的传质以及温和的食品保存。该技术的首次商业应用已经实现。通过基于半导体状态的设备开发，提高了设备的可靠性和成本效益。该技术正在走向更广泛的工业应用。

在新颖的新兴技术中，PEF是最有希望实现温和、非热巴氏杀菌或细胞分解的技术之一。脉冲电场的首次应用是在年代1提出的。年代首次尝试实现工业设备，但直到年才实现首次商业用途2.通过暴露于外部电场，可以在微生物、植物或动物细胞中诱导孔隙，这种效应称为电穿孔。该技术可以连续应用，几乎不需要停留时间。与其他电气技术（例如欧姆加热）相比，其基本机制基于非热效应。实现孔隙感应所需的时间尺度是微秒范围，允许减少电能消耗所需的短脉冲能量。

脉冲电场设备

对于PEF处理，需要一个脉冲调制器和一个将食物暴露在电场中的处理室。脉冲调制器将来自电源线的正弦交流电转换为具有足够峰值电压和脉冲能量的脉冲。对于植物或动物细胞的分解，通常需要1kV/cm的电场强度，而微生物灭活发生在15kV/cm的临界电场强度以上。使用的电压在20到50kV的范围内，每脉冲的能量在1到J之间，重复频率高达kHz范围。目前，美国俄亥俄州立大学、荷兰StorkFoodSystems、德国柏林工业大学和德国食品技术研究所约有25个研究小组正在研究PEF在食品处理中的应用和中试规模设备，德国。脉冲生成是通过对电容器组充电并将存储的能量通过高压开关释放到处理室中来实现的。主要针对液体食品处理提出了三种处理室设计、平行板电极或圆柱形电极的同轴或共线配置（见图1）。直径为60mm、最大处理量为5t/h的处理室示例如图2所示。

潜在应用

该技术增强从水果和蔬菜中提取细胞内化合物的能力；为了提高马铃薯和肉制品的干燥速度并实现液体食品的温和去污，已在实验室和中试规模测试3-5中进行了调查。在以下部分中将介绍示例。图3概述了食品和生物加工中的潜在应用以及典型的加工参数。

榨汁的改进

在水果和蔬菜汁的提取过程中，细胞解体通常是液固分离之前的关键先决条件。传统上，采用酶法浸渍，需要30至60分钟的停留时间和储罐。使用容量为50kg的榨汁机研究了短时间、连续PEF处理诱导细胞解体的适用性（见图4）。根据苹果品种和PEF处理强度，发现果汁产量增加，与酶处理后相似或更高。3kJ/kg的特定能量输入足以实现果汁产量的增加。更高的处理强度导致苹果泥的进一步分解，这可能（取决于压榨类型）在液固分离过程中造成困难。由于PEF应用不会导致水胶体的解聚或去酯化，因此提供了从果渣中提取天然结构化果胶的潜力。该应用的第一个工业原型于年安装在一家德国果汁生产公司。

改善干燥

由于从产品核心到其表面的水分扩散有限，食品的干燥通常会显着增加生产成本和时间要求。各种干燥条件可以改善产品表面的水分去除率，但高去除率会导致形成干燥的外壳，从而抑制从中心进一步提供水分。在PEF应用后增强了几种水果和蔬菜产品的干燥效果已显示6-9，可以将马铃薯块的干燥时间减少多达30%。虽然PEF应用不会改变水蒸发所需的能量，但由于更快的水分输送和现有生产线的生产能力10增加，预计可以节省大量能源。

干腌火腿和香肠的生产需要采用温和的干燥条件和最长30天的干燥时间。在3和4kV/cm的场强和5和20kJ/kg的特定能量输入下对猪肩样品进行处理，研究了提高干腌火腿干燥速率的潜力（见图5）。在PEF处理和盐水注射后实现了最短的干燥时间，强调了该技术在改善肉组织中水分传输的潜力。与PEF相结合的手腌制应用导致形成干燥的变性肉表面，特别是在4kV/cm和20kJ/kg处理后。这种显着的效果可能与高处理强度和所应用的干燥条件有关，因为空气速度（大约4m/s）在气候柜中没有变化，并且高于传统腌火腿加工过程中的应用。在堆盐腌的情况下，将发生两个传质过程，水从组织中扩散出来，以及盐扩散到组织中。通过PEF应用进行的预处理也可用于改善盐和亚硝酸盐/硝酸盐的吸收。

温和的液体去污

PEF对膜孔的诱导也可用于灭活微生物11.膜屏障功能的丧失和细胞内液体的渗漏会导致细胞死亡。可以使用荧光细胞染色和流式细胞术分析来观察膜透化。在图6中，显示了碘化丙啶(PI)和羧基荧光素(cF)对鼠李糖乳杆菌的染色。PI是一种不渗透膜的探针，它不会穿透具有完整膜的细胞。在PEF处理后，PI扩散到细胞中并染色。第二个探针cF主要用于评估细胞酶活性。取决于施加的脉冲数量，膜通透性增加，而与95°C的热处理相比，细胞酯酶活性得以保持。自来水、果汁、12-16。例如，Ringer溶液中四种微生物菌株的灭活如图7所示。值得注意的是，PEF处理仅对营养生物有效，而孢子、病毒或酶大多不受电场影响，作为主要目标——细胞膜——缺失。提高能源效率的工艺变量是电场强度、特定能量输入和处理温度。将PEF的应用和温和的加热相结合，可以以较低的电能消耗实现微生物灭活，同时与热处理相比，在较低的最高温度和停留时间下运行14。年底，美国首次实现了优质果汁保存的商业应用2.产品在冷藏时分发，以防止残留的酶活性降解。保留酶活性——PEF果汁加工过程中的一个潜在缺点——在微生物净化但不需要酶或蛋白质变性的培养基中可能是一个优势。生乳干酪的生产和蛋黄的酶或蛋白质制剂的处理是减少微生物负荷的例子，无需加热和蛋白质结构的相关变化。结果表明，对牛奶进行微生物净化后，脂质过氧化物酶（天然抗菌系统的一种成分）的活性可以保留17.在对含有蛋白质的液体进行净化期间降低最高温度也有助于减少热交换器表面的结垢。

工业可行性和处理成本

一般来说，通过在一定的技术限制内增加处理室尺寸、脉冲峰值电压和平均功率，该技术在工业规模上是可行的。缺乏可靠和负担得起的工业规模设备以及由于成熟的传统加工而缺乏创新，限制了过去的工业开发。该技术的成功意义将需要确定成本或质量效益来证明投资成本的合理性，对于30kW脉冲调制器，其范围在至,之间。根据应用类型，该平均功率足以处理10至15吨/小时的植物或肉组织，或者由于更高的能量需求，1至2吨/小时的液体介质净化。将成本分解为一吨产品，包括能源和维护，细胞解体的典型总成本范围为1至2欧元/吨，保存成本为1至2克拉/升。固态半导体技术的最新发展允许设计紧凑、可靠和模块化的脉冲调制器，正如德国食品技术研究所所做的那样。开发了一种基于低压开关和脉冲变换的电路类型，以限制功率调制器组件上的应力。提供功率为3和30kW的原型。开发了一种基于低压开关和脉冲变换的电路类型，以限制功率调制器组件上的应力。提供功率为3和30kW的原型。开发了一种基于低压开关和脉冲变换的电路类型，以限制功率调制器组件上的应力。提供功率为3和30kW的原型。

概括

该技术在分解植物、动物或微生物细胞方面的潜力已被证明，在提取或干燥之前对组织进行预处理，以及保存优质、冷冻产品或含有蛋白质的培养基已被确定为有前景的应用。该技术可以达到工业规模；德国食品技术研究所正在开发原型设备。

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