高壓脈沖電場殺菌動(dòng)力學(xué)及處理室改進(jìn)研究.pdf

1、本文從高壓脈沖電場對(duì)微生物的殺滅效果入手，通過建立高壓脈沖電場強(qiáng)度和處理時(shí)間與微生物相對(duì)存活率之間的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，從而獲得微生物的臨界場強(qiáng)Ec和模型的回歸系數(shù)k；將PEF殺菌技術(shù)應(yīng)用于殺滅橙汁中大腸桿菌O157：H7和致病性沙門氏菌，并對(duì)比PEF殺菌與熱力殺菌對(duì)橙汁品質(zhì)的影響；在此基礎(chǔ)上，通過Laplace方程研究處理器中電場分布，開展PEF處理室改進(jìn)及其微生物殺滅效果研究。所開展的研究簡介如下： 1.本論文所使用的高壓脈沖電

2、場殺菌試驗(yàn)裝置，主要由高壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)、同芯連續(xù)式處理室(co-field chamber)、蠕動(dòng)泵、溫度探頭、溫度記錄儀、物料貯罐和冷卻部分構(gòu)成，其主要參數(shù)如下：電壓范圍0～15 kV；脈沖寬度5～20μs；連續(xù)處理室，流速范圍5～100 mL/min；脈沖周期10～1KHz；單極脈沖：波型為方波。 2.使用內(nèi)徑2mm電極處理室，流量u=10mL/min，脈沖電場頻率為32Hz，脈沖。寬度τ=1.7μs，脈沖電場處理的脈沖數(shù)為

3、80個(gè)。高壓脈沖電場處理啤酒酵母、青霉、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，脈沖電場強(qiáng)度分別為2.5 kV/cm、5kV/cm、10kV/cm、12.5kV/cm、15kV/cm、17.5kV/cm以及20 kV/cm，研究高壓脈沖電場強(qiáng)度對(duì)啤酒酵母、金黃色葡萄球菌、青霉和大腸桿菌殺菌效果的影響，其結(jié)果如下： (1)隨著電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)增加，高壓脈沖電場對(duì)微生物的殺滅效果提高。 (2)不同對(duì)象菌對(duì)脈沖電場的承受力不同，革蘭氏陰性菌

4、的殺滅效果比陽性菌好，各菌種對(duì)高壓脈沖電場的承受力從大到小如下：霉菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、啤酒酵母。 (3)以大腸桿菌為指標(biāo)菌，研究不同的介質(zhì)對(duì)高壓脈沖電場殺菌效果的影響，結(jié)果表明：酸性介質(zhì)條件有利于殺滅細(xì)菌。 (4)當(dāng)樣液溫度分別是25℃、30℃、和35℃時(shí)，溫度協(xié)同高壓脈沖電場滅菌的處理效果不是很顯著。 (5)對(duì)象菌所處的生長周期也對(duì)殺菌效果也有一定的影響，處于延滯生長期的菌體比處于穩(wěn)定期和對(duì)數(shù)生長期的

5、菌體對(duì)電場更為敏感。 3.通過建立高壓脈沖電場強(qiáng)度和啤酒酵母、大腸桿菌和青霉存活率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，得到電場強(qiáng)度對(duì)微生物的致死作用符合一個(gè)分段函數(shù)N/N0=1 E

6、而求得這三種菌的臨界場強(qiáng)Ec和模型的回歸系數(shù)k，青霉Ec=1.9893kV/cm>大腸桿菌Ec=1.8085kV/cm>啤酒酵母Er=0.3339kV/cm，青霉k=0.1139<大腸桿菌k=0.1629<啤酒酵母k=0.4339，臨界場強(qiáng)表示微生物對(duì)脈沖電場的耐受能力；k是微生物對(duì)高壓脈沖電場敏感性參數(shù)，其值越大，表明微生物的對(duì)電場越敏感。七與微生物的種類和介質(zhì)有關(guān)，在本試驗(yàn)中，介質(zhì)均為無菌水，因此，k的大小與微生物種類有關(guān)，更進(jìn)一步

7、說，是和微生物的大小和細(xì)胞壁的組成有關(guān)。 4.通過微生物存活率與處理時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型S=k×e-k2t，可知各種微生物對(duì)處理時(shí)間的耐受程度不一樣，青霉k2=0.0036<大腸桿菌k2=0.0142<酵母k2=0.0153，k2是微生物對(duì)高壓脈沖電場敏感性參數(shù)，其值越大，表明微生物的對(duì)電場越敏感。三種菌對(duì)高壓脈沖電場處理時(shí)間的耐受能力為：青霉>大腸桿菌>啤酒酵母。 5.在室溫下，使用內(nèi)徑為3mm的處理室，電極距離為4mm

8、，電場強(qiáng)度為12.5kV/cm，脈沖頻率f=128Hz，脈沖寬度脈沖寬度τ=17μs，脈沖數(shù)為20個(gè)。研究此條件對(duì)大腸桿菌O157：H7和致病性沙門氏菌的殺菌效果，結(jié)果表明：高壓脈沖電場可以有效地殺滅橙汁中的大腸桿菌O157：H7，其菌落數(shù)下降了2.12個(gè)對(duì)數(shù)值，而致病性沙門氏菌菌落數(shù)下降了4.00個(gè)對(duì)數(shù)值，但是該數(shù)值距離商業(yè)無菌還有差距，主要是由于在本試驗(yàn)中，高壓脈沖電場強(qiáng)度有限，從另一方面來說，橙汁在常規(guī)預(yù)處理過程中不易產(chǎn)生102以

9、上的致病菌，這點(diǎn)在對(duì)橙汁原汁進(jìn)行檢測時(shí)得到了驗(yàn)證(未發(fā)現(xiàn)致病菌)，因此高壓脈沖電場是可以用于殺滅酸性介質(zhì)中的致病菌的。 6.在5.所述的高壓脈沖電場條件下，可以有效地殺滅鮮橙汁中的微生物，但殺滅效果不及熱力殺菌，這是由于在本試驗(yàn)中，受到設(shè)備的限制，所采用的電場強(qiáng)度還不夠高，僅12.5kV/cm，貯藏120d后，細(xì)菌菌落總數(shù)和酵母、霉菌菌落總數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，這可能是因?yàn)轷r橙汁。pH值偏低4.0左右，結(jié)合低溫貯藏可以有效抑制部分微生

10、物的生長繁殖。對(duì)比高壓脈沖電場殺菌技術(shù)和熱力殺菌技術(shù)對(duì)鮮橙汁可溶性固形物、總酸和Vc，結(jié)果表明無論是PEF殺菌還是熱殺菌對(duì)鮮橙汁中的可溶性固形物和總酸影響不大，并且在貯藏過程中這兩個(gè)指標(biāo)也沒有明顯的變化；鮮榨橙汁在經(jīng)過熱殺菌后Vc含量降低7.7％，而PEF殺菌處理鮮橙汁中Vc降低5％，在貯藏120d后，從鮮橙原汁的Vc含量下降最快，其次是熱殺菌處理鮮橙汁，最好的是PEF殺菌處理鮮橙汁?？梢?，PEF殺菌處理與熱殺菌處理相比，可有效抑制Vc

11、在貯藏期間的損失。 7.應(yīng)用有限差分法解Laplace方程研究處理室中電場分布，改進(jìn)連續(xù)式同芯處理室。當(dāng)流量u=30mL/min，脈沖電場頻率為128Hz，脈沖寬度τ=171μs，脈沖處理時(shí)間為3.92ms。高壓脈沖電場處理啤酒酵母、青霉和大腸桿菌，當(dāng)電場強(qiáng)度為2.5kV/cm、5.0kV/cm、7.5kV/cm、10.0kV/cm、12.5kV/cm和15.0kV/cm時(shí)，對(duì)比研究改進(jìn)前處理室(內(nèi)徑18.00mm，電極間距4.