高壓脈沖電場致死時間F值研究及其在瓶裝水中的應(yīng)用.pdf

1、本文從高壓脈沖電場(Pulsed Electric Field)對瓶裝飲用水中常見微生物的殺滅效果入手,在電場強度和處理時間與微生物存活率的一級動力學(xué)基礎(chǔ)上,引入熱力學(xué)致死時間F值理論,通過建立高壓脈沖電場的F值理論,獲得各種微生物的對數(shù)減菌時間D值、耐場強常數(shù)Z值以及PEF致死時間F值,以期作為一種衡量PEF對瓶裝飲用水殺菌效果的指標(biāo),進而指導(dǎo)PEF在瓶裝水中的應(yīng)用。同時,為了解決瓶裝水中的溴酸鹽問題,展開了臭氧技術(shù)與PEF技術(shù)在溴酸

2、鹽產(chǎn)生方面的比較。所開展的研究簡要概括如下:
　　 1.本文所使用的高壓脈沖電場的主要參數(shù)是:電壓0～17 kV;脈沖寬度4μs;流速4.85～15.15 mL/s;頻率0.1～3.1 kHz;雙極方波。在頻率為3 kHz,脈寬為4μs,脈沖個數(shù)為24個,電場強度為22.58 kV/cm,分別比較3 mm和3 mm(一片金屬導(dǎo)體)、7 mm和7 mm(兩片金屬導(dǎo)體)電極內(nèi)徑對微生物的作用效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有金屬導(dǎo)體的電極對各種菌的殺

3、菌效果比同口徑的無金屬導(dǎo)體的電極好,內(nèi)徑越大殺菌效果越差,而有金屬導(dǎo)體的7 mm與無導(dǎo)體的3 mm電極的殺菌效果很相近。
　　 2.室溫下,使用內(nèi)徑為7mm的處理室(兩片金屬導(dǎo)體),液體流速為15.15 mL/s,頻率為3 kHz,脈寬為4μs,脈沖個數(shù)為24個,電場強度分別為22.58 kV/cm、29.03 kV/cm、35.48 kV/cm、41.94 kV/cm、48.39 kV/cm,此條件下探討PEF處理瓶裝水中大腸

4、桿菌、啤酒酵母、青霉、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌的殺滅效果。結(jié)果表明,PEF可以有效地殺滅瓶裝水中常見微生物,其中大腸桿菌、啤酒酵母和青霉菌經(jīng)48.39 kV/cm場強的PEF處理不等時間之后均未有活菌檢出,金黃色葡萄球菌和沙門氏菌在此場強下處理295μs之后,活菌數(shù)分別減少了6.6和5.5個對數(shù)。另外在電場強度為48.39 kV/cm、其他條件一致的情況下,處理時間分別為94μs、114μs、155μs、203μs、295μs,探討不同

5、處理時間對不同微生物的殺滅效果。結(jié)果表明,隨著處理時間的延長,PEF的殺菌效果也有明顯增強的現(xiàn)象。以大腸桿菌為例,通過方差分析可知處理時間和電場強度對殺菌效果的影響都是極顯著的,其中場強較之更顯著,是起主導(dǎo)作用的因素。
　　 3.本研究參考熱力殺菌致死時間F值的概念,提出PEF致死時間F值,在電場強度和處理時間與微生物致死時間之間建立一個關(guān)系模型,作為一種衡量高壓脈沖電場對瓶裝水的殺菌效果的指標(biāo)。從各種微生物的存活曲線上得到不同

6、的對數(shù)減菌時間D值,從耐場強的曲線上得到不同的耐場強常數(shù)Z值,Z值結(jié)合D值則可以比較確切地表明不同微生物對場強的耐受能力(同熱力學(xué))的強弱。在本文章中提出,能使一種菌降低5個活菌對數(shù)的電場強度作為該種菌的參考場強,引入致死率公式LR=10(E-Er)/z估算出任一場強下一種菌的致死率,并同樣參考熱力學(xué)中致死率曲線下面積即致死性的應(yīng)用LR*F=1*Fr,最終得到的是任一場強下預(yù)期的致死時間F值,以期指導(dǎo)高壓脈沖電場在瓶裝水生產(chǎn)中的應(yīng)用。對

7、國內(nèi)外相關(guān)研究的分析與本試驗結(jié)果共同表明,由F值理論推導(dǎo)計算的各種菌的致死時間F值與試驗值或者參考值相近,對PEF在瓶裝水中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 4.目前飲用瓶裝水多是用臭氧殺菌,這使得水中的溴化物氧化生成溴酸鹽,它被國際癌癥研究機構(gòu)定為2b級的潛在致癌物。這就對瓶裝水企業(yè)提出了更高的要求,要降低溴酸鹽含量,需要尋找能夠替代臭氧殺菌的新技術(shù)。本研究采用的高壓脈沖電場是近年來新興的非熱力物理殺菌新技術(shù),它是利用瞬間高壓

8、電場作用于液體食品,達到殺滅微生物的目的。不僅殺菌效果較好,而且處理后不會產(chǎn)生溴酸鹽。試驗結(jié)果表明,PEF對水中常見微生物至少達到了5.5個對數(shù)降低的殺滅效果;采用臭氧處理瓶裝水時,當(dāng)溴離子濃度一定時,溴酸鹽的產(chǎn)量隨著投加的臭氧濃度的提高而增大;而采用PEF處理的水中沒有任何溴酸鹽的產(chǎn)生,無論是0.54 mg/L正常溴離子濃度的水,還是70.74 mg/L高濃度的溴離子水(因為溴離子濃度越高,產(chǎn)生溴酸鹽的可能性越大),抑或是30 kV/