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读书报告一 高压脉冲电场杀菌机理及影响因素分析 姓 名： 王海婷 学科、专业： 农业电气化及自动化 研究方向： 农业装备自动控制及检测 指导教师： 刘振宇 汇报日期 2014年4月15日 高压脉冲电场杀菌机理及影响因素分析 食品杀菌是食品加工过程中的一个非常重要的单元操作，通过杀菌可以钝化食品中的酶并杀死食品中存在的致病菌、腐败菌和产毒菌，以保证食品的安全性，延长产品的保藏期。食品杀菌技术可分为热力杀菌和非热力杀菌两类。自罐藏技术和巴氏杀菌技术发明以来，热力杀菌技术已在食品工业中广泛应用，此后又开发了高温短时(High Temperature for Shoa Tiraes，HTST)、超高温(Ultra High Temperature，UHT)、欧姆加热(Ohmic Heating)和微波(Microwave)杀菌等热力杀菌技术。这些技术的广泛应用显著提高了食品尤其是流体食品的质量，延长了食品货架期。但热力杀菌技术也存在一些难以克服的问题，对一些热敏性食品的色、香、味及营养成分等有很大破坏作用，使食品失去原有的新鲜度，甚至还产生异味。 随着科技水平的不断提高，非热力杀菌技术用以保证食品的新鲜和质量受到食品行业的广泛重视。目前非热力杀菌技术主要有超高压(Ultra-High Pressure processing，UHP)杀菌、高压脉冲电场(High Voltage Pulsed Electric Field，简称Pulsed Electric Field，PEF)杀菌、振荡磁场(Oscillating Magnetic Held，OMF)杀菌、紫外线(Ultraviolet，UV)杀菌、生物防腐剂(Antimicrobial)杀菌等。其中，PEF杀菌是一种全新的非热处理杀菌方法，其实质是利用高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞膜，使微生物死亡。由于PEF是利用其高电位而非电流杀菌，因此整个杀菌过程具有温度低(最高温度小于50 oC)、杀菌时间短、效率高和能耗少等优点，能有效保持食品的新鲜度和营养成分，具有广阔的应用前景。笔者概述了脉冲发生器的设计及处理系统，分析了PEF灭菌的原理以及影响食品灭菌的诸多因素，并指出存在问题和今后的发展趋势。 1 高压脉冲电场处理系统 良好的高压脉冲处理系统是高压脉冲电场杀菌技术得以应用的前提。设计的关键是脉冲发生器和处理腔。具有最佳处理效果的脉冲发生器的设计和制造是高压脉冲处理技术工业化应用的最大瓶颈HJ。下面介绍脉冲形成网络，产生的脉冲波形及处理腔的设计。 1.1 脉冲形成网络 脉冲电场的产生需要电能在很短时间内迅速放电，这是通过脉冲形成网络(PFN)来完成的。通常PFN是包含一个或多个电源(充电电压高达60 KV)、多个开关(放电管、闸流管、四极管、火花隙、半导体)、电容(0.1～10μF)、电感(30μH)、电阻(2～10ΜΩ)和处理腔的电路。网络中元器件的值决定了脉冲的形状。脉冲形成网络的自感应阻抗和食品，处理腔的阻抗匹配效果也将影响脉冲波形。电容器作为贮能元件，通过激活开关，能将储存的能量在几us内释放到阻抗负载(处理腔)。产生的脉冲呈指数型衰落。 由于很多元件的连接会产生电阻和自感应，理想的RC电路不能真正代表高压PFN。假定采用RLC(电阻一电感一电容)电路，这将产生过阻尼脉冲或不完全衰减脉冲。RLC电路还可产生即时反转脉冲，这时，脉冲宽度为整个脉冲持续时间。 一些研究学者认为，过阻尼脉冲或不完全衰减脉冲的脉冲宽度为峰值电压到电压衰减到峰值电压的37%时的时间常数。而过阻尼脉冲或不完全衰减脉冲几乎占有整个脉冲时间的1/5的上升时间，用FWHM（即实际电压维持在较高水平到峰值电压一半持续时间）可以较好的描述有效的脉冲持续时间。 1.2 脉冲波形 指数形脉冲容易产生，但低于最高电压36.8％的电压无杀菌作用，却能使食品的温度升高，这是其不利的一面。如果系统的自感应阻抗和食品的阻抗匹配较好，产生方波的脉冲形成网络，可以为食品提供相对稳定的电场。而处理腔阻抗与PFN阻抗的完全匹配，对于低电阻(50Ω)的处理腔比较困难。匹配不好会使信号减弱，产生电场干扰。在匹配良好的情况下，在电阻加热时能量损失最小，简单地假定瞬时脉冲宽度近似为脉冲的时间常数。相对于指数形高压脉冲发生器，方波脉冲发生器的制作成本高且调试麻烦。在食品杀菌中，矩形波脉冲比指数形脉冲杀菌效果更好，对细菌有致命作用，但需脉冲整形网络，结构复杂，对电路的设计及元器件的要求高，成本也比较高。 1.3 处理腔设计 处理腔可分