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高压脉冲电场杀菌动力学及处理室改进研究

方婷  
【摘要】: 本文从高压脉冲电场对微生物的杀灭效果入手,通过建立高压脉冲电场强度和处理时间与微生物相对存活率之间的一级动力学方程,从而获得微生物的临界场强E_C和模型的回归系数k;将PEF杀菌技术应用于杀灭橙汁中大肠杆菌O157:H7和致病性沙门氏菌,并对比PEF杀菌与热力杀菌对橙汁品质的影响;在此基础上,通过Laplace方程研究处理器中电场分布,开展PEF处理室改进及其微生物杀灭效果研究。所开展的研究简介如下: 1.本论文所使用的高压脉冲电场杀菌试验装置,主要由高压脉冲发生系统、同芯连续式处理室(co-field chamber)、蠕动泵、温度探头、温度记录仪、物料贮罐和冷却部分构成,其主要参数如下:电压范围0~15 kV;脉冲宽度5~20μs;连续处理室,流速范围5~100 mL/min;脉冲周期10~1KHz;单极脉冲;波型为方波。 2.使用内径2mm电极处理室,流量u=10mL/min,脉冲电场频率为32Hz,脉冲宽度τ=17μs,脉冲电场处理的脉冲数为80个。高压脉冲电场处理啤酒酵母、青霉、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,脉冲电场强度分别为2.5 kV/cm、5kV/cm、10kV/cm、12.5kV/cm、15kV/cm、17.5kV/cm以及20 kV/cm,研究高压脉冲电场强度对啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、青霉和大肠杆菌杀菌效果的影响,其结果如下: (1)随着电场强度和脉冲数增加,高压脉冲电场对微生物的杀灭效果提高。 (2)不同对象菌对脉冲电场的承受力不同,革兰氏阴性菌的杀灭效果比阳性菌好,各菌种对高压脉冲电场的承受力从大到小如下:霉菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、啤酒酵母。 (3)以大肠杆菌为指标菌,研究不同的介质对高压脉冲电场杀菌效果的影响,结果表明:酸性介质条件有利于杀灭细菌。 (4)当样液温度分别是25℃、30℃、和35℃时,温度协同高压脉冲电场灭菌的处理效果不是很显著。 (5)对象菌所处的生长周期也对杀菌效果也有一定的影响,处于延滞生长期的菌体比处于稳定期和对数生长期的菌体对电场更为敏感。 3.通过建立高压脉冲电场强度和啤酒酵母、大肠杆菌和青霉存活率关系的数学模型,得到电场强度对微生物的致死作用符合一个分段函数N/N_0=1 EE_CN/N_0=exp(-k(E-E_C)) E≥E_C,当电场强度小于临界场强时,不会对微生物产生致死作用,样液中的微生物数量不变,当电场强度大于等于临界场强时,高压脉冲电场对微生物产生致死作用,将试验数据经过一系列数学运算后,可以描绘出电场强度对微生物致死效果的拟合曲线,从而求得这三种菌的临界场强E_C和模型的回归系数k,青霉E_C=1.9893kV/cm大肠杆菌E_C=1.8085kV/cm啤酒酵母E_C=0.3339kV/cm,青霉k=0.1139大肠杆菌k=0.1629啤酒酵母k=0.4339,临界场强表示微生物对脉冲电场的耐受能力;k是微生物对高压脉冲电场敏感性参数,其值越大,表明微生物的对电场越敏感。k与微生物的种类和介质有关,在本试验中,介质均为无菌水,因此,k的大小与微生物种类有关,更进一步说,是和微生物的大小和细胞壁的组成有关。 4.通过微生物存活率与处理时间关系的数学模型S=k_1×e~(-k_2t),可知各种微生物对处理时间的耐受程度不一样,青霉k2=0.0036大肠杆菌k2=0.0142酵母k2=0.0153,k2是微生物对高压脉冲电场敏感性参数,其值越大,表明微生物的对电场越敏感。三种菌对高压脉冲电场处理时间的耐受能力为:青霉大肠杆菌啤酒酵母。 5.在室温下,使用内径为3mm的处理室,电极距离为4mm,电场强度为12.5kV/cm,脉冲频率f=128Hz,脉冲宽度脉冲宽度τ=17μs,脉冲数为20个。研究此条件对大肠杆菌O157:H7和致病性沙门氏菌的杀菌效果,结果表明:高压脉冲电场可以有效地杀灭橙汁中的大肠杆菌O157:H7,其菌落数下降了2.12个对数值,而致病性沙门氏菌菌落数下降了4.00个对数值,但是该数值距离商业无菌还有差距,主要是由于在本试验中,高压脉冲电场强度有限,从另一方面来说,橙汁在常规预处理过程中不易产生10~2以上的致病菌,这点在我们对橙汁原汁进行检测时得到了验证(未发现致病菌),因此高压脉冲电场是可以用于杀灭酸性介质中的致病菌的。 6.在5.所述的高压脉冲电场条件下,可以有效地杀灭鲜橙汁中的微生物,但杀灭效果不及热力杀菌,这是由于在本试验中,受到设备的限制,所采用的电场强度还不够高,仅12.5kV/cm,贮藏120d后,细菌菌落总数和酵母、霉菌菌落总数符合国家标准,这可能是因为鲜橙汁pH值偏低4.0左右,结合低温贮藏可以有效抑制部分微生物的生长繁殖。对比高压脉冲电场杀菌技术和热力杀菌技术对鲜橙汁可溶性固形物、总酸和Vc,结果表明无论是PEF杀菌还是热杀菌对鲜橙汁中的可溶性固形物和总酸影响不大,并且在贮藏过程中这两个指标也没有明显的变化;鲜榨橙汁在经过热杀菌后Vc含量降低7.7%,而PEF杀菌处理鲜橙汁中Vc降低5%,在贮藏120d后,从鲜橙原汁的Vc含量下降最快,其次是热杀菌处理鲜橙汁,最好的是PEF杀菌处理鲜橙汁。可见,PEF杀菌处理与热杀菌处理相比,可有效抑制Vc在贮藏期间的损失。 7.应用有限差分法解Laplace方程研究处理室中电场分布,改进连续式同芯处理室。当流量u=30mL/min,脉冲电场频率为128Hz,脉冲宽度τ=17μs,脉冲处理时间为3.92ms。高压脉冲电场处理啤酒酵母、青霉和大肠杆菌,当电场强度为2.5kV/cm、5.0kV/cm、7.5kV/cm、10.0kV/cm、12.5kV/cm和15.0kV/cm时,对比研究改进前处理室(内径18.00mm,电极间距4.00mm)和改进后处理室(内径18.00mm,内有4对厚度为1.00mm的不锈钢导体,电极间距4.00mm)在相同的高压脉冲电场条件下,改进后处理室的杀菌效果明显由于改进前的,当电场强度达到15.0kV/cm时,改进后处理室中啤酒酵母、大肠杆菌和青霉菌的相对存活率仅为0.00、0.01和0.05,而未改进的处理室则高达0.30、0.77和0.76。


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