不同电参数下脉冲电场处理过程原牛乳品质影响的研究
发布时间：2021-04-14 11:23
高压脉冲电场（pulsed electric field,PEF）技术是一种新兴的低温食品灭菌技术,是有望取代传统热力灭菌方法的技术之一。PEF处理技术通过施加具有较高电场强度、一定脉冲宽度和脉冲频率的高压脉冲对液体食品进行处理。高强度的电场可作用于食品中的微生物并令其失活,而且电场处理后温升小,对食品天然的风味以及营养物质都有高质的保留。牛乳作为全球人民的日常生活的必需品,富含多种人体所需的营养物质,但传统的热力灭菌方法在对牛乳进行消毒灭菌的同时,对牛乳本身的品质和营养产生了许多不利的影响:一方面经过高温之后,牛乳的颜色加深,产生蒸煮味,部分维生素损失等;另一方面高温处理后的牛乳蛋白质发生凝固,易导致设备内部积垢,降低设备使用年限,降低效率,同时存在对产品质量的二次影响。因此若采用PEF处理技术对牛乳进行灭菌处理,有望解决上述问题并更好的保留牛乳中的营养成分和原始风味。另一方面,虽然国内外近年来对PEF灭菌技术进行了各方面的研究,并取得了大量进展,但在PEF的灭菌机理,规模化的脉冲电场灭菌处理系统,最佳的脉冲电场灭菌条件以及PEF处理后对特定液体食品理化性质的具体影响还未有明确的结论...
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细胞膜崩解过程图[19]
广西大学工程硕士学位论文不同电参数下脉冲电场处理对原牛乳品质影响的研究5常数小于磷脂双分子层，电穿孔现象不仅发生在磷脂区域，也会出现在蛋白质区域。当细胞膜上的蛋白质通道链打开，将导致蛋白质永久变性，细胞膜因此失去原本对离子及小分子的渗透性而吸水膨胀，导致细胞膜破裂,细胞失活[21]。图1-2细胞膜穿孔过程图[21]Fig.1-2Cellmembraneperforationprocessdiagram[21]1.4.2影响PEF灭菌效率的主要因素PEF灭菌效果受诸多条件影响，PEF系统本身的参数、诸多环境因素、液体物料化学组成和流体特性等，都会对PEF处理过程中的电学参数以及液体物料中微生物的活性产生影响，从而影响灭菌效率。①脉冲作用时间，通常通过控制脉冲数目和液体物料的流速来调节。国内外的研究实验表明，脉冲处理时间延长可提升灭菌效果，且在一定范围内，灭菌率与处理时间成线性关系，一旦处理时间超出线性范围，脉冲作用时间的延长对灭菌效果的提升则会十分有限。过长的脉冲处理时间，还会使得脉冲能量持续转化成内能积累于负载，使得液体食品升温。②电场强度，电场是破坏液体食品中微生物细胞的根本原因，因此场强的大小是影响PEF灭菌率的最为关键的因素，当场强达到特定的临界值时，可使得灭菌率显著提升，电场强度在一定范围内与灭菌效率成线性关系，但过高的电场强度，易产生击穿放电现象[22]。③脉冲波形，应用于PEF技术灭菌常见的波形有方波、指数波、震荡波以及双极波等。其最显著的差异在于有效的脉冲宽度不同，即单个脉冲波作用的有效时长不同，方波脉冲在峰值电压的持续时间最长即脉宽最长，因此方波的杀菌能力最优，震荡波最劣。但是方波脉冲所需的发生电路拓扑结构复杂、成本高昂[23]。
大学工程硕士学位论文不同电参数下脉冲电场处理对原牛乳品质影响的研究72000年，美国俄亥俄州立大学利用逆变升压原理，通过四组驱动控制开关，研制出幅值为12kV的双极性高压脉冲发生器[27]。电路拓扑结构图如1-4所示，驱动1、4动作，可形成正向脉冲，驱动2、3动作则形成负向脉冲，每个驱动各自独立，通过调节驱动程序，也可形成稳定的双极性脉冲，产生的脉冲波脉宽1-20μs，且上升沿和下降沿均小于1μs。该套设备被应用于处理新鲜果汁、蔬菜汤等，且达到了一定的处理量，已达到了准商业阶段的标准[23,27]。图1-4脉冲升压型高压脉冲发生器拓扑图[28]Fig.1-4Topologydiagramofpulseboosttypehighvoltagepulsegenerator[28]近年，H.A.Prins等建立一套最大电压达30kV，脉宽方便可调且高频的PEF系统，利用30只IGBT串联分压，通过控制IGBT的同时通断稳定实现了的双极方波脉冲输出[27]。ZiweiLiang等通过两次逆变升压搭建了一个峰值30kV，频率200pps（pulsepersecond，pps）的高压脉冲发生器，突破了脉冲发生器高压高频的难点[29]。G.Donsi等通过变压器及逆变器，将交流电逆变升压至20kV并对高压电容充电，高压开关闭合，电路导通，可产生频率1-5pps，脉宽为2~9μs的指数脉冲波，该脉冲发生器利用Labview虚拟仪器技术，可对发生器进行远程监控，为PEF技术的智能化拓展了新的思路[30]。国内对于高压脉冲杀菌技术的探索起步较晚，清华大学于20世纪末展开了对高压脉冲发生器的开发改进，现已经研制出四代PEF系统，可输出各类应用于灭菌的脉冲波形，最具突破性的是单/双极性方波和陡前沿单/双极性方波。但清华大学系列的PEF系统处理量都很低，目前只应用于实验室阶段[31]。大连理工大学利用IGBT电力电子器件作为开关，配合编程触
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器[J]. 王晓雨,董守龙,马剑豪,余亮,姚陈果. 电工技术学报. 2020(04)
[2]臭氧技术在食品工业中的应用与灭菌机理[J]. 牌荣霞. 中国科技信息. 2020(Z1)
[3]高压电场技术在食品加工中的应用研究进展[J]. 杨宇帆,陈倩,王浩,孔保华. 食品工业科技. 2019(19)
[4]浅述臭氧的灭菌效能[J]. 张雪颖. 食品安全导刊. 2019(06)
[5]高压脉冲电场共场式杀菌处理腔的仿真分析与优化[J]. 高庆学,平雪良. 食品与机械. 2017(08)
[6]食品加工新型杀菌技术研究进展[J]. 张军凯,包青平,孙志锋,孙志栋,陈权辉. 食品安全质量检测学报. 2017(08)
[7]乳品行业2016年回顾与2017年展望[J]. 杨光明. 中国乳业. 2017(01)
[8]高频纳秒脉冲电场作用下多细胞系统穿孔特性仿真[J]. 徐进,米彦,卞昌浩,姚陈果,李成祥. 高电压技术. 2016(08)
[9]巴氏杀菌乳和超高温灭菌乳营养价值及卫生安全对比研究[J]. 杨怀谷,郑楠,王加启. 中国乳业. 2016(07)
[10]高压脉冲电场处理室多物理场仿真研究[J]. 张姗姗,颜文旭,公群. 包装与食品机械. 2016(03)
博士论文
[1]高压脉冲电场处理室内多物理场对微生物灭活作用的研究[D]. 黄康.浙江大学 2013
[2]高压脉冲电场杀菌动力学及处理室改进研究[D]. 方婷.福建农林大学 2008
硕士论文
[1]高功率气体火花间隙开关的研究[D]. 薛鹏.上海交通大学 2018
[2]高压脉冲电场设备的控制与检测系统研究[D]. 姚文龙.江南大学 2015
[3]高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究[D]. 刘翠.江南大学 2009
[4]脉冲电场在梨汁加工中的应用[D]. 赵瑾.江南大学 2008
本文编号：3137227
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
细胞膜崩解过程图[19]
广西大学工程硕士学位论文不同电参数下脉冲电场处理对原牛乳品质影响的研究5常数小于磷脂双分子层，电穿孔现象不仅发生在磷脂区域，也会出现在蛋白质区域。当细胞膜上的蛋白质通道链打开，将导致蛋白质永久变性，细胞膜因此失去原本对离子及小分子的渗透性而吸水膨胀，导致细胞膜破裂,细胞失活[21]。图1-2细胞膜穿孔过程图[21]Fig.1-2Cellmembraneperforationprocessdiagram[21]1.4.2影响PEF灭菌效率的主要因素PEF灭菌效果受诸多条件影响，PEF系统本身的参数、诸多环境因素、液体物料化学组成和流体特性等，都会对PEF处理过程中的电学参数以及液体物料中微生物的活性产生影响，从而影响灭菌效率。①脉冲作用时间，通常通过控制脉冲数目和液体物料的流速来调节。国内外的研究实验表明，脉冲处理时间延长可提升灭菌效果，且在一定范围内，灭菌率与处理时间成线性关系，一旦处理时间超出线性范围，脉冲作用时间的延长对灭菌效果的提升则会十分有限。过长的脉冲处理时间，还会使得脉冲能量持续转化成内能积累于负载，使得液体食品升温。②电场强度，电场是破坏液体食品中微生物细胞的根本原因，因此场强的大小是影响PEF灭菌率的最为关键的因素，当场强达到特定的临界值时，可使得灭菌率显著提升，电场强度在一定范围内与灭菌效率成线性关系，但过高的电场强度，易产生击穿放电现象[22]。③脉冲波形，应用于PEF技术灭菌常见的波形有方波、指数波、震荡波以及双极波等。其最显著的差异在于有效的脉冲宽度不同，即单个脉冲波作用的有效时长不同，方波脉冲在峰值电压的持续时间最长即脉宽最长，因此方波的杀菌能力最优，震荡波最劣。但是方波脉冲所需的发生电路拓扑结构复杂、成本高昂[23]。
大学工程硕士学位论文不同电参数下脉冲电场处理对原牛乳品质影响的研究72000年，美国俄亥俄州立大学利用逆变升压原理，通过四组驱动控制开关，研制出幅值为12kV的双极性高压脉冲发生器[27]。电路拓扑结构图如1-4所示，驱动1、4动作，可形成正向脉冲，驱动2、3动作则形成负向脉冲，每个驱动各自独立，通过调节驱动程序，也可形成稳定的双极性脉冲，产生的脉冲波脉宽1-20μs，且上升沿和下降沿均小于1μs。该套设备被应用于处理新鲜果汁、蔬菜汤等，且达到了一定的处理量，已达到了准商业阶段的标准[23,27]。图1-4脉冲升压型高压脉冲发生器拓扑图[28]Fig.1-4Topologydiagramofpulseboosttypehighvoltagepulsegenerator[28]近年，H.A.Prins等建立一套最大电压达30kV，脉宽方便可调且高频的PEF系统，利用30只IGBT串联分压，通过控制IGBT的同时通断稳定实现了的双极方波脉冲输出[27]。ZiweiLiang等通过两次逆变升压搭建了一个峰值30kV，频率200pps（pulsepersecond，pps）的高压脉冲发生器，突破了脉冲发生器高压高频的难点[29]。G.Donsi等通过变压器及逆变器，将交流电逆变升压至20kV并对高压电容充电，高压开关闭合，电路导通，可产生频率1-5pps，脉宽为2~9μs的指数脉冲波，该脉冲发生器利用Labview虚拟仪器技术，可对发生器进行远程监控，为PEF技术的智能化拓展了新的思路[30]。国内对于高压脉冲杀菌技术的探索起步较晚，清华大学于20世纪末展开了对高压脉冲发生器的开发改进，现已经研制出四代PEF系统，可输出各类应用于灭菌的脉冲波形，最具突破性的是单/双极性方波和陡前沿单/双极性方波。但清华大学系列的PEF系统处理量都很低，目前只应用于实验室阶段[31]。大连理工大学利用IGBT电力电子器件作为开关，配合编程触
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器[J]. 王晓雨,董守龙,马剑豪,余亮,姚陈果. 电工技术学报. 2020(04)
[2]臭氧技术在食品工业中的应用与灭菌机理[J]. 牌荣霞. 中国科技信息. 2020(Z1)
[3]高压电场技术在食品加工中的应用研究进展[J]. 杨宇帆,陈倩,王浩,孔保华. 食品工业科技. 2019(19)
[4]浅述臭氧的灭菌效能[J]. 张雪颖. 食品安全导刊. 2019(06)
[5]高压脉冲电场共场式杀菌处理腔的仿真分析与优化[J]. 高庆学,平雪良. 食品与机械. 2017(08)
[6]食品加工新型杀菌技术研究进展[J]. 张军凯,包青平,孙志锋,孙志栋,陈权辉. 食品安全质量检测学报. 2017(08)
[7]乳品行业2016年回顾与2017年展望[J]. 杨光明. 中国乳业. 2017(01)
[8]高频纳秒脉冲电场作用下多细胞系统穿孔特性仿真[J]. 徐进,米彦,卞昌浩,姚陈果,李成祥. 高电压技术. 2016(08)
[9]巴氏杀菌乳和超高温灭菌乳营养价值及卫生安全对比研究[J]. 杨怀谷,郑楠,王加启. 中国乳业. 2016(07)
[10]高压脉冲电场处理室多物理场仿真研究[J]. 张姗姗,颜文旭,公群. 包装与食品机械. 2016(03)
博士论文
[1]高压脉冲电场处理室内多物理场对微生物灭活作用的研究[D]. 黄康.浙江大学 2013
[2]高压脉冲电场杀菌动力学及处理室改进研究[D]. 方婷.福建农林大学 2008
硕士论文
[1]高功率气体火花间隙开关的研究[D]. 薛鹏.上海交通大学 2018
[2]高压脉冲电场设备的控制与检测系统研究[D]. 姚文龙.江南大学 2015
[3]高压脉冲电场灭菌系统关键性技术研究[D]. 刘翠.江南大学 2009
[4]脉冲电场在梨汁加工中的应用[D]. 赵瑾.江南大学 2008
本文编号：3137227
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