脉冲电场杀菌消毒
最早使用射频电场,由于电场<2 kV/cm,不能致死细菌。1967年,英国发现25 kV/cm直流脉冲能有效致死营养细菌和酵母菌。电解产物和水温升高都不是致死原因,灭活率由电脉冲宽度和数目的乘积及水中电场强度决定。各种细菌对电场具有不同的敏感度,其中酶母菌比营养细菌更敏感,细菌的芽孢忍耐电场高达30 kV/cm。实验观察到了血红细胞和原生质的溶解,细胞间物质的泄漏,大肠杆菌的失活以及β-半乳糖苷酸的松驰。推断是电场使细胞膜的半渗透性壁垒功能产生了不可逆的破坏并导致细胞的死亡。
80年代后期以来,日本的研究比较活跃。Mizuno将酵母菌或杆菌散布在w(NaCl)=(1~3)%的溶液和去离子水中用不同的电极测试,线-圆筒电极能在线电极附近形成非常强的电场强度,而棒-棒会形成放电电弧,产生强烈的冲击波,通过机械力毁坏细胞。细菌存活率大致遵循Weibull分布,即R=exp(-X.N.W),R为存活率,N为脉冲次数,W为输入能量,X为常数。不同类型电极所需能量明显不同。R<10-6时,线-圆筒电极需41.8~125.6J/cm3,板-板需>293J/cm3,棒-棒只需20.9~41.8J/cm3。计算与测试表明,电容储存的能量与消耗在液体中的能量偏差<10%,即几乎所有的贮存能量都被液体消耗,火花间隙和脉冲供能电路的能量损耗可被忽略。用平行板电极挖两个小孔洞试验,发现用Um=30 kV/cm的脉冲电场作用60~120次后,SVDV病毒灭活,能量输入为181.5~365.1J/cm3。灭活后,SVDV蛋白质外壳形状不变,但是SVDV核中的RNA消失并可以观察到颗粒状空洞。EHV-1病毒也在同样电压下作用45次后灭活,可观察到被破坏的DNA。
M.Sato认为使用针板或棒-棒这类不规则电极会发生电弧或火花放电并产生一些化学活性基。此时除物理效应(电场或冲击波击穿细胞膜)外,还要考虑化学效应杀死微生物。过氧化物等作用于生物分子,会破坏DNA,导致细胞死亡。电弧放电发射的光谱分析可探测到-H基和-OH基的产生,通过分光光度计的吸收光谱探明了过氧化氢的存在。水的电导率对化学活性物种的形成也有影响,在一定电导率下可获得-OH基和过氧化氢的最大质量浓度。水中脉冲放电产生的-OH基对酵母菌的生存几乎没有危害。而过氧化氢能杀死酵母菌细胞,而且随其质量浓度的增加,细胞存活率按对数值线性下降。因此推断过氧化氢是放电生成的唯一重要的杀菌氧化物。
使用高压脉冲杀灭磷肥缓冲溶液中乳酸杆菌细胞,发现存活率随着电场强度、处理时间和液体温度的增加而下降,主要原因为电场使细胞壁破裂,而非欧姆热效应;新的杀菌方法使用了相对低的温度和较短的处理时间,可降低液体食品营养成份的损失,是一种极好的液体食品杀菌法。
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