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user: 3. 脉冲放电等离子体灭菌的应用研究 关于脉冲电场杀菌的研究最早由Cohn和Mendelsohn提出，他们的研究指出，使用高电场能让细菌原生质体和红细胞溶解，并观察到溶解度依赖于电场强度。他们计算了跨越球型细胞膜的电位差，指出 图1. 低温等离子体的生成机理 电位差能够引起膜结构的性质变化。近年来，研究者对高压脉冲放电灭菌效果进行了广泛的研究，得到了一些重要的基础数据和结论。自从1967年Sale A J H等 [ 13 ] 发现高压脉冲电场有灭菌作用以来，许多研究者对此表现出浓厚的兴趣。2006年南开大学的刘涛等 [ 14 ] 利用电磁灭菌器对某些细菌进行电磁场灭菌试验，对灭菌效果和脉冲电磁场灭菌参数的选择进行了初步的探讨。结果表明，脉冲电场确有灭菌效果。2007年东北农业大学的房俊龙等 [ 15 ] 设计了100 kV/cm的高场强脉冲电场(PEF)灭菌系统，以荧光假单胞菌为试验靶细胞，经PEF作用180 s，在透射电子显微镜(TEM)下观察处理前后的对比情况，发现经PEF处理过的菌体细胞壁发生了破坏，细胞膜上形成不可修复的穿孔，细胞内含物和细胞碎片泄漏，导致细胞质和细胞核物质的流失，致使细胞死亡。表明所设计的PEF灭菌系统可用于液态食品的灭菌处理试验。2013年Rodriguez-Mendez B.G.等 [ 16 ] 应用介质阻挡放电对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌灭活，结果表明，对该两种细菌均有很高的灭活效率。 3.1. 电场强度和脉冲频率的影响 放电的脉冲参数对细菌的灭菌效果影响很大，随着电场强度的增加，脉冲放电重复频率的增加，细菌的灭菌率不断升高。因为单位时间内注入的能量增加，加剧了物质之间的碰撞，也增加了活性物质的数量，从而导致细菌灭活率的增加。如1983年Hulsheger H等 [ 17 ] 测定了不同电场强度和不同处理时间对液态食品中微生物的影响。1992年Jayarameta S等 [ 18 ] 应用高强度脉冲电场抑制短乳杆菌，得出细胞破坏是由于强电场导致的细胞壁破裂的结论。2004年Elez-Martínez P等 [ 19 ] 对果汁中的啤酒酵母用高压脉冲电场进行处理，对产生高压脉冲电场的参数(电场强度，处理时间，脉冲极性，频率，脉宽)进行了评价，并且与巴氏消毒法进行了比较。结果表明，高压脉冲电场对啤酒酵母的杀灭很有效。2007年Perni S等 [ 20 ] 将大肠杆菌K12血清型和鼠伤寒沙门菌在一个电场强度为100 kV/cm、30脉冲/s、每次32 ms、总共持续300 s的条件下进行处理。然后在培养基上进行培养，大肠杆菌减少了2个数量级，而鼠伤寒沙门菌减少了1个数量级。在对处理后的活菌进行计算，仅仅只有1%的细菌没有受到破坏。2008年Gachovska T K等 [ 21 ] 对苹果汁中的大肠杆菌通过高压脉冲电场和紫外线交替进行灭菌，结果表明，二者交替使用对大肠杆菌具有很好的抑制作用。1998年无锡轻工大学的陈健 [ 22 ] 对脱脂乳中的大肠杆菌用高压脉冲电场进行处理，发现用22.5 kV/cm的电场、脉冲数为50次，能使脱脂乳中的99%的大肠杆菌失活。2002年清华大学的史梓男 [ 23 ] 等利用脉冲高压电源对反应器中的西瓜汁施加脉冲电场处理，测定了电场强度为20、30、40 kV/cm和不同处理时间情况下西瓜汁的细菌含量和酶的活性，试验发现，脉冲电压对于西瓜汁的杀菌效果比较明显，试验30 s后平均细菌数下降到2.5%~10%。2005年吉林大学的殷涌光等 [ 24 ] 应用高压脉冲电场非热灭菌技术对原料乳进行预处理，发现原料乳的细菌总数随电场强度、脉冲数、初始温度的增加而降低，随流速的增加而升高。当出口温度为20℃，电场强度E等于50 kV/cm，脉冲频率为1000 Hz，流速为20 mL/min时，能使其菌落总数降低2.6个数量级，从4级原料乳提升至1级原料乳，而不改变其营养结构和风味。2007年上海电机学院的胥飞等 [ 25 ] 对脉冲电场杀伤细胞的机理进行了研究，结果表明：脉冲强度的增加、数目的增加导致细胞死亡数也增加。2007年江南大学的赵伟等 [ 26 ] 研究了高压脉冲电场对液蛋的杀菌效果及其对液蛋功能性质的影响。结果表明，当电场强度为40 kV/cm，处理时间为1660 μs时，液蛋中接种的大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌细菌数量可分别降低4.9、5.4和3.8个lg值。2007年河北大学的张悦等 [ 27 ] 采用板–板式电极结构，短脉冲高压电源供电，形成高压脉冲电场(PEF)，对水体中大肠杆菌进行灭活处理，探讨了PEF作用下大肠杆菌失活动力学方程。研究表明：8 kV/cm PEF作用下大肠杆菌灭活效果随脉冲时间增加而提高。2009年福建农林大学的严志明等 [ 28 ] 建立了用高压脉冲电场进行灭菌的动力学模型，通过对酵母菌、青霉菌和大肠杆菌的研究。结果表明，酵母菌对高压脉冲电场最敏感，而青霉菌耐受性最强。2011年江南大学的唐亚丽 [ 29 ] 研究了10、15、20、25、30和35 kV/cm的高强度脉冲电场对大肠杆菌的杀菌效果及其对细胞膜结构的影响。结果表明，当电场强度超过20 kV/cm，处理时间为200 μs时，大肠杆菌细菌数量显著降低。 3.2. 导电率和pH的影响 调节恰当的菌液pH和降低菌液电导率均可提高灭菌率。一般来说，菌液导电率的增加，菌体灭活率降低。因为导电率的增加，菌液中导电离子也增加，不利于电子的加速以及离子化的形成。因此产生的O 3 ，H 2 O 2 ，高能电子及活性物质(·OH，·O等)减少，使得细菌的灭活率降低。如2005年García D等 [ 30 ] 对两株革兰阳性菌(枯草芽孢杆菌和李斯特菌)和6株革兰阴性菌(2株大肠杆菌，1株假单胞菌，2株沙门菌，1株小肠结肠炎耶尔森菌)用脉冲电场处理后的亚致死情况的检测，发现革兰阳性菌在pH 7.0的情况下对脉冲电场具有一点抵抗力，而革兰阴性菌在pH 4.0的情况下对脉冲电场的抵抗力更大一些。2005年Gómez N等 [ 31 ] 对苹果汁中的李斯特菌在不同pH的条件下进行了脉冲电场杀灭研究。结果表明，在低pH、高压脉冲电场的条件下对李斯特菌杀灭效果很好。2005年大连理工大学的王翠华等 [ 32 ] 采用双向窄脉冲介质阻挡气液两相放电技术，对大肠杆菌灭活效果进行了试验，结果表明，菌体灭活率随初始含菌量、电场强度、处理时间的增加而增大，但随着电导率的增加而减小。2006年江南大学周媛等 [ 33 ] 将高压脉冲电场应用于全蛋液的灭菌，结果表明，在蛋液流动性较差，极易变性且高导电率的情况下，将接种大肠杆菌或沙门菌的全蛋液置于脉冲电场中进行灭菌，最佳处理工艺为脉冲电场强度17.8 kV/cm，脉冲宽度为2 μs，每秒400个脉冲、处理时间、处理温度、电导率、pH值及生物综合作用的结果。2011年浙江万里学院的原勇军等 [ 34 ] 利用管道脉冲强光杀菌系统对流动水中大肠杆菌进行连续杀灭研究，研究了能量、菌液浓度、pH值、浊度、色度对蒸馏水中大肠杆菌的灭菌影响，并在此基础上进行正交实验得出最佳组合水平。 3.3. 电极相关参数的影响 减小电极间距和电极直径、提高放电频率和电压峰值可以增加灭菌效率。因为电极直径减小可以降低放电过程的起晕电压，从而增加了·OH等氧化粒子的产生 [ 35 ] [ 36 ] ；电极间距越小，电极间的等离子体通道越易形成；提高放电频率和电压峰值可以增强电极间的电场强度，使得单位时间内产生的高能电子数量增加，导致由于电子轰击产生的各种自由基和O 3 等氧化性粒子含量增加且产生的紫外光强度增强 [ 37 ] 。如2006年Sobrino-López A等 [ 38 ] 对金黄色葡萄球菌通过一种表面应答反应方法进行高压脉冲电场处理。研究中将金黄色葡萄球菌悬于牛奶之中，采取不同的脉冲数，不同的脉冲宽度，不同的脉冲极性。研究发现，脂肪的含量与葡萄球菌的杀灭没有太大的关系，双极脉冲杀灭葡萄球菌的效果要优于单极脉冲。在持续脉冲放电的情况下，短而高的脉冲灭菌效果要优于长而低的脉冲。2010年大连理工大学的王天威等 [ 39 ] 利用液体电极沿面放电等离子体反应器，对大肠杆菌的灭活效果进行了研究。考察了曝气量、初始含菌量和初始pH值等因素对大肠杆菌的存活细菌群落总数(CFU)的影响。实验结果表明：大肠杆菌的存活细菌群落数随初始含菌量、处理时间的增加而减少，弱碱性条件有利于大肠杆菌的灭活。2014年浙江大学的郑超等 [ 40 ] 利用双极性高频脉冲电源和自制等离子体反应器，形成了直径为6 mm、长3~5 cm的氩气等离子体射流。当脉冲电压为2~5 kV，脉冲频率为1~3 kHz，氩气体积流量为3.3 L/min时，等离子体射流的功率为1~6 w。 3.4. 曝气过程的影响 菌体灭活率随着曝气量的增加变化比较明显，当曝气量达到某一最大值时，高压放电产生的O 3 ，H 2 O 2 ，高能电子及活性物质(·OH，·O等)的量达到饱和，这时的灭菌效果最好。放电过程中，伴随气体通入时的灭菌效果好于无气体通入时的效果，其中尤以通氧气时效果最佳。这是由于通入水中的气体分子被强电场的高能高速电子轰击成为各种自由基，再直接或被转变成其他粒子与有机物分子发生作用；通入氧气时，可以形成O 3 ，H 2 O 2 ，高能电子及活性物质(·OH，·O等)，由此使得灭活效果得到明显增 [ 41 ] 。如2005年大连理工大学的王翠华等 [ 42 ] 采用双向窄脉冲介质阻挡气液两相放电技术，对大肠杆菌灭活效果进行了试验。研究了曝气量、初始含菌量、处理时间、电场强度及电导率与大肠杆菌灭活率的关系。结果表明，菌体灭活率随初始含菌量、电场强度、处理时间的增加而增大，但随电导率的增加而减小。较佳的曝气量为0.75 m 3 /h。2010年大连理工大学的王天威等 [ 39 ] 利用液体电极沿面放电等离子体反应器，对大肠杆菌的灭活效果进行了研究。考察了曝气量、初始含菌量和初始pH值等因素对大肠杆菌的存活细菌群落总数(CFU)的影响。反应系统中，曝气量对大肠杆菌灭活效果影响很大。在曝气量为4.5 L/min，电源频率7 kHz，电压6 kV条件下，500 mL初始含菌量为107 CFU/mL的大肠杆菌菌液，放电处理5 min，可将全部大肠杆菌杀灭。2015年广州埔玛电气有限公司的钟璐等 [ 43 ] 采用流光放电等离子体技术，研究放电电压、大肠杆菌初始浓度、反应器类型对大肠杆菌灭杀的影响。结果表明：当在水槽装置中，处理温度为室温，大肠杆菌初始浓度为480，000个/L，放电时间为45 min，水样体积V = 50 L，曝气量Q = 8 m 3 /h，放电电压为30 kV，电流I = 11 mA时大肠杆菌的去除率达到99%。