预极化脉冲电场灭菌方法及其设备 技术领域
本发明涉及一种低热灭菌技术，特别涉及一种采用预极化脉冲电场对食品、生物及精细化工原料等进行低热灭菌的方法及其设备。
背景技术
传统的灭菌方法可分为化学法和物理法两种：化学法主要是采用化学消毒剂对器皿和环境进行消毒，不能直接应用到食品上；物理法主要有热灭菌法，但热处理对食品的营养、风味和色泽等外观品质有较大损害，还会造成加工过程中的一些问题。以牛奶灭菌为例，现在企业普遍采用超高温瞬时灭菌，即在137℃对牛奶进行3秒左右的高温灭菌，这种方法处理后的牛奶有明显的高温焦味、色泽变黄、天然奶香减少及产生蛋白质变性沉淀(后续的均质工序可掩盖这种影响)，更为严重的是会导致大量变性蛋白质凝结在管道上，导致管道堵塞，清洗极为不便。因此，寻求低温高效实用的灭菌方法成为广大相关企业的共同心声。
低温非热灭菌技术又称冷灭菌技术，就是不以热致死为主要机理的灭菌方法，现在比较成熟的有辐照和高静压处理技术等。辐照技术被大量使用在固态和已包装食品的灭菌，其效果非常好，很多出口食品采用该技术。高静压技术目前只适用于小规模的间歇操作，其灭菌效果也已得到业界认可，一些高附加值的保健食品采用该技术灭菌。但是辐照技术有残留，对食品安全、人体健康的后续影响还有待作进一步的长效论证；而高静压技术不适合大规模连续化生产。
近年来国内外报导较多的低热灭菌技术是高电压脉冲电场灭菌，如日本专利特许公报2000-262261公布了一种高电压杀菌方法及装置；日本专利特许公报2000-279146公布了一种采用高压电处理地液态物料杀菌方法；美国专利US5690978公布了一种对液态物料进行处理的高压脉冲电场处理室设计方案；美国专利US5048404公布了一种延长可泵送食品货价期的高电压脉冲处理系统，前述这些技术均涉及采用高强脉冲电场对食品物料进行灭菌处理，但未涉及物料在进入高强脉冲电场前预先受到另一个场强较小的直流静电场处理，使物料预极化、带上部分电荷以加强灭菌效果的方法。
申请号为00259888的中国专利公布了一种高压脉冲饮用水灭菌仪；申请号为00220522的中国专利公布了一种液体电脉冲冷杀菌装置；申请号为03220551的中国专利公布了一种连续/半连续式高强度脉冲磁场杀菌设备。本发明人所申请的中国专利01130064公布了一种高压脉冲电场灭菌方法，及根据该方法设计的主要由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、高压脉冲电场处理室组成的高压脉冲电场灭菌装置；本发明人申请的另一份中国专利02152160公布了一种脉冲电场灭菌设备的处理器。上述这些技术亦未具体涉及静电场预极化脉冲电场处理技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种可提高现有高压脉冲电场灭菌和灭酶效果的预极化脉冲电场灭菌方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的预极化脉冲电场灭菌设备。
本发明的目的通过下述技术方案实现：本预极化脉冲电场灭菌方法包括下述步骤：在高压脉冲电场灭菌之前，先将物料在静电场中进行预极化处理，所述静电场场强为100～1000V/cm。
所述物料的预极化处理时间小于3秒。
所述高压脉冲电场处理场强为20～100kV/cm，脉冲宽度为1～100微秒，频率为1～30kHz。
根据不同的物料品种和电导率情况，可调整预极化静电场强度，以提高后续的脉冲电场灭菌效果。
实现前述方法的预极化脉冲电场灭菌设备包括贮料罐、泵、真空脱气装置、高压脉冲电发生器、电脉冲处理室，其特征在于：还包括由直流电源与预极化处理室的电极相连接构成的预极化处理装置。
所述预极化处理室的电极排列方式可为同心圆筒式，即所述电极包括内、外圆筒形电极，所述内、外圆筒形电极同轴设置。
所述预极化处理室的电极排列方式亦可为圆棒圆筒式，即所述电极包括圆筒形外电极和圆棒形内电极，圆棒形内电极与圆筒形外电极同轴设置。
所述预极化处理室的电极排列方式还可为平行平板式，即所述电极为平行设置的两片平板状电极。两片平板状电极可设置于绝缘框中。
所述预极化处理室内与物料接触的电极表面设置绝缘层；所述绝缘层厚度的优选范围为0.3～1.5mm。
所述预极化处理室的电极距离可根据物料的处理量适当调整，处理量大时，电极距离增大，输入电压相应增大。
所述绝缘层材料可为聚四氟乙烯。
所述直流电源采用电压可在0～3KV之间连续可调的直流变压器。
本发明的作用机理在于：食品体系是比较复杂的带电荷系统，有各种离子、分子、分子团和集聚体存在，如无机盐离子、氨基酸、蛋白质、多肽、碳水化合物和维生素等，带电荷的功能团无时不在、无处不有，这就是脉冲电场处理可对物料进行灭菌的根本原因；在物料进入高压脉冲电场前预先受到另一个场强较小的直流静电场处理，可使物料中的带电电荷定向移动并发生聚集，增强后续的高压脉冲电场灭菌效果。由于电解质溶液受到直流静电处理时可能会发生电化学反应，因而为了避免物料和电极板金属部分直接接触，可在金属表面喷涂薄层绝缘材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：
(1)可有效地适用于高强脉冲电场杀菌技术，通过对物料预极化增强灭菌效果，可提高灭菌效率30％以上；并在获得良好杀菌效果的同时，可有效提高灭酶效果10％以上。
(2)可针对不同的物料特性(成分组成、电导率等)灵活调整预极化静电场强度，有效地针对不同物料提高后续杀菌率。
(3)在获得相同灭菌效果的前提下，本发明的使用可有效地减少后续杀菌的脉冲电场强度15％以上，有助于提高脉冲电场灭菌系统的处理量25％以上。
附图说明
图1是本发明预极化脉冲电场灭菌设备的结构示意图。
图2是图1所示预极化脉冲电场灭菌设备的预极化处理室的结构示意图；其中图2(a)为剖面图，图2(b)为俯视图。
图3是图1所示预极化脉冲电场灭菌设备的预极化处理室的另一结构的示意图；其中图3(a)为剖面图，图3(b)为俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明的具体结构如图1和图2所示，由图1可见，本预极化脉冲电场灭菌设备由贮料罐1、泵2、真空脱气装置3、直流电源4、预极化处理室5、高压脉冲电发生器6、电脉冲处理室7、冷却等后处理装置8和成品罐9相连接组成。直流电源4为普通的直流电源，直流电源4和预极化处理室5相连接构成了预极化处理装置；高压脉冲电发生器6和电脉冲处理室7构成了电脉冲杀菌装置。预极化处理室5的具体结构如图2所示，包括入口10、圆筒形外电极11、出口12、圆棒形内电极13、电源接线14、电极绝缘膜15和外电极接地线16组成。圆筒形外电极11和圆棒形内电极13同轴排列；圆筒外电极11通过地线16接地，其内壁可不喷涂绝缘层；圆棒形内电极13通过电源接线14与直流电源4相连接，圆棒形内电极13表面均匀喷涂有0.5mm厚的聚四氟乙烯薄层15。圆筒形外电极11和圆棒形内电极13的电极材料均为铜。圆筒形外电极11的外径为50mm，内径为44mm；中心圆棒13的外径为24mm，电极距离10mm。预极化处理室5的长度为100mm，输入电压为直流300V，预极化处理室5内的物料流速为50ml/s；电脉冲处理室7的电场场强为30kV/cm，脉冲宽度30微秒，脉冲发生频率500Hz，平方波形。
待处理物料是初始菌含量为5×105CFU/ml的橙汁，该物料自下(入口10)而上(出口12)流经圆棒形内电极13和圆筒外电极11之间的空隙，进行预极化处理后再进入电脉冲处理室7内进行高压电脉冲杀菌。
实验对比数据：
(1)现有技术：该橙汁直接经过现有参数条件的高压脉冲电场处理1000个脉冲后，橙汁中的活菌数为2.7×103CFU/ml；
(2)本实施例1：该橙汁先经过预极化处理完后再进行高压脉冲电场1000个脉冲处理后，橙汁中活菌数减少为1.2×103CFU/ml，与现有技术的处理结果比较，杀菌效果提高了，预极化灭菌后橙汁活菌数降为单纯脉冲电场处理的45％。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：预极化处理室5的电极排列方式为平行平板式，如图3所示，所述电极为平行设置的两片平板状电极18、19，两片电极18、19固定设置在绝缘框17中，电极材料为铜，在两电极18、19的表面均涂有0.5mm厚的聚四氟乙烯，两电极18、19分别和直流电源4的两极连接。电极板的尺寸为50mm×200mm(宽×高)，电极距离为10mm。在与实施例1相同的处理参数条件下可获得类似的处理效果。