簡介
PEF技術是一種非熱技術，PEF處理是在室溫下進行的，處理時間小於is，並且PEF技術在很大程度上減少了食品感官和物理特性的有害變化。自20世紀90年代初期，國外開始對非熱殺菌技術(冷殺菌)在食品工業中的套用研究進入高潮，PEF殺菌是研究的熱點，它是通過高強度脈衝電場瞬時破壞微生物的細胞膜使細菌致死，由於利用高電位而非電流殺菌，因此殺菌過程中的溫度低(最高溫度小於50℃，從而可以避免熱殺菌帶來的副作用。
PEF技術主要是利用脈衝電場對微生物細胞的電刺激、電融合、以及可逆電穿孔，處理的強度均比較低。為這種新興的生物物理技術，提供了一個更廣闊的作用對象。近幾十年來，PEF技術在食品工業的套用逐漸成熟和完善，主要套用於蘋果汁、橘汁等處理，牛奶殺菌處理、雞蛋製品處理等等，但最近在有效成分的提取方面有較多的套用，因此探討其作用機理，為更好的促進PEF技術的推廣和套用奠定基礎。
PEF技術具有非熱、作用時間短、效率高、操作簡便、成本低等突出的優勢，更重要的是其適用範圍極廣，在工業、農業、醫學、臨床以及許多基礎學科研究的套用前景是十分可觀。本研究的創新之處就在於首次把PEF浸提技術從下程提取、物理溶出和數學模型的角度研究，為PEF技術理論研究奠定了基礎。因此，本研究不僅具有很大的套用價值，而且具有更重要的理論創新意義。
PEF技術的套用研究已廣泛開展，但在食品工業方面中，還有一些問題需要解決。而針對不同系統、不同物料還沒有建立正確的數學模型;科學解釋和處理各影響因素的互作效應也不能在數學模型中科學體現。這都極大地限制了PEF技術在食品工業中的套用。
PEF提取裝置的基本結構
處理室構造
高電壓脈衝電場浸提技術處理室有間歇式及連續式兩種，連續式可工業化生產。物料在處理室內受到高電壓脈衝作用時，要避免有氣泡，否則有電火花產生。一旦產生電火花電極就會被腐蝕，物料被電解。因此，在設計處理室時，應著重解決好以下問題:電極表面要儘可能光滑以減少電子的逸出，採用圓形電極以避免電場集中，為物料提供一個均勻的高電壓脈衝電場。 圖1.1為物料處理室結構簡圖，處理裝置的上下兩端進出料端子為不鏽鋼，通過導電板一端接高電壓脈衝電源，另一端接地，絕緣體材料選用聚異丁烯酸樹脂。由於絕緣體中心孔內液體食品的電阻遠大於其他部分的電阻，所以在絕緣體中心孔形成集中電場，其電場強度遠大於其他部分電場強度。因此，絕緣體中心孔區是提取區域。電極附近的電壓相對較低，這樣就起到了保護電極的作用。
PEF浸提系統
高電壓脈衝電場浸提技術管路的進、出口都放在超淨工作檯中，採用如圖1.2所示的高電壓脈衝電場處理裝置，樣液流動方向如圖1.2箭頭方向所示，溫度感測器可顯示物料進出處理室的溫度，並可通過泵送流過恆溫(溫度可設)水浴，進入處理室，同時經高壓脈衝電場(通過進出料端子將高壓脈衝電壓施加到處理室上)作用後，經水浴流入收集容器。
國內外PEF技術研究進展
國內外發展概況
最初使用高壓電場是用於滅菌領域，在19世紀20年代到30年代美國的一些農場，用此方法進行牛奶的滅菌，當時採用的是220V低壓交變電場而非脈衝電場。20世紀50年代，又產生了一種叫做液內放電法的滅菌方法，它是通過浸在液體內的電極快速釋放高壓電，產生瞬時的高壓脈衝、電弧光以及電化學反應來滅菌。由於會造成食品電污染(因電極的腐蝕)和食品中顆粒的瓦解(因衝擊波的作用)，目前多用於污水處理。 20世紀60年代，Sale和Hamilton率先進行了高壓脈衝電場滅菌效果的研究，他們認為電場強度和作用時間是影響滅菌的兩個最主要因素，並通過實驗證明了產生滅菌作用的既非電解產物又非熱力學原因。 80年代以後，Hulsheger, Zimmermann, Vega Mercado和Tsong等學者對脈衝電場殺菌機理做了進一步的探討，並開始了用於工業生產的設備研究，90年代後美國華盛頓州立大學已研究出了較為成熟的儀器，並申請了專利在美國、日本、法國、德國、比利時、西班牙、荷蘭、加拿大、冰島、瑞士、瑞典、中國等國家的研究機構和公司對此進行了系統的研究。
國內在此領域開展研究的單位和學者也不少，如吉林大學、華南理工大學、中國農業大學、清華大學、大連理工大學、西安交通大學、西北農林科技大學、大連輕工業學院、無錫輕工大學、重慶大學等知名高校。大連輕工業學院生物與食品工程學院利用大連理工大學電氣系研製的高壓方波脈衝發生裝置，研究了設備參數—電場強度、脈衝個數和脈寬變化對微生物存活率的影響。無錫輕工大學數理研究所介紹了液態食品高強度脈衝電場殺菌新技術的特點、裝置及實驗效果，並指出在實際運用PEF技術時，場強大小、殺菌時間、食品的酸鹼度、對象菌的種類等因素應綜合考慮，以確定最佳殺菌方案，獲得最佳殺菌效果。中國農業大學食品學院等科研院校也在進行高壓脈衝電場殺菌技術的研究，並取得了一定成果。華南理工大學開發了一套處理量在50L/h的中試設備，國內未見有工業化PEF設備。我國雖然在近年來也開展了相的研究，總體說來，國內的相關研究尚處於探索和起步階段。只是處於實驗室小試，距離商業化還有一定距離，需要研究者不斷改進PEF殺菌設備的處理系統，確定脈衝電場的最佳殺菌條件及其殺菌機理。PEF技術已被公認為國際上研究最熱最先進的滅菌技術之一，是對傳統滅菌方法的革命，其創新性、科學性和先進性不容置疑。在使用PEF技術對各種食品進行滅菌保鮮方面已有大量報導，但在提取、乾燥、冷凍和解凍等方面研究的較少，而在PEF處理後的食品質量、安全問題及醫學、環境方面的研究就更加的少了。近些年來這些方面引起了許多學者的重視，相關 和報導呈迅速增多之勢，但 總體數量和所涉及的生物材料相對還較少。
高壓脈衝電場在生物學方面的套用
高壓脈衝電場可以產生可逆性穿孔，將各種外源物質(蛋白質、DNA片段等)送入細胞。因此，高壓脈衝電場能套用於在誘導癌細胞凋亡及腫瘤治療;實現細胞融合，為異核體和雜交胚胎做準備;通過把質粒或外來基因導入細胞實現基因轉染;促進藥物的運輸進去細胞;經皮給藥。這幾方一面有了一定的研究。
脈衝電場以其獨特的生物電效應在腫瘤治療等領域展示出良好的發展前景，並在國際上掀起了一股研究熱潮。Beebe等研究發現高強度電場(場強達到300 kV/cm)作用於人Jurkat和HL-60細胞脈衝到納秒級(10300 ns)觀察到細胞內Caspase激活、細胞色素C釋放，細胞內鈣離子升高，由於ns級脈衝主要作用於胞內膜結構而非細胞膜，所以凋亡的誘導與胞膜穿孔關係不明顯。Richard等用場強為40 kV/cm，脈寬為300 ns的脈衝電場作用於鼠黑色素瘤，
發現在細胞出現壞死的同時觀察到細胞內鈣離子濃度升高，DNA片段化，腫瘤血供減少而誘發的凋亡。
細胞融合就是將多個細胞合併形成一個細胞，也稱為細胞雜交。細胞間DNA的交換可以通過電融合來實現。細胞電融合技術主要是利用高壓脈衝電場對膜造成的可逆擊穿來誘導相互接觸細胞的融合。這個效應基於電場導致電偶極子的形成。在非均勻場中，電偶極子的形成導致細胞線性平移(電泳)，從而形成細胞鏈。通過細胞在相互接觸的部位電穿孔來進行遺傳物質的交換。Teissie等利用貼壁培養細胞間的自然相互接觸，直接施加高壓脈衝電場誘導了貼壁培養的哺乳類動物細胞的大量融合。鄭強、趙南明在貼壁培養的IBRSZ細胞上利用高壓脈衝電場進行的電融。利用高壓脈衝電場產生電融合主要用在動物及植物育種使得不同的基因組結合在一起，從而產生新的物種，且可以產生人類單克隆抗體用於癌症治療。為電融合技術在生物醫學領域的套用展示了光明前景。
將DNA電轉染進入活細胞以改善活細胞的特性，這是目前電穿孔特性較廣泛套用的領域。Wong和Neumann等人通過電穿孔方法，率先成功地將tk基因轉移到培養小鼠的L一細胞(tk基因有缺陷)中，並且證實了被轉移基因的表現。郭旭東、森布爾、布赫在高壓脈衝電場中處理小鼠精子的轉基因載體作用研究中利用高壓脈衝電場處理精子體外受精獲得的胚胎進行手術移值。
PEF處理裝置的系統設計
高電壓脈衝電場浸提技術高壓脈衝電場的設定採用的是連續流動式處理裝置。主要有高電壓脈衝電源、PEF處理室、示波器、蠕動泵、溫度測量系統等組成。通過示波器可見波形為近似三角波，可通過示波器獲得電壓極值和平均值，物料流經處理室是為PEF所作用。物料通過泵的作用通過處理室，並被成品罐收集，在處理過程中，可以調整相應的PEF控制部分，獲得不同的作用參數，如場強、脈衝數等。
PEF下蘋果果膠的浸提研究
果膠在食品加工過程中多有套用，而從植物中提取的果膠，相對安全;並且蘋果汁生產加工過程中，許多蘋果渣成為廢棄物，再生產困難，回收增值效果差。將PEF技術套用於從蘋果渣中提取果膠，可以很好的解決蘋果渣的廢棄問題，並可使企業獲利，通過 的試驗研究，可以確定蘋果果膠的常溫提取工藝，對蘋果果膠的食品添加劑生產具有重要的促進作用。
試驗材料和方法
試驗試劑和儀器
蘋果，無水乙醇，鹽酸，氫氧化鉀，鋅粉，三氯乙酸，D一半乳糖醛酸，濃硫酸
高電壓脈衝電場裝置，榨汁機，高速離心機，恆溫乾燥箱(PH070A型)，低溫恆溫槽CDCW-2008)，電子天平(JA 10002型)，恆溫水浴(CS501}，膠體磨，紫外可見分光光度計，數字酸度計(PHS-25}，錐形瓶，漏斗，濾紙，比色管，燒杯等。
PEF浸提蘋果果膠方法
(1)鮮蘋果經榨汁機作用後分離得到蘋果渣，可以通過恆溫乾燥箱獲得渣的水分含量;
(2)濕渣含水率約為40%，經溫水洗脫可溶性糖和色素後，置於燒杯中，加蒸餾水待用;
(3)將燒杯中的料液過膠體磨，調節pH值到3;
(4)將料液過脈衝電場，即通過蠕動泵的作用，將料液通過PEF處理室，調整PEF參數，對料液進行作用;
(5) PEF處理後的料液經高速離心機作用，取上清液，並通過測定果膠溶液中半乳糖醛酸的含量，獲得果膠浸提率。
高壓脈衝電場浸提機理
在PEF輔助場的作用下，可以快速浸提大豆油脂，快速溶出蘋果果膠，本章將從理論上系統建模分析PEF作用機理，建立數學幾何模型，並加以驗證，為今後PEF的廣泛套用奠下堅實的理論基礎。
近幾年，PEF被用來提取細胞內的一些物質，這主要是基於PEF可以實現細胞膜的穿孔，對提取細胞內的成分具有很好的作用效果。已有學者利用PEF對中國林蛙多糖進行提取，並將其與鹼提取法、酶提取法以及複合酶提取法進行了比較，結果表明，PEF在增加細胞內物質溶出方面效果顯著用高電壓脈衝電場技術處理胡蘿蔔碎塊，胡蘿蔔汁的提取率提高了50%， 第四章中通過電鏡可以看到PEF改變了細胞形態和出現了細胞內結構的變化。以往人們都是藉助於經驗，很難找到反映其內在規律的數學模型。
自然界中，凡是有電荷存在的地方，周圍就存在電場，電荷在其周圍產生電場，而電場對電荷產生力的作用，引起電荷在電場中的排布和運動。凡是靜止電荷產生的電場為靜電場，當電量大小與電荷性質隨時間變化的電場稱為交變電場，本試驗所採用的PEF為靜電場。由於處理室的中間小孔與兩端的尺寸比例較大，將兩端看成是平板電極，處理室中充滿同一介質時，電極之間的電場大小均勻，，E為電極之間的電場強度。E與兩端的電壓降和極板之間的距離有關。為交替脈衝三角波，脈衝方向和大小隨時間交替變化。
電介質是在電場作用下具有極化能力並能在其中長期存在的電場的一種物質。電介質的種類繁多，本試驗中所使用的物料可以看成是一種電介質，不同物質的介電常數不同，尤其氣體和液體的介電常數相差很大，因此PEF處理室通過的物料中混有氣泡，將對電場帶來巨大的影響，導致氣液兩相界面處電場均勻度失衡，造成電場穩定狀態的變化。
在外加電場作用下，電介質中的正、負電荷將沿著電場方向做有限的位移或轉向，形成電矩，這種現象稱為電介質的極化。電介質的極化主要有電子式極化、離子式極化、偶極子式極化和空間電荷極化幾種基本形式。
1.電子式極化
電介質所帶電量相等，並且作用中心重合，不顯電性;外加電場後電荷由於外加電場的作用而發生相對的移動，正負電荷的作用中心不重合而形成電矩;外加電場撤銷後，依靠正負電荷的相互吸引，而使得電介質正負電荷的作用中心重合，顯示中性。
2.離子式極化
物質有不同的原子或離子構成，正負電荷排列均勻規範，正負電荷相互抵消呈中性;外加靜電場後正負電荷向兩極相對移動，破壞了原來的中性分布，形成了離子式極化。
3.偶極子式極化
質點為具有偶極矩的極性分子，無外加電場時，極性分子分布雜亂，偶極矩的各個分量分布幾率相等，在任意方向上，偶極矩的矢量和為零，電介質保持中性;外加電場後，每個分子受到電場的作用而產生旋轉，並發生定向排布而形成偶極子極化。
4.空間電荷極化
由於電介質中多少存在一些可遷徙的電子或離子，因而在電場作用下將發生這些帶電物質的移動，並聚積在電極附近的介質界面上，形成巨觀的空間電荷，這種極化稱為空間電荷極化。
大豆油脂的浸提理論
大豆油脂的浸提
根據相似相容原理，有機溶劑可以溶解大豆油脂，如採用工業己烷和輕汽油等有機溶劑。因此，可選定某一種有機溶劑溶對含油物料進行浸泡或噴淋，把含油物料中的油脂提取出來。這樣的浸提方法，稱為“固液萃取”。大豆油脂可以通過一次浸提法，直接浸提溶出，同壓榨法相比較，工藝簡單，易於工業化生產，並實現自動化生產。
大豆油脂浸取法的基本工藝過程是:大豆經過預處理，浸泡於有機溶劑中，使大部分油脂溶解在溶劑中，通過固液分離，實現溶液和豆粕的分離，然後通過在不同溫度實現，溶劑和油脂的分離，並且通過特定的工藝實現，有機溶劑的回收和再利用，大豆殘渣(豆粕)經過烘乾、除溶劑處理，可得到乾豆粕，可以用來加工富含蛋白的飼料，也可以加工纖維等，而通過溶劑的回收利用，並可以從中得到殘留在豆粕中的大豆油脂。
採用PEF技術浸提大豆油脂
通過PEF作為輔助場提取大豆油脂，可以在常溫下完成大豆油脂的浸提過程，縮短了浸提時間，並對油脂的熱影響降至最低。將經過預處理的大豆和有機溶劑通過PEF處理裝置，回收液經過分離有機溶劑而獲得大豆油脂;通過引入PEF技術的作用，實現了大豆油脂的常溫提取，並為後續豆粕的在加工創造了條件，可以極大地提高企業的能動性，可以節省企業的流動資金，提高副產品的開發生產利用率。
