专家书评：《食品工业脉冲电场技术：基础与应用新解》
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日期：2025-01-25
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本文是《食品工程系列》的第二版，专注于脉冲电场（Pulsed Electric Fields, PEF）技术在食品工业中的基础和应用。该系列由Gustavo V. Barbosa-Cánovas担任主编，多位食品工程领域的专家共同编辑。第二版在2006年第一版的基础上，更新了内容并新增了13章，旨在提供脉冲电场技术的最新研究进展和工业应用情况。
研究背景
· 研究问题：随着食品工业对能效和可持续性的关注增加，脉冲电场技术作为一种非热加工方法，其在食品加工中的应用研究受到了广泛关注。研究问题集中在如何利用脉冲电场技术提高食品加工效率，回收微生物细胞中的高附加值化合物，以及处理食品加工废弃物和副产品。
· 研究难点：脉冲电场技术在食品工业中的应用面临诸多挑战，包括技术的商业化、设备的可靠性、处理效果的标准化和环境影响评估等。此外，跨学科研究团队的整合和不同领域研究人员之间的协作也是研究过程中的难点。
· 文献综述：文章提到了自2006年第一版出版以来，脉冲电场技术在食品工业中的研究和应用取得了显著进展。特别是自2012年启动的欧洲网络Cost Action TD 1104以来，多学科研究团队的整合促进了脉冲电场新应用的发展。此外，文中还提到了脉冲电场技术在食品加工、生物技术和环境科学等领域的应用，并强调了该技术在食品工业中的实际应用和设备制造方面的成功转移。
高强度脉冲电场的生成与应用
· 电容电路：通过电容器储存能量，然后通过开关释放，产生高功率脉冲。电容电路简单且广泛应用于脉冲功率技术中。
· 电感电路：利用电感器储存能量，通过开关控制电流的流动，适用于需要持续放电的应用场景。
· 脉冲变压器：通过变压器在高压源和负载之间切换，实现电压的倍增，适用于高电压应用。
· MARX发生器：一种电容器串联的电压倍增电路，适用于高电压、高功率应用。
· 脉冲形成网络：通过电容器和电感器的组合，模拟传输线的行为，生成特定形状的脉冲波形。
脉冲电场技术在食品工业中的应用
· 液体食品的巴氏杀菌：利用脉冲电场技术对液体食品进行非热处理，以达到杀菌和延长保质期的目的。
· 食品结构和质地的改善：通过脉冲电场技术改变植物组织的结构和质地，提高食品加工效率。
· 提取食品中的有价值化合物：利用脉冲电场技术从微生物细胞中提取高附加值化合物，如蛋白质、脂质、类胡萝卜素等。
脉冲电场技术的原理与应用
· 电穿孔现象：在生物细胞膜上施加足够强度的电脉冲，导致细胞膜的通透性增加，从而促进物质的进出。
· 电穿孔的应用：在生物医学、食品科学、生物技术和环境科学等领域，电穿孔技术被广泛应用于细胞的药物和基因物质的传递、细胞融合、组织脱水和非热杀菌等。
· 电穿孔在细胞悬浮液和组织中的应用：电穿孔技术在细胞悬浮液和组织中的应用需要考虑细胞的大小、形状、空间分布和细胞间相互作用等因素。
脉冲电场技术的挑战与展望
· 多尺度建模：电穿孔现象涉及从纳米到厘米不同空间尺度和从纳秒到小时不同时间尺度的复杂过程，需要从分子动力学到连续介质模型的多尺度建模方法。
· 实验与模拟的结合：通过实验和模拟相结合的方法，可以更深入地理解电穿孔现象，并优化电穿孔技术在食品加工等领域的应用。
本文是《食品工程系列》的第二版，专注于脉冲电场（Pulsed Electric Fields, PEF）技术在食品工业中的基础和应用。该系列由Gustavo V. Barbosa-Cánovas担任主编，多位食品工程领域的专家共同编辑。第二版在2006年第一版的基础上，更新了内容并新增了13章，旨在提供脉冲电场技术的最新研究进展和工业应用情况。
研究背景
· 研究问题：随着食品工业对能效和可持续性的关注增加，脉冲电场技术作为一种非热加工方法，其在食品加工中的应用研究受到了广泛关注。研究问题集中在如何利用脉冲电场技术提高食品加工效率，回收微生物细胞中的高附加值化合物，以及处理食品加工废弃物和副产品。
· 研究难点：脉冲电场技术在食品工业中的应用面临诸多挑战，包括技术的商业化、设备的可靠性、处理效果的标准化和环境影响评估等。此外，跨学科研究团队的整合和不同领域研究人员之间的协作也是研究过程中的难点。
· 文献综述：文章提到了自2006年第一版出版以来，脉冲电场技术在食品工业中的研究和应用取得了显著进展。特别是自2012年启动的欧洲网络Cost Action TD 1104以来，多学科研究团队的整合促进了脉冲电场新应用的发展。此外，文中还提到了脉冲电场技术在食品加工、生物技术和环境科学等领域的应用，并强调了该技术在食品工业中的实际应用和设备制造方面的成功转移。
高强度脉冲电场的生成与应用
· 电容电路：通过电容器储存能量，然后通过开关释放，产生高功率脉冲。电容电路简单且广泛应用于脉冲功率技术中。
· 电感电路：利用电感器储存能量，通过开关控制电流的流动，适用于需要持续放电的应用场景。
· 脉冲变压器：通过变压器在高压源和负载之间切换，实现电压的倍增，适用于高电压应用。
· MARX发生器：一种电容器串联的电压倍增电路，适用于高电压、高功率应用。
· 脉冲形成网络：通过电容器和电感器的组合，模拟传输线的行为，生成特定形状的脉冲波形。
脉冲电场技术在食品工业中的应用
· 液体食品的巴氏杀菌：利用脉冲电场技术对液体食品进行非热处理，以达到杀菌和延长保质期的目的。
· 食品结构和质地的改善：通过脉冲电场技术改变植物组织的结构和质地，提高食品加工效率。
· 提取食品中的有价值化合物：利用脉冲电场技术从微生物细胞中提取高附加值化合物，如蛋白质、脂质、类胡萝卜素等。
脉冲电场技术的原理与应用
· 电穿孔现象：在生物细胞膜上施加足够强度的电脉冲，导致细胞膜的通透性增加，从而促进物质的进出。
· 电穿孔的应用：在生物医学、食品科学、生物技术和环境科学等领域，电穿孔技术被广泛应用于细胞的药物和基因物质的传递、细胞融合、组织脱水和非热杀菌等。
· 电穿孔在细胞悬浮液和组织中的应用：电穿孔技术在细胞悬浮液和组织中的应用需要考虑细胞的大小、形状、空间分布和细胞间相互作用等因素。
脉冲电场技术的挑战与展望
· 多尺度建模：电穿孔现象涉及从纳米到厘米不同空间尺度和从纳秒到小时不同时间尺度的复杂过程，需要从分子动力学到连续介质模型的多尺度建模方法。
· 实验与模拟的结合：通过实验和模拟相结合的方法，可以更深入地理解电穿孔现象，并优化电穿孔技术在食品加工等领域的应用。
· 未来研究方向：未来的研究需要关注电穿孔过程中孔的稳定性、细胞膜的电穿孔阈值、以及电穿孔对细胞膜脂质和蛋白质的影响等关键问题。
关于“Generation and Application of High Intensity Pulsed Electric Fields”（高强度脉冲电场的产生与应用）的部分，可以总结如下：
- 文档中提到了高强度脉冲电场（PEF）在食品工业中的应用，包括电穿孔现象、电化学反应以及脉冲电场处理对食品的影响等内容。
- 介绍了脉冲形成网络（Pulse Forming Networks, PFNs）的基本概念，以及如何通过这些网络产生单极性或双极性的矩形电压波形，这些波形适用于PEF处理应用。
- 讨论了理想无损耗传输线（脉冲形成线）的基本原理，以及如何通过开关操作产生不同类型的电压波形。
- 提到了使用变压器或其它电压倍增电路来实现高电压的倍增，这对于超过100 kV的电压和1 Hz或更高的重复频率是必要的。
- 举例说明了使用脉冲变压器的电容电路，以及如何通过变压器放大电压。
- 提供了关于高功率开关的信息，包括三电极火花间隙（Trigatrons）、点火管（Ignitrons）、闸流管（Thyratrons）和伪火花开关等。
- 展示了不同电容器的特定成本与存储能量的关系，以及随着能量增加，特定成本的下降趋势。
- 给出了脉冲形成网络的电路图示例，以及如何通过开关操作产生不同的电压波形。
脉冲电场（PEF）技术在食品工业中被广泛研究，其主要优势在于非热处理方式，能够有效灭活微生物和部分酶，同时对食品的感官和营养特性影响较小。以下是PEF技术对食品质量影响的几个关键点：
酶活性的影响：PEF处理对某些酶的活性有部分影响。例如，碱性磷酸酶的活性与热处理后的牛奶相当，但对黄嘌呤氧化酶和纤溶酶的活性影响较小，而脂肪酶活性在储存期间会增加，与热处理的牛奶相似。这表明PEF处理可能需要与热处理结合使用，以降低热处理的强度。
对风味化合物的影响：PEF处理可能对风味化合物的生成有影响。由于部分酶活性未被完全灭活，PEF处理的牛奶在储存期间可能会产生有益或不利的风味成分，这可能会影响最终产品的货架寿命。
对生化修饰的影响：PEF处理对生化修饰有影响，这些修饰与风味化合物的释放有关。例如，通过PEF处理可以促进植物性食品中多不饱和脂肪酸的脱氧，从而减少不良风味的生成。
与其他处理方法的结合：PEF处理与其他温和热处理的结合可以减少处理时间，同时保持酶的灭活。例如，Riener等人（2008）报告了在40kV/cm下应用PEF处理100微秒，并结合50℃的预处理，可以达到最大84.5%的失活率。
对营养和抗氧化成分的影响：PEF处理可以提高食品中营养和抗氧化成分的含量。例如，PEF处理的果汁中总类胡萝卜素含量增加，这可能是由于细胞结构的物理损伤，从而促进了类胡萝卜素从细胞膜结构中的释放。
对食品加工的影响：PEF处理在食品加工中具有多种应用，包括提高提取率、增强抗氧化成分含量以及改善食品的感官属性。例如，通过调整研磨和压榨条件，结合浆料电穿孔，可以增加压榨果汁中总酚含量。
处理参数的影响：PEF处理的效率与处理参数（如脉冲形状、宽度、极性、电场强度、频率、处理时间和温度）和食品基质特性（如电导率、pH值和近似组成）有关。因此，针对不同的处理目标，需要对每种食品单独测试以确定最佳的PEF处理条件。
综上所述，PEF技术在食品工业中具有广泛的应用潜力，能够通过非热处理方式改善食品质量，但其效果受到多种因素的影响，需要根据具体食品和处理目标进行优化。
酶活性的影响：PEF处理对某些酶的活性有部分影响。例如，碱性磷酸酶的活性与热处理后的牛奶相当，但对黄嘌呤氧化酶和纤溶酶的活性影响较小，而脂肪酶活性在储存期间会增加，与热处理的牛奶相似。这表明PEF处理可能需要与热处理结合使用，以降低热处理的强度。
对风味化合物的影响：PEF处理可能对风味化合物的生成有影响。由于部分酶活性未被完全灭活，PEF处理的牛奶在储存期间可能会产生有益或不利的风味成分，这可能会影响最终产品的货架寿命。
对生化修饰的影响：PEF处理对生化修饰有影响，这些修饰与风味化合物的释放有关。例如，通过PEF处理可以促进植物性食品中多不饱和脂肪酸的脱氧，从而减少不良风味的生成。
与其他处理方法的结合：PEF处理与其他温和热处理的结合可以减少处理时间，同时保持酶的灭活。例如，Riener等人（2008）报告了在40kV/cm下应用PEF处理100微秒，并结合50℃的预处理，可以达到最大84.5%的失活率。
对营养和抗氧化成分的影响：PEF处理可以提高食品中营养和抗氧化成分的含量。例如，PEF处理的果汁中总类胡萝卜素含量增加，这可能是由于细胞结构的物理损伤，从而促进了类胡萝卜素从细胞膜结构中的释放。
对食品加工的影响：PEF处理在食品加工中具有多种应用，包括提高提取率、增强抗氧化成分含量以及改善食品的感官属性。例如，通过调整研磨和压榨条件，结合浆料电穿孔，可以增加压榨果汁中总酚含量。
处理参数的影响：PEF处理的效率与处理参数（如脉冲形状、宽度、极性、电场强度、频率、处理时间和温度）和食品基质特性（如电导率、pH值和近似组成）有关。因此，针对不同的处理目标，需要对每种食品单独测试以确定最佳的PEF处理条件。
综上所述，PEF技术在食品工业中具有广泛的应用潜力，能够通过非热处理方式改善食品质量，但其效果受到多种因素的影响，需要根据具体食品和处理目标进行优化。
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