高压脉冲电场杀菌效果的F值理论研究

高压脉冲电场杀菌效果的F值理论研究方婷龚雪梅余林林陈锦权*（福建农林大学食品科学学院福州350002）

摘要有关高压脉冲电场杀菌动力学方面的研究颇多，但至今仍未有一种衡量高压脉冲电场杀菌效果的统一方法。本文参考热力致死时间F值的概念，提出电场强度致死时间F值，在电场强度与微生物致死时间之间建立关系模型。提出高压脉冲电场F值理论，并以F值作为衡量高压脉冲电场杀菌效果的指标。以大肠杆菌O157：H7为目标菌，研究其F值，探究不同电场强度下微生物的致死时间，为衡量不同电场设备杀菌效果提供

一定的理论依据。

关键词高压脉冲电场；F值；致死率；数学模型文章编号1009-7848（2010）05-0106-07

高压脉冲电场杀菌时间短，杀菌温度低，能够很好地保存食品的营养成分[1-3]，而不使营养成分发生改变，产生自由基物质。其具有处理均匀，环保等优点，已成为国际食品科技界最为活跃的研究领域[4-5]。近几年，随着对高压脉冲电场中微生物失活研究的深入，越来越多的数学模型为许多研究人员接受。大量的实验数据也证明了这些模型和实际数据之间有很高的相关性。微生物的失活数学预测模型是高压脉冲电场处理领域的前沿理论之一，也是食品危害分析和关键控制点理论的重要组成部分[6]。通过这些模型，设备加工者和食品加工者可以预测并控制食品的安全和货架期。国内外研究人员在高压脉冲电场使微生物失活层面做了大量的研究工作，提出多种复杂的模型与公式，其中一些描述微生物失活的基础模型主要侧重一级动力学关系。在文献方面有侧重电场强度的Hülsheger、Peleg模型，侧重作用时间的Bigelow、Hülsheger、Weibull单变量的数学模型以及同时考虑电场强度和作用时间的Hülsheger双变量数学模型[7-12]。因各研究团队的研究方法及实验设备等不同，故至今杀灭微生物没有一种目标菌和一个参考电场强度。换言之，没有统一的衡量杀菌效果的指标，无法实现标准化的高压脉冲电场杀菌效果。本文以热力致死时间F值为理论基础，将其引入高压脉冲电场杀菌技术中，旨在建立电场强度致死时间，以此作为衡量杀菌效果的统一指标。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1微生物菌种菌种：大肠杆菌O157：H7。

1.1.2培养基头孢克肟-亚碲酸钾-山梨醇麦康

凯（CT-SMAC）培养基，市售。将配制好的1000mL山梨醇麦康凯琼脂冷却至50℃，加入混合添

加剂（亚碲酸钾2.5mg，头孢克肟0.05mg），混匀，分装烧瓶，用于致病性大肠杆菌O157：H7培养。1.2实验设备

高压脉冲电场杀菌设备，自制；蠕动泵（YZ1515X），保定兰格恒流泵有限公司；隔水式恒温培养箱（GSP9160BE），上海博迅事业有限公司医疗设备厂；单人双面净化工作台（SW-CJ-1F型），苏州净化设备有限公司；电热恒温水浴锅（DK-S22型），上海精宏设备有限公司；手持式电桥（MIC4070D），台湾茂迪电子器件公司。1.3实验方法

1.3.1微生物的培养与测定将大肠杆菌O157：

H7进行活化，斜面保存。用接种环将细菌接入50

收稿日期：2009-12-04基金项目：福建省自然科学基金项目（No.2009J05112）作者简介：方婷，女，1981年出生，讲师通讯作者：陈锦权

Vol．10No．5Oct．2010JournalofChineseInstituteofFoodScienceandTechnology中国食品学报第10卷第5期2010年10月第10卷第5期

mL液体培养基中，36℃恒温培养48h，用无菌水

稀释至菌液浓度105～106cfu/mL，备用。微生物数量检测采用平板计数法。将菌液用0.85%生理盐水以10为单位逐级稀释到适宜的稀释度，在每个平板中倒入1mL稀释液和15mL适宜培养基，每个稀释度做2个平行，置适宜温度下培养一定时间，纪录处理前、后的菌落总数。大肠杆菌AS1.90在营养琼脂培养基中37℃培养24h，致病性大肠杆菌O157：H7在头孢克肟-亚碲酸钾-山梨醇麦康凯（CT-SMAC）培养基中37℃培养24h。1.3.2PEF微生物失活试验处理条件：使用内径3mm、外径5mm的电极，2个处理腔，处理室间距3mm。菌液电导率0.52ms/cm，脉冲宽度τ=17μs。设计5个电场梯度，分别是10、15、20、23.3、26.7kV/cm；5个时间梯度分别是170、340、510、680、850μs。2微生物致死时间与电场强度关系模型的建立2.1确定模型中各参数在一定温度下，微生物数量减少一个对数循环所需的时间，就是对数减菌时间（D值）。在所有热加工文献中，已经应用对数递减时间来定量测定温度对微生物的影响。根据这个原理，本实验针对高压脉冲电场杀菌技术，提出一个新的D值概念，即在一定电场强度下，微生物减少一个对数循环所需的时间就是对数减菌时间（D值）。D值越大，微生物菌群对电场强度的承受能力越大。对于每一个电场强度都会得到一个不同的对数递减曲线，当电场强度提高时，该曲线的斜率增加。

当高压脉冲设备处理微生物菌群时，在给定的电场强度下，随着时间的增加，微生物数量以对数形式减少。当用半对数坐标来表示微生物数量随时间变化时，即对数纵坐标为微生物数量，横坐标为时间，可以看出微生物数量呈线性下降趋势。图2显示细菌芽孢数量对时间在半对数坐标上的

开关示波器高压脉冲电场发生装置温度探头2

冷凝管

冰水浴温度探头3

处理液处理室

温度探头1高压电源

泵原液图1高压脉冲电场装置示意图Fig.1SchematicdiagramofHigh-PressurePulsedElectricFieldequipment

10000100010010D

0204060

微生物残存数

时间/s图2微生物存活曲线Fig.2Survivalcurveofmicrobion

高压脉冲电场杀菌效果的F值理论研究107中国食品学报

2010年第5期

典型关系。微生物存活数量随时间的变化呈对数关系，且微生物菌群每降低1个对数所需要的时间就是D值。如同每个杀菌温度下可得到不同的微生物存活曲线，每种电场强度下也能得到不同的微生物存活曲线，如图3所示。当电场强度升高时，对数递减曲线的斜率增加，也就是说，随着电场强度的增加，D值降低。能使D值降低一个对数循环所需要提高的电场强度被定义为耐场强性常数即Z值。图4中，D值在对数坐标上，场强在横坐标上，D值随着场强的增加而呈线性下降趋势。这种线性关系称为微生物菌群的耐场强曲线。Z值是第2个定量参数，Z值大，表明微生物菌群接受高压脉冲电场处理时，提高电场强度引起的D值变化小。需要注意的是，鉴定高压脉冲电场对微生物菌群的影响，要考虑对数减菌时间（D值）和耐场强性常数（Z值）。在热力杀菌中常用的第3个定量参数是热力致死时间（F值），其在热加工中有实用价值。本实验中引入场强致死时间（F值），将其定义为一定场强下微生物减少一定数量所需要的时间。所减少的一定数量，可以是建立食品安全性所要求减少的微生物致病菌数量，也可以是食品获得理想货架期所需要达到的要求。F值可以表示为D值的倍数。例如在商业灭菌中，对于肉毒梭状芽孢杆菌，F＝12D。本实验中，高压脉冲电场主要用于液体食品杀菌，设定F＝5D，一条典型的场强致死时间曲线如图5所示。该图以微生物数量的对数为纵坐标，时间为横坐标。该曲线描述了时间从零直到微生物数量降低到一定量时所需要的时间，这一点被定义为场强致死时间或F值。

F值的大小与微生物菌群对高压脉冲电场的

耐场强性有关。在一定场强下，F值越大，微生物菌群对特定高压的耐场强性越大。F值和场强之间的关系与D值和场强之间的关系相同，如图6所示。

10000010000100010010150kV/cm30kV/cm

20kV/cm微生物

残存数

0246810图3不同电场强度下微生物存活曲线Fig.3Survivalcurveofmicrobionatdifferentelectricfieldstrength

时间/s

1001010.112253550

对数减菌时间（D）/s

电场场强（E）/kV·cm-1

图4微生物耐场强曲线Fig.4Electricfieldstrengthresistancecurveofmicrobion

场强致死时间

10001001010.10.010.001

微生物残存数

0102030404550时间/s图5场强致死时间曲线

Fig.5Electricfieldstrength-lethaldeathtimecurve

1001010.1致

死

时间（F）/s

20304050电场场强（E）/kV·cm-1

图6致死时间与杨强的关系Fig.6Relationbetweenlethaltimeandelectricfieldstrength

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