CN101292769A - 脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法及设备，其方法包括：使待处理的物料连续或间断流过电场磁场协同处理装置内的处理区域，高压脉冲电源通过环绕于所述处理区域周围的磁场线圈施加0.1T－50T的脉冲磁场，并通过所述处理区域两端的电极板施加5－100kV/cm的脉冲电场对所述处理区域内的物料进行电磁场协同处理，其电场磁场协同处理装置构思新颖，将脉冲电场和磁场处理区域结合，安装使用方便，适合于食品杀菌处理系统配接使用。对物料进行脉冲电场和磁场协同处理时间短，整个杀菌过程被处理物料升温小，杀菌灭酶效果提高，同时最大程度保持食品原有的营养价值和风味。

Description

脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶方法及设备

技术领域

本发明涉及液态物料杀菌技术，特别是一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶方法及设备，它利用高压脉冲电场与磁场协同作用在常温下对液态食品、饮品进行杀菌灭酶，在进行杀菌灭酶的同时能最大程度保持食品原有的营养价值和风味。

背景技术

在食品、生物、化工、制药等行业中，杀菌灭酶是一道重要的工序，以提高其安全性与保质期。目前最常用的杀菌方法是热杀菌，如巴氏杀菌法、高温短时杀菌法和超高温瞬时杀菌法等，这些方法通常在高温下进行，不仅破坏食品中的维生素等热敏成分，使蛋白质产生变性，影响了食品的营养和风味，而且导致较高的能耗。与传统的热杀菌比较，非热杀菌是指不用热力来杀灭微生物。非热杀菌技术不仅能保证食品在微生物方面的安全，而且能较好地保持食品的营养、色泽和新鲜程度，满足消费者对果汁的营养和原汁原味的要求，此外，一些食品如西瓜汁、哈密瓜汁、荔枝汁等加热后的口味不能被消费者接受。因而，非热力杀菌技术正受到人们越来越广泛的关注，而其中最有希望进行大规模工业化推广的是高压脉冲电场杀菌技术及脉冲磁场杀菌技术。

但是，上述两项技术也存在明显的局限性。脉冲磁场杀菌技术的杀菌效果与其磁感应强度并非简单的增长关系，当磁感应强度或处理脉冲个数达到某一数值时，杀菌效果较佳，之后随着磁感应强度或脉冲数的增加，杀菌效果反而下降。此外，根据目前已有报导，脉冲磁场的杀菌率仍然不能完全满足食品工业的要求。而高压脉冲电场杀菌技术虽然通过增大脉冲处理场强和提高处理的脉冲个数能达到理想的杀菌效果，但是，加上脉冲电场的同时会在处理区域通过大电流，随着处理场强和脉冲数的增大，受处理原料温度上升较大，同时，溶于原料中气体易溢出产生气泡，导致击穿放电，影响杀菌效果和食品的质量。

发明内容

本发明针对脉冲电场杀菌和脉冲磁场杀菌技术的不足，提供一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶方法及设备，适用于流体食品、饮品等杀菌灭酶处理的商业应用，使得整个杀菌过程被处理物料升温小，在提高杀菌灭酶效果的同时，最大程度保持食品原有的营养价值和风味。

本发明脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，步骤如下：使待处理的物料连续或间断流过脉冲电场磁场协同处理装置内的处理区域，高压脉冲电源通过环绕于所述处理区域周围的磁场线圈施加0.1-50T的脉冲磁场，并通过所述处理区域两端的电极板施加5-100kV/cm的脉冲电场对所述处理区域内的物料进行电磁场协同处理，其中，所述脉冲磁场基本平行或垂直于所述处理区域内物料的流动方向，所述脉冲电场基本平行或垂直于所述处理区域内物料的流动方向。

在对所述处理区域内的物料进行脉冲电场处理同时、或者脉冲电场处理之前、或者脉冲电场处理之后，采用脉冲磁场对所述处理区域内的物料进行脉冲磁场处理。

对物料同时进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，上述脉冲电场磁场协同处理装置可包括绝缘主体，所述绝缘主体内设贯通的处理区域，处理区域的外壁内环设磁场线圈，处理区域的两端口部分别安装一个内设物料通道的电极板，高压脉冲电源连接所述两个电极板在极板间区域产生均匀脉冲电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

对物料同时进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，上述脉冲电场磁场协同处理装置可以采用如下具有两个处理区域的结构，它包括内设贯通的处理区域的两个绝缘主体，所有处理区域的外壁内环设磁场线圈，两个绝缘主体的处理区域的相邻端口部通过一个内设物料通道的公共电极板连接，一个绝缘主体的处理区域的进口端部和另一个绝缘主体的处理区域的出口端部分别安装一个内设物料通道的电极板，所述两个电极板互连，并与公共电极板分别连接于高压脉冲电源的一组输出形成同场电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

对物料按先/后或后/先进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，上述脉冲电场磁场协同处理装置也可以由电场处理部分和磁场处理部分构成；其中，所述磁场处理部分含绝缘壳体，该绝缘壳体内设贯通的磁场处理区域，磁场处理区域的外壁内环设磁场线圈，高压脉冲电源通过环设于所述磁场处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场；所述电场处理部分含绝缘外壳，该绝缘外壳内设贯通的电场处理区域，电场处理区域的两端面安装内设物料通道的电极板，电场处理区域一端面电极板的物料通道和所述磁场处理区域的出口通过管路连通，高压脉冲电源连接所述两个电极板在两者间区域产生脉冲电场。

实现本发明方法的一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括绝缘主体，所述绝缘主体内设贯通的处理区域，处理区域的外壁内环设磁场线圈，处理区域的两端口部分别安装一个内设物料通道的电极板，高压脉冲电源连接所述两个电极板在两者间区域产生脉冲电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场，使待处理的物料连续或间断流经所述处理区域被脉冲电场和脉冲磁场协同处理。

实现本发明方法的另一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括内设贯通的处理区域的两个绝缘主体，所有处理区域的外壁内环设磁场线圈，两个绝缘主体的处理区域的相邻端口部通过一个内设物料通道的公共电极板连接，一个绝缘主体的处理区域的进口端部和另一个绝缘主体的处理区域的出口端部分别安装一个内设物料通道的电极板，所述两个电极板互连，并与电极板分别连接于高压脉冲电源的一组输出形成同场电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

实现本发明方法的第三种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置；所述脉冲电场磁场协同处理装置包括电场处理部分和磁场处理部分；其中，所述磁场处理部分含绝缘壳体，该绝缘壳体内设贯通的磁场处理区域，磁场处理区域的外壁内环设磁场线圈，高压脉冲电源通过环设于所述磁场处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场，所述脉冲磁场基本平行于所述磁场处理区域内物料的流动方向；所述电场处理部分含绝缘外壳，该绝缘外壳内设贯通的电场处理区域，电场处理区域的两端面安装内设物料通道的电极板，电场处理区域一端面电极板的物料通道和所述磁场处理区域的出口通过管路连通，高压脉冲电源连接所述两个电极板使两者产生电位差，在所述两个电极板之间形成基本平行于所述电场处理区域内物料的流动方向的脉冲电场。

本发明采用脉冲电场和磁场对流体食品、饮品等协同杀菌灭酶处理，与单纯的脉冲电场和脉冲磁场处理相比，一方面避免了脉冲电场处理脉冲数过多而导致液态食品过大的温升，另一方也避免单纯使用脉冲磁场而达不到理想的杀菌灭酶效果，结合了这两种非热杀菌技术各自的优点，处理时间短，整个杀菌过程被处理物料升温小，提高了杀菌灭酶效果，同时最大程度保持食品原有的营养价值和风味。

其脉冲电场磁场协同处理装置构思新颖，将脉冲电场和脉冲磁场处理区域结合，安装使用方便，适合于食品杀菌处理系统配接使用。

附图说明

图1为本发明脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备框图；

图2为其脉冲电场磁场协同处理装置实施例1的结构示意图；

图3为其脉冲电场磁场协同处理装置实施例2的结构示意图；

图4为其典型高压脉冲电源原理框图；

图5为图4高压脉冲电源的一实施例电路图；

图6为图3脉冲电场磁场协同处理装置与脉冲电源连接示意图；

图7为其脉冲电场磁场协同处理装置实施例3结构及连接示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明。

根据本发明的方法设计的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备如图1所示，主要包括至少一个高压脉冲电源、控制系统、电磁屏蔽系统以及脉冲电场磁场协同处理装置等，该脉冲电场磁场协同处理装置内设贯通的处理区域。图1中，通过泵将原料缸内的液态物料泵入脉冲电场磁场协同处理装置内的处理区域，高压脉冲电源通过所述协同处理装置施加5-100kV/cm的脉冲电场和0.1T-50T的脉冲磁场对所述处理区域内的物料进行电磁协同处理，处理后的物料进入无菌包装工序进行包装。

施加到所述处理区域内物料的脉冲电场为单极性方波、或双极性极性方波、或衰减波，场强为5-100kV/cm，脉宽为1-50微秒，脉冲频率为0.5-10kHz，脉冲处理个数为10-1000。

施加到所述处理区域内物料的脉冲磁场的强度为0.1T-50T，脉冲磁场处理个数5-500，脉冲频率为1-100Hz。

图2为其脉冲电场磁场协同处理装置实施例1的结构示意图。实施例1为平板电场协同脉冲磁场结构，包括由聚四氟乙烯等材料制成的绝缘主体22，所述绝缘主体22内设贯通的处理区域25，处理区域25的外壁内环设磁场线圈21，处理区域25的两端口部分别安装一个内设物料通道的电极板23、24，高压脉冲电源连接所述两个电极板在两者间区域产生脉冲电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈21产生脉冲磁场。

图3表示其脉冲电场磁场协同处理装置实施例2。实施例2为同场电场协同脉冲磁场结构，包括两个绝缘主体32、32’，该绝缘主体可采用聚四氟乙烯等材料制成，所述绝缘主体32、32’内分别设贯通的处理区域35、35’，所述处理区域35的外壁内环设磁场线圈31，所述处理区域35’的外壁内环设磁场线圈31’，所述两个绝缘主体32、32’的处理区域的相邻端口部通过一个内设物料通道的公共电极板33连接，绝缘主体32的处理区域35的进口端部安装一个内设物料通道的电极板34，绝缘主体32’的处理区域35’的出口端部安装一个内设物料通道的电极板34’，所述两个电极板34、34’互连，并与公共电极板33分别连接于高压脉冲电源的一组输出形成同场电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈31、31’产生脉冲磁场。原料能够在两个处理区域内先后进行电场磁场协同处理，以提高处理速度和杀菌效果。

高压脉冲电源可以采用图4典型脉冲电源，图4高压脉冲电源包括直流充电电源6、储能电容7、由控制系统来控制导通/关断的电子开关9以及脉冲变压器8。

图5为该高压脉冲电源的一实施例电路图。该实施例包括：直流充电电源6、储能电容7、两个升压式脉冲变压器和两个电子开关，电子开关可采用IGBT等。一个脉冲变压器8的原边串联电子开关9后再并联于储能电容7两端，副边输出高压脉冲电压，另一个脉冲变压器8’的原边串联电子开关9’再并联于储能电容7两端，电子开关9、9’的控制端与控制系统连接，脉冲变压器8的副边连接所述实施例1的脉冲电场磁场协同处理装置(见图2)内的处理区域25的两端口部的两个电极板23、24，使两者产生电位差给所述处理区域25的物料施加脉冲电场，另一脉冲变压器8’副边连接环设于所述处理区域25的磁场线圈21产生脉冲磁场。直流充电电源6给储能电容7充电至一定水平，在控制系统的控制下当电子开关9和/或9’开通后，储能电容7通过脉冲变压器8和/或8’的原边形成回路，并经所述变压器升压后在变压器副边形成高压脉冲。

控制系统可提供独立的触发信号，电子开关导通后经不同脉冲变压器，在同一处理区域产生独立的高压脉冲电场和脉冲磁场。电子开关既可同时开通，产生同相位的脉冲电场和磁场，也可以在不同频率，不同开通时间，不同脉冲个数等条件下开通。脉冲电场的形状可以为单、双极性的方波、衰减波，与负载水平、储能电容及IGBT开通时间有关。处理物料泵入处理区域后，既可以一定流速继续流动进行连续处理，也可静置一段时间进行静态处理。控制系统能够调节液态物料的流量及高压脉冲电源的各种参数，如脉冲峰值、波形、相位、极性、脉冲频率以及脉宽等。

图6为图3的脉冲电场磁场协同处理装置与高压脉冲电源连接示意图。两个图3所示脉冲电场磁场协同处理装置通过管路连接，形成四个处理区域串联通道；高压脉冲电源A具有4组输出，每一组输出连接其中的一个磁场线圈。高压脉冲电源B具有2组输出，分别连接两个脉冲电场磁场协同处理装置的相应的电极板，如其中一组输出的高压端连接左边的处理装置的公共电极板33，该组输出的地端连接电极板34、34’，另一组输出与左边的处理装置的相应的电极板连接。原料能够在四个处理区域内先后进行电场磁场协同处理，以提高处理速度和杀菌效果。如调节物料流速，使得流经处理区域35所需1秒，设置脉冲电场频率为100Hz，场强为40kV/cm，脉宽为10微秒；设置脉冲磁场场强为10T(泰斯拉)，频率为10Hz，故物料流过处理区域35后，将同时接受到100个场强为40kV/cm，脉宽为10微秒的脉冲电场处理以及10个磁场峰值为10T的脉冲磁场处理。

图7为其脉冲电场磁场协同处理装置实施例3结构及连接示意图。其脉冲电场磁场协同处理装置包括电场处理部分和磁场处理部分。

所述磁场处理部分含绝缘壳体72’，该绝缘壳体72’内设贯通的磁场处理区域75’，磁场处理区域75’的外壁内环设磁场线圈71’，高压脉冲电源通过环设于所述磁场处理区域75’的磁场线圈71’产生脉冲磁场，所述脉冲磁场基本平行于所述磁场处理区域内物料的流动方向。

所述电场处理部分含绝缘外壳72”，该绝缘外壳72”内设贯通的电场处理区域75”，电场处理区域75”的两端面安装内设物料通道的电极板73”、74”，位于电场处理区域75”一端面的电极板的物料通道和所述磁场处理区域75’的出口通过管路连通，高压脉冲电源连接所述两个电极板73”、74”使两者产生电位差，在所述两个电极板之间形成基本平行于所述电场处理区域内物料的流动方向的脉冲电场。

具体应用中，可以将两个实施例3的脉冲电场磁场协同处理装置通过管路连接，形成磁场、电场、磁场、电场四个处理区域串联通道；高压脉冲电源A’具有2组输出，每一组输出连接其中的一个磁场线圈。高压脉冲电源B’具有2组输出，分别连接两个脉冲电场磁场协同处理装置的一对电极板形成脉冲电场，如图7中一组输出的高压端连接电极板73”，该组输出的地端连接电极板74”。如图7所示，磁场处理与电场处理不在同一处理区域进行，而是按原料的流动方向，使原料先后通过磁场、电场、磁场、电场四个处理区域连续处理。如对进入磁场处理区域75’的原料首先采用峰值达10T的脉冲磁场处理20次，再送入电场处理区域75”采用场强为40kV/cm的脉冲电场、在脉宽为10微秒下处理60脉冲，接着依次送入另一组磁场处理区域、磁场处理区域进一步处理，在后一组处理中采用的脉冲磁场强度、脉冲电场场强等参数可以和上述前一组处理的参数不同或相同。

以上所述的仅是本发明的较佳实施方式，其描述较为具体和详细，如在脉冲电场磁场协同处理装置实施例1-3中，所产生的脉冲磁场和脉冲电场基本平行于所述处理区域内物料的流动方向，这些具体内容并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，根据本发明构思，利用上述揭示的技术内容做出若干改动或修饰为等同变化的等效实施例，例如，使脉冲磁场和脉冲电场基本垂直于所述处理区域内物料的流动方向的等效结构例等等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，包括如下步骤：使待处理的物料连续或间断流过脉冲电场磁场协同处理装置内的处理区域，高压脉冲电源通过环绕于所述处理区域周围的磁场线圈施加0.1T-50T的脉冲磁场，并通过所述处理区域两端的电极板施加5-100kV/cm的脉冲电场对所述处理区域内的物料进行电磁场协同处理，其中，所述脉冲磁场基本平行或垂直于所述处理区域内物料的流动方向，所述脉冲电场基本平行或垂直于所述处理区域内物料的流动方向。

2、根据权利要求1的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，其特征是：在对所述处理区域内的物料进行脉冲电场处理同时、或者脉冲电场处理之前、或者脉冲电场处理之后，采用脉冲磁场对所述处理区域内的物料进行脉冲磁场处理。

3、根据权利要求1或2的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，其特征是：对物料同时进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括绝缘主体，所述绝缘主体内设贯通的处理区域，处理区域的外壁内环设磁场线圈，处理区域的两端口部分别安装一个内设物料通道的电极板，高压脉冲电源连接所述两个电极板在两者间区域产生脉冲电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

4、根据权利要求1或2的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，其特征是：对物料同时进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括内设贯通的处理区域的两个绝缘主体，所有处理区域的外壁内环设磁场线圈，两个绝缘主体的处理区域的相邻端口部通过一个内设物料通道的公共电极板连接，一个绝缘主体的处理区域的进口端部和另一个绝缘主体的处理区域的出口端部分别安装一个内设物料通道的电极板，所述两个电极板互连，并与公共电极板分别连接于高压脉冲电源的一组输出形成同场电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

5、根据权利要求1或2的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，其特征是：对物料不同时进行脉冲电场和脉冲磁场处理时，所述脉冲电场磁场协同处理装置由电场处理部分和磁场处理部分构成；其中，所述磁场处理部分含绝缘壳体，该绝缘壳体内设贯通的磁场处理区域，磁场处理区域的外壁内环设磁场线圈，高压脉冲电源通过环设于所述磁场处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场；所述电场处理部分含绝缘外壳，该绝缘外壳内设贯通的电场处理区域，电场处理区域的两端面安装内设物料通道的电极板，电场处理区域一端面电极板的物料通道和所述磁场处理区域的出口通过管路连通，高压脉冲电源连接所述两个电极板从而在两电极板间区域产生脉冲电场。

6、根据权利要求1或2的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶的方法，其特征是：施加到所述处理区域内物料的脉冲电场为单极性方波、或双极性方波、或衰减波，场强为5-100kV/cm，频率为0.5-10kHz，脉宽为1-50微秒，脉冲处理个数为10-1000；

施加到所述处理区域内物料的脉冲磁场的强度为0.1T-50T，频率为1-100Hz，脉冲磁场处理个数5-500。

7、一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括绝缘主体，所述绝缘主体内设贯通的处理区域，处理区域的外壁内环设磁场线圈，处理区域的两端口部分别安装一个内设物料通道的电极板，高压脉冲电源连接所述两个电极板在两者间区域产生脉冲电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场，使待处理的物料连续或间断流经所述处理区域被脉冲电场和脉冲磁场协同处理。

8、一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置；所述脉冲电场磁场协同处理装置包括电场处理部分和磁场处理部分；其中，所述磁场处理部分含绝缘壳体，该绝缘壳体内设贯通的磁场处理区域，磁场处理区域的外壁内环设磁场线圈，高压脉冲电源通过环设于所述磁场处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场，所述脉冲磁场基本平行于所述磁场处理区域内物料的流动方向；所述电场处理部分含绝缘壳体，该绝缘壳体内设贯通的电场处理区域，电场处理区域的两端面安装内设物料通道的电极板，电场处理区域一端面电极板的物料通道和所述磁场处理区域的出口通过管路连通，高压脉冲电源连接所述两个电极板使两者产生电位差，在所述两个电极板之间形成基本平行于所述电场处理区域内物料的流动方向的脉冲电场。

9、一种脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，包括：至少一个高压脉冲电源、控制系统及电磁屏蔽系统，其特征是：还包括至少一个脉冲电场磁场协同处理装置，所述脉冲电场磁场协同处理装置包括内设贯通的处理区域的两个绝缘主体，所有处理区域的外壁内环设磁场线圈，两个绝缘主体的处理区域的相邻端口部通过一个内设物料通道的公共电极板连接，一个绝缘主体的处理区域的进口端部和另一个绝缘主体的处理区域的出口端部分别安装一个内设物料通道的电极板，所述两个电极板互连，并与公共电极板分别连接于高压脉冲电源的一组输出形成同场电场，高压脉冲电源通过环设于所述处理区域的磁场线圈产生脉冲磁场。

10、根据权利要求7或8或9的脉冲电场和磁场对物料协同杀菌钝酶设备，其特征是：所述高压脉冲电源包括直流充电电源、储能电容、两个升压式脉冲变压器和两个电子开关，一个脉冲变压器的原边串联一个电子开关再与储能电容并联，副边输出用于产生脉冲电场的高压脉冲电压；另一个脉冲变压器的原边串联另一个电子开关再与储能电容并联，副边输出用于产生脉冲磁场的高压脉冲电压，两个电子开关的控制端与控制系统连接。

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