超聲與微流控輔助的高壓脈沖電場(chǎng)處理室氣泡擊穿與電解的防治研究.pdf

1、高壓脈沖電場(chǎng)(Pulsed electric fields，PEF)技術(shù)的電穿孔效應(yīng)可以使生物膜上出現(xiàn)穿孔，導(dǎo)致其電導(dǎo)率和滲透性的變化，進(jìn)而在較低的溫度下對(duì)食品中的微生物進(jìn)行殺滅并保持食品原有風(fēng)味。為有效殺滅微生物，PEF技術(shù)需要較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，但隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，特別是當(dāng)被處理食品電導(dǎo)率較高時(shí)，流經(jīng)處理室的電流增大，一方面會(huì)由于電流熱效應(yīng)而使處理室溫度升高，另一方面處理室內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之增加，甚至發(fā)生氣泡擊穿現(xiàn)象。這一系列

2、副作用不僅影響食品品質(zhì)，還會(huì)對(duì)PEF系統(tǒng)造成損害。
　　針對(duì)上述問題，本論文首先基于透明的處理室研究了在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度下氣泡擊穿過程以及氣泡的形成的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，氣泡數(shù)量和大小逐漸增加，處理室內(nèi)也從局部放電（20kV/cm-23.3kV/cm）發(fā)展到完全擊穿(＞23.3kV/cm)。此外局部放電和氣泡產(chǎn)生位置主要分布在有效處理區(qū)域兩端（電場(chǎng)畸變區(qū)域），且隨著被處理溶液電導(dǎo)率的增加，總體產(chǎn)氣量增加，氫氣體積占比也

3、增加(1.35％-12.35％)。因此為了控制氣泡的產(chǎn)生，除了應(yīng)該避免產(chǎn)生局部的溫度升高，還應(yīng)減小流過處理室的電流，限制處理室內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。
　　基于上述處理室氣泡擊穿機(jī)理的探究，本文研究了超聲輔助的高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在中等電場(chǎng)強(qiáng)度(12kV/cm)下對(duì)微生物進(jìn)行有效殺滅。發(fā)現(xiàn)聯(lián)合超聲波(US)和PEF對(duì)黃酒中酸敗菌的殺菌效果有加和效應(yīng)，即US-PEF的滅菌率（3.48log CFU/mL）大于單獨(dú)US(0.76log CF

4、U/mL)和PEF(2.88log CFU/mL)處理后的滅菌率。此外通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)聯(lián)合處理的細(xì)胞其破壞程度比單獨(dú)處理的細(xì)胞被破壞得更為嚴(yán)重。隨后通過對(duì)該技術(shù)對(duì)黃酒品質(zhì)的影響評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其幾乎不影響黃酒的常規(guī)理化指標(biāo)，對(duì)酒體顏色的影響也較小，但會(huì)造成大部分黃酒揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的減少，同時(shí)由此而發(fā)生的電極腐蝕現(xiàn)象會(huì)增加金屬離子(Fe，Cr，Ni)含量。
　　而為了限制處理室內(nèi)化學(xué)反應(yīng)并克服電極腐蝕，本文設(shè)計(jì)了一種無電解的微流控

5、電穿孔(Non-electrolytic microelctroporation，NEME)芯片，即在傳統(tǒng)叉指電極上覆蓋一層較薄的介電質(zhì)層，隔離溶液與電極的同時(shí)增加處理室的阻抗。通過使用有限元分析軟件分析了幾何參數(shù)，材料特性以及輸入電壓對(duì)NEME芯片性能(最大電場(chǎng)強(qiáng)度‖E‖max和電場(chǎng)強(qiáng)度大于1kV/cm的有效電穿孔區(qū)域面積A1000)的影響，發(fā)現(xiàn)理想的介電質(zhì)材料應(yīng)該有較高的介電質(zhì)常數(shù)和較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且在一定范圍內(nèi)，當(dāng)使用的介電質(zhì)材料