[发明专利]一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲感应电流产生的方法及设备。

背景技术

高压（或称高强度）脉冲电场( Pulsed Electric Fields, PEF)已在食品加工、医疗和污染物处理等多个领域得到应用。

以食品加工为例，高压脉冲感应PEF处理是一种新型的非热食品杀菌技术，它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度（0-100μs）和较高的脉冲频率（0-2000Hz）对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。 其杀菌原理是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活。电穿孔现象是指细胞暴露在高压脉冲感应PEF 作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。由于细胞质膜通透性大幅增加，细胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。 微生物细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它有一定的电荷，具有一定的通透性，也有一定的强度。膜的内外表面间具有一定的电势差，当细胞膜上外加一个电场时，这个电场将使膜内外的电势差增大。由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压；当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，出现许多小孔，使膜的强度降低；进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔，使细胞组织破裂、崩溃，导致微生物失活。 

高压脉冲感应PEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠杆菌 O157、霉菌和酵母等，研究结果表明，高压脉冲电场PEF 处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，影响高压脉冲感应PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为：（1）加工因素：电场强度、处理时间、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲形状、样品流速和初始温度。（2）产品因素：产品成分、导电性、离子强度、pH、水分活度和黏度。（3）微生物特征因素：微生物种类、生长条件和生长时期。 

目前的高压脉冲感应PEF技术具有下列缺点：

（1）脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）。（2）电极周围的电化学反应会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。（3）由于电化学反应会引起电极腐蚀，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会释放到食品中。（4）电极电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。（5）高压脉冲感应PEF 对食品碳水化合物组分和维生素的影响较大。（6）高压脉冲感应PEF技术的最大局限是只能用于液态食品（如牛奶和果汁），半固态食品效果较差，固态食品基本上无法运用。主要原因是电极和加工食品不能良好接触，固态食品内部的非均匀结构和导电性差异也影响灭菌效果。

高压脉冲感应PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统和温度测定系统。

高压脉冲感应PEF应用于医学领域主要集中在肿瘤细胞的电穿孔（electroporation, EP）。通过癌细胞膜的穿孔，克服膜对治疗药物的屏障作用，改善药物疗效，减小肿瘤对药物的耐药性，是近年来出现的肿瘤治疗新技术，还可望用于肿瘤的基因治疗。这种方法采用的电场强度不低于600V/cm，使细胞产生可逆性穿孔，不能真正杀死癌细胞。如果提高电场强度，可能在杀死癌细胞的同时殃及周围正常细胞。美国Genetronics公司生产的Medpulser电穿孔治疗仪采用方波电脉冲，有6枚针状电极插入肿瘤，产生不低于780V/cm的均匀电场。这种技术的局限性表现在电场范围的控制上，过大会伤及正常细胞，过小则不能对癌细胞完全杀灭。即使处于电极之间的癌变组织，电场的均匀性也难以达到。此外，电极需插入人体，属于创伤性治疗手段。

高压脉冲感应PEF还可应用于液态食物中有害物质（如有机磷）的降解或污水中污染物的分解净化。但任然不能应用于固态物质的处理。