超声与微流控辅助的高压脉冲电场处理室气泡击穿与电解的防治研究

摘要

高压脉冲电场(Pulsed electric fields，PEF)技术的电穿孔效应可以使生物膜上出现穿孔，导致其电导率和渗透性的变化，进而在较低的温度下对食品中的微生物进行杀灭并保持食品原有风味。为有效杀灭微生物，PEF技术需要较高的电场强度，但随着电场强度的增加，特别是当被处理食品电导率较高时，流经处理室的电流增大，一方面会由于电流热效应而使处理室温度升高，另一方面处理室内的电化学反应强度也会随之增加，甚至发生气泡击穿现象。这一系列副作用不仅影响食品品质，还会对PEF系统造成损害。
　　针对上述问题，本论文首先基于透明的处理室研究了在较高的电场强度下气泡击穿过程以及气泡的形成的机理。研究发现随着电场强度的增加，气泡数量和大小逐渐增加，处理室内也从局部放电（20kV/cm-23.3kV/cm）发展到完全击穿(＞23.3kV/cm)。此外局部放电和气泡产生位置主要分布在有效处理区域两端（电场畸变区域），且随着被处理溶液电导率的增加，总体产气量增加，氢气体积占比也增加(1.35％-12.35％)。因此为了控制气泡的产生，除了应该避免产生局部的温度升高，还应减小流过处理室的电流，限制处理室内的电化学反应。
　　基于上述处理室气泡击穿机理的探究，本文研究了超声辅助的高压脉冲电场技术来实现在中等电场强度(12kV/cm)下对微生物进行有效杀灭。发现联合超声波(US)和PEF对黄酒中酸败菌的杀菌效果有加和效应，即US-PEF的灭菌率（3.48log CFU/mL）大于单独US(0.76log CFU/mL)和PEF(2.88log CFU/mL)处理后的灭菌率。此外通过显微观察发现两种技术联合处理的细胞其破坏程度比单独处理的细胞被破坏得更为严重。随后通过对该技术对黄酒品质的影响评估，发现其几乎不影响黄酒的常规理化指标，对酒体颜色的影响也较小，但会造成大部分黄酒挥发性风味物质的减少，同时由此而发生的电极腐蚀现象会增加金属离子(Fe，Cr，Ni)含量。
　　而为了限制处理室内化学反应并克服电极腐蚀，本文设计了一种无电解的微流控电穿孔(Non-electrolytic microelctroporation，NEME)芯片，即在传统叉指电极上覆盖一层较薄的介电质层，隔离溶液与电极的同时增加处理室的阻抗。通过使用有限元分析软件分析了几何参数，材料特性以及输入电压对NEME芯片性能(最大电场强度‖E‖max和电场强度大于1kV/cm的有效电穿孔区域面积A1000)的影响，发现理想的介电质材料应该有较高的介电质常数和较高的击穿场强，且在一定范围内，当使用的介电质材料介电常数越大，交流电频率越高，电极间距越小，溶液电导率越小，则芯片的‖E‖max越强，A1000越大，直至饱和。随后本文分析了流过NEME芯片表面的微生物粒子运动轨迹，发现介电泳力和电穿孔现象可以在芯片上同时发生并可用施加的交变电场频率进行控制。这一现象可以广泛应用于生物技术和医学中，例如细胞的分离，对细胞的选择性杀灭，或是从多种细胞混合液中对特定的细胞进行分离和转染。

目录

论文说明

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致谢

摘要

插图清单

附表清单

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 高压脉冲电场的电穿孔效应

1．1．2 电穿孔效应的主要应用与发展历史

1．1．3 高压脉冲电场技术在液体食品灭菌中的应用

1．2 用于食品工程的PEF设备的研发历史与现状

1．2．1 脉冲电源开关的发展

1．2．2 高压脉冲电场处理室的研究进展

1．2．3 高压脉冲电场技术工业化现状

1．2．4 自主研发的高压脉冲电场设备概况介绍

1．2．5 高压脉冲电场技术的处理参数

1．3 现有工业化设备存在的问题

1．4 研究目标、内容和技术路线

1．4．1 本文研究目标

1．4．2 研究的主要内容

1．4．3 技术路线

1．5 本章小结

第二章 处理室中气泡产生机理及击穿过程的观察与探究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 高压脉冲电场设备及透明共场型处理室

2．2．2 气泡产生及放电击穿过程

2．2．3 气泡成分的收集和分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 击穿过程观察

2．3．2 气泡形成机理初探及预防措施

2．4 本章小结

第三章 超声辅助的高压脉冲电场对黄酒中酵母菌的灭活作用研究

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 菌种与生长条件

3．2．2 黄酒样品的准备

3．2．3 超声波处理

3．2．4 高压脉冲电场处理

3．2．5 联合处理

3．2．6 微生物计数

3．2．7 细胞微观结构观察

3．2．8 统计分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 超声处理

3．3．2 高压脉冲电场处理

3．3．3 超声辅助的PEF技术的杀菌作用

3．3．4 细胞微观结构观察

3．4 本章小结

第四章 超声辅助的高压脉冲电场对黄酒品质的影响

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 购置黄酒

4．2．2 实验仪器及步骤

4．2．3 黄酒理化性质的分析

4．2．4 统计分析

4．3 结果和讨论

4．3．1 常规理化指标

4．3．2 酒体颜色

4．3．3 金属离子浓度

4．3．4 黄酒挥发性风味物质

4．4 本章小结

第五章 无电解微流控电穿孔芯片的仿真优化设计

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 几何建模和网格剖分

5．2．2 控制方程

5．2．3 边界条件

5．2．4 材料特性和求解器设置

5．3 结果和讨论

5．3．1 芯片典型的电场分布及衡量芯片性能的指标

5．3．2 设计参数对‖E‖max的影响

5．3．3 设计参数对A1000的影响

5．4 本章小节

第六章 无电解的微流控电穿孔芯片中的介电泳现象探究

6．1 引言

6．2 材料和方法

6．2．1 几何建模和网格剖分

6．2．2 控制方程与边界条件

6．2．4 材料特性和求解器设置

6．3 结果和讨论

6．3．1 未考虑介电泳力时NEME芯片的性能

6．3．2 酵母菌和大肠杆菌的CM因子频谱图

6．3．3 NEME芯片产生的介电泳现象

6．3．4 NEME芯片中的电穿孔效应和介电泳效应的相互作用

6．3．5 利用NEME技术在混合菌液中选择性地杀灭微生物

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 实验不足和进一步研究展望

参考文献

作者简历