一、技术原理与作用机制
（一）高压脉冲电场（PEF）
PEF 技术通过施加短时高强度电场（10-50 kV/cm），依赖电崩解效应和电穿孔效应破坏微生物细胞膜。具体而言：
- 电崩解理论：细胞膜在电场作用下电荷聚集，形成跨膜电位差，当电位超过临界值（约 1 V）时，膜内产生机械应力导致破裂；
- 电穿孔理论：电场诱导细胞膜形成纳米级微孔，破坏细胞内外离子平衡，引发内容物泄漏。
适用场景：
- 液态 / 半固态食品（果汁、牛奶、蛋液、酱料等）；
- 需配套连续流处理系统（如同轴圆柱电极或平行板电极结构）。
（二）低温等离子体
通过电离气体（空气、氮气、氩气等）产生高能活性粒子，包括：
- 自由基（・OH、・O2-）；
- 活性氧（ROS）与活性氮（RNS）；
- 紫外光子（100-400 nm）及臭氧（O3）。
杀菌机制涉及：
- ROS 攻击细胞膜磷脂双分子层，导致膜通透性增加；
- 氧化损伤微生物蛋白质（如酶失活）和核酸（DNA 链断裂）；
- 紫外光子直接破坏遗传物质。
适用场景：
- 表面杀菌（生鲜果蔬、包装材料、刀具器械）；
- 复杂结构食品（带皮水果、肉类制品）；
- 冷链物流中的终端杀菌处理。
二、杀菌效率与关键影响因素
（一）PEF 技术
- 核心优势：
- 杀菌时间短（毫秒级），能耗低（0.5-2.0 kWh / 吨液态食品）；
- 热敏性成分保留率高（维生素 C 损失率 < 5%）。
- 局限性：
- 对芽孢和革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）灭活效果较差；
- 介质电导率（需 < 2 S/m）、黏度（<50 cP）需严格适配。
- 典型数据：
- 大肠杆菌灭活率达 5-6 log（99.999%-99.9999%）；
- 苹果汁货架期（4℃）延长至 28 天（传统热杀菌为 35 天）。
（二）低温等离子体技术
- 核心优势：
- 穿透性强，适用于多孔 / 固态食品（如面包、奶酪）；
- 协同杀菌效果显著（与 O3联用可提升灭活率 2-3 log）。
- 局限性：
- 活性物质半衰期短（・OH 约 10-6秒），需在线处理；
- 可能产生 O3残留（需控制≤0.1 ppm）。
- 典型数据：
- 酵母菌和黄曲霉菌灭活率 > 90%；
- 草莓表面微生物减少 2-3 log，保鲜期延长 3 倍。
三、工业化设备与应用案例
（一）PEF 设备与应用
- 设备特点：
- 核心组件：高压脉冲发生器（峰值电压 50 kV）、同轴处理室、冷却系统；
- 商业化设备处理量：1000-2000 L/h，设备投资成本约 50-100 万美元。
- 应用案例：
- 美国 Genesis Juice 公司采用 PEF 处理苹果汁，货架期达 4 周（传统巴氏杀菌为 2 周）；
- 西班牙 Hiperbaric 公司推出 PEF + 高压处理（HPP）集成系统，用于果蔬汁灭菌。
（二）低温等离子体设备与应用
- 设备特点：
- 放电方式：介质阻挡放电（DBD）、电晕放电、射频放电；
- 设备形态：模块化设计（如隧道式冷链包装杀菌线）。
- 应用案例：
- 南京农业大学研发 DBD 低温等离子体装置，联合气调包装使生菜保鲜期从 2 天延长至 8 天；
- 日本明治公司将等离子体技术用于即食食品包装内表面杀菌，微生物污染率下降 95%。
四、对食品品质的影响对比
| 指标 | PEF 技术 | 低温等离子体技术 |
| 营养保留 | 维生素 C 保留率 > 95%，多酚物质无显著损失 | 维生素 E 损失率 < 10%，脂肪酸氧化程度可控 |
| 质构变化 | 液态食品黏度无明显改变 | 肉类表面嫩度提升（剪切力下降 15%） |
| 风味影响 | 果汁风味物质（如酯类）保留率 > 98% | 可能产生轻微氧化味（需控制处理时间） |
| 色泽稳定性 | 果蔬汁褐变指数（ΔE）<1.5 | 新鲜肉类红度值（a*）下降≤5% |
五、技术挑战与未来趋势
（一）PEF 技术
- 现存挑战：
- 处理通道内电场分布不均匀（边缘效应）；
- 高黏度食品（如番茄酱）的流动性限制；
- 脉冲发生器的寿命维护（每 106次脉冲需更换电容）。
- 发展方向：
- 复合处理技术：PEF + 超声波（20-40 kHz）协同杀菌；
- 智能控制：基于介电特性实时调节脉冲参数（频率 1-100 Hz）。
（二）低温等离子体技术
- 现存挑战：
- 气体组分（O2/N2比例）与湿度（RH 30%-70%）的标准化控制；
- 大规模生产中的能耗优化（目前能耗约 5-10 kWh/m³）。
- 发展方向：
- 等离子体活化水（PAW）预处理：用于果蔬清洗（农残去除率 > 80%）；
- 集成化系统：等离子体 + 紫外 LED + 纳米包装膜协同抑菌。
六、总结与技术定位
PEF 与低温等离子体技术在非热杀菌领域呈现差异化竞争：
- PEF 技术：适合液态食品的连续化、规模化处理，尤其在果汁、乳制品行业具有成本优势；
- 低温等离子体技术：在表面杀菌、复杂形态食品（如即食餐、冷链生鲜）处理中更具灵活性。
未来技术融合方向：
- PEF 预处理破坏微生物细胞膜，再通过低温等离子体消除残留芽孢；
- 开发 “PEF – 等离子体 – 真空包装” 一体化生产线，实现全链条杀菌保鲜。
技术选择建议：液态食品优先考虑 PEF（如年产 1 万吨以上果汁厂）；生鲜电商与冷链物流场景推荐低温等离子体（如中央厨房表面杀菌）。
参考文献：