脉冲电场的好处从薯片到果汁和干制品

　　从薯片到果汁和干制品： New Food 发现脉冲电场 (PEF) 如何成功且安全地应用于食品和生物加工行业的一系列不同产品。
　　PEF辅助草莓干和火龙果
　　第一份关于脉冲电场 (PEF)使用的报告于 1950 年代在乌克兰、摩尔多瓦和德国发表，但将该技术转化为工业实践需要几十年的时间。从 1990 年代起，20 多个研究小组一直在确定潜在的作用机制、影响参数和潜在应用。第一个工业规模系统是在德国食品技术研究所 (DIL) 的公共和工业资助项目中开发的，并成功引入马铃薯加工和果汁行业。 PEF的机制
　　PEF 的应用会影响任何生物细胞的细胞膜。根据细胞类型，施加范围为 1-15kV/cm 的场强和范围从小于 1 到 150kJ/kg 的能量输入。高电场产生称为电穿孔的效果。1这种物理效应会打开细胞，导致膨胀压力下降、组织软化、加速穿过细胞壁的传质和低温微生物失活。脉冲场的使用优化了功效并且具有低能量需求。 薯条行业的节水节能
　　在炸薯条和薯条生产中，PEF 树立了新标准。该技术取代了以前应用的预热，可节省高达 90% 的水和能源。代替将产品缓慢加热到 60 C，PEF 是冷应用的，处理时间低于一秒。以约 1kJ/kg 的强度进行治疗的主要好处是减少膨胀压力和软化组织，从而在切片2或水力喷射切割期间实现平滑切割（ 图 1 ）。平滑的切割减少了产品破损和羽化，从而提高了产品质量和产量，并允许使用不同的产品形状或原材料。更光滑的产品表面还意味着进入产品的油（最多 10%）更少。如今，超过 90 套 PEF 系统的生产量从 10 到 70 吨/小时不等，已在全球薯条行业中使用。
　　图 1：PEF 处理的红薯绳非常柔软，可以打结
　　市场上有不同的 PEF 系统，具体取决于技术的应用。完美的蔬菜片
　　蔬菜薯片是一种流行趋势，但生产始终如一的高质量薯片通常具有挑战性。然而，PEF 的应用在整个生产链中产生了显着的质量改进：不仅减少了切片机刀片的磨损，而且减少了释放到加工水中的淀粉。PEF 用户还可以从 1% 到 2% 的产量增加中受益，并且质量改进是多种多样的；从更好的紧缩到颜色改善（ 图 2 ) 和原始蔬菜的自然味道。PEF 可以使用以前不可能的原材料和形状。PEF 后加速水分释放可以在更短的时间内降低油炸温度，从而保留天然产品颜色，并减少红薯、胡萝卜、欧洲防风或甜菜根片等产品的丙烯酰胺形成。
　　图 2：甜菜根和胡萝卜片的比较——未处理与 PEF 处理优质干燥
　　干燥是用于抑制微生物生长和保持食品质量的最古老的工艺之一。通常该过程受到水分扩散的限制。当 PEF 打开细胞膜时，它消除了这种限制，并允许降低温度并缩短干燥协议的时间。3由于水可以从产品中移动，因此可以防止核心结皮和产品收缩，对于大多数植物性产品，干燥时间可以减少约 20%。降低干燥温度可减少对产品颜色和形状的不利影响，以及味道和能源节约。此外，PEF 处理可应用于任何类型的干燥技术，从传统的空气干燥到（微波）真空、冷冻或渗透干燥。
　　PEF增强萃取
　　许多食品生产操作涉及细胞内物质的提取。糖、果汁、色素、色素和油类的获胜只是 PEF 诱导的细胞膜透化可用于提高提取率的几个例子。在果汁生产中，PEF 可用于替代高强度机械崩解或酶法浸渍。在制糖工业中，可以降低提取温度，并且观察到橄榄油加工的产量增加高达 10% 并减少了混匀时间。4
　　在加工葡萄时，可以看到花青素和多酚的提取率提高，从而大大减少浸渍时间并提高生产能力（ 图 3 ）。根据原材料的类型，可以应用两种不同的设备设置。可泵送产品，如水果或蔬菜泥、半固体产品或预切产品，可在直径为 50-200 毫米的管道系统中处理。块茎、甜菜或整个水果等固体产品通常在 PEF 传送带系统上进行加工。
　　图 3：葡萄酒赤霞珠的颜色强度；红色 PEF，黑色无 PEF
　　去皮的简单方法
　　PEF 的另一个影响是对植物材料结构特性的影响。在处理水果、籽粒或种子后，观察到弹性特性以及果皮附着的变化。经过 2kJ/kg 的处理后，番茄皮可以很容易地去除，没有任何附着的番茄果肉，是蒸汽或碱液剥皮的低能耗和环保替代方案。对于坚果和种子，例如腰果，增加的弹性可以减少脱壳过程中的破损和更好的内核完整性。 优质果汁
　　不仅植物细胞受到 PEF 的影响，微生物细胞也受到影响。这会导致微生物失活，因为它会导致酵母、霉菌和细菌的膜屏障功能丧失。通过PEF处理降低果汁的微生物负荷（ 图4 ），以确保果汁的微生物安全并保证一定的保质期。与传统热处理相比，关键优势在于降低了处理温度和时间（ 图 5 ）。因此，对热敏感的颜色、营养和风味不受影响。与其他非热处理选项相比，PEF 可以在连续模式下运行，并且很容易集成到现有的加工线中。由于其与温和热量的协同作用，果汁行业中的大多数工业 PEF 生产线都利用现有或定制的预热和冷却装置，在 30 至 40 C 的入口温度和远低于 60 C 的最高产品温度下运行。与高温、短时间处理相比，温度降低（通常超过一个 z 值5 ）会产生优质的外观和味道。
　　图 4：使用 12 kV/cm 电场强度在不同能量水平下 PEF 处理前后瓜汁中的微生物浓度
　　图 5：PEF 工艺与热巴氏杀菌的热影响
　　在处理动物细胞结构设计中也可以观察到积极的影响，例如肉类。
　　组合方法还允许回收所施加的电能和优化能量效率。由于 PEF 在灌装前应用于产品，因此该过程与所使用的包装材料无关，可用于装入容器的半成品，以及装在 PET 或玻璃瓶中的最终产品。工业规模系统的范围从 500 到 10.000 升/小时，在大规模操作中总加工成本低至 0.02 欧元/升6产品。 PEF 在肉类加工中的应用
　　在处理动物细胞结构设计中也可以观察到积极的影响，例如肉类。PEF 会改变肉的结构，使其质地更柔软，7而翻滚的机械过程可以减少时间。PEF 处理肉类后的盐水吸收速度提高了大约 50%，这提高了制造过程的效率，同时也实现了质量改进。
　　PEF系统
　　根据技术的应用，可以使用不同的 PEF 系统。通常，该系统由脉冲调制器和治疗单元组成。在 PEF 的早期阶段，火花隙和真空管被用于为开关供电。8然而，由于耐用性差，开发了高功率半导体，这使得 PEF 系统的设计能够在试验和工业规模上进行。今天，高压脉冲形成有两种选择：第一种是基于变压器的系统，其中低压脉冲与脉冲变压器结合使用，第二种是马克思发生器。在这种情况下，一堆电容器并联充电和串联放电，以实现非常高的功率转换率。
　　典型的平均功率在 20 到 400kW 之间。产生的高压脉冲被施加到处理单元中的产品上。根据应用的不同，无论是液体食品还是固体食品，处理单元的设计都会有所不同。对于液体材料的处理，处理区集成在管道系统中，其中直径根据所需的吞吐量而变化。诸如块茎之类的固体材料在包含至少两个电极的传送带上传送。对于这种应用，产品被浸没在水中以提高能源效率。