从薯片到果汁和干制品：NewFood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kJ/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-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12kV/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到10.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kW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。
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