摘要：随着人们对食品安全的要求越来越高,由于病原微生物对食品的污染是影响食品安全的主要因素，消除病原微生物的污染就成为各个食品生产环节的重要工艺问题。脉冲强光技术是一种新型冷杀菌技术，它利用瞬时、高强度的脉冲光能量杀死食品和包装上各类微生物，而对食品的营养成份以及口感影响很小，它是一种可替代传统食品杀菌的新型杀菌技术。
本文主要研究一种基于脉冲强光技术的杀菌系统，通过完善脉冲强光杀菌理论体系、研究脉冲强光技术的原理及杀菌机理、建立氙灯模型、设计系统结构及设备控制，实现具有高效、自动化的杀菌系统。此外，通过对比传统杀菌技术，结合脉冲强光杀菌的技术可行性，本文提出脉冲强光杀菌技术的应用领域和方向，为脉冲强光技术应用拓展奠定了坚实的基础。
基于对脉冲强光技术的食品杀菌设备的着力突破[1]、解决目前食品杀菌设备杀菌能力不足、设备跨学科研究程度不高、长期维持高效杀菌困难、杀菌成本高等问题，我公司成功研发出应用食品领域的脉冲强光杀菌设备，对提高国内整体的食品杀菌水平，打破国外在该项技术杀菌设备领域的垄断地位有着深远的意义。
关键词 ： 杀菌；放电分析；脉冲强光；自检测
Sterilization System Research Based on the Technology of Pulsed Light
Yang tian han
（宁波中物光电杀菌技术有限公司 浙江 宁波 31500）
(ning bo zhong wu guang dian sterilization technology company zhejiang ningbo 31500 )
Abstract: As people's living standard improving, the requirement of health is paid more attention to. Food safety is an important aspect to ensure life health ,and the pollution of pathogenic microorganisms in food is the main factors affecting food safety, eliminating pollution of pathogenic microorganism becomes the important technology of food production. Pulsed light technology is a new type of cold sterilization technology, which uses the instantaneous and high strength pulse light energy to kill various kinds of microbes on food and packaging, and bring little impact on food nutrition and taste, so it will be a new alternative to replace traditional food antiseptic sterilization technology.
In this paper, we study a new sterilization system based on the technology of pulsed light, through completing pulse strong light sterilization theoretical system, researching the principle and the sterilization mechanism of the pulsed light technology, establishing a xenon lamp model, designing the system structure and equipment control, it realizes the sterilization system with high efficiency, automation.
With the background basing on making a breakthrough of pulsed light technology on food sterilization equipment [1], resolving the food sterilization equipment sterilization ability insufficiency, the equipment having a low level of interdisciplinary research, difficulty in long-term maintaining efficient sterilization, high cost, our company has successfully developed the pulse strong light sterilization equipment which is well applicated in the field of food, which can improve the level of domestic food sterilization.
Key words: sterilization; Analysis of discharge; Pulsed light; self- detection
1.引言
食品安全直接关系到国民的身体健康和生命安全，从而食品安全的重要性也影响到杀菌技术的重要性。目前食品工业中采用的杀菌方法主要是加热杀菌和冷杀菌两大类。热杀菌法虽能保证食品在微生物方面的安全，但会破坏对热敏感的营养成分、食物的质构、色泽和风味，消耗大量能量，且在低温加热时并不能完全杀灭微生物。传统冷杀菌存在杀菌效果不明显、残留物多、产生次生污染等情况。
脉冲强光杀菌是一种弥补传统杀菌手段的新型冷杀菌技术[2]，不仅对食品的营养和风味影响小，而且能快速的杀灭大多数的细菌，杀菌效率高。
2.脉冲强光技术的杀菌机理和原理
2.1 脉冲强光杀菌机理
脉冲强光技术是一种新型杀菌方式，利用瞬时强光对细菌的表面进行照射，使得细菌表面产生化学反应，从而彻底杀灭细菌。
其机理主要有两点：（1）光化作用，当细胞中核酸被脉冲强光照射时会大量吸收紫外光，从而在体内形成一部分的间二氮杂苯和间二氮杂苯[3]的异构体。这种物质会使细菌自身的新陈代谢出现障碍，导致细菌的遗传性出现问题，直至死亡。（2）光热作用，当脉冲强光的辐射剂量达到一定水平，能在微观上使细菌壁的表层升温，从而破坏细胞壁，使细胞液蒸发，彻底破坏细胞结构，导致死亡。
2.2 脉冲强光技术的原理
脉冲强光最基本结构是由一个动力单元和一个惰性气体灯单元组成。动力单元向惰性气体灯单元提供高电压高电流脉冲，从而提供所需能量；惰性气体灯获得能量时，发出由紫外线至近红外线区域的光线，紫外线波段尤为丰富，其光谱与太阳光光谱相近，但强度要超出数千倍至数万倍。产生脉冲强度需要：一是具有功率放大作用的能量储存器在相对较长时间内（几分之一秒）积蓄能量，而后在短时间内（微秒或毫秒级）将该能量释放出来做功，这样在每一工作循环内就会产生相当高的峰值功率；二是光电转换系统将产生的脉冲能量存储在惰性气体灯中，由电离作用产生高强度的瞬时脉冲强光。原理如图1。
图1 脉冲强光杀菌技术原理
3.脉冲强光食品杀菌设备的技术特性
脉冲强光技术相比传统杀菌技术，具有高穿透性、低温性、即停/开控制、能效高、高适配性和安全性高等无可比拟的优势。
4.基于脉冲强光技术的杀菌系统研究的意义
脉冲强光杀菌技术相比其它杀菌手段有着巨大的优势，有望取代或补充热杀菌技术，是杀菌技术的前沿课题。因此研究基于脉冲强光技术的杀菌系统对未来杀菌技术革新有着深远的意义。整个系统研究从脉冲强光杀菌机理、脉冲强光原理，以及杀菌系统、控制系统、冷却系统和结构设计出发，分别对其进行优化设计实验，并通过实际应用测试取得了良好效果。填补了国内脉冲光电杀菌技术应用的空白。
5.基于脉冲强光技术的杀菌系统研究的内容
基于脉冲强光技术的杀菌系统主要由杀菌系统、控制系统、散热系统和机柜四部分组成组成。图2为我公司产品效果图。
图2：我公司产品效果图
5.1 研究开发内容
我公司在学习前人的基础上，从脉冲强光杀菌理论体系、核心技术和关键问题上进行了系列创新，研制出一套具有完全自主产权的杀菌效率高、能耗低、可控性好、集成化高的新型杀菌系统。图3为我公司主要研究内容。
结构设计 反复测试
图3：我公司主要研究内容
（1）脉冲强光杀菌理论体系的完善。
目前对脉冲强光的杀菌理论尚且存在多种理论。中物光电从多年研究经验来看，尚需要进一步的研究和确认，以期设计出更优、更便利的使用方法。这涉及从设计角度如何实现最佳的能量利用率和滤光措施。从美国和德国的一些研究来看，对可见光进行适当过滤也能保证较好的杀菌效果，这种方式对工业应用时增强便利性有很大好处，完成了将理论应用实际的关键一步。
（2）高稳定性的大功率直流充电电源研制
惰性气体发出强光需要强大的供能设备，如何为惰性气体提供高能电源成为脉冲杀菌技术的关键。大功率充电装置为设备的核心器件之一，为产生放电高压的关键元件。采用高频开关技术产生能长期稳定工作的开关电源。初步设计的主回路部分和控制部分的原理图如图4、图5下：
图4：电源主回路电路图
图5：电源控制部分电路图
（3）针对不同杀菌要求，设备基础电参数、灯管配套参数、光参数的设计与优化。
设备的杀菌效果、稳定性、转化效率等与基础电参数、灯管配套参数密切相关。设备的基础电参数设计是驱动灯管工作的核心，电参数和灯管参数的合理匹配决定了最终光输出质量，而光输出质量决定了最终杀菌效果。图6为典型的脉冲强光的光谱图。
图6：脉冲强光光谱图
（4）微生物实验数据的采集与分析
决定杀菌效果的因素有很多，不同光输出质量对被照射物体的不同菌种的影响存在差异。采集到足够的微生物实验基础数据进行分析能对我们的光质量控制提供依据。从而保证设备的功能达到最优的杀菌状态。以下图7、图8为我司微生物实验场景。
图7：微生物实验室及菌种储藏室
图8：微生物实验过程
（5）设备控制分析系统开发
功能完善、设计合理的控制分析系统能实现可视化操作及设备运作数据的记录、分析和数据反馈，从而实现设备的智能化跟踪控制。对可能存在或出现的问题，更是增加了安全措施。如：脉冲强光杀菌存在灯光发热严重问题，我公司研制新型风冷、水冷系统，可有效减少因灯管发热产生的相关问题。
（6）结构设计
由于杀菌对象存在个体差异，因此需要针对不同的杀菌对象设计不同的产品形式，同时为了匹配不同的产线也需要进行针对性的结构设计，只有对核心部件进行模块化设计，对辅助设备非标设计才能实现整个系统的实用性、专一性和通用性。典型的如对包材表面杀菌采用灯箱聚光的照射形式，对不同色泽的流体需要采用不同形式、流体厚度的处理腔。图9为我司为客户产线设计的部分设备结构成果图。
图9：设备灯箱结构设计成果图
5.2我公司脉冲强光技术主要创新点
我公司通过对杀菌机理进一步分析，制定反应杀菌效果标准参数并进行实验。实验结果表明：脉冲强光技术的细菌杀灭率达到99.99%。通过对整个系统进行优化并老化测试，实现灯管的长寿命以及系统较长的安全工作时间。而且自主研发适用于该套设备的PLC控制系统，实现设备工作全过程监控，同时添加辅助系统如报警模块使得系统更加放心安全使用。
（1）通过研究脉冲强光的杀菌机理，利用PFN（脉冲形成网络）获得了1-2个脉冲内对黑曲霉孢子和枯草芽孢达到99.99%以上杀灭率[5]，实现理想的杀菌效果，杀菌效率上大幅超越原有的紫外技术。在脉冲强光领域的杀菌效果为国内首次实现，达到国际水平。
（2）通过系统化实验设计和长期老化测试等方式对氙灯放电模型进行了优化，实现了灯管应用寿命的突破。通过实践证明，最终使用寿命达到6个月，超过4000小时、1500万次，达到国外先进水平。
（3）通过PLC和单片机分析系统实现系统的自检测及报警功能创新。该系统能极大地便利客户的使用维护、保障安全、提升被处理物体的杀菌效果稳定性。
6.基于脉冲强光技术的杀菌系统研究的应用[6]
脉冲强光技术因其独特的杀菌机理和原理，配合专门的结构设计以及先进的控制系统，有着鲜明的特点和优势，可以方便有效的应用到众多杀菌领域。可以广泛应用于水处理、空气杀菌、食品饮料杀菌、物体表面杀菌、温室种植和光固化等领域。
脉冲强光技术属于全新冷杀菌技术，结合PLC控制技术、结构设计技术，形成基于脉冲强光技术的杀菌系统，具有杀菌效率高、低能耗、设计灵活、适用范围广、控制灵活等特点。我公司产业化的脉冲强光杀菌设备已成功应用于国内十多个地区，目前在线运作设备均实现了高水准的杀菌效果。
参考文献：
[1]夏文水，钟秋平.食品冷杀菌技术研究进展.中国食品卫生杂志.2003,15（6）；539~544
[2]周万龙,任赛玉,黄建军等.自动控制脉冲强光杀菌装置的研制.食品与机械.1997(5)：12-13
[3]周万龙,张巧玲.脉冲强光杀菌对酶的钝化作用研究.食品工业科技.1998(1)：15-17
[4]张佰清,付会鹏.脉冲强光对两种霉菌和两种酵母菌的杀菌效果研究食品工业科技.2010,31(6)：125-126
[5]马凤鸣,张佰清,徐江宁等.脉冲强光杀菌装置设计的初步研究.食品与机械.2005,21(6)：66-67
[6]周素梅.脉冲光杀菌新技术在食品及包装的应用.广州食品工业科技.2010（2）：55-56
