负责人:常正实

所在学院：电气学院

项目简介

我国是世界最大的浓缩汁生产国，而在非还原汁（not from concentrate,非浓缩还原果汁）、果肉汁（Smoothies）、主剂复配等新型果蔬汁理论、技术、产品和装备等方面，与发达国家相比还存在明显差距。2020年我国果汁销售额达到1300亿元，但产业大而不强，存在如下突出问题：

（一）传统汁产品单一、加工过度、品质营养损失严重：果蔬原料经过复杂的酶解、过滤、吸附、浓缩、高温杀菌等工序，品质和营养损失大，产品同质化严重，多数企业处于亏损状态，产业转型迫在眉睫。

（二）新型果蔬制汁的理论研究与技术研发结合不紧密，技术缺少原创性：以NFC为代表的新型果蔬汁成为消费者“新宠”，但相关基础研究不完善，且与产业结合不够紧密，针对不同果蔬制汁的精准系列化配套技术尚不充分；终端果蔬汁和主剂复配开发不够，产品标准相对落后；目前NFC出汁率低（<70%），生产效益有待提高。

（三）关键加工装备和全程智能生产线技术研发滞后、自主知识产权的配套技术缺乏，关键设备依赖进口：新型杀菌设备的可靠性和稳定性有待提高，以超高压（HPP）为代表的非热杀菌采用间歇式操作，生产效率低、成本高；冷榨果蔬汁设备配套和智能控制有待完善。

本项目利用脉冲电场对果汁进行灭菌保鲜处理。在外加电场的作用下，细胞会产生跨膜电势，跨膜电势挤压细胞膜，使得细胞膜厚度减小。当超过临界值时，细胞膜会产生崩解，形成小孔。由于细胞具有自我修复能力，当这些小孔面积较小时，细胞能自动修复这些小孔，这些小孔是可逆小孔。但随着电场强度增加，或者随着作用时间增长，细胞崩解面积大到细胞难以自愈，此时的击穿不可逆，细胞内容物外泄，导致细胞死亡，达到灭菌目的。

研究制备针对果蔬汁、牛奶等营养饮品的脉冲电场灭菌保鲜处理装备，可进一步提高营养饮品品质，改善我国饮品结构，提升全民生活质量，响应我国“健康中国”的号召。根据健康中国2050国家相关政策，液体食品非热杀菌保鲜技术在长期内都会具有较好的政策扶持及政府支持。本项目所生产产品均满足国家标准GB4789，且同时满足各果汁、牛奶生产企业的企业标准。

面对传统热力杀菌伴随的饮品营养损失严重、品质低，等行业瓶颈问题，本项目基于脉冲电场和低温等离子体，研发了协同非热杀菌装置。设计专门的处理装备，针对不同种类和参数的电场技术对非热杀菌效果进行优化处理，避免了传统热力和化学杀菌技术带来的问题，实现高效杀菌的同时，最大程度地保留果蔬的营养成分，为非热杀菌保鲜技术的跨越式变革提供助力。

图1脉冲电场灭菌系统示意图

二、产品性能优势

项目主要对标目前炙手可热的“巴氏杀菌”，分别从以下三个方面具有明显优势。

（一）灭菌效果：巴氏灭菌只可以对牛奶中的原生菌进行杀灭，仍残留部分的耐热细菌及芽孢，因此只能在2-6℃的温度下保存，且只能保存2-7天，这是目前巴氏杀菌所面临的最大短板。但是脉冲电场利用高压电场所引起的细胞形变，进一步导致细胞死亡，可以在50摄氏度以下的环境中，达到99.99%的灭菌效率，且不仅可以杀灭原生菌，对耐热菌以及芽孢同样具有较好的灭菌效果。

图2脉冲电场处理细胞电镜图

（二）营养保留：脉冲电场灭菌技术作为一种低温灭菌技术，避免了热杀菌所带来的营养损失，经检测经过脉冲电场灭菌的牛奶对牛奶中所富含的蛋白质、维生素、乳糖等营养物质几乎没有损伤。

表1巴氏灭菌对比

（三）处理成本：经调研，处理相同流量的牛奶，脉冲电场灭菌装备成本的巴氏灭菌装备的70%，因此，脉冲电场灭菌还是一种更为经济的处理方式。

项目前期基于放电等离子体核心技术，研制了三种类型的大气压放电等离子体源（平板型、沿面型、共轴型），揭示了等离子体产生和活性粒子调控机制（国科金青年、面上，博士后基金特别、面上，国家重点实验室基金3项），应用于细菌灭活（革兰氏阴/阳性、真菌、芽孢）（西安交大学科交叉基金，获得陕西省科技二等奖和陕西高等学校科技一等奖）、动物细胞处理（促进成纤维细胞增值、抑制肿瘤细胞增值）（中央基本科研业务专项基金）、种子杀菌干燥（科技部重点研发2018YFD0700202，获得第九届西安交通大学创业实践大赛（“创客清远”杯）金奖）、果汁杀菌保鲜（广东省重点研发2018B020239001，获得第九届西安交通大学创业实践大赛（“创客清远”杯）金奖）、空气消毒净化（国科金新冠应急专项52041702，获得第十五届全国研究生电子设计大赛（商业赛道）金奖），共发表论文60余篇，其中SCI检索32篇，申报专利40件（发明33，PCT 2，实用新型5）。

三、市场前景及应用

随着科技水平和国民生活水平的提升，在保证食品安全的前提下，如今，越来越多的消费者对方便、优质、风味自然、口感醇厚、外观新鲜的食品更为青睐，对获得这种食品的最少化加工亦提出了更高的要求。另外，中共中央、国务院于2016年10月25日印发实施《“健康中国2030”规划纲要》，对食品制造加工业提出了新的要求，明确提出推进健康中国建设，因此，食品杀菌保鲜技术工艺面临着巨大机遇。

2014年我国饮品市场约为158亿元人民币，同比增长率为7%，全国饮料产量在2014年达到166.99万吨，国内牛奶产量在未来几年内将不断增长，2017年以后牛奶产量突破500万吨，市场规模约473.08亿元，以后每年将以10%的增长速度增长，截止到2022年我国牛奶产量将达到17254万吨。

图3奶制品市场容量与规模

结合前期的市场调研，团队前期开发基于脉冲电场和低温等离子体的流体食品杀菌保鲜装置定位于各类果汁果类饮品加工制造企业、各类牛奶加工制造企业，以及研究院、高校等科研院所。

四、技术成熟度

√概念验证 √原理样机 □工程样机 √中试 √产业化

本项目技术成熟度达到5级，已完成脉冲电场处理模块的设计与研发，以及大功率可调参数脉冲电源的研发与调试，开展了脉冲电场对柚子汁、牛奶的灭菌保鲜处理，获得了符合食品卫生安全标准的规律性效果，证明了项目方案可行性，为装置集成和参数优化奠定了基础。

第一阶段（已完成）：脉冲电场灭菌系统设计及搭建：

1、根据流场及电场仿真，并结合实验结果，设计最佳处理结构；

2、完成串联流场与并联电场的系统搭建；

3、特种高压脉冲电源的研发。

图4脉冲电场灭菌系统示意图

第二阶段（已完成）：测定灭菌效果，达到国家标准：

1、因牛奶中所含细菌数量较少，直接利用牛奶进行实验无法得出准确电场灭菌效果，因此首先利用菌悬液进行细菌杀灭实验，在80L/h的流速下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等多种典型细菌进行杀灭实验，实验结果表明：脉冲电场灭菌效率大于99.999%。

图5脉冲电场灭菌效果（左：大肠杆菌，中：金黄色葡萄球菌，右：白色念珠球菌）

2、对新鲜生牛乳进行灭菌处理，经检测，经过脉冲电场灭菌的生牛乳细菌含量均满足国家标准。

表2新鲜牛乳灭菌效果（数据来自西安阳光科仪检测中心）

第三阶段（已完成）：实验室生产线的搭建与调试

在西安交通大学广东研究院的支持下，项目已于今年年初完成实验室生产线的搭建与开机调试（广东顺德），经测试，实验室生产线产出产品均满足国家标准。

实验室生产线搭建得到西安交通大学广东研究院、上海瑞元机械制造公司、菠萝世家等公司的支持。

图6实验室生产线

五、合作方式

√联合研发 √技术入股 □转让 √授权（许可）√面议