利用脉冲电场对液态食品进行非热杀菌：基于特斯拉线圈和多级逆变器的方法

脉冲电场技术结合共振特斯拉线圈与级联H桥多电平逆变器，实现高效低耗的液体食品微生物灭活。系统在6mm电极间隙下输出18kV峰值电压，脉宽2-10μs，效率达87%，较传统拓扑谐波降低27%，微生物灭活效果达5log以上，同时保持维生素C等营养成分95%以上保留率。

普拉卡西特·斯里塔卡乌（Prakasit Sritakaew）| 拉德查瓦迪·西拉蓬（Rardchawadee Silapunt）

泰国曼谷吞武里国王蒙固技术大学电子与电信工程系

摘要

对低加工食品需求的增长加剧了人们对脉冲电场（PEF）技术的兴趣，这种技术作为一种非热处理方法，能够在保持营养和感官品质的同时灭活微生物。本研究介绍了一种混合脉冲生成系统的设计和实验验证，该系统结合了共振特斯拉线圈和级联H桥多电平逆变器，用于产生可控的高压脉冲以处理液态食品。该系统使用PowerSIM仿真软件（PSIM）进行建模，并实现了实验室规模的原型。实验以椰子汁作为代表性导电液体进行，施加了20–35 kV/cm的电场强度和2–10 μs的脉冲宽度。发电机产生了稳定的单极和双极脉冲，上升时间低于1 μs，最大峰值电压为18 kV，电极间隙为6 mm。与文献中报道的基于变压器的脉冲调制器相比，所提出的架构将谐波失真降低了约27%，开关损耗降低了约19%，总体电气效率接近87%。微生物评估显示，在约30 kV/cm的电场强度下，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的减少量超过了5个对数单位；而在累计脉冲暴露超过45–60次的情况下，大肠杆菌（coliform bacteria）的减少量也超过了5个对数单位。这些减少量与果汁安全验证框架中常用的5个对数单位性能标准一致。质量分析表明，pH值稳定，维生素C保留率约为95%，感官属性与未经处理的对照组相比没有统计学上的显著差异。结果证明，将模块化逆变器拓扑与共振能量传输相结合，可以开发出紧凑且节能的PEF系统，在实验室条件下实现可重复的脉冲传递和显著的微生物减少，为进一步的规模扩大和工业评估提供了技术基础。

引言

对具有类似新鲜特性的低加工食品需求的增加，促使人们研究能够在保证微生物安全的同时保持营养和感官品质的非热杀菌方法。脉冲电场（PEF）技术作为一种有前景的方法，利用电极之间的短时高压脉冲诱导微生物细胞膜的电穿孔。与传统热处理过程不同，PEF可以最小化维生素、蛋白质和风味化合物的降解，使其适用于果汁、牛奶和其他液态产品（Jin和Bermudez-Aguirre，2025；Qin等人，1995；Toepfl等人，2014）。早期研究表明，20–80 kV/cm范围内的电场可以有效灭活酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和大肠杆菌（Escherichia coli），证实了PEF在食品保存应用中的潜力（Barauskaitė等人，2022；Krishnaveni，2023；Qin等人，1995）。此外，对生物质增值的中等电场处理的应用表明，受控的电场暴露可以显著增强膜通透性和质量传递，Hai等人（2024）在他们的糖提取研究中通过电穿孔辅助机制验证了这一点。同样，对乳制品系统的非热保存策略的研究表明，基于电磁的处理可以在保持微生物安全的同时更好地保持营养完整性（Mazumder等人，2026）。这些发现共同强调了电驱动膜破坏现象在各种食品基质和处理目标中的广泛相关性。

除了经验性的灭活研究外，电穿孔建模的最新进展为理解控制膜破坏的生物物理机制提供了更深入的见解。Guo等人（2025）表明，脉冲之间的电场方向变化显著改变了不可逆电穿孔（IRE）区域的空间分布，特别是在受影响组织域中处理后的导电性动态增加时。同样，Orlacchio等人（2023）表明，脉冲持续时间、重复率、吸收的能量密度和瞬态温度升高共同影响多细胞系统中的电穿孔效率，强调了脉冲参数优化的重要性。Zhang等人（2024）的补充数值模拟进一步揭示了多细胞组装体内的导电性重新分布如何在连续脉冲期间改变局部场强度，影响孔隙形成阈值和细胞存活模式。这些发现强调，电穿孔不仅受静态场强（E = V/d）的控制，还受时间依赖的导电性演变和空间场重新分布的影响。对于具有不同离子组成的液态食品基质，因此在设计旨在实现均匀和可重复微生物灭活的脉冲生成系统时，必须考虑这种动态电行为。值得注意的是，Hai等人（2024）进一步强调，在中等电场条件下，频率选择和暴露持续时间直接影响通透效率，这意味着波形稳定性和参数精度对于可预测的生物反应至关重要。同时，Mazumder等人（2026）指出，不同的电磁处理模式会产生不同的微生物和营养结果，强调了场特性——而不仅仅是标称电压——决定了处理性能。

尽管在电穿孔理论和建模方面取得了这些进展，但由于脉冲生成硬件的限制，PEF在液态食品杀菌中的实际应用仍然受到限制。传统的固态调制器和基于变压器的设计通常体积庞大、能耗高且容易产生波形失真，限制了可扩展性和工业可行性（Chen等人，2017；Guo等人，2020；Zhou等人，2022）。在实际系统中，电压下降、上升时间限制和寄生电感经常影响具有恒定幅度的方波脉冲的传递，特别是在高导电性液体负载下。当处理过程中的食品基质电气性质发生变化时，这些限制变得更加显著，如电穿孔辅助提取和保存研究中观察到的（Hai等人，2024；Mazumder等人，2026）。因此，研究转向了先进的电力电子拓扑结构，如级联H桥和模块化多电平逆变器，这些结构提供了更好的脉冲幅度、上升时间和占空比控制能力，同时减少了开关损耗（Azli等人，2014；Elgenedy等人，2016；Piah等人，2016）。处理室和电极配置的结构优化进一步提高了场均匀性和微生物灭活效率（Pradhan等人，2023；Tian等人，2024）。然而，大多数现有解决方案要么仅关注电穿孔理论，要么仅关注电力电子实现，而没有将动态场考虑与紧凑高效的脉冲生成相结合。此外，虽然先前的研究在受控实验室电源下展示了生物效果，但很少有研究明确探讨了发电机拓扑在实际导电负载条件下的场稳定性影响。

最近的研究继续报告未解决的工程挑战。基于多电平逆变器的发电机可以产生高压脉冲，但开关协调的复杂性和对被动滤波的依赖限制了波形的精度（Zhou等人，2022）。腔室优化研究改善了场分布，但主要限于实验室规模的验证（Tian等人，2024）。固态开关方法提高了可靠性，但限制了脉冲宽度和上升时间控制的灵活性（Chen等人，2017）。经过验证可用于水消毒的模块化多电平系统显示了效率的提高，但它们适应具有变化电气特性的导电食品基质的能力尚未得到充分解决（Elgenedy等人，2016）。因此，仍然存在一个明确的研究空白：尚未有集成架构同时结合了紧凑配置、可调脉冲形状和高能量效率，同时考虑到导电液体食品系统中的场均匀性要求，特别是考虑到电辅助提取和保存研究中的证据（Hai等人，2024；Mazumder等人，2026），这些证据强调了精确电控制对生物结果的敏感性。

引入共振能量传输元件为这些限制提供了一个潜在的解决方案。特斯拉线圈作为共振变压器运行，能够通过电感-电容共振存储和传输电磁能量，从而实现快速电压放大并减少开关应力（Cho和Ryoo，2021）。当与级联H桥多电平逆变器集成时，共振阶段可以锐化脉冲上升时间并提高波形保真度，而无需依赖庞大的磁性变压器。这种集成提供了传递精确控制的高压脉冲的可能性，适用于电穿孔驱动的杀菌，同时保持紧凑的架构和提高的能量效率。在这种情况下，混合配置可能更好地适应先前电辅助食品处理研究中发现的导电性波动和频率敏感的通透效应。

基于这些考虑，本研究探讨了将共振特斯拉线圈与级联H桥多电平逆变器结合是否可以提供一种混合脉冲发生器，能够产生可调的高压脉冲，同时减少谐波失真和开关损耗。研究目标有三个：评估电气性能和波形可控性；验证连续流处理室内的均匀电场传递；以及评估在与液态食品处理相关的条件下微生物灭活的效果。通过将电穿孔原理与先进的电力电子设计相结合，所提出的架构旨在弥合理论建模和工业可行的PEF杀菌系统之间的差距。

本手稿的其余部分结构如下。第2节介绍了控制电穿孔和动态导电性效应的理论原理。第3节描述了仿真框架、电路实现和实验设置。第4节报告了电气性能和微生物灭活结果。第5节讨论了系统可扩展性、特定基质的考虑以及工业意义。最后，第6节总结了主要发现并概述了未来的研究方向。

部分摘录

使用PEF技术的液态食品杀菌原理

脉冲电场（PEF）杀菌依赖于高强度、短时电场与微生物细胞膜之间的相互作用。当细胞暴露于外部电场时，电荷在脂质双层中积累，诱导跨膜电位，使膜结构不稳定。在准静态假设和球形细胞几何形状下，跨细胞膜的诱导电位差可以用经典的Schwan方程描述

材料与方法

材料和方法的设计确保了可重复性、参数可追溯性以及电气设计与生物验证之间的一致性。方法论框架结合了电路级仿真、原型实现和受控的实验室规模连续流杀菌试验。首先使用基于PSIM的建模来定义开关策略、共振条件和在真实处理室阻抗下的负载表示，从而可以进行预测

结果

通过集成电路仿真、原型级电气测量以及在第3节定义的条件下进行的受控微生物实验，评估了所提出的混合脉冲电场（PEF）系统的性能。结果展示了级联H桥多电平逆变器-共振特斯拉线圈配置的电气功能及其在实现基于电穿孔的微生物灭活方面的有效性

讨论

第4节中的结果表明，混合脉冲电场（PEF）发生器能够在实验室规模连续流条件下提供具有可控上升时间、减少谐波失真和可重复能量传递的高压脉冲。对于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和大肠杆菌（coliform bacteria），实现了显著的微生物减少，同时保持了椰子汁的物理化学和感官属性在实验不确定性范围内。

结论

本研究介绍了结合级联H桥多电平逆变器和共振特斯拉阶段的混合脉冲电场（PEF）发生器的设计和实验室规模验证，用于液态食品处理。该系统生成了高压脉冲（约18 kV），上升时间低于1 μs，脉冲宽度可调（2–10 μs），整体电气效率接近87%，并且相对于文献中报道的基于变压器的调制器的谐波失真减少。腔室评估

作者贡献声明

拉德查瓦迪·西拉蓬（Rardchawadee Silapunt）：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。普拉卡西特·斯里塔卡乌（Prakasit Sritakaew）：写作——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化

未引用的参考文献

Barauskaitė等人，2022a；Barauskaitė等人，2022b；Chen等人，2017a；Chen等人，2017b；El Kantar和Koubaa，2022a；El Kantar和Koubaa，2022b；Elgenedy等人，2016a；Elgenedy等人，2016b；Guo等人，2020a；Guo等人，2020b；Jin和Bermudez-Aguirre，2025a；Jin和Bermudez-Aguirre，2025b；Kantala等人，2022a；Kantala等人，2022b；Krishnaveni，2023a；Krishnaveni，2023b；Pradhan等人，2023a；Pradhan等人，2023b；Qin等人，1995a；Qin等人，1995b；Tian等人，2024a；Tian

利益冲突声明

☑ 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。