一种蔬果表面微生物灭活处理系统

本发明属于电化学，涉及一种蔬果表面微生物灭活处理系统，其用于蔬果表面的微生物灭活和延长蔬果的保鲜期。

背景技术：

1、控制蔬果表面致病菌的重要性不可忽视。蔬果表面可能会被多种微生物污染，包括沙门氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等。食用这些受污染的蔬果可能引发食源性疾病，诸如腹泻、呕吐和发热。因此，确保蔬果的表面卫生和食品安全对保护公共健康、减少食品中毒风险至关重要。为此，多个国家和地区已制定了食品安全法规和标准，要求生产者和供应商采取措施控制蔬果上的致病菌。对于大型超市和便利店等批发零售机构来说，他们面临的挑战更为复杂。由于收购的蔬果通常来自全省各地，这些产品在种植、采收、运输过程中极易被各种致病微生物污染。对每件蔬果进行逐个检测以评估表面农药残留显然不现实，而抽样检测又存在漏检的风险。

2、使用化学活性物质进行蔬果表面的消毒杀菌是一种可行的食品处理方法。如氯酸盐和臭氧等活性物质可以有效杀灭或抑制蔬果表面的微生物，从而提升蔬果的食品安全性。臭氧以其强大和广泛的氧化性而著称，但在自然环境中的半衰期极短，通常仅为半小时左右。相比之下，含氯氧化物(以氯酸盐为代表)的氧化性虽较弱，但其半衰期相比臭氧较长，在偏碱性和低温条件下可长达数天，正好适用于新鲜蔬果的常规保存环境。此外，这些化学活性物质还有助于清除蔬果表面的农药残留。许多常见的农药，如氯丙烯酰胺、吗啉酮和吡硫磷等，含有易被臭氧或氯酸盐破坏的硫醚键或烯烃键，这为降低残留农药的毒性提供了可能。此外，乙烯作为加速蔬果过熟的关键因素，其浓度也被上述物质所抑制。

3、现有小规模地使用臭氧或氯酸盐单独对蔬果进行处理，但这些方法的应用范围存在明显限制。例如，尽管臭氧能有效杀灭蔬果表面的潜在致病性微生物并去除乙烯，但由于其半衰期极短，残余臭氧迅速分解为氧气，使得微生物灭活和除乙烯的效果不持久。另一方面，氯酸盐难以长期保存，在室温环境中会迅速分解，使得精确控制其使用量变得困难，带来安全隐患。

4、因此，探索一种能基于有效杀菌物质“现制现用”的蔬果表面处理方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明致力于弥补现有技术在蔬果表面微生物灭活方面应用的不足，旨在提供一种新型的蔬果表面处理系统。该系统可以实现对蔬果表面微生物的有效灭活和持续性抑制，同时延长蔬果的保质期。本发明的涉及精确调节通过生成臭氧/氯酸盐模块的电流强度、现制氯酸盐溶液的稀释倍数、以及单次泵送含有化学活性物质的气体/液体量，从而有效控制处理强度。该系统针对不同种类和数量的蔬果，可提供多种灵活的处理模式，如液体浸泡、液体喷雾、以及纯气体处理等，旨在扩大应用范围并提升处理过程的可控性。

2、为实现以上发明目的，本发明提供以下技术方案：一种蔬果表面微生物灭活处理系统，包括：设备主体、plc控制系统、臭氧发生模块、氯酸盐发生模块，设备主体呈箱型，设备主体内设有封闭的蔬果处理区，臭氧发生模块用于通过紫外照射空气的方式实时制备臭氧，氯酸盐发生模块用于电解的方式生成氯酸盐溶液，plc控制系统用于控制臭氧发生模块、氯酸盐发生模块的发生速度及各管路阀门的通断；臭氧发生模块制备的臭氧用于以气体或溶解在水中的形式接触蔬果处理区内的果蔬表面进行微生物灭活，氯酸盐发生模块制备的氯酸盐溶液以浸泡、喷淋或喷雾的方式接触蔬果处理区内的果蔬表面进行微生物灭活；

3、臭氧发生模块生成的臭氧通过第一控制阀门后通入蔬果处理区，氯酸盐发生模块生成的氯酸盐溶液通过第二控制阀门后通入蔬果处理区内设置的液体雾化器，臭氧发生模块、氯酸盐发生模块、第一控制阀门、第二控制阀门、液体雾化器分别电连接至plc控制系统。

4、氯酸盐发生模块制备的氯酸盐溶液的浓度c的计算公式为：

5、

6、公式(1)中，q表示电荷量，电荷量q是电流i与时间t的乘积，η表示法拉第效率，法拉第效率η表示电解过程的效率，法拉第效率η是实际产生的物质的摩尔数与理论上应该产生的摩尔数的比值，f表示法拉第常数，n表示电子转移数，v表示溶液体积，溶液体积v表示生成氯氧化物的溶液总体积。

7、臭氧发生模块采用紫外照射的模式制备臭氧，通过严格控制紫外照射灯管的功率和数量，使用无毒无害的空气制备臭氧后泵送到确定的蔬果处理区的容积内，从而精确控制臭氧发生模块所制备的臭氧浓度,还能够避免氮氧化物的产生；

8、氯酸盐发生模块采用活性阳极制备氯酸盐溶液，通过精确控制输入的电流和电压来进行电化学反应，生成现制的氯酸盐溶液，以实现溶液的现制现用，因此能够有效在电解质的溶液中维持高度稳定的电流，从而基于能斯特方程精确控制现场制备的氯酸盐浓度。

9、优选的，所述氯酸盐发生模块以氯化钠溶液为原料制备氯酸盐溶液；

10、在氯酸盐发生模块中的阳极表面，氯离子可以被氧化生成次氯酸根(clo-)离子，如反应式①-③所示。此外，当施加在电极表面的电压进一步增大时，氯离子还可以在阳极表面发生进一步氧化，生成氯酸根(clo3-),高氯酸根(clo4-)等离子，并可以和环境中的钠离子结合成钠盐(以下统称为氯酸盐)。这些氯氧化物离子均具有较强的氧化能力，这赋予了它们一定的杀菌能力和与蔬果释放出的乙烯发生反应的特性，而这些离子的钠盐在水中具有极高的溶解性[naclo约29.3g/100ml(0℃)；naclo3约101.0g/100ml(20℃)；naclo4约201g/100ml(20℃)]，很容易通过清洗从蔬果表面去除。

11、2cl-→cl2+2e-                             ①

12、cl2+h2o→hocl+h++cl-                  ②

13、hocl→h++ocl-                          ③

14、使用食品级氯化钠作为制备氯酸盐的耗材，不仅能提高蔬果的处理效率，也确保了处理过程的可控性和安全性，使得本系统适用于广泛的蔬果种类，从根本上降低了对人体健康和环境的潜在风险。

15、更优的，所述氯酸盐发生模块设有氯化钠溶液储存器、蠕动泵和液体流量计，氯化钠溶液储存器用于存储氯化钠电溶液，蠕动泵和液体流量计用于计量和泵送制备完成的氯酸盐溶液至第二控制阀门，氯化钠溶液储存器连通至氯酸盐发生模块，氯酸盐发生模块经由蠕动泵和液体流量计后连通至第二控制阀门，蠕动泵和液体流量计电连接至plc控制系统；蠕动泵可以实现根据蔬果处理区内的容积、需灭活的果蔬量的大小、种类、需采用浸泡、喷淋还是喷雾的方式进行灭活选择恰当的氯酸盐溶液的量进行供给，配合plc控制系统进而实现自动控制、按流程供给。

16、更优的，所述氯酸盐发生模块设有混合单元，混合单元用于将稀释液与氯酸盐浓溶液按照预设比例混合，实时调整液体雾化器出水部分的氯酸盐浓度，氯酸盐发生模块经由混合单元后连通至第二控制阀门，混合单元电连接至plc控制系统；混合单元可以实现含有氯酸盐的浓溶液和稀释用水按不同需求的比例混合后供给蔬果处理区，防止氯酸盐溶液不足造成的灭活效果欠佳或氯酸盐溶液过度而损伤蔬果。

17、更优的，所述氯酸盐发生模块采用的阳极包括：掺硼金刚石电极、亚氧化钛电极、氧化铅电极，氯酸盐发生模块采用的阴极包括：亚氧化钛电极、钛电极、金属钛电极、石墨电极；掺硼金刚石(bdd)电极具有极高电催化活性，能够实现精确控制电流、电压进行电化学反应，高效安全产生所需的消毒活性物质。

18、优选的，所述臭氧发生模块采用间歇工作模式；在该模式下制备臭氧，通过调整臭氧发生模块的运行功率和运行周期，可精确控制每个周期内生成的臭氧量，该臭氧量可通过plc控制系统预设或手动测量、校准后输入plc控制系统；间歇工作，精确控制的目的在于降低臭氧制备功耗，且随时制备随时使用，防止臭氧放置一段时间后分解成氧气造成灭活效率降低；

19、鉴于通过光强度、波长等参数计算理论所产生的臭氧量过于复杂，并且需要考虑臭氧本身半衰期短，会在制备过程中发生分解，因此，采取以下方法来衡量单个蔬果处理流程中进入蔬果处理区的臭氧总量：首先，前置气体泵将新鲜空气泵入臭氧发生模块内部(恒定体积v)并停止，这一阶段持续时间为t1。然后，模块内紫外线灯管开始工作，灯管的开启数量为a(a＝1,2,3,4...)，并且此阶段的持续时间为t2。最后，后置气体泵启动，以将含臭氧的空气尽可能地泵出模块进入蔬果处理区后停止，此阶段的持续时间为t3。经过这些步骤，一个周期便完成，该周期内产生的臭氧量受到灯管数量a的控制，可以通过测定在t2阶段结束后的臭氧浓度(量浓度ρ，单位为g/l)来衡量不同模块功率(a值大小)下单个周期得到的臭氧量(mol)。循环上述周期(t1,t2,t3)n次后，通过下面的公式计算产生并泵入蔬果处理区内的总臭氧物质量n(单位为mol)：

20、

21、公式(2)中，ρ表示通过预先测定不同模块功率下得到的臭氧量浓度(g/l)，m代表臭氧的摩尔质量(g/mol)，v表示臭氧发生模块内部气体容积(l)，n代表单个臭氧制备周期循环的总次数。

22、优选的，所述臭氧发生模块设有后置气体泵、空气过滤网，空气过滤网用于过滤外界流入的空气，后置气体泵用于将臭氧发生模块制备完成的臭氧泵送到第一控制阀门处，后置气体泵电连接至plc控制系统。

23、优选的，所述设备主体底部设有支架将设备主体的底部升高脱离地面，设备主体的底部设有排液口，蔬果处理区设有开口，开口处设有蔬果处理区上盖；排液口高于地面方便将设备内的残余溶液排出。

24、优选的，所述蔬果处理区内架设有多层网状的隔板，蔬果处理区内每层隔板周围均分布有臭氧释放口与氯酸盐溶液喷口，可以确保对蔬果的充分处理；网状的隔板还配置有稍小于隔板间隔尺寸且可拆卸的聚合物网箱，聚合物网箱内可用于放置散装蔬果，此外，隔板的设计也支持直接放置蔬果或盛有蔬果的网箱，以适应处理量大的商用环境，如蔬果批发市场；每层隔板处的臭氧释放口与氯酸盐溶液喷口向本层及相邻层的蔬果或网箱喷淋，使得每层隔板均能均匀接触臭氧及氯酸盐溶液，提高灭活效率，缩短灭活时间。

25、更优的，所述隔板搭设在蔬果处理区侧壁上的定位凸耳处，隔板为可折叠支撑隔板，隔板的至少一个定位凸耳处设有液位传感器与磁接近传感器，液位传感器与磁接近传感器均电连接至plc控制系统；当蔬果较多时采用多层隔板，当蔬果较少时采用部分隔板，每层隔板可拆卸，适合不同尺寸的蔬果及网箱，且隔板与臭氧释放口与氯酸盐溶液喷口联动，当磁接近传感器检测到本层的隔板安装时才可进行喷送，当磁接近传感器未检测到本层的隔板安装时持续关闭，液位传感器用于检测蔬果处理区内的灭活溶液高度，以浸没蔬果顶部为宜，节约灭活溶液，减少能耗。

26、本发明的有益效果是：

27、1、本发明采用了臭氧和氯酸盐作为活性物种，实施了一种“现场制备、现场使用”的臭氧和氯酸盐杀菌灭活策略，有效地解决了蔬果表面杀菌及延长保鲜期问题，本发明克服了活性物种存储不稳定性及实际施用量难以精确控制的难题，从而保证了蔬果表面杀菌灭活效果的一致性和可靠性。

28、2、本发明中杀菌与保鲜活性物种的制备原料，基于环境友好的空气和食品级氯化钠，制备过程不仅高度可控，而且有效避免了有害氮氧化物的生成，从根本上降低了对环境和人体健康的潜在风险，同时，本发明所使用的活性物种能在常温下自然降解，避免了有机杀菌剂可能导致的水体污染和环境问题。

29、3、本发明通过精确控制电流、电压、功率及运行时间等关键参数，能够有效控制设备每次使用时释放的臭氧和氯酸盐的总量和浓度，从而避免了过量使用杀菌剂的潜在风险及由于使用不足导致的处理不彻底问题，并且使得设备能够自动调节活性物种的加入量，进一步提升了处理效率和效果。