高温冷杀菌

食品无菌包装技术的关键是食品、材料和包装环境的杀菌,其中食品的杀菌最复杂,因为要兼顾食品灭菌效果和食品保质两方面。

目前,国内外研究的食品杀菌技术有多种,可分为热杀菌和冷杀菌。

长期以来,食品工业中广泛采用热杀菌法,如巴氏杀菌、超高温瞬时杀菌和电阻杀菌等,但是,高温容易破坏食品中对热敏感的营养成分,影响食品风味此外,热杀菌会带来高能耗和严重的环境污染问题。

随着人们生活水平的提高,对食品安全和营养也提出了更高的要求,冷杀菌已成为人们广泛关注的新型杀菌技术。

冷杀菌是指在常温或小幅度升温条件下进行杀菌,常采取物理方法,有利于保护食品的成分。

食品冷杀菌方法种类较多,下面主要介绍超高压灭菌、高压脉冲电场灭菌和脉冲强光灭菌 3 种。

超高压灭菌技术
超高压灭菌技术是指将软包装或散装的食品放入密封的、高强度的施压容器中,常以水或甘油等流体作为传递压力的介质,在高静压( 100～1000 M Pa)条件下处理一段时间,杀死其中大部分的微生物。

超高压灭菌技术的最大优点是在有效杀菌的同时不破坏食品的风味和营养,实现了食品常温下杀菌 ,符合当前绿色食品的要求,被认为是一种最有潜力和发展前景的杀菌技术。

美国已将开发超高压食品列为21世纪食品加工、包装的主要研究项目。

超高压灭菌原理
微生物是由淀粉、蛋白质、水等物质组成的。

在高压下,小分子( 如水分子 )之间的距离要缩短 , 而蛋白质等大分子物质仍保持球状,这时小分子就要产生渗透和填充效果,进入并黏附在蛋白质等大分子周围。

蛋白质大分子链在压力下被拉长,导致微生物因蛋白质变性而死亡;另外,在高压下,食品中某些物质的分子会穿透微生物的细胞膜,使细胞膜损坏而失去活性。

林淑英等研究了超高压对微生物细胞形态、生化反应及细胞膜等的影响,为超高压杀菌提供了理论依据。

超高压灭菌工艺
固态食品如肉和水果等,需装在耐压、柔韧并能传递压力的软包装内进行真空密封包装,以避免压力介质混入,然后置于超高压容器中,进行加压处理。

处理工艺是升压→保压→卸压 3 个过程。

液态食品如果汁、奶、酒等,可以像固态食品一样先装在软包装内,然后由压力介质从外围加压处理,也可以直接以液态食品取代水作为压力介质,但密封性要求严格。

在超高压灭菌过程中要根据不同的食品采取不同的处理条件。

除了要考虑食品的p H值、水分活性和所含主要微生物种类外,最重要的因素是处理压力、加压时间、加压次数和加压温度。

在一定范围内,压力越高,杀菌效果越好;在相同的压力下,加压时间越长,杀菌效果也越好。

乔长晟等人研究了连续超高压灭菌工艺与交变超高压灭菌工艺对牛乳的影响。

在加压总时间相同的情况下,交变加压灭菌效果优于连续灭菌 ,而且交变次数越多杀菌效果越好。

宋吉昌等人以新鲜海虾为对象 ,研究重复加压对超高压灭菌效果的影响。

当处理压力为300 ～ 400M Pa ,保压时间为 10～20 min ,加压 2～3 次时,海虾中各种微生物杀灭作用显著。

曾庆梅等进行了超高压处理枯草芽孢杆菌的试验研究,发现处理压力越高,保压时间越长,灭菌效果越明显;但是,当处理压力、保压时间达到一定值后,继续增大压力和延长保压时间,对杀菌效果不会产生太大的影响。

压力过高会增加设备的投资和操作的危险性,保压时间过长会影响食品包装的生产效率。

因此,单纯加压处理不是一个有效的途径,采用温度和压力共同处理会产生协同增效的作用。

适当的中温会减少加压所需的时间和强度,如沙门菌在280 M Pa 压力和20℃下的灭菌效果与150 M Pa ,50 ℃的灭菌效果相同。

中温协同超高压处理是当今最为成熟的协同降压技术,超高压技术和其他技术相结合能达到更好的灭菌效果。

Park 等人利用高压 CO2 和超高压技术相结合的方法处理胡萝卜汁,结果表明419 M Pa CO2和300 M Pa高静水压结合处理可使需氧菌完全失活。

目前,超高压灭菌技术广泛应用于含液体成分的固态食品或液态食品,如果蔬、奶、肉类、果酱、饮料等的无菌包装。

高压脉冲电场灭菌技术
高压脉冲电场灭菌是采用高压脉冲器产生的脉冲电场进行杀菌的方法,有灭菌时间短、效率高、能耗少等特点。

近年来,这种灭菌方法引起了人们的重视,对其灭菌机理及灭菌效果等方面进行了大量的研究。

研究重点主要是高压脉冲电场的系统设计、灭菌模型的构建以及对食品中营养物质的影响等方面。

高压脉冲电场灭菌原理
近年来,关于高压脉冲电场的灭菌机理有多种假说,主要有细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、电解产物效应、臭氧效应等。

归纳起来,脉冲电场的杀菌机理主要表现在场的作用和电离作用这两个方面。

1) 场的作用。

分子生物学的研究表明,细胞膜是由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成的,它带有一定的电荷,具有一定的通透性和强度,膜的外表面与膜内具有一定的电势差。

在高压脉冲电场作用下,电势差变大,由于电荷相反,它们相互吸引形成挤压力,使细胞膜变薄。

当电场强度增大到一个临界值时,膜上出现许多小孔,使膜的强度降低。

当挤压力大于膜的恢复力时,膜就会破裂,使细胞膜的通透性增大,小分子物质可透过细胞膜进入细胞内,致使细胞体积膨胀,最后导致细胞膜破裂,细胞内容物外漏导致微生物死亡。

Jayess 等人通过电子显微镜试验证明了酵母菌杀菌后可以见到菌体上有明显的裂痕。

2) 电离作用。

电极附近产生的阴阳离子与膜内生命物质作用,阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程。

另外,电场能够使水分子的氢氧键断裂,在水中生成过量的超氧阴离子自由基、过氧化氢。

过氧化氢有强烈的氧化作用,会破坏 DNA,导致细胞死亡。

液体介质中电离作用产生的臭氧同样有强烈的氧化作用,能与细胞内物质发生一系列反应而使微生物致死。

高压脉冲电场灭菌工艺
高压脉冲电场灭菌是将食品置于能产生瞬间高压2个电极间,以脉冲电场作用于食品,见图 1 。

高压脉冲电场常采用L C振荡电路获得,强度一般为15 ～100 kV/ cm ,脉冲频率为 1～100 kHz 。

杀菌一般在常温下进行,处理时间为几十毫秒。

在高压电场的作用下,食品可以有效地灭菌,有些甚至可以达到增鲜的效果,特别适合于热敏性较高的液态食品,如牛奶、果汁、酒等的无菌包装。

影响高压脉冲灭菌效果的主要因素是电场强度、脉冲数、脉冲波形和脉冲时间。

当电场强度超过微生物的临界跨膜电压时,微生物死亡率随场强的增加而增加。

脉冲数增加杀菌效果会明显提高。

Qin B 等人对脱脂乳中大肠杆菌进行高压脉冲电场灭菌处理,场强低于20 kV/cm 时,杀菌效果不明显,当场强为45 kV/cm 时,在经过40个脉冲后,大肠杆菌的存活率仅为原来的1 %。

目前,用于杀菌处理的高压脉冲波形有方形波、指数波和交变波,其中方形波效果最好,指数波次之,交变波最差。

脉冲作用时间即杀菌时间是各次放电释放脉冲时间的总和。

灭菌开始后,杀菌效果随脉冲时间的延长而明显增强,但达到拐点值后,脉冲时间的增加对杀菌效果基本无影响。

中温协同高压脉冲电场处理会得到更好的灭菌效果。

Amelia 等研究发现,将食品预处理温度从20 ℃提高到 40 ℃可使大肠杆菌的灭菌效果提高2个数量级。

Iu 等人采用高压脉冲与中等程度的热处理相结合处理苹果汁,得到了良好的灭菌效果。

高压脉冲电场灭菌处理对食品的营养元素影响较小。

王艳芳对经高压脉冲电场灭菌处理的鲜牛乳风味成分进行分析,结果表明高压脉冲电场灭菌处理比UHT处理对牛乳中风味物质影响小,且产生较少的与蒸煮味相关的含硫化合物。

高压脉冲电场灭菌。

前景广阔,且有可能取代传统的热力学灭菌技术而成为未来
液体食品灭菌的主要方法。

脉冲强光灭菌技术
脉冲强光灭菌技术是采用强烈白光闪照的方法进行灭菌,所用设备由一个动力单元和一个惰性气体灯单元组成。

动力单元是一个能提供高电压、高电流脉冲的部件,为惰性气体灯提供所需的能量;惰性气体灯能发出由紫外线至近红外线区域的光线,光谱与太阳光相似,但强度却是太阳光的2万倍, 在仅10-7 s的滞留时间内照射于食品表面,达到有效灭菌的效果。

脉冲强光杀菌中紫外线具有重要的作用,特别是250～260 nm的紫外线具有很强的杀菌力。

脉冲强光杀菌和紫外线杀菌有明显的区别。

紫外线灯通常用充水银灯管制成,由于水银灯光所发出功率低且不稳定,紫外线穿透性差,所以杀菌能力受到较大限制,有的细菌细胞在紫外线下被破坏后还能修复。

脉冲强光杀菌设备采用氙气灯管,发出能量高达2J/cm2,比紫外线灯管高200倍以上,对细菌细胞中的 DNA、细胞膜、蛋白质和其他大分子能产生全面的、不可逆的破坏作用。

脉冲强光杀菌效果主要取决于脉冲光的光谱成分、脉冲光强度和闪照次数。

对脉冲强光光源的光谱成分进行适当的调节,改变不同光谱成分的分布,可以改善杀菌效果。

脉冲强光中光谱分布可以通过改变设备参数和光源材料等手段来调整。

随着脉冲光强度和闪照次数增加, 残余菌数会明显降低。

Alex Wetproof 研究了脉冲强光对枯草芽孢杆菌杀菌效果,脉冲强光照射剂量为 5 J/cm2 ,经5个光脉冲可使枯草芽孢杆菌数量减少5 ～ 6个数量级。

周万龙等研究了脉冲强光对枯草芽孢杆菌、酵母菌都有较强的致死效果,经30余次闪照后,可使这些菌由105个减少到 0 个。

江天宝对熟地瓜干杀菌效果和品质的影响进行了试验研究。

脉冲强光可以有效地杀灭熟地瓜干表面染菌, 经过 20 s 处理可使大肠杆菌数量降低5个数量级;25s处理后,地瓜干的感官品质(色泽、气味、质地)没有显著变化;理化品味道质(总糖含量、蛋白质含量)变化率都不超过0.3 % 脉冲强光穿透能力有限,仅限于食品表面的灭菌。

参考文献 :
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我的感想：与传统杀菌技术相比,冷杀菌技术减少了对食品营养成分和风味的破坏且灭菌率高。

相关研究和实践表明,中温协同冷杀菌技术会得到更佳的灭菌效果。

近年来,国内外对其他的冷杀菌技术如辐射灭菌、磁力灭菌和紫外线灭菌，臭氧杀菌等的研究也有一定的进展。

一些冷杀菌技术尚处于试验研究阶段,对杀菌机理、影响因素和对食品的安全性还没有透彻地了解,因而限制了它们的应用随着研究的深入,冷杀菌技术的理论会不断完善。

今后,在食品无菌包装领域,冷杀菌技术必将发挥越来越大的作用。