冷链管理食品系统的栅栏技术与货架期

1.0
生长区
酸性与 aw控制 的食品
aw
aw控制的食品
0.9 5
酸化食品
抑制区
pH
10
FDA良好生产规范
aw和pH在细菌生长方面的相互作用。
15
“栅栏” 技术 栅栏”
综合使用几种保鲜方法（次优级）：稳定
- 使产品可在货架上长期存放 - 改进品质 - 如果主要栅栏失败，可提供额外的安全保护
不确定
不稳定
7
食品保鲜栅栏
3.商业灭菌与巴氏灭菌法比较
孢子在121.1oC被破坏的速度比100oC约快130倍。 巴氏灭菌法可将产品立即加热到121.1oC，而商业灭菌则 需要3分钟（一种“高压蒸煮“ ）。 在100oC（沸水）的温度下，需要6.44小时才能达到同样 的灭孢效果。 但是，在121.1oC时品质（营养、质地、色泽等）破坏的 速度只比100oC快约4.3倍。 因此，同等的安全流程（100oC的温度6.44小时或121.1oC 的温度3分钟）对品质产生的影响迥然不同（在121.1oC 时对品质的破坏远远低于100oC时）。
23
食品保鲜栅栏
"真空"产品 真空" 食品真空包装、烹制（巴氏灭菌），然后冷藏。 食用前再次加热。 比传统流程的品质更高（风味、营养）、便利
栅栏： 栅栏：
低微生物量、低氧、巴氏灭菌法、冷藏
问题： 问题： 肉毒杆菌孢子未被巴氏灭菌法破坏。 真空（无氧）允许肉毒杆菌生长。
安全依赖于不中断的冷藏链。
24
（2）
高品质寿命（ 高品质寿命（HQL） ）
贮藏时间，按日计。 由感官数据决定。 在特定温度检测变化的HQL时间。 Log(HQL)与温度线性相关。
30
高品质寿命（HQL） 高品质寿命（ ）
除了使用Arrhenius模型外，有时还采用 Q10 值。 尤其是HQL概念。 定义为一个温度之速率与比该温度再低10 Co的温 度速率之比。 由vant’Hoff发现，他注意到很多反应的Q10约为2。 低温或冷冻温度下储存水果蔬菜时使用的技术。
冷链管理: 冷链管理: 食品系统的栅栏技术 与货架期
埃莱克斯斯皮尔斯（Alex Speers） 教授
食品科学与技术 达尔豪斯大学 哈里法克斯，新斯科舍省
1
提纲
变质的原因 栅栏技术 反应速率 温度效应 高质量寿命（HQL） 预测微生物学 建模演示（ 时间允许）
2
食品腐败的主要原因
细菌、酵母菌、霉菌（微生物量） 酶、化学反应 虫鼠侵染（昆虫、寄生虫、鼠害） 水分损失/增加 与氧和光的反应 时间 温度
8
食品保鲜栅栏
低温 1. 冷藏
对大多数食品而言，理想温度为0oC － 4oC 短期保鲜（数天至数周） 优质的产品质量（新鲜、最低程度的加工、真空） 减慢微生物生长、呼吸、酶反应/化学反应速度 一些病原体仍能生长（例如：肉毒杆菌（ E型）、李斯特氏杆菌）
9
食品保鲜栅栏
2. 冷冻
通常温度为-18oC至-30oC 品质取决于产品、时间和温度 长期保鲜（数月至数年） 阻止微生物生长和呼吸 减慢化学反应速度 须有精良包装
11
Байду номын сангаас
食品保鲜栅栏
对氧气进行控制
氧含量低可以阻止很多腐败菌的生长
但是: 但是:
有些病原体要求厌氧条件 （例如：肉毒杆菌）
防腐剂
抑制细菌、酵母菌、霉菌 特定情况下可少量应用（毫克/公斤） 例如：苯甲酸盐（软饮料）、丙酸盐（烘焙食品）、亚硝酸盐 （肉类）、亚硫酸盐（葡萄酒）、抗坏血酸盐（果汁）
12
食品保鲜栅栏
34
预测微生物学
定义
预测条件的概念能实现客观评 估…… McMeekin等人，1992年。
35
典型生长曲线
自20世纪90年代以 来，对细菌生长的 预测有所进步，以 提供反应细菌能以 多快速度生长的估 值。 常常使用 Gompertz模型预测
栅栏：（低初始微生物量）、氯化钠（aw ，防腐剂）、 栅栏：
（其他防腐剂）、冷藏
注：
细菌病原体和生物多胺是潜在的问题。 肉毒杆菌（E型）由>3%氯化钠（w/w水相）和低温控制。 如果没有“安全处理” 步骤的控制，例如冷冻原材料，寄生虫可能生存。
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食品保鲜栅栏
“半保鲜”的鱼类产品（例如：腌渍鱼制品、发酵鱼、鱼子酱）。 半保鲜”的鱼类产品（例如：腌渍鱼制品、发酵鱼、鱼子酱） 半保鲜 氯化钠>6%氯化钠（w/w水相）或pH<5.0。可能加入防腐剂，例如山梨酸或苯甲酸盐。 要求冷藏。 在加工过程中或食用前，通常无需加热处理。传统的制作通常在最终加工前有一个很 长的成熟期（几个月）。
21
食品保鲜栅栏
“简单保鲜”的鱼类产品（例如：盐腌、腌渍、冷熏） 简单保鲜”的鱼类产品（例如：盐腌、腌渍、冷熏） 简单保鲜
低盐（水相氯化钠<6%）和低酸（pH>5.0）。可能有其他防腐剂（例如：山 梨酸、苯甲酸盐、烟熏）。可以经原材料或煮熟的原材料制作。 冷藏贮藏。保鲜期有限，通常无需加热即可食用。
33
高品质寿命（ 高品质寿命（HQL）- 预测 ）
因Q10等于2, 10oC时HQL等于100天 10oC，HQL=100天 10oC，Log(HQL)= 2 20oC，HQL=50天 20oC，Log(HQL)=1.698 在图上找出15oC时的HQL 在20oC和15oC的温度下，增加HQL的百分 比（%） 提示20oC 50/100+ 15oC的百分比（%） ?
28
相对腐败速率（海产品） 相对腐败速率（海产品）
R = （1 + 0.1 T）2 （1） - R = 温度‘T’时的相对腐败速率 单位C度，T> 0C。品质可以根据时间/温度历史 的积分估算。 面积= T x t 品质‘Q’ =Σ （1 + 0.1 T）2 t T t
29 时间 （日）
温度（C）
食品保鲜栅栏
图13.1 用9个例子演示栅栏效果。标记含义如下：F-加热，t-制冷， aw-水活性，pH-酸度，Eh-氧化还原势，pres.-防腐剂，V-维他命， N-营养素 18 （Leistner，1987年）
食品保鲜栅栏
（Leistner, 1987）
图13.4 在发酵香肠（意大利腊肠）的成熟和贮藏期间发生的栅栏次序。 Pres.=亚硝酸盐，Eh=氧化还原势的减弱，c.f.=竞争性菌丛的生长，pH酸度， aw=干制流程
栅栏：氯化钠（aw,防腐剂）、冷藏（t）、pH、 栅栏：
（其他防腐剂）、（竞争性菌丛）。
注：
如果贮藏温度低于10oC，病原体的生长会受到抑制；肉毒杆菌 （A型和B型）和金黄 色葡萄球菌不能在10oC以下生长，有些产品的氯化钠含量虽高，但如果没有温度控制 这几种病原体仍会生长。 体现在与生体毒素相关的食源性疾病，包括组胺和细菌毒素及寄生虫。 必须严格控制原材料，才能控制这些危险。
3
食品保鲜栅栏
栅栏" 潜在的 “栅栏 栅栏
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 高温 低温 低水活性 酸化 供氧减少 竞争性微生物菌丛 防腐剂
4
食品保鲜栅栏
高温
1. 巴氏灭菌法
中温处理（例如 以63oC处理30分钟；以100oC处理12秒） 优质的产品质量 破坏植物病原体（致病微生物） 降低总体微生物量，增加保质期 不能破坏孢子（一些细菌的休眠期） 不能 通常与其它栅栏结合（例如，冷藏）
31
高品质寿命（ 高品质寿命（HQL） ）
水果蔬菜的Q10值约为2.5。 冷藏草莓约为25。 以下情况下须谨慎:
冷却损伤 跃变性 推断
32
高品质寿命（ 高品质寿命（HQL）- 预测 ）
如果已知Q10和贮藏历史，则可预测 保鲜期限。 求各个温度的HQl积分。 比如，Q10为2, HQL 10oC 100 Q 2, HQL为10 C下100天。 在10oC贮藏了50天，15oC贮藏了10 天。 在15oC温度下，还可以保鲜多少天？
10
食品保鲜栅栏
降低水活性（aw） 降低水活性（
aw 是水的 “可用性" 微生物生长、酶反应/化学反应需要水 干藏（脱水）或（加溶质）将食品扎紧 通常aw越低，保鲜期限越长
酸性增加（pH值降低） 酸性增加（ 值降低）
酸性减缓腐败菌和病原体的生长 pH 值在4.5以下，不会孳生病原体，也不会生出孢子 （例如果汁和泡菜） pH 值高于4.5，必须灭菌，保证耐储存性 pH 值低于4.5，可用巴氏法灭菌
竞争性微生物
“有益的”细菌抑制“有害的”细菌（腐败菌、 病原体）
可通过下列方式实现： 可通过下列方式实现：
“排挤出" 产生酸 产生抗生素（细菌素） 例如：乳酸菌（泡菜、酸奶）
13
“栅栏” 技术 栅栏”
《国际食品研究》，1995年2月
14
“栅栏” 技术 栅栏”
*酸化食品 与酸性食品 在密封容器中热加工 低酸食品包装 联邦条例
但是，油炸咸肉会产生亚硝胺，亚硝胺是一种强致癌物质。 但是，
希望降低亚硝酸盐，但维持感官特性和安全性。 “Wisconsin法” 降低了亚硝酸盐，但增加了一种乳酸菌（L. plantarum）和一种 可发酵的碳水化合物（蔗糖）。 如果温度适当，乳酸菌生长，蔗糖发酵，生成乳酸，降低pH值，阻止病原体 的生长。 因此，咸肉通过几个栅栏得以保鲜，包括防腐剂、冷藏、竞争性微生物菌丛 和pH。 “Wisconsin法”制作的咸肉与普通咸肉的感官特性没有显著差别。
发酵的干腊肠 发酵的干腊肠
栅栏的次序确保每个阶段的稳定性。除了aw，所有的栅栏 都会随着时间的推移而衰弱。 1. 亚硝酸盐抑制病原体 2. 其他细菌的生长耗尽氧分 3. 低氧喜好产酸竞争性菌丛 4. 酸降低pH值 5. 由于干制， Aw栅栏逐渐升高。
19
食品保鲜栅栏
减少亚硝酸盐的咸肉（ Wisconsin法 减少亚硝酸盐的咸肉（“Wisconsin法”（Tanaka等. Food Prot. 1980年））. 传统上，咸肉和其他腌制肉类都使用亚硝酸盐，具有抗肉毒杆菌的特性（加 上色泽和风味）。
反应速率
所有的食品都以一定的速率腐败，取决 于温度。 取决于食品的类型和历史。
25
腐败速度
:
浓度
零阶
反应物的损耗可以是线性的
[化学品]= a + b（时间）
时间 一阶
[化学品]= a （a - b） * e（
b*时间）
浓度
或非线性的:
26
时间
腐败速度
:
浓度
零阶
反应物的增加可以是线性的
[化学品]= a + b（时间）
5
食品保鲜栅栏
2. 商业灭菌
低酸食品（例如蔬菜和肉类） 高热处理（相当于在 121.1oC处理几分钟） 能破坏孢子 提供“耐货架存放”的产品 一些营养及品质遭到破坏（色泽、风味和质地）
6
食品保鲜栅栏
3.商业灭菌与巴氏灭菌法比较
孢子在121.1oC被破坏的速度比100oC约快130倍。 巴氏灭菌法可将产品立即加热到121.1oC，而商业灭菌则 需要3分钟（一种“高压蒸煮“ ）。 在100oC（沸水）的温度下，需要6.44小时才能达到同样 的灭孢效果。 但是，在121.1oC时品质（营养、质地、色泽等）破坏的 速度只比100oC快约4.3倍。 因此，同等的安全流程（100oC的温度6.44小时或121.1oC 的温度3分钟）对品质产生的影响迥然不同（在121.1oC 时对品质的破坏远远低于100oC时）。
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食品保鲜栅栏
巴氏灭菌流程的软干酪 巴氏灭菌流程的软干酪
（Tanaka等人, J. Food Prot. 1986年）
这些产品的pH值 > 4.5，且aw > 0.85。 必须遵守低酸灌装食品规定（例如：商业灭菌）。 但是，由于品质原因，这些产品不能进行商业灭菌。 这些软干酪通过适度的盐、降低的pH和湿度得以保鲜而不变质。
也被称为“综合方法 综合方法” 技术 综合方法
图13.3 此天平演示：不同的栅栏即使稍有 改进，综合起来也可以对食品的微生物稳 定性起到显著作用。
（Leistner，1987年） （Leistner, 1987）
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“栅栏” 技术 栅栏”
图13.1 用9个例子演示栅栏效果。标记含义如下：F-加热，t制冷，aw-水活性，pH-酸度，Eh-氧化还原势，pres.-防腐剂， V-维他命，N-营养素 17 （Leistner，1987年）
时间 一阶
浓度
b*时间）
或非线性的: [化学品]= a+ （a - b）* e（
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时间
取决于温度
表达式很多，包括Gorga和Rousivalli的相对腐败速率和著名的 Arrhenius方程: k=Ao e -DEa/RT k是反应速率，Ao是频率或碰撞或频率因子，- Ea是活化能，R 是气体常数（1.987 cal/mol.K），T是绝对温度（K）。 在大部分情况下，反应很复杂，这个表达式应当慎用。