非热力杀菌技术

电崩解（electric breakdown）理论
细胞膜的崩解过程图
电穿孔（electroporation）理论
细胞膜的穿孔过程图
（三）研究现状及杀菌特点 研究现状
• 20世纪60年代PEF技术杀菌效果引起注意；
• 20世纪90年代重新成为研究的焦点；
• 美国、德国、荷兰、日本等国已对PEF技术的 基础和应用进行了多年的研究，有些实验已 进入中试阶段。 • 我国在相关领域的研究还很少，中国农业大 学廖小军教授和清华大学对果汁进行了深入 研究。
第二节 保健食品加工的一些新技术
• • • • 一 、酶工程 二、微生物技术 三、微胶囊技术 四、细胞培养技术
与保健食品有关的微生物
• 细菌: （10种益生菌）两岐双岐杆菌、婴儿两岐双 岐杆菌、长两岐双岐杆菌、短两岐双岐杆菌、青春 两岐双岐杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、嗜 热链球菌、干酪乳杆菌干酪亚种、罗伊氏乳杆菌
简称高压技术（High Pressure Processing， HPP）或高静水压技术(High Hydrostatic Pressure， HHP）。 —— 指将包装好的食品物料放入液体介质（通常 是食用油、甘油、油与水的乳液）中，在200MPa 以上（通常200~ 1000MPa）压力下处理一段时间 使之达到灭菌要求的杀菌技术。
欧姆杀菌
欧姆杀菌是一种新型热杀菌的加热 方法，它借通入电流使食品内部产生热 量达到杀菌的目的。
欧姆加热的基本原理
欧姆加热是利用电极，将电流直接导 入食品，由食品本身介电性质产生热量， 以达到直接杀菌的目的。所使用的电流是 50~60Hz的低频交流电。
高压脉冲电场（HighVoltage Pulsed Electric
PEF 对 大 肠 杆 菌 和 酿 酒 酵 母 杀 菌 机 理 探 讨
大 肠 杆 菌 和 酿 酒 酵 母 的 SEM
SEM of E. coli and S. cerevisiae
PEF 对 大 肠 杆 菌 和 酿 酒 酵 母 杀 菌 效 果 机 理 探 讨
250 nm
500 nm
500 nm
大 肠 杆 菌 和 酿 酒 酵 母 的 TEM
与传统的热杀菌法相比冷杀菌技术不仅能
保证食品在微生物方面的安全，而且能较 好地保持食品固有的营养成分、质构、色 泽和新鲜度。
超高压（UHP）杀菌 高压脉冲电场（PEF）杀菌 高压脉冲磁场杀菌
非
热
物理杀菌
脉冲强光杀菌 辐射杀菌 紫外线杀菌 超声波杀菌 臭氧杀菌
杀
菌
化学杀菌
高压二氧化碳杀菌 二氧化氯杀菌 生物杀菌
0
0
-1
-1
-2
lg S
-2
lg S
-3 -4 -5 0
-3
-4
0 207 414 621 828 1035 1242 1449
207
414
621
828 1035 1242 1449
脉冲数
脉冲数
大
肠
杆
菌
酿
酒
酵
母
同 轴 电 极 对 大 肠 杆
和 酿 酒 酵 母 杀 菌 效 果
Inactivation of E. coli and S. cerevisiae in co-axial electrodes by PEF ◆：5 kV/cm; □：10 kV/cm; ▢：15 kV/cm; ■：20 kV/cm; ○：25 kV/cm
肠杆菌和酿酒酵母是研究最多的两种微生物。
• 高压脉冲处理能使微生物存活率小于1 %，细
菌的残存率是电场强度和处理时间的函数。
例如：Pothakamury（1995）以鲜奶为处理对象，电 场强度为16kV/cm，200～300s 内60个脉冲，含菌量可 减少104～105个数量级，通过分段的高强度脉冲电场， 可使大肠杆菌数量减少109 数量级。
Fields，HVPEF，有时简称为PEF）——
PEF技术是将食品置于带有两个电极的处 理室中，给予高压电脉冲，形成脉冲电场， 作用于处理室中的食品，从而杀灭微生物和 钝化酶活性，使食品得以长期贮藏的新型杀 菌技术。
杀菌机理
尽管有关PEF对微生物有明显的杀灭效果，但PEF 杀菌机理对微生物杀灭效果机理的仍不清楚。目前相 关的研究报道较多，已提出相关杀菌机理假说： 细胞膜细胞电穿孔模型效应 电磁机制模型 电解产物效应 电崩解模型 粘弹性模型 臭氧效应
食品杀菌技术发展现状
杀 菌 技 术
热 力 杀 菌
非 热 力 杀 菌
传统热力杀菌
新型热力杀菌
巴氏杀菌
高温杀菌
超高温杀菌
欧姆杀菌
微波杀菌
超 高 压
P E F
脉冲磁场
紫外照射
二氧化碳
生物防腐
其
他
食品非热杀菌的特点
优 点：
杀菌效果好，能保证食品的安全； 对食品污染小，易于操作和控制;
能较好地保持食品固有的成分、质构、色泽。
高压二氧化碳杀菌技术
CO2的性质
• CO2是碳原子的最高氧化状态, 呈化学惰性， 常温常压下无色、无味、无毒，微溶于水,水 溶液呈酸性。 随着压力和温度变化其存在形态和物理性质发 生变化。
CO2三相图
CO2的性质
• CO2 是一种天然抗微生物剂 , 单独作用能抑制微 生物生长,而与压力结合则能达到有效的杀菌灭 酶效果。 • 研究表明，在一定的高压下（3～ 70MPa）的 CO2 能对食品中微生物具有杀灭效果，同时能使酶 失活。 • 作为非热杀菌的一种新的形式高压CO2（包括超 临界CO2，supercritical CO2，简称为SCCO2） 对食品的杀菌灭酶作用日益受到人们的关注。
高压CO2的杀菌机理
研究表明：高压CO2对李斯特菌、沙门氏菌、 大肠杆菌等致病菌和一些产芽孢的微生物以及部分 霉菌，表现出较好的杀灭作用 。 Ishkawa等发现在超临界CO2的处理下，脂肪酶、 碱性蛋白酶、酸性蛋白酶以及葡糖糖化酶的活性 均下降。同时观察到处理后酶的α-螺旋结构发生 了变化。导致了酶的催化功能的损失。
高压CO2的杀菌机理
在压力作用下二氧化碳溶解于水成为碳酸， 使得果蔬汁变得更酸，足以使酶（如果胶甲酯 酶, PE）变性，卸压后二氧化碳挥发，液态食 品酸度恢复。
对于微生物，高浓度的二氧化碳和低pH能抑 制微生物生长，同时高压作用下二氧化碳扩散 进入细菌细胞，当卸压时，二氧化碳迅速由液 体变为气体，导致微生物细胞膜反压破裂，从 而杀死微生物。
2. 微生物转化产品 （纳豆、益生菌乳品、发酵肉）
3. 微生物代谢产品
维生素类：VB1, VB2, VC 氨基酸： γ-氨基丁酸、谷氨酸 抗氧化剂；抑菌物
4. 微生物酶
纤维素酶、转谷氨酰胺酶、α-淀粉酶、乳糖酶
细胞培养技术
• 利用动植物的组织细胞，通过人为提供的条 件，使之生长发育的一种生物技术。 • 保健食品生产中，利用培养液中的细胞或者 其次生代谢产物作为保健食品的功能性原料。 • 可选择某些含功效成分高的个体或部位的细 胞进行培养，可获得高产率的功效成分。 （人参皂苷的生产）
高压CO2杀菌的特点
主要优点：
（1）不破坏食品中的营养成分，保留食品原 有的风味和品质； （2）与超高压（100-1000MPa）灭菌比较， 具有成本低、节约能源、安全无毒、节省空间、 连续生产、无噪音等特点。
高压二氧化碳杀菌的影响因素
• CO2的状态（气态、超临界、液态）
• 对象酶（种类 ） • 食品或培养液的性质（水分活度、浓度、pH） • 处理条件（压力、温度、处理时间等）
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
lg S
-3
-4
lg S
-4
-5 0 207 414 621 828 1035 1242 1449 脉冲数
-5 0 207 414 621 828 103ຫໍສະໝຸດ 1242 1449 脉冲数大
肠
杆
菌
酿
酒
酵
母
平 板 电 极 对 大 肠 杆 菌 和 酿 酒 酵 母 杀 菌 效 果 Inactivation of E. coli and S. cerevisiae in parallel-plate electrodes by PEF ◆：5 kV/cm; □：10 kV/cm; ▢：15 kV/cm; ■：20 kV/cm; ○：25 kV/cm
超高压杀菌的原理
超高压状态下，使微生物的形态结构、生物 化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变 化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使 原有的功能破坏或发生不可逆变化致死，从而达到 灭菌和食品贮藏的目的。
二氧化碳的性质 高压二氧化碳的杀菌机理 高压二氧化碳杀菌的特点 高压二氧化碳杀菌的影响因素 高压二氧化碳杀菌在食品工业中的应用
PEF
对
鲜 榨 苹 果 汁 影 响
研
究
6
6
lg cfu/ml
4
lg cfu/ml
30
4
2
2
0 0
对照 72℃/15s
0
10
20
PEF 90 ℃/60s
0
贮藏天数（天）
10 20 贮藏天数（天） 对照 72℃/15s PEF 90℃/60s
30
细 菌 总 数
霉菌及酵母总数
PEF和热处理后鲜榨苹果汁4 ℃ 细菌总数和霉菌及酵母总数变化
五、杀菌工艺
食品非热力杀菌介绍
高压脉冲电场（PEF）杀菌 超高压（UHP）杀菌技术 高压二氧化碳杀菌技术
食品非热力杀菌介绍
杀菌（sterilization) ——指杀死食品中一切微生物
（包括繁殖体、病原体、非病原体、部分芽孢） 的过程。杀菌后，食品处于商业无菌状态。
商业无菌（commercial sterilization ）—— 指杀灭
食品中所污染的病原菌、产毒菌，以及正常储存和销 售条件下能生长繁殖、并导致食品变质的腐败菌，从 而保证食品正常的货价寿命。
杀 菌
热力杀菌
非热力杀菌
热杀菌（heating sterilization）——
以热水、火、水蒸气等作为加热源对 食品进行直接或间接加热杀菌的方法。
食品的热杀菌是食品加工与保藏中改 善食品品质、延长食品贮藏期的最重要最 常见的处理方法。
第三节 保健食品的检测
• 一、感官检测 • 二、理化性质及营养成分分析
（营养成分全分析） • 三、安全毒理学评价 • 四、保健功能评价 • 五、卫生学检验 （有害物；微生物）
低温杀菌(≤100℃)
按杀菌温度分
高温杀菌(＞100℃) 超高温杀菌（＞130℃） 巴氏杀菌（≤ 100℃)
热
杀 菌
按杀菌压力分 按杀菌程度分
商业杀菌（＞100℃） 常压杀菌（≤100℃） 加压杀菌（＞100℃）
非热力杀菌（ cooling sterilization) ——
也叫冷杀菌，指不用热能杀死微生物， 不影响食品营养、质构、色泽和风味的新 型杀菌技术。
Effects of PEF and thermal processing on the aerobic plate counts and total mold counts and yeast of apple juice during 4 ℃
超高压杀菌 （ UHP ） (Ultra High Pressure processing) ——
• 真菌：（11种）酿酒酵母、产朊假丝酵母、乳酸
克鲁维酵母、卡氏酵母、蝙蝠蛾拟青霉、蝙蝠 蛾被毛孢 、灵芝 、紫芝、松杉灵芝、红曲霉、 紫红曲霉
微生物在保健食品中的应用
1.分离微生物菌(丝)体作为保健食品原料、 功能性配料或添加剂。
• 双岐菌作为微生态菌 • 各种食用菌的子实体是保健食品重要的功能性 原料。 • 富营养素酵母
非热杀菌应考虑的问题
发展方向：Combining Nonthermal Technologies
单一的非热杀菌技术尚存在一定的欠缺 和不足，为进一步提高杀菌效率及杀菌质量， 把对食品的负面作用降到最低，利用两种或 两种以上的杀菌方式联合使用或与天然杀菌 剂配合使用是今后杀菌技术研究的一个重要 方向。
杀菌优点
处理温度低。可在常温或更低的温度下进行杀菌。 处理时间短。不足1秒钟，通常是几十微秒便可
以完成。
节省能源。不需要加热，不会污染环境。 有效保持食品品质。对产品的色、香、味和营养
成分没有破坏，能保持产品的新鲜度。
（三）在食品工业中的应用
对微生物杀灭效果的研究
• 这些研究中的目标微生物种类也很多，其中，大