冷杀菌技术

冷杀菌技术
杀菌是保证食品安全，延长食品保质期的基本手段。

冷杀菌技术也称为非热杀菌技术。

它与通常的加热杀菌技术相比，在杀菌过程中食品温度不升高或温升很小，可以避免高温对食品的营养、风味、质地、色泽的不良影响，特别是对于热敏性较强的果品、蔬菜制品的杀菌有非常重要的意义。

冷杀菌技术主要包括超高压杀菌、辐照杀菌、高强度脉冲电场杀菌、微波杀菌、脉冲强光杀菌、超声波杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌等，在食品加工中有广阔的应用前景。

这里介绍用于果蔬加工的几种冷杀菌技术。

一、超高压杀菌
超高压技术（ultra-high pressure processing，UHP）是目前受到广泛关注的一项食品加工高新技术，主要应用于食品的杀菌。

常用的压力范围是100~1000MPa。

其杀菌原理是强大的压力导致微生物的形态结构、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，甚至使原有功能破坏或发生不可逆的变化。

一般来说，细菌、霉菌、酵母菌在300 MPa下可致死，细菌的芽孢在600MPa以上的压力下可致死，酶在400 MPa以上的压力下可被钝化。

在杀菌的同时，能够较好地保持食品固有的色香味、质构特点和营养品质。

高压对食品中营养成分和品质的影响主要表现在以下几方面：
1、对蛋白质的影响：蛋白质在高压下会凝固变性，这种现象称为蛋白质的压力凝固。

压力凝固的蛋白质消化性与热力凝固的相同。

2、对淀粉、糖的影响：常温下加压到400~600MPa，可使淀粉糊化，吸水量增加，形成不透明的粘稠糊状物。

高压对糖类几乎没有影响。

3、对油脂的影响：常温下加压到100~200MPa，油脂就会凝
固，解压后能恢复原状。

4、由于超高压杀菌在较低温度下进行，因此食品中维生素、色素、香气、风味损失很小。

酶作为一种蛋白质，在高压下变性失活，有利于保持食品的营养品质和感官品质。

日本、美国、欧洲在高压食品的研发方面处于领先地位。

1990年4月日本的Meidi-Ya公司生产了第一个高压食品——果酱。

目前这些国家已有研究和生产超高压的果汁、果冻、果味酸奶、贝类、蛋制品等的报道。

超高压处理的果汁，其色泽、风味、营养与未经加压处理的新鲜果汁几乎无差别。

日本小川浩史等人分别对柑橘类果汁（pH2.5~3.7)进行
100~600 MPa、5~10min的高压灭菌研究，结果表明，细菌、酵母菌、霉菌数随压力的提高而减少。

酵母菌、霉菌、无芽孢细菌可以被完全杀死，但棒杆菌属等枯草杆菌能形成耐热性强的芽孢而有残留。

但如果加压至600MPa，再结合适当的低温加热（47~57℃），则可达到完全灭菌的要求。

经过超高压处理的果汁达到商业无菌状态，同时果汁风味、组成成分没有发生变化，在室温下可保持数月。

所以超高压杀菌是
果汁长期保存的有效方法之一。

超高压杀菌生产果汁的工艺流程是：果实预处理榨汁配料、混合
灌装密封超高压杀菌成品
由于蔬菜腌制品向低盐化方向发展，以及人们对化学防腐剂的反感，使超高压杀菌技术在蔬菜腌制品的生产加工上显示其优越性。

对蔬菜腌制品进行300~400MPa处理，可使酵母菌和霉菌致死，提高了制品的保藏性，同时保持了原料原有的生鲜特色。

正如食品的加热杀菌效果与许多因素有关，超高压杀菌效果也受许多因素影响，包括压力大小、加压时间、施压方式、处理温度、微生物种类、食品本身的组成和添加物、pH值、水分活度等。

在一定范围内，压力越高，杀菌效果越好。

在相同压力下，处理时间延长，杀菌效果也有一定的提高。

Mitsumasa Yasumoto等人研究了100~600MPa的压力对番茄汁中的凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）和酵母菌（Saccharomyces bailii ) 的杀菌效果，找出了保压时间和施压大小的关系。

其结果是，对于凝结芽孢杆菌，Z=512-152logX（5≤X≥100）；对于酵母菌， Z=354-104logX。

其中X为保压时间，单位为min，Z为压力，单位为MPa。

超高压灭菌方式有连续式、半连续式、间歇式。

G.D.Aleman 研究报道，同持续静压(static pressure)处理相比，阶段性压力(sinusoidal and step pressure pulses)变化处理可使得菠萝汁中的酵母菌大幅度减少。

I.Hauakawa等人研究了嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus ) 的失活情况，得出重复的
压力处理比较有效，600MPa的压力、70℃条件下处理5min 如此重复6次，可使含嗜热脂肪芽孢杆菌量为106/g的样品全部灭菌。

J.Yuste研究发现间歇式加压处理效果好于连续处理。

研究者认为其原因是，第一次加压会引起芽孢发芽，第二次加压则使这些发芽而成的营养细胞杀死。

因此对于易受芽孢菌污染的食物宜采用超高压多次重复短时处理。

温度对超高压灭菌的效果影响很大。

低温或高温下对食品进行高压处理比在常温下处理杀菌效果更好。

大多数微生物在低温下耐压能力降低，主要是因为压力使低温下细胞因冰晶析出而破裂的程度加剧。

蛋白质在低温下高压敏感性提高，致使此条件下蛋白质更易变性，而且人们发现低温下菌体细胞膜的结构也更易损伤。

低温对高压杀菌的促进效果特别引人瞩目，因为低温下高压处理对保持食品品质，尤其是减少热敏性成分的破坏较为有利。

适当提高温度对高压杀菌有促进作用。

P.Rovere进行了高压与热处理灭菌效果的模型和计算，主要找出了高压对模拟体系中生芽孢梭菌杆菌的热钝化动力学，指出高压下进行热处理其效果会由于压力作用而放大，如果控制好温度，则可以减少加工时间和加工压力。

针对芽孢菌的高耐压性，就现阶段研究来看，结合温度处理则是一种十分有效的杀菌手段。

高压处理装置由高压容器、加压装置及其辅助装置构成。

高压处理装置按照加压方式分为直接加压式和间接加压式两类，见图（）。

按照高压容器的放置位置分为立式和卧式。

立式的占地面积小，但物料的装卸需专门装置。

卧式的高压处理装置，物料进出方便，但占地面积大。

二、辐照杀菌
食品辐照技术是核辐射技术应用的一个重要方面,它利用放射性核素60Co（钴）或137Cs（铯）的γ射线,以及加速器产生的电子束等辐照食品,达到抑制发芽、推迟成熟、促进物质转化、杀虫杀菌、防止霉变等目的。

由于食品辐照保藏与加工具有节能、简便、效率高等优点,在国内外已广泛应用,正在形成一门新兴的辐射加工产业。

从1943年美国麻省理学院
B.E.Proctor博士第一次用射线辐照汉堡包研究食品保藏开始,国际上正式开始食品的辐照保藏与加工研究工作,到目前为止,世界上已有38个国家批准了224种辐照食品。

我国食品辐照贮藏研究开始于1958 年。

目前已制订并实施了相应的法规《辐照食品卫生管理办法》。

食品辐照处理时，射线可以穿过包装和冻结层，杀死食品表面及内部的微生物、害虫、寄生虫，而不留任何残留物。

经适当辐照的食品与新鲜食品在外观形态、组织结构及色香味上没有差异。

辐照技术目前主要用于谷物、水产品、蛋制品、调味品、香料、脱水制品等的杀虫、杀菌，水果蔬菜的抑菌保鲜等。

大量的辐射微生物学实验表明：各种微生物的辐射敏感性有很大差异，除个别球菌属的细菌外,无芽胞菌比芽孢菌敏感,在不产芽孢的细菌中革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌更敏感。

辐照食品的安全性受到人们关注。

辐照食品的生产必须严格执行《辐照食品卫生管理办法》，以保证安全性。

三、微波杀菌
微波会使食品温度升高，但是微波杀菌所需时间比热力杀菌所需时间显著缩短，所以暂且把它归在冷杀菌技术中。

用于加热的微波频率是915MHz 和2450MHz。

微波杀菌效果包括热效应和非热效应两个方面。

1、热效应
食品中极性分子在高频电场中不断改变自身排列方向，产生类似摩擦的作用，使分子获能，并以热的形式表现出来，表现为介质温度升高。

由于微波加热是利用食品本身作为发热体而进行内部加热，不靠热传导的作用，微波具有一定的穿透性，因此食品内部和表面可同时受到加热，所需加热时间短，并且加热均匀。

2、非热效应
微波的作用会使微生物在其生命化学过程中产生的大量电子、离子和其它带电粒子的生物性排列组合状态和运动规律发生改变，亦即使微生物的生理活性物质发生变化。

同时，电场也会使微生物细胞膜附近的电荷分布改变，导致膜功能障碍，使细胞的正常代谢功能受到干扰破坏，使微生物细胞的生长受到抑制，甚至停止生长或死亡。

微波还使微生物细胞赖以生存的水分活度降低，破坏微生物的生存环境。

另外，微波还会导致细胞DNA和RNA分子结构中的氢键松弛、断裂和重新组合，诱发基因突变，染色体畸变，从而中断细胞的正常繁殖能力。

吴晖等人研究发现，枯草芽孢杆菌悬浮液进行微波杀菌时，D100=0.65,而相同菌种、浓度、温度
下进行热力杀菌时 D100=5.50。

二者差异显著。

这种差异只能从处理方法的不同来解释。

由于微波杀菌时间短，有利于保持食品的营养成分和色香味，特别是能保留更多活性物质，可应用于药材、保健食品的杀菌，以及蔬菜、水果、肉、奶等制品的杀菌。

微波还可用于食品的灭酶保鲜。

在果蔬加工过程中用微波加热的方法代替沸水预煮灭酶，可避免水溶性营养成分的损失。

四、高压脉冲电场杀菌
高压脉冲电场杀菌（High-intensity pulsed electric fields，PEF）的杀菌机理有多种假说，主要有细胞膜穿孔效应、电磁机智模型、粘弹极性形成模型，电解产物效应、臭氧效应等。

大多数学者倾向于认同电磁场对细胞膜的影响，并以此为基础对抑菌动力学进行推导。

脉冲电场的产生需要两个主要设备：脉冲能量供应装置和处理腔。

脉冲能量供应装置将通常的低电压转化为高电压，同时将低水平的电能收集起来，并贮存在贮存器中，然后这些能量能以高能的形式瞬间释放（百万分之一秒）。

输出电压、脉冲频率、脉冲宽度可以调节，以满足不同食品的杀菌要求。

不同菌种对电场的承受力有很大不同，无芽孢细菌较有芽孢细菌更易被杀灭，革兰氏阴性菌比阳性菌易于被杀灭。

杀菌效果还受菌数、电场强度、处理时间、处理温度、介质电导率、脉冲频率、介质pH 等因素的影响。

国外研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、各类革兰氏阴性菌、阳性菌，以及苹果汁、香蕉汁、菠萝汁、牛
奶、蛋清液等进行了大量研究，结果表明，该处理对食品的感官质量没有造成影响，其货架期一般可延长4~6周，抑菌效果可达到4~6个对数周期。

其处理时间一般为几个微秒到几个毫秒，最长不超过1秒。

这种技术还可用于大豆的灭酶脱腥，并可有效保留大豆固有的香味。