食品非热加工

食品非热加工课程读书报告

食品非热加工是一门新兴食品加工技术，包括超高压、高压脉冲电场、高压二氧化碳、电离辐射、脉冲磁场等方法，主要应用于食品的杀菌与钝酶。与热力杀菌相比，非热加工对食品特别是热敏性食品的色、香、味、功能性及营养成分等具有很好的保护作用，能够在很大程度上保证产品原有的新鲜度、确保产品的质量。

近年来，随着消费意识和消费水平的提高，消费者对食品的新鲜度、营养、安全和功能的要求越来越高，极大地推动国际上对食品非热加工技术的研究与发展。目前，一些非热加工技术如超高压、高压二氧化碳等在美国、日本、法国等发达国家已经得到了产业应用。同时，随着研究的不断深入，非热加工技术的应用范围得到了拓宽，可用于食品功能成分的提取、食品大分子的改性等方面。通过对食品非热加工课程资料的学习，以下介绍几种食品非热加工技术。

一、高压脉冲电场：

高压脉冲电场(pulsed electric fields，PEF)是一种非热处理技术, 具有处理时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等特点，成为近几年来国内外研究的热点之一。早在1967 年，英国学者就发现25kV/cm 直流脉冲能有效致死营养细菌和酵母菌。20 世纪80 年代后期以来，美国、日本等发达国家研究比较活跃，并制造了成套的技术设备近几年来，在我国国内已有几所大学和研究机构设计了自己的高压脉冲装置，并进行了相关研究，如吉林大学、华南理工大学和江南大学等。研究的内容主要涉及高压脉冲杀菌装置的设计，高压脉冲电场动力设备、放电电路的设计，高压脉冲电场对微生物、酶的影响和功能物质的提取等方面。

1、PEF技术的加工原理

关于高压脉冲电场的作用机理，现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、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。

1.1 细胞膜穿孔效应

细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它带有一定的电荷，具有一定的通透性和强度，膜的外表面与膜内表面之间具有一定的电势差。当细胞上加一个外加电场，这个电场将使膜内外电势差增大，此时，细胞膜的通透性也随着增加，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，膜上出现许多小孔，使膜的强度降低。此外当所加电场为脉冲电场时，电压在瞬间剧烈波动，在膜上产生振荡效应。孔的加大和振荡效应的共同作用使细胞发生崩溃，从而达到杀菌目的。

1.2 电磁机制模型

电磁机制理论是建立在电极释放的电磁能量互相转化基础上。电磁理论认为

电场能量与磁场能量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感线圈直接相连，细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场(磁场强6.87 特斯拉，功率16kJ)作用。

1.3 粘弹极性形成模型

粘弹极性形成模型认为，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而产生剧烈振荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。

1.4 电解产物效应

电解产物理论指出在电极施加电场时，电极附近介质中的电解质电离产生阴离子，这些阴阳离子在强电场作用下极为活跃，穿过在电场作用下通透性提高的细胞膜，与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。但其不足之处是难以解释pH 值变化剧烈的条件下，杀菌效果没有什么变化的结果。

1.5 臭氧效应

臭氧效应理论认为在电场作用下液体介质电解产生臭氧，在低浓度下臭氧已能有效杀灭细菌。

2 PEF 技术处理的影响因素

2.1 处理菌的种类

1）对象菌的种类：不同菌种对电场的承受力不同。食品加工中，相同条件下用电场灭菌，不同菌种存活率由高到低为：霉菌、乳酸菌、大肠杆菌、酵母菌。特别需要指出的是，对象菌所处的生长周期也对杀菌效果也有一定的影响，处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感。

2）菌落数量：在同样强度、同样时间的脉冲下菌落数高的样品比菌落数低的样品菌落数下降的对数值比后者要多得多。

2.2 电场参数的影响

1）脉冲电场强度：在高压脉冲电场杀菌过程中，脉冲电场的强度是一个导致微生物失活的主要参数，增加电场强度、对象菌存活率明显下降。因为细胞膜两侧的感应电动势与电场强度成正比，更高的电场强度能杀灭更多的细菌。

2）脉冲数目：在电场强度和杀菌温度固定的条件下，细菌的存活率随所施加的脉冲数目增加而减少。

3）脉冲的波形：通常所用的脉冲波形包括：按指数衰减的波形、方波波形、振荡波形、双极性波形。在所有波形中，振荡波杀灭微生物的效率是最低的；方波的效率比指数波的效率高；双极性脉冲波形对大肠杆菌的致死率比单极性波形高。

4) 脉冲频率：若提高脉冲频率，则杀菌效果上升。原因是频率提高后，对应于每一次电容器放电来说，具有更多的脉冲数目，因而指数衰减曲线的下降得到减缓，从而保证了更长的杀菌处理时间。

5）处理时间：是各次放电时间的总和。随着杀菌时间的延长，对象菌存活率开始急剧下降，然后平缓，逐渐变平，最后增加杀菌时间亦无多大作用。

2.3 处理样品的影响

1）液体食品温度：随着处理温度上升(在24～60℃范围内)，杀菌效果会有所提高，其提高的程度一般在10 倍以内。液体食品适中的温度有利于杀灭微生物。

2) 溶液pH 值：多数微生物的最佳生长环境的pH值位于6.6～7.5之间，加入HCl 或NaOH等可调节溶液的pH 值，使其偏离最佳生长区，在采用脉冲电场杀菌时，当微生物的细胞膜穿孔形成后，细胞周围的介质渗入细胞，使其体内酸碱平衡受到破坏，从而能促使其失活，较明显地提高杀菌效果。

3）介质电导率：介质电导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数，介质的电导率提高，脉冲频率亦上升，因而脉冲的宽度下降。这样，电容器放电时，脉冲数目不变，即杀菌总时间下降，从而杀菌效果相应下降。

3 处理效果

高压脉冲电场杀菌主要是利用食品的非热物理性质，温升小(一般在50℃以下)、耗能低。一个35千伏的处理系统每处理1毫升液体食品只需20J的能量，而对超高温瞬时灭菌热处理系统来说却至少需要100J以上的能量。国内邓元修等实验证明高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭耗能只有1.8-6.0×105J∕m3。

二振荡磁场

磁场影响物质移动方向，改变微生物生长和繁殖。磁场的作用是促进DNA 合成，把生物分子和生物膜的方向转成平行或垂直与磁场方向，并能通过改变穿过质膜的离子的移动，改变细胞繁殖率。毒性细胞放入振荡磁场后，数目大大减少，实际应用是癌症的治疗。

磁场即磁体可以磁化周围物质的区域。如果粒子沿三个正交轴x y z方向的磁化率相同，则可以说此粒子具有各向同性磁化率。反之，粒子x y z方向磁化率不同，称此粒子具有各向异性磁化率。碳原子显示各向同性磁化率，而以单键、双键或三键结合的两个碳原子具有各向异性磁化率。一般情况下，磁场分为静态场和振荡场。它们可以是匀强磁场也可以是非匀强磁场。在匀强磁场中，电磁线圈环绕区域内的磁场强度B恒相同，而非匀强磁场中，B不相同：随着距离线圈中心的增加而减小。非匀强磁场对置于场中的抗磁物体和顺磁物体有一种加速力的作用，而匀强磁场则没有加速里的作用。静态磁场由一个恒定的强度B，并且磁场方向保持不变。以脉冲形式施加的振荡磁场，每一个脉冲的充电形式发生变化，每次脉冲产生的场强，随时间的推移会减小到约为初始强度的10%。

2.1 磁场对微生物的作用

20世纪早期，人们通过对细胞质流的观察，明确了静态或振荡磁场对活有机体的影响。藻类细胞的细胞质流动速率受阻碍或激发取决于外加磁场方向。极