杀菌技术

食品工业入门教育简明教程1杀菌技术80年代以来，许多新兴工业技术，在现代食品工业中得到创造性地应用，以至于伴随食品工业的发展，这些技术的应用超越了开发这些技术的原有基础，从而形成独特的食品工程单元，构筑了食品工程新学科，为专业化生产奠定了基础。这些新兴技术，按其功能可分为保藏技术、分离技术、组合技术、改性技术、检测技术，常见的食物腐败主要由腐败微生物引起。为了保藏食物，首先要进行杀灭和抑制微生物的杀菌技术处理。罐头工业的关键技术就是杀菌技术。过去，应用加热杀死微生物的原理，发展了各种加热杀菌技术。但是对于热敏感的食物在加热杀菌中会发生负面的影响，因为化学变化会导致营养组分的破坏、损失，或导致不良风味等。为此，一方面发展了减少加热损害的杀菌技术，一方面则发展非加热的冷杀菌技术。1.超高压杀菌技术这是80年代末开发的杀菌技术。日本首先应用于工业生产，开发了超高压杀菌的果酱商品，目前正在研究开发新的应用领域，试图用于泡菜、鱼酱等传统食品。由于超高压装置需要较高的投入，因此尚须解决高成本的问题。我国近年引进了一些试验设备，并通过相关工业部门移植了部分试验装置，进行一些食品食品工业入门教育简明教程2（包括大豆蛋白食品）的试验。目前尚未见可实用的成果，尚有待于继续进行深入的研究。1.1基本原理食品超高压杀菌(高静水压杀菌)就是食品物料以某种方式包装完好后，放人液体介质(通常是食用油、甘油、油与水的乳液)中，100～1000MPa压力下作用一定时间后，使之达到灭菌的要求。其灭菌的基本原理就是压力对微生物的致死作用，主要是通过破坏细胞膜抑制酶的活性和影响DNA等遗传物质的复制来实现的。高压对细胞膜、细胞壁都有影响，在压力作用下细胞膜双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。超高压会改变某些高分子物质的空间结构，但不同于蛋白质在强热作用下分子激烈运动导致共价结合的破坏或新结合的生成，破坏了蛋白质的一级结构，使基本物变异。而超高压仅引发氢键之类弱结合的变化，使分子空间结构变化而无损于蛋白质的一级结构，使蛋白质、淀粉之类高分子物质形成不同于热法所产生的凝胶或凝固物。在400～600Mpa的压力下，可以杀灭细菌、酵母菌、霉菌，避免了一般高温杀菌带来的不良变化，因此，能更好地保持食品固有的色、香、味，达到延长保存期的效果。1.2超高压杀菌食品具有以下特点：(技术讨论，可致电13898132355)（1）由于几百个MPa压力不会使食品的温度升高，而只是使高分子物质中的部分共价键被切断或发生交联，故没有色、香、味食品工业入门教育简明教程3及营养成分的改变，也不产生各种毒性因子，可以较多地保留食品原有的营养，但同时也不会产生由加热引起的所希望的颜色和香气。（2）压力可以在瞬间传到食品的中心，故短时间的处理和不需很大的压力容器，食品就可以获得均一的处理。(3)可以保持新鲜食品或发酵食品的原有风味，但可能会发生一些物性的变化。如蛋白质和淀粉经加压处理后的表面状态与热处理完全不同，因而可利用超高压处理生产各种新的食品素材。(4)比加热处理所消耗的能源低。1.3超高压杀菌效果的影响因素正如食品的热处理效果与许多因素有关，超高压杀菌效果也与诸多因素有关，包括压力大小和加压时间、施压方式、处理温度、微生物种类、食物本身的组成和添加物、pH值、水分活度等等：（1）压力的大小和加压时间在一定范围内，压力越高，灭菌效果越好。在相同压力下，灭菌时间延长，灭菌效果也有一定程度的提高。300MPa以上的压力可使细菌、霉菌、酵母苗消灭，病毒在较低的气压下失去活力。对于非芽孢类微生物，施压范围为300～600MPa时有可能全部致死；对于芽孢类微生物，有的可在1000MPa的压力下生存，对于这类微生物，施压范围在300MPa以下时，反而会促进芽孢发芽。（2)PH值食品工业入门教育简明教程4每种微生物都有适应其生长的PH值范围，在压力作用下，介质的PH值会影响微生物的生命活动。据报道，压力会改变介质的PH，且逐渐缩小微生物生长的pH范围。（3）温度温度是微生物生长代谢最重要的外部条件，它对超高压灭茵的效果影响很大。由于微生物对温度有敏感性，在低温或高温下，高压对微生物的影响加剧，因此，在低温或高温下对食品进行高压处理具有较常温下处理更好的杀茵效果。（4）微生物的种类和特性不同生长期的微生物对高压的反应不同。一般地说，处于指数生长期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力反应更敏感；革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对压力更具抗性，革兰氏阴性菌的细胞膜结构更复杂而更易受压力等环境条件的影响而发生结构的变化；芽孢类细菌，同非芽孢类的细菌相比，其耐压性很强，当静压超过100MPa时，许多非芽孢类的细菌都失去活性，但芽孢类细菌则可在高达1200MPa的压力下存活。革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢最为耐压，是因为芽孢壳的结构极其致密，使得芽孢类细菌具备了抵抗高压的能力，故杀灭芽孢需更高的压力并结合其它处理方式。（5)水分活度水分活度对灭菌效果影确也很大，尤其对于固体与半固体食品的超高压杀菌，考虑水分活度的大小十分重要。食品工业入门教育简明教程5（6)食物本身的组成和添加物超高压杀菌时，各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求也不同，例如：用300MPa的压力可灭掉猪肉糜中腐败茵和食物中毒菌，而且菌含量随着施压时间的延长而逐渐减少，而灭掉橙汁中的酵母、霉菌，所需的压力低得多。在高压下，食品的化学成分对灭菌效果有明显作用。蛋白质、脂类、碳水化合物对微生物有缓冲保护作用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我修复功能。由于超高压杀菌是一个非常复杂的过程，针对特定的食品要选择特定的杀菌工艺，为了获得较好的杀菌效果，必须优化以上过程，只有积累大量可靠的数据才能保证超高压食品的微生物安全，超高压杀菌技术才能实现商业化。2.低温杀菌低温杀菌是对食品中存在的微生物进行部分杀菌的加热方法。通常使用100℃以下的温度。由于低温杀菌后，食品中的菌残存较多，为了延长产品的货架期，再使用冷藏、发酵、加入添加剂、脱氧等加工技术。该法主要适用于pH4.5以下的酸性食品及采用较强加热处理会明显导致品质降低的食品。在近几年，对牛奶及保存期较短的商品也采用该法。法国开发了这种特别用于调理菜肴的杀菌技术。他们将菜肴配料混装在特定的包装袋中，在真空下进行低温调理杀菌，可以避免食品工业入门教育简明教程6多次加热杀菌带来的对成品质量的不良影响。近年，日本又开发了低温充气包装杀菌技术，也可应用于某些调理食品。3.生物保藏被认为是自然保藏法。利用拮抗微生物或天然杀菌素以控制食品中本身存有的致病菌生长以及霉菌毒素原生真菌的生长。这是食品生物技术中日趋活跃的研究开发领域之一，很有开发应用前景。4.巴氏杀菌法巴氏杀菌是指温度比较低的热处理方式，一般在低于水沸点温度下进行。它是一门古老的技术，由19世纪法国医生巴斯德首创，至今仍有一定的应用价值。巴氏杀菌是最早的杀菌方法，利用热水作为传热介质。杀菌条件为61～63℃，30min，或72～75℃，10～15min。加热时应注意物料表面温度较内部温度低4～5℃；此外，当表面产生气泡时，泡沫部分难以达到杀菌要求。这种杀茵方法，由于所需时间长，生产过程不连续，长时间受热容易使某些热敏成分变化，杀菌也不够理想。目前在大中型食品厂中已很少采用。许多工厂将巴氏杀菌进行改造，采用85～90℃温度，保温1～2min进行杀菌。这种杀菌方法，在较短时间内达到杀菌目的，效果较好。如果采用连续化杀菌，生产能力大，产品质量也较好。杀菌方式有间歇式杀菌相连续式杀菌。间歇式杀菌设备主要有圆筒式杀菌器(又称冷热缸)和蛇管式杀菌缸。连续式杀菌设备主要有列管式杀菌器和板式杀菌器，常用作牛奶、饮料的高温短时间食品工业入门教育简明教程7杀菌和超高温瞬间杀菌。用这两种杀菌器杀菌时，物料从管子中或在相邻的板片间流动，用流动的热水作为热媒，调节物料和热水流动速度，以达到最佳杀菌效果。这两种杀菌设备温度均匀，杀菌效果好，可连续性生产，生产能力大，结构也比较简单，适用于多种产品的生产。不足之处是清洗比较麻烦。8.超高温瞬间杀菌超高温杀茵简称UHT杀菌。一般加热温度为100％～150℃，加热时间2～8s，加热后产品达到商业无茵要求的杀菌过程称为UHT杀菌。这种杀菌方法，能在瞬间达到杀菌目的，杀菌效果特别好，几乎可以达到或接近灭菌要求，而引起的化学变化很小。它具有提高处理能力、节约能源、缩小设备体积、稳定产品质量，并可实行设备原地无拆卸循环清洗。按照物料与加热介质是否接触，UHT瞬时杀菌过程可分为间接式加热法和直接混合式加热法两类。直接混合法加热式，可按两种形式进行：一是注射式，即是高压蒸汽注射到待杀菌物料中；另一种是喷射式，即将持杀菌物料喷射到蒸汽中。间接加热是采用中压蒸汽或中压水为加热介质，热量经过固体换热壁转传给待加热杀菌物料。工艺流程[1]见图1。图1超高温短时杀菌工艺流程设备先用酸、碱清洗，再用清水循环清洗，然后开始进料。物料食品工业入门教育简明教程8由泵送人加热器。经过高温加热到110～140℃(在此范围内可调),再进入保温装置，保温时间可调。然后用自来水将物料冷却到温度50～90℃。UHT主要功能是食品灭菌，保证食品质量和品质，但对于香气物质或食品中的香气成分，由于其沸点不同，并且香气物质受到温度影响比较大，经过131℃左右4S的UHT灭菌后，香气成分与含量变化均比较大，如茶饮料经过UHT灭菌后颜色发生褐变，主要机理和美拉德反应机理一样，即茶叶中的氨基酸与某些带羟基的物质在高温下脱水缩合及化学键断裂重组，生成类黑色素，从而产生褐变，从而影响了茶饮料的香气物质。9.微波杀茵微波是一种电磁波，可产生高频电磁场。介质材料由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，极性分子从原来的随机分布状态，转向依照电场的极性排列取向，在高频电磁场作用下，造成分子的运动和相互摩擦从而产生能量，使得介质温度不断提高。因为电磁场的频率极高，极性分子振动的频串很大，所以产生的热量很高。当微波加热应用于食品工业时，在高频电磁场作用下，食品中的极性分子(水分子)吸收微波能产生热量，使食品迅速加热干燥。微波干燥分4个阶段：内部调整、液体流动、等速干燥和减速干燥阶段。每个阶段都有各自的温度、湿度分布。但总的来讲，物料内部的温度梯度和浓度梯度很小，在温度接近100℃时，压强食品工业入门教育简明教程9急速升高，物料中心处压强最高，沿径向渐减，形成压力梯度。所以，由蒸汽压造成的传质方向是由里向外的。另一类由非极性分子组成的物质，基本上不吸收或很少吸收微波能，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，可作为食品的包装物。依照上述原理，微波技术也常用于食品的杀菌。微波杀菌就是将食品经微波处理后，使食品中的微生物丧失活力或死亡，从而达到延长保存期的目的。一方面，当微波进人食品内部时，食品中的极性分子，如水分子等不断改变极性方向，导致食品的温度急剧升高而达到杀菌的效果。另一方面，微波能的非热效应在杀菌中起到了常规物理杀菌所没有的特殊作用，细菌细胞在一定强度微波场作用下，改变了它们的生物性排列组合状态及运动规律，同时吸收微波能升温，使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动两方面的作用，使其空间结构发生变化或破坏，导致蛋白质变性，最终失去生物活性。因此，微波杀菌主要是在微波热效应和非热效应的作用下，使微生物体内的蛋白质和生理活性物质发生变异和破坏，从而导致细胞的死亡。微波干燥杀菌的特点：（1）节能高效、安全无害常规热力干燥、杀菌往往需要通过环境或传热介质的加热，才能把热量传至食品，而微波加热时，食品直接吸收微波能而发热，设备本身不吸收或只吸收极少能量，故节省能源，一般可节电30％～50％。微波加热不产生烟尘、食品工业入门教育简明教程10有害气体，既不污染食品，也不污染环境。通常微波能是在金属制成的封闭加热室内和波导管中工作，所以能量泄漏极小，大大低于国家标准，十分安全可靠。（2）加热时间短、通度快常规加热需较长时间才能达到