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食品杀菌与消毒技术的进展

作者:王甫 来源:中国食品和包装机械工业协会网 时间:2015-09-12 09:41:28 次数:

 

 

食品杀菌与消毒技术的进展

 

食品加工目的之一是保护与保存食品,杀死微生物,钝化酶类等。食品腐败变质的主要原因是某些微生物和酶类的存在,灭菌是食品加工的必经工序。然而传统的热力灭菌不能将食品中的微生物全部杀灭,特别是一些耐热的芽孢杆菌;同时加热会不同程度破坏食品中的营养成分和食品的天然特性。为了更大限度保持食品的天然色、香、味和一些生理活性成分,满足现代人的生活要求,新型的灭菌技术应运而生,本文主要介绍了当今世界食品领域的杀菌新技术及其在我国的发展应用现状。

1  微波杀菌技术

1.1 微波杀菌的原理

微波与生物体的相互作用是一个极其复杂的过程,是生物体受到微波辐射时吸收微波后 所产生的综合生物效应的结果。多方面试验结果表明,微波杀菌不仅具有因生物体吸收微波能量而转换的热效应,而且还存在一种非热效应,这两种效应相互依存,相互加强[1]

1.1.1 热效应

热效应是指生物物体吸收微波的能量后,体温升高,从而发生各种生物功能变化,目前这方面的研究工作及其应用已基本完善。微波作用于食品时,食品表面和中心同时吸收微波 能,温度升高。食品中的微生物细胞在微波场的作用下,其分子也被极化并作高频振荡,产生热效应,温度升高。温度的快速升高使其蛋白质结构发生变化,从而失去生物活性,导致 微生物死亡或因受到严重干扰而无法繁殖。

1.1.2 非热效应

非热效应又称生物效应,是在电磁波的作用下,生物体内不产生明显的升温,却可以产生强烈的生物响应,使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化。微波的作用会使微生物在其生命化学过程中所产生的大量电子、离子和其他带电粒子的生物性排列组合状态和运动规律发生改变,也就是使微生物的生理活性物质发生变化。同时电场也会使细胞膜附近电荷分布改变,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,甚至停止生长或使之死亡。微波还能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。另外微波还可以导致细胞DNA 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。

1.2微波杀菌在食品工业中的应用

目前在食品工业中微波杀菌技术已得到较广泛的应用,尤其是在美国、欧洲、日本等发达国家和地区发展较快,杀菌产品涉及食品等诸多领域。瑞士某公司研制了一台面包微波杀菌防霉装置,其频率为2450 MHz、功率80kW。面包片经微波照射12min后,温度由室温上升到80℃,处理后的面包片保质期由原来的34天延长到30-60天。意大利有用微波对生面条进行杀菌防霉的实例,设备频率2450MHz,功率120kW,工作温度85℃,保温处理5-6min,处理过的产品与未处理的相比,口感和风味均良好。可见用微波杀灭霉菌是理想的方法之一[2]

我国食品工业微波应用技术始于20世纪70年代初期,1975年上海儿童食品厂首先成功地应用隧道式微波炉(2450 MHz,功率45kW)热干燥儿童乳儿糕,将烘烤时间从68h,缩短为9 min,同时解决了产品易破碎、霉变等问题。有人在对酱油的微波实验中证实,正是由于生物效应的存在,使得微波幅射能在较低温度和较短时间内杀灭物料中的微生物。就酱油而言,适量的物料在1.5 kW 微波功率辐射下,65℃、1 min即可杀菌达标,而热力杀菌则需要80℃、20 min以上。有人以葡萄糖酸——内酯酸化后的蘑菇小包装进行微波处理,证实可达到商业灭菌,且具有低温短时的特点,对产品中VC等营养成分的保存、产品色泽及形态的保持极为有利。另外杨红旗等(1998)在微波与紫外线协同作用研究中发现 ,采用特殊的控制电路兼容微波良好的穿透性和紫外线的强灭菌性,可达到增强杀菌效果的目的。南京永青食品高新技术发展有限公司经多年努力,在低温肉禽制品保鲜技术的研究上获重大突破,其研制成功的低温肉禽制品微波杀菌综合保鲜技术可使被处理的肉禽制品在常温下保存3-6个月,且保持制品的色、香、味和组织状态不变。著名的南京板鸭就是采用了微波杀菌处理,使保存期延长 715天。此外采用微波杀菌的产品有四川泡菜、鱼片干、袋装雪菜肉丝、方便面调料、快餐饭、豆制品等,均能较好地保证产品的卫生质量。

2  超高压杀菌技术

2.1 超高压杀菌的原理

超高压能破坏氢键之类弱结合键,使基本物性变异,产生蛋白质的压力凝固及酶的失活;还能使菌体内成分产生泄漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤。高压抑菌是由于主要酶类的变性,一般说来10003000atm 的压力引起的酶变性是可逆的,而超过3000atm压力引起的变性是不可逆的。酶失活的主要原因是酶分子内部结构的破坏和活性部位上构象的变化,这些效应受pH值、底物浓度、酶中脂质的性质、酶亚单元结构和温度的影响[3]

2.2 超高压杀菌在食品工业上的应用

超高压杀菌主要是用于食品工业中的果汁、果酱等液体的杀菌。超高压处理的新果汁,其颜色、风味、营养成分和未经超高压处理的新鲜果汁几乎无任何差别。日本小川浩史等将柑桔类果汁(pH2.53.7)经100600MPa510min加压灭菌,实验研究结果表明:细菌、酵母菌和霉菌总数均随压力增大而减少,酵母菌、霉菌和无芽孢细菌可以被完全杀死,但仍有棒杆菌、枯草杆菌等能形成耐热性强的芽孢而有残留。但如果加至600MPa再结合适当的低温加热(4757℃),则可以完全灭菌[4]。超高压杀菌后的果汁其风味、化学组成成分均没有发现变化。微生物检验可知,引起酸性果汁饮料腐败变质的主要菌是:酵母菌、霉菌和部分腐败细菌,而耐热性强的芽孢菌在此酸性条件下无法生长繁殖,因此采用超高压杀菌最为合适,在400MPa下加压10minpH值在4以下的果汁即可到达商业无菌状态,在室温下放置几个月甚至一年半无任何微生物引起的腐败变质现象。

3  高压脉冲电场杀菌技术

首先要明确这种杀菌方法是一种非热杀菌技术,高压脉冲电场(Highvoltage Pulsed Electric Fields)灭菌技术因安全无害,具有传递均匀、处理时间短、能耗低等特点,在果汁等液态食品的加工中已显示出特有的优越性,具有良好的前景。

3.1高压脉冲电场的原理

SaleHamilton1967)发现.当给细胞膜加上外加电场,细胞膜上的内外电势差(TMP)增大,当TMP达到1V左右时,细胞膜便失去功能。Zimmermann1986)提出介电破坏理论,根据该理论细胞膜被视为电容,在高压电脉冲作用下,膜两侧电位差进一步变大,由于电荷相反,它们相互吸引形成挤压力,当TMP达到1V左右,挤压力大于膜的恢复力时,膜就会破裂。Tsong1991)从液态镶嵌模型出发,提出电穿孔理论,该理论认为高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度,使细胞膜失去半渗透性质,细胞膨胀而死。

3.2 高压脉冲电场技术在食品工业中的应用

高压脉冲电场技术在食品工业中的应用主要集中在灭菌、提高果汁出汁率和钝化酶活性几方面。Simpson[5]用高压脉冲电场技术对还原苹果蔬汁进行处理,电场强度为50kV/cm10次脉冲,脉宽为2s,处理温度45℃,产品的货架期为28d,处理前后Vc和糖分及感官没有变化,而没有经过处理的鲜榨苹果蔬汁货架期只有7dVega-Mercado[6]用高压脉冲电场技术处理鲜苹果蔬汁和还原苹果蔬汁使产品的货架期在2225℃贮藏期分别提高到56d32d,而感官和理化性质没有变化。Vega-Mercado[7]研究发现,高压脉冲电场对未过滤的苹果汁、果浆含量高的桔汁、菠萝汁、天冬甜素溶液的感官特性也没有影响,桔汁中维生素C的含量也不改变,处理过的苹果汁比新鲜的苹果榨汁味道更好。

4  辐射杀菌技术

4.1 辐射杀菌技术的原理

电离辐照灭菌是一种高新灭菌技术,用来杀灭食品中的腐败菌和病原菌。其原理是采用放射性同位素(ComCs)发出的射线[9],或电子加速器产生的电子束(能量不大于 10MeV),或x射线(能量不大于5MeV)对食品进行辐照,杀灭食品中的虫害,消除食品中的病原微生物及其它腐败细菌或抑制某些食品中的生物活性和生理过程,从而达到食品保藏或保鲜的目的[8]

4.2 辐射杀菌在食品工业中的应用

对于不同菌种,控制不同的辐照剂量,不但不会破坏食品色、香、味,不会有非食品物质残留,而且杀菌效果明显,光谱如l030cd的辐照,能杀灭畜禽肉中沙门氏菌等多种病原菌。所以目前这种杀菌技术多用于肉制品,水果保鲜及水处理等,如在烤鱼片、速溶茶、脱水蔬菜、食用明胶、藕粉等产品的生产中均有大量应用实例[10]

5  臭氧杀菌技术

5.1 臭氧的杀菌机理

臭氧具有极强的氧化功能,在水中的氧化还原电位为2.07V,仅次于氟 (2.87V),它的氧化能力高于氯(1.36V)、二氧化氯(1.5v)。所以它对细菌、霉菌、病毒具有强烈的杀灭作用[12] 。其机理主要有如下两方面:

1、臭氧很容易同细菌的细胞壁中的脂蛋白或细胞膜中的磷脂质、蛋白质发生化学反应,从而使细菌的细胞壁和细胞受到破坏 (即所谓的溶菌作用),细胞膜的通透性增加,细胞内物质外流,使其失去活性。

2、臭氧破坏或分解细胞壁,迅速扩散进入细胞内,氧化了细胞内酶或RNADNA,从而致死菌原体[7]

5.2 臭氧杀菌在食品工业中的应用

近年来国际臭氧技术得到较快发展,食品加工与储藏应用臭氧取得良好的效果。19951996年间,日本、法国和澳大利亚相继立法,允许臭氧在食品工业中广泛使用。在美国食品加工业的推动下,为成功打开FDA对食品加工业广泛使用臭氧的封锁线[14] 1996年美国电力研究院 (EPRI)组织了臭氧和食品界的科学技术专家委员会,调查并估计臭氧应用于食品业的历史背景、现状与前途。他们用一年的时间对臭氧应用于空气处理;杀虫;鸡蛋、蔬菜水果的储藏;水产、肉类、家禽加工等37个食品加工业进行了文献检索,并且摘要引用了大量的论文,总结、论述和评估了这些文章。EPRI专家委员会在1997年得出科学结论:明确公告臭氧应用于食品加工符合GRAS(通用安全标准)。该专家委员会的报告发表在美国科学杂志上(Graham等,1997),并在FDA备案,成功地得到了FDA的认可:任何人都可以在食品加工领域使用臭氧。不言而喻,这对世界各国食品加工业应用臭氧技术具有举足轻重的推动和影响[11] 。食品加工工业领域中的臭氧利用技术有杀菌、脱臭、漂白、脱色以及用作生理活性物质等方面,现阶段利用较多的就是低含量臭氧的杀菌,脱臭和用作生理活性物质。

臭氧在食品杀菌方面的应用有原料的清洗杀菌处理,制造过程中制品和制成品的杀菌,加工车间内环境空气的杀菌等。使用臭氧水对蔬菜类食品进行清洗、杀菌,工艺简单,而且臭氧的浓度可以较低,故使用率高,应用范围广泛。用得最多的是蔬菜、水果的清洗及保鲜,比如葱、球形生菜、芹菜、大白菜、包莱、菠菜、豆芽、胡萝卜、洋葱、黄瓜等。在英国等国家现在已经开始致力于研究臭氧和紫外线结合杀菌技术应用于 MAP上,已经取得了 较好的效果。经过此技术处理的肉制品能够具有很长时间的货架期,而且其杀菌效果要比单一使用臭氧或者紫外线的效果有显著的提高。在现今的日本和美国等国家,臭氧的杀菌手段已经广泛使用于食品加工的各个方面[13]

6  后记

当今食品科学杀菌消毒技术发展迅速,除了以上介绍的五方面高新杀菌(消毒)技术之外还有很多,例如:远红外照射杀菌技术、脉冲强光杀菌技术、静电杀菌技术、磁力杀菌技术、抗生酶杀菌技术、感应电子杀菌技术,限于篇幅就不做一一介绍。

参考文献

[1]   晖,高孔荣.微波灭菌机理的研究.食品工业科技,1996,(3):3134

[2] 黄建蓉等.食品微波杀菌新技术研究进展.食品与发酵工业,1998244),4446

[3] 励建荣等.高压技术在食品中的应用 食品与发酵工业,2002236),915

[4] 粱兰兰等.食品灭菌方法述评.食品与发酵工业,2003231):73274 [5] 邓元修等.脉冲高压用于液体食品灭菌.食品科学,1999.(9):1820

 [6]   健.脉冲电场杀菌机理研究.冷饮与速冻食品工业,2003,(1):2021

[7] 周万龙等.高压脉冲灭菌机理 食品科学.1998,(4):1619

[8] 陈志军等.辐照保藏食品技术及其应用现状与发展前景.江西农业学报.2000,121:5864

 [9] 杨学先, 核农学大事记 . 核农学通报.1995162):96 99

[10] 徐刚等.辐射技术在食品加工中的应用,辐射研究与辐射工艺学报,2002,201):16

[11] 吴丹等.臭氧在肉类工业 中的应用 [J].肉类工业,2004,(6):1113

[12] 邵长敏,等.臭氧杀菌技术 [J].山东农机化 2003,(4):32

[13] 綦翠华.臭氧杀菌及其在食品工业中的应用 [J].食品科技,1998,(6):495l

[14] 李汉忠.臭氧一食品加工业新兴消
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