食品杀菌技术及分析.docx

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食品杀菌技术及分析

食品杀菌技术主要有热杀菌和非热杀菌，其中热杀菌主要有：

湿热杀菌、干热杀菌、微波杀菌、电热杀菌和电场杀菌等；非热杀菌主要有：

化学与生物杀菌、辐照杀菌、紫外线杀菌、脉冲杀菌、超高静压杀菌、脉冲电场（PEF）杀菌以及振动磁场杀菌等。

下面就针对这些杀菌技术作一下详细的介绍：

湿热杀菌：

热杀菌是以杀灭微生物为主要目的的热处理形式，而湿热杀菌是其中最主要的方式之一。

它是以蒸气、热水为热介质，或直接用蒸汽喷射式加热的杀菌法。

利用热能转换器（如锅炉）将燃烧的热能转变为热水或蒸汽作为加热介质，再以换热器将热水或蒸汽的热能传给食品，或将蒸汽直接喷入待加热的食品。

食品热处理中常用的加热介质及其特点

加热剂种类加热剂特点

蒸汽易于用管道输送，加热均匀，温度易控制，凝结潜热大，但温度不能太高

热水易于用管道输送，加热均匀，加热温度不高

空气加热温度可达很高，但其密度小、传热系数低

烟道气加热温度可达很高，但其密度小、传热系数低，可能污染食品

煤气加热温度可达很高，成本较低，但可能污染食品

电加热温度可达很高，温度易于控制，但成本高

一、加热对微生物的影响

（一）微生物和食品的腐败变质

食品中的微生物是导致食品不耐贮藏的主要原因。

细菌、霉菌和酵母都可能引起食品的变质。

细菌、霉菌和酵母

食品中的微生物是导致食品不耐贮藏的主要原因。

一般说来，食品原料都带有微生物。

在食品的采收、运输、加工和保藏过程中，食品也有可能污染微生物。

在一定的条件下，这些微生物会在食品中生长、繁殖，使食品失去原有的或应有的营养价值和感官品质，甚至产生有害和有毒的物质。

细菌、霉菌和酵母图谱

细菌、霉菌和酵母都可能引起食品的变质，其中细菌是引起食品腐败变质的主要微生物。

细菌中非芽孢细菌在自然界存在的种类最多，污染食品的可能性也最大，但这些菌的耐热性并不强，巴氏杀菌即可将其杀死。

细菌中耐热性强的是芽孢菌。

芽孢菌中还分需氧性、厌氧性的和兼性厌氧的。

需氧和兼性厌氧的芽孢菌是导致罐头食品发生平盖酸败的原因菌，厌氧芽孢菌中的肉毒梭状芽孢杆菌常作为罐头杀菌的对象菌。

酵母菌和霉菌引起的变质多发生在酸性较高的食品中，一些酵母菌和霉菌对渗透压的耐性也较高。

（二）微生物的生长温度

不同微生物的最适生长温度不同，当温度高于微生物的最适生长温度时，微生物的生长就会受到抑制，而当温度高到足以使微生物体内的蛋白质发生变性时，微生物即会出现死亡现象。

最低生长温度最适生长温度最高生长温度

嗜热菌 30～45 50～70 70～90

嗜温菌 5～15 30～45 45～55

低温菌 -5～5 25～30 30～55

嗜冷菌 -10～-5 12～15 15～25

微生物的最适生长温度与热致死温度（℃）

（三）湿热条件下腐败菌的耐热性

一般认为，微生物细胞内蛋白质受热凝固而失去新陈代谢的能力是加热导致微生物死亡的原因。

因此，细胞内蛋白质受热凝固的难易程度直接关系到微生物的耐热性。

蛋白质的热凝固条件受其它一些条件，如：

酸、碱、盐和水分等的影响。

（四）影响腐败菌耐热性的因素

1、加热前--腐败菌的培育和经历对其耐热性的影响

影响因素主要包括：

细胞本身的遗传性、组成、形态，培养基的成分，培育时的环境因子，发育时的温度以及代谢产物等。

成熟细胞要比未成熟的细胞耐热。

培养温度愈高，孢子的耐热性愈强，而且在最适温度下培育的细菌孢子具有最强的耐热性。

营养丰富的培养基中发育的孢子耐热性强，营养缺乏时则弱。

2、加热时--加热温度、加热致死时间、细胞浓度、细胞团块存在与否、介质性状和pH值等方面的因素对腐败菌耐热性的影响。

（1）加热条件：

在一定热致死温度下，细菌（芽孢）随时间变化呈对数性规律死亡；温度愈高，杀灭它所需的时间愈短。

（2）细菌状态：

在一定热致死温度下，菌数愈多，杀灭它所需时间愈长。

细胞团块的存在降低热杀菌的效果

（3）介质性状：

包括水分（水分活度）、pH值、碳水化合物、脂质、蛋白质、无机盐等，是影响杀菌效果的最重要的因素。

（4）各种添加物、防腐剂和杀菌剂的影响

3、加热后--热死效果的检验

腐败菌受热损伤后有如下表现：

发育时的诱导期延长，营养需求增加；发育时最适pH范围缩小；增殖时最适温度范围缩小；对抑制剂的敏感性增强；细胞内的物质产生泄漏；对放射线的敏感性增加；细胞中酶的活力降低；核酸体的RNA分解等。

判断腐败菌是否被杀灭，需测定其热死效果，常通过对经过热处理后的细菌芽孢进行再培养，以检查是否仍有存活。

选择适当的培养基，如果腐败菌没有再生长，说明杀菌工艺适用。

（一）热破坏反应的反应速率

食品中各成分的热破坏反应一般均遵循一级反应动力学，也就是说各成分的热破坏反应速率与反应物的浓度呈正比关系。

这一关系通常被称为"热灭活或热破坏的对数规律（logarithmicorderofinactivationordestruction）"。

这一关系意味着，在某一热处理温度（足以达到热灭活或热破坏的温度）下，单位时间内，食品成分被灭活或被破坏的比例是恒定的。

DT值

　　即指数递减时间（Decimalreductiontime），是热力致死速率曲线斜率的负倒数，可以认为是在某一温度下，每减少90％活菌（或芽孢）所需的时间，通常以分钟为单位。

　　由于上述致死速率曲线是在一定的热处理（致死）温度下得出的，为了区分不同温度下微生物的D值，一般热处理的温度T作为下标，标注在D值上，即为DT。

很显然，D值的大小可以反映微生物的耐热性。

在同一温度下比较不同微生物的D值时，D值愈大，表示在该温度下杀死90％微生物所需的时间愈长，即该微生物愈耐热。

　　必须指出，DT值是不受原始菌数影响的，但随热处理温度不同而变化，温度愈高，微生物的死亡速率愈大，DT值则愈小。

TDT值

　　即热力致死时间（Thermaldeathtime）。

在一定时间内（通常指1～10分钟）对细菌进行热处理时，从细菌死亡的最低热处理温度开始的各个加热期的温度称为热力致死温度。

　　在某一恒定温度（热力致死温度）条件下，将食品中的一定浓度的某种微生物活菌（细菌和芽孢）全部杀死所需要的时间（min），一般用TDT值表示，同样在右下角标上杀菌温度。

F值

　　F值又称杀菌值，是指在一定的致死温度下将一定数量的某种微生物全部杀死所需的时间（min）。

由于微生物的种类和温度均为特指，通常F值要采用上下标标注，以便于区分，即。

一般将标准杀菌条件下的记为F0在121.1℃热力致死温度下的腐败菌的热力致死时间，通常用F值表示。

F值可用于比较相同Z值时腐败菌的耐热性，它与菌的热死试验时的原始菌数有关，随所指定的温度、菌种、菌株及所处环境不同而变化。

Z值

　　当热力致死时间减少1/10或增加10倍时所需提高或降低的温度值，一般用Z值表示。

Z值是衡量温度变化时微生物死灭速率变化的一个尺度。

TRT值

　　即热力指数递减时间。

在某特定的热死温度下，将细菌或芽孢数减少到10－n时所需的热处理时间，。

它是指在一定的致死温度下将微生物的活菌数减少到某一程度如10-n或1/10n（即原来活菌数的1/10n）所需的时间（min），记为TRTn，单位为分钟，n就是递减指数。

　　很显然：

。

可以看出，TRT值不受原始微生物活菌数影响，可以将它用作确定杀菌工艺条件的依据，这比用前述的受原始微生物活菌数影响的TDT值要更方便有利。

TRTn值象D值一样将随温度而异，当n=1，TRT1=D。

若以D的对数值为纵坐标，加热温度T为横坐标，根据D和T的关系可以得到一与拟热力致死时间曲线相同的曲线，也称为TRT1曲线。

低温长时杀菌法

（一）概念

　　低温长时杀菌法也称为巴氏杀菌。

相对于商业杀菌而言，巴氏杀菌是一种较温和的热杀菌形式，巴氏杀菌的处理温度通常在100℃以下，典型的巴氏杀菌的条件是62.8℃/30min，达到同样的巴氏杀菌效果，可以有不同的温度、时间组合。

巴氏杀菌可使食品中的酶失活，并破坏食品中热敏性的微生物和致病菌。

巴氏杀菌的目的及其产品的贮藏期主要取决于杀菌条件、食品成分（如pH值）和包装情况。

对低酸性食品（pH＞4.6），其主要目的是杀灭致病菌，而对于酸性食品，还包括杀灭腐败菌和钝化酶。

（二）特点

①简单、方便，杀菌效果达99％，致病菌完全被杀死；

②不能杀死嗜热、耐热性细菌、孢子，以及一些残存的酶类；

③设备较庞大，杀菌时间较长；

高温短时杀菌法

（一）概念

　　高温短时杀菌法主要是指食品经100℃以上，130℃以下的杀菌处理。

主要应用于pH>4.5的低酸性食品的杀菌。

（二）特点

①占地少，紧凑（仅为单缸法的占地面积的20％）

②处理量大，连续化生产，节省热源，成本低；

③可于密闭条件下进行操作，减少污染的机会。

但杀菌后的细菌残存数会比低温长时杀菌法高；

④加热时间短，营养成分损失少，乳质量高，无焖煮味；

⑤可与CIP（原地无拆卸循环清洗系统）清洗配套，省劳力，提高效率；

⑥温度控制检测系统要求严格（仪表要准确）

（三）设备适用范围

　　需要快速有效的热传导，通常采用刮板式或管式热交换器。

这种方式适用于液体或小颗粒混合体。

但如果是很粘稠的液体或颗粒直径大于3cm时，加热就会受到热传导的控制，此时产品就需要受热数分钟才能达到杀菌要求，这样产品的质量、营养成分和口感会受到影响。

通常采用热水或蒸汽加热的管式或刮板式热交换器。

超高温瞬时杀菌

特点

①温度控制准确，设备精密；

②温度高，杀菌时间极短，杀菌效果显著，引起的化学变化少；

③适于连续自动化生产；

④蒸汽和冷源的消耗比高温短时杀菌法HTST高。

蒸汽喷射式加热灭菌法

（一）概念

　　是指采用蒸汽喷射的UHT灭菌法，通常叫做直接蒸汽喷射或DSI。

　　在最后的灭菌阶段将产品与蒸汽在一定的压力下混合，蒸汽释放出潜热将产品快速加热至灭菌温度。

这种直接加热系统加热产品的速度比其它任何间接系统都要快。

（二）特点

1、加热和冷却速度较快，UHT瞬时加热更容易通过直接加热系统来实现。

2、能加工粘度高的产品，尤其对那些不能通过板式热交换器进行良好加工的产品来说，它不容易形成结垢。

但蒸汽压力将限制设备长时间运转。

3、产品灭菌后需要进行无菌均质，由此设备本身的成本和运转成本大大增加。

4、结构复杂，装置大多是非标准型，系统成本是同等处理能力的板式或管式加热系统的两倍。

5、运转成本高，能量回收的限制性使加热成本增加。

但从某种程度上说，该系统连续运转较长时间可适当弥补其高成本的缺陷。

尤其对于牛乳来说，间接系统会产生严重的结垢现象，直接加热体系更符合产品的特性和质量要求。

二次灭菌法

（一）概念

　　二次灭菌法按设备运行方式可分为间歇式和连续式。

　　间歇式是指产品第一次灭菌采用管式超高温灭菌机，然后经灌装、封盖后放入间歇式灭菌器内进行第二次灭菌。

　　连续式是指产品第一次灭菌采用管式或板式超高温灭菌机，第二次灭菌采用连续式灭菌机。

该法灭菌处理的产品保存期长，有利于长途储运。

（二）特点

1、间歇式二次灭菌法设备简单，投资较低，但产品质量不稳定。

2、连续式二次灭菌线的特点是投资大，产量高，产品质量稳定。

3、二次灭菌机是二次灭菌生产线的核心设备，要求其升温、降温快，传热均匀，尽量减小热冲击和热惯性，性能良好，严格执行灭菌规程。

杀菌方法的选择

选择热杀菌方法和条件时应遵循下列基本原则：

（一）应达到相应的热处理目的

1、以加工为主：

热处理后食品应满足热加工的要求。

2、以保藏为主要目的：

热处理后的食品应达到相应的杀菌、钝化酶等目的。

（二）应尽量减少热处理造成的食品营养成分的破坏和损失

热处理过程要重视热能在食品中的传递特征与实际效果，满足食品卫生的要求，不应产生有害物质。

应根据产品热处理的目的选择优化方法。

热处理的一些优化方法

热处理的种类优化方法

热烫考虑非热损失所造成的营养成分的损失（如沥滤、氧化降解等）。

巴氏杀菌若食品中无耐热性的酶存在时，尽量采用高温短时工艺。

商业杀菌对对流传热和无菌包装的产品，在耐热性酶不成为影响工艺的主要因素时，尽量采用高温短时工艺。

对传导传热的产品，一般难于采用高温短时工艺。

热能在食品中的传递

在计算热处理的效果时必需知道两方面的信息，一是微生物等食品成分的耐热性参数，另一是食品在热处理中的温度变化过程。

（一）罐头容器内食品的传热

　　影响容器内食品传热的因素包括：

表面传热系数；食品和容器的物理性质；加热介质（蒸汽）的温度和食品初始温度之间的温度差；容器的大小。

　　要能准确地评价罐头食品在热处理中的受热程度，必须找出能代表罐头容器内食品温度变化的温度点，通常人们选罐内温度变化最慢的冷点（Coldpoint）温度，加热时该点的温度最低（此时又称最低加热温度点，Slowestheatingpoint），冷却时该点的温度最高。

热处理时，若处于冷点的食品达到热处理的要求，则罐内其它各处的食品也肯定达到或超过要求的热处理程度。

罐头冷点的位置与罐内食品的传热情况有关。

1、传导传热方式的罐头：

　　由于传热的过程是从罐壁传向罐头的中心处，罐头的冷点在罐内的几何中心。

2、对流传热的罐头：

　　由于罐内食品发生对流，热的食品上升，冷的食品下降，罐头的冷点将向下移，通常在罐内的中心轴上罐头几何中心之下的某一位置。

3、传导和对流混合传热的罐头：

　　其冷点在上述两者之间。

（二）评价热穿透的数据

　　测定热处理时传热的情况，应以冷点的温度变化为依据，通常测温仪是用铜?

康铜为热电偶利用其两点上出现温度差时测定其电位差，再换算成温度的原理。

　　在评价热处理的效果（如采用一般法计算杀菌强度F值）时，需要应用热穿透的有关数据，这时应首先画出罐头内部的传热曲线，求出其有关的特性值。

传热曲线

　　传热曲线是将测得罐内冷点温度（Tp）随时间的变化画在半对数坐标上所得的曲线。

作图时以冷点温度与杀菌锅内加热温度（Th）或冷却温度（Tc）之差（Th－Tp或Tp－Tc）的对数值为纵坐标，以时间为横坐标，得到相应的加热曲线或冷却曲线。

为了避免在坐标轴上用温差表示，可将用于标出传热曲线的坐标纸上下倒转180度，纵坐标标出相应的冷点温度值（Tp）。

　　以加热曲线为例，纵坐标的起点为Th－Tp＝1（理论上认为在加热结束时，Tp可能非常接近Th，但Th－Tp≠0），相应的Tp值为Th－1，即纵坐标上最高线标出的温度应比杀菌温度低一度（℃），第一个对数周期坐标的坐标值间隔为1℃，第二个对数周期坐标的坐标值间隔为10℃，这样依次标出其余的温度值。

杀菌条件的计算

食品热杀菌的条件主要是杀菌值和杀菌时间，目前广泛应用的计算方法有三种：

改良基本法、公式法和列线图解法。

（一）改良基本法

　　1920年比奇洛（Bigelow）首先创立了罐头杀菌理论，提出推算杀菌时间的基本法（Thegeneralmathod），又称基本推算法。

该方法提出了部分杀菌率的概念，它通过计算包括升温和冷却阶段在内的整个热杀菌过程中的不同温度－时间组合时的致死率，累积求得整个热杀菌过程的致死效果。

1923年鲍尔（Ball）根据加热杀菌过程中罐头中心所受的加热效果用积分计算杀菌效果的方法，形成了改良基本法（Improvedgeneralmethod）。

该法提高了计算的准确性，成为一种广泛使用的方法。

　　在杀菌过程中，食品的温度会随着杀菌时间的变化而不断发生变化，当温度超过微生物的致死温度时，微生物就会出现死亡。

温度不同，微生物死亡的速率不同。

在致死温度停留一段时间就有一定的杀菌效果。

可以把整个杀菌过程看成是在不同杀菌温度下停留一段时间所取得的杀菌效果的总和。

（二）公式计算法

　　此法是由鲍尔提出，后经美国制罐公司热工学研究组简化，用来计算简单型和转折型传热曲线上杀菌时间和F值。

简化虽然会引入一些误差但影响不大。

此法已经列入美国FDA的有关规定中，在美国得到普遍应用。

　　公式法是根据罐头在杀菌过程中罐内容物温度的变化在半对数坐标纸上所绘出的加热曲线，以及杀菌结束冷却水立即进入杀菌锅进行冷却的曲线才能进行推算并找出答案。

它的优点是可以在杀菌温度变更时算出杀菌时间，其缺点是计算繁琐、费时，还容易在计算中发生错误，又要求加热曲线必须呈有规则的简单型加热曲线或转折型加热曲线，才能求得较正确的结果。

　　近几十年来许多学者对这种方法进行了研究，以达到既正确又简单，且应用方便的目的。

随着计算机技术的应用，公式法和改良适用法一样准确，但更为快速、简洁。

（三）列线图法

　　列线图法是将有关参数制成列线计算图，利用该图计算出杀菌值和杀菌时间。

该法适用于Z=10℃，m+g=76.66℃的任何简单型加热曲线，快捷方便，但不能用于转折型加热曲线的计算。

当有关数据越出线外时，也不能用此法计算。

杀菌条件的确定

确定食品热杀菌条件时，应考虑影响热杀菌的各种因素。

食品的热杀菌以杀菌和抑酶为主要目的，应基于微生物和酶的耐热性，并根据实际热处理时的传热情况，选择食品热杀菌条件，以确定达到杀菌和抑酶的最小热处理程度。

热杀菌技术的研究动向集中在热杀菌条件的最优化、新型热杀菌方法和设备开发方面。

热杀菌条件的最优化就是协调热杀菌的温度时间条件，使热杀菌达到期望的目标，而尽量减少不需要的作用。

热杀菌的方法和工艺与杀菌的设备密切相关，良好的杀菌设备是保证杀菌操作完善的必要条件。

目前使用的杀菌设备种类较多，不同的杀菌设备所使用的加热介质和加热的方式、可达到的工艺条件以及自动化的程度不尽相同。

杀菌设备除了具有加热、冷却装置外，一般还具有进出料（罐）传动装置、安全装置和自动控制装置等。