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食品冷殺菌技術研究匯總

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-07-13  來源:食品研發與生產  瀏覽次數:1975
核心提示:  食品工業中采用的殺菌方法主要有加熱殺菌和非加熱殺菌兩大類。傳統的熱殺菌法雖然能保證食品在微生物方面的安全,但熱能會破
   食品工業中采用的殺菌方法主要有加熱殺菌和非加熱殺菌兩大類。傳統的熱殺菌法雖然能保證食品在微生物方面的安全,但熱能會破壞對熱敏感的營養成分,影響食品的質構、色澤和風味。冷殺菌技術雖然起步較晚,但由于消費者要求營養、原汁原味的食品的呼聲日益高漲,冷殺菌技術受到日益重視并進展很快。冷殺菌技術不僅能保證食品在微生物方面的安全,而且能較好地保持食品的固有營養成分、質構、色澤和新鮮程度。冷殺菌技術近來成為國內外食品科學與工程領域的研究熱點。
 
  本文綜述了國內外在冷殺菌技術方面的研究進展,主要介紹超高壓殺菌、輻射殺菌、超高壓脈沖電場殺菌、脈沖強光殺菌、磁力殺菌、紫外線殺菌和二氧化鈦光催化殺菌等技術的基本原理及其在食品工業中的應用。

 
 

  一、超高壓殺菌技術
 
  食品超高壓技術(Ul-tra-HighPressureprocessing,UHP)簡單稱高壓技術(HighPressureProcessing,HPP)或高靜水壓技術(HighHydro-staticPressure,HHP)食品超高壓殺菌,即將包裝好的食品物料放入液體介質(通常是食用油、甘油、油與水的乳液)中,在100~1000MPa壓力下處理一段時間使之達到滅菌要求。其基本原理就是利用壓力對微生物的致死作用,主要通過破壞細胞膜、抑制酶的活性和影響DNA等遺傳物質的復制來實現。
 
  二、輻射殺菌
 
  輻射(或輻照)殺菌是利用一定劑量的波長極短的電離射線對食品進行殺菌。在食品殺菌中常用的射線有χ-射線、γ-射線和電子射線。電子射線主要由電子加速器中獲得,χ-射線由χ-射線發生器產生,γ-射線主要由放射性同位素獲得,常用的放射線同位素有60Co和137Cs。γ-射線的穿透力很強,適合于完整食品及各種包裝食品的內部殺菌處理,電子射線的穿透力較弱,一般用于小包裝食品或冷凍食品的殺菌,特別適用于對食品的表面殺菌處理。

  2.1 輻射殺菌的機理
 
  射線輻射對食品的作用分為初級和次級,初級是微生物細胞間質受高能電子射線照射后發生的電離作用和化學作用,次級是水分經輻射和發生電離作用而產生各種游離基和過氧化氫再與細胞內其它物質作用。這兩種作用會阻礙微生物細胞內的一切活動,從而導致微生物細胞死亡。
 
  食品輻射殺菌的目的不同,采用的輻射劑量也不同,完全殺菌的輻照劑量為25~50kGy,其目的是殺死除芽孢桿菌以外的所有微生物。消毒殺菌的輻射劑量為1~10kGy,其目的是殺死食品中不產芽孢的病原體和減少微生物污染,延長保藏期?傊,對于不同的微生物,需要控制不同的輻射劑量和電子能量。
 
  2.2 輻射對食品營養成分的影響
 
  食品在正常推薦的劑量輻照后其營養成分,如蛋白質、糖類、微量元素及礦物質的損失很少,但維生素和脂肪對輻照敏感。維生素經輻照后的損失程度與食品種類、輻照劑量、溫度、氧量及維生素的種類有關,一般來說,脂溶性維生素較水溶性維生素對輻照敏感。用殺菌劑量比較輻照處理與加熱處理食品的水溶性維生素的破壞作用,可以發現兩者幾乎沒有差別,而脂溶性維生素損失較大,尤以維生素E、K損失最大。在水溶性維生素中維生素C損失最大,煙酸損失最小。脂肪經高劑量輻照后,因氧化反應產生的自由基及其衍生物會促進脂肪的氧化而使其發生酸敗變性,導致脂肪的消化吸收率降低。
 
  2.3 輻照處理對食品色香味和質地的影響
 
  色澤輻照處理對各種食品色素的影響不同。植物性色素對輻照處理較穩定,動物性色素對輻照敏感。輻照的水解物能導致肌紅蛋白和脂肪的氧化,引起褪色。輻照能加深冷凍禽胸肉穩定的紅色或粉紅色,紅色的加深依據于肉的種類、肌肉的類型、輻照的劑量、包裝材料的不同而不同。
 
  三、超高壓脈沖電場殺菌
 
  3.1 超高壓脈沖電場殺菌機理
 
  超高壓脈沖電場殺菌是采用高壓脈沖器產生的脈沖電場進行殺菌的方法。其基本過程是用瞬時高壓處理放置在兩極間的低溫冷卻食品。其機理基于如下假設:細胞膜穿孔效應、電磁機制模型、粘彈極性形成模型、電解產物效應、臭氧效應等。歸納起來,超高壓脈沖電場殺菌作用主要表現在2個方面:
 
 。1)場的作用。脈沖電場產生磁場,細胞膜在脈沖電場和磁場的交替作用下,通透性增加,振蕩加劇,膜強度減弱,從而使膜破壞,膜內物質容易流出,膜外物質容易滲入,細胞膜的保護作用減弱甚至消失。
 
 。2)電離作用。電極附近物質電離產生的陰陽離子與膜內生命物質作用,從而阻礙了膜內正常生化反應和新陳代謝過程等的進行。同時,液體介質電離產生臭氧的強烈氧化作用,使細胞內物質發生一系列的反應。通過場和電離的聯合作用,殺滅菌體。
 
  3.2 高壓電場脈沖的處理效果
 
  國內外研究人員使用高壓脈沖電場對培養液中的酵母、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、細菌孢子以及蘋果汁、香蕉汁、菠蘿汁、橙汁、桔汁、桃、牛奶、蛋清液等進行了研究。研究結果顯示抑菌效果可達4~6個對數級,其處理時間極短,最長不超過1s,該處理對食品的感官質量不造成影響,其貨架期一般都可延長4~6周。1997年,陳鍵用22.5kVcm的電場,脈沖50次,使脫脂乳中的99%的大腸桿菌失活。
 
  為了提高脈沖的殺菌效果,Iu等人指出,高壓脈沖與中等程度的熱處理相結合或與溶菌酶、乳鏈球菌素等天然抗微生物制劑相結合處理蘋果汁,能有效地減少O157:H7大腸桿菌。Hodgins等人用低能脈沖電場處理蘋果汁,結果表明:用80kV/cm的電場,脈沖20次,pH3.5,44℃,添加100U/mL乳鏈球菌素能減少微生物106CFU/mL,維生素C保留97.5%,果膠甲酯酶的活性減少92.1%,橙汁的貨架壽命得到延長,氣相色譜顯示芳香物質在脈沖前后無顯著差別。Mingyu等人處理香蕉汁時也有相似的結論。高壓脈沖電場對未過濾的蘋果汁、果漿含量高的菠蘿汁、桔汁、天冬甜素液的感官特性沒有影響,桔汁中的維生素C含量不改變,處理過的蘋果汁比新鮮的蘋果汁味道更好。脈沖殺菌與低濃度的殺菌劑如臭氧和H2 O2 結合,殺菌效果將更顯著,有望在食品工業中得到應用。

  四、脈沖強光殺菌
 
  脈沖強光殺菌是利用脈沖的強烈白光閃照而使惰性氣體燈發出與太陽光譜相近,但強度更強的紫外線至紅外線區域光來抑制食品和包裝材料表面、固體表面、氣體和透明飲料中的微生物的生長繁殖。
 
  圖片來源:張軍凱, 包青平 孫志鋒, 孫志棟, 陳權輝,食品加工新型殺菌技術研究進展
 
 
  五 、磁力殺菌技術
 
  磁力殺菌是將食品放在N極和S極之間,用6000的磁力強度連續擺動,不需要加熱,即可達100%的滅菌效果,對食品的成分和風味無任何影響。日本三井公司將食品放在0.6T磁密度的磁場中,在常溫下48h,達100%滅菌效果。磁殺菌可用于飲料、調味品及各種包裝的固體食品的殺菌。目前國內已對水、酸奶等制品進行了磁場殺菌的研究。但是食品中微生物的失活與磁場強度的關系,磁場與食品營養成分變性的關系,磁場能量效率與延長食品貨架期的關系,磁場對食品質量的影響和微生物失活機理等等,目前尚不清楚,還有待于進一步研究與探索。利用磁場殺菌技術要求食品材料有較高的電阻率,一般大于10Ψcm,以防材料內部產生渦流效應而導致磁屏蔽。金屬包裝的食品不能用此法來殺菌。因磁力殺菌對包裝材料的要求高,因而限制了其應用范圍。
 
 
  六 、紫外線殺菌
 
  紫外線殺菌主要是由于其輻射性能可以破壞有機物的分子結構。微生物受紫外線照射時最容易受影響的是其體內的蛋白質和核酸。尤其是可誘導DNA中的胸腺嘧啶二聚體的形成,從而抑制DNA的復制和細胞分裂,乃至使其受傷甚至死亡。波長250~260nm的紫外線殺菌效果最佳,其殺菌效果比近紫外線(波長300~400nm)要大1000倍以上。不同種類的微生物抗紫外線的能力不一樣,酵母菌和絲狀菌抗紫外線的能力比細菌強,病毒和細菌的抗紫外線的能力基本相同。
 
  國內外紫外線殺菌的場合主要有食品廠用水的殺菌、液狀食品殺菌、固體表面殺菌、食品包裝材料殺菌及食品加工車間、設備器具、工作臺的殺菌。但在這些場合,對霉菌的殺菌效果較差,常需配合酒精消毒來加強殺菌效果。
 
  由于紫外照射會破壞有機物分子結構,所以會給某些食品的加工帶來不利的影響,特別是含脂肪和蛋白質豐富的食品經紫外線照射會促使脂肪氧化、產生異臭,蛋白質變性,食品變色等。此外,食品中所含的有益成分如維生素、葉綠素等易受紫外線照射而分解,因此紫外線照射殺菌的應用受到一定程度的限制。

  七 、超聲波殺菌
 
  超聲波殺菌主要利用空化作用,使液體產生瞬間高溫、高壓變化,導致細菌死亡,病毒失活,抑制酶的活性[2]。超聲波應用于肉制品中時,不僅可以抑制酶活性,還可以破壞肉中的溶酶體和結締組織,起到嫩化作用。
 
  八 、二氧化鈦光催化殺菌
 
  二氧化鈦光催化以前用于水解水制氫、探討光電化學理論、有機合成、礦化有機物及臨床抗癌實踐。二氧化鈦光催化殺菌時,當光照射到較大聚集體的TiO2 表面時,激發產生光電子和光生空穴對。由于光生電子遷移速度比光生空穴快得多,所以可將光生電子和光生空穴分開。光生空穴有很強的得電子能力,這樣產生的光生電子-空穴對與細胞壁、細胞膜以及細胞內組分作用,導致酶失活。另一方面光生電子-空穴對與水或水中溶解氧發生作用形成氫氧自由基,它們與細胞壁、細胞膜或細胞內物質作用,使細胞功能單元失活。
 
  目前在食品工業領域中,二氧化鈦光催化殺菌技術僅應用于水的處理,其它方面的應用有待于進一步探索。
 
  與傳統的殺菌技術相比,以上食品殺菌新技術對食品的營養成分、風味、質地、感官影響較小。但單一的殺菌技術尚存在某一方面的欠缺或不足。因此,為了進一步提高殺菌效率,把對食品的營養成分、風味、感官的有害作用降到最低,利用兩種或兩種以上的殺菌方式串聯或并聯使用或與天然殺菌劑配合使用是今后殺菌技術研究的一個重要方向。
 
  九 、臭氧殺菌
 
  臭氧殺菌指通過臭氧分解產生活潑氧原子和微生物體內的生理活性物質相互作用,而使細胞生理機能受到影響。
 
  臭氧殺菌是通過臭氧和細菌細胞膜脂類的雙鍵反應,穿入菌體內部,作用于蛋白質和脂多糖,使細胞膜的通透性增加,細胞內物質逸出,從而導致細菌死亡[2]。
 
  臭氧氧化力極強,僅次于氟,能迅速分解有害物質,殺菌能力是氯的600~3 000倍,其分解后迅速的還原成氧氣。利用其性能的臭氧技術在歐美、日本等發達國家早就得到廣泛應用,是殺菌消毒、污水處理、水質凈化、食品貯存、醫療消毒等方面的首選技術。美國華盛頓大學醫學研究人員發現,臭氧可以抑制癌細胞的生長;日本石川島播麻種工業公司證明,臭氧水有望成為最佳的果樹殺菌劑,其殺菌效果明顯優于次氯酸鈉;中國醫學科學院研究證明,臭氧可以有效地殺滅淋球菌,并且對水中的重金屬有分解作用。
 
  試驗證明臭氧水是一種廣譜殺菌劑,它能在極短時間內有效地殺滅大腸桿菌、蠟桿菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、流腦雙球菌等一般病菌以及流感病菌、肝炎病毒等多種微生物?蓺⑺篮脱趸~、肉、瓜果蔬菜、食品表面能產生異變的各種微生物和果蔬脫離母體后繼續進行生命活動的微生物,加速成熟乙烯氣體,延長保鮮期。
 
  十 、膜過濾除菌技術
 
  隨著材料科學的發展,各種可用于物料分離的膜相繼出現,膜分離技術已在食品、生物制藥等工業生產中得到廣泛應用。例如生化物質的提取、純水的制備、果汁的濃縮等。膜分離過程根據推動力的不同,大體分為兩種。一類是以壓力為推動力的膜過程,如超濾、微孔過濾、反滲透;另一種是以電力為推動力的膜過程,稱為離子交換,如電滲析。通常膜的孔徑為0.0001—10斗m,而物料中的微生物粒子大小一般在0.5—2恤m,若選用孔徑小于微生物大小的膜,使物料通過膜過濾器進行過濾,則菌體粒子被截留,稱之為過濾除菌。
 
  膜過濾除菌技術具有耗能少、在常溫下操作、適用于熱敏性物料、工藝適用性強等優點,其應用前景廣闊,現已廣泛用于食品、生化、制藥、乳品、果汁等的過濾除菌。食品工程中的殺菌技術還很多,如二氧化氯殺菌技術、氯氣殺菌技術、電子滅菌技術、加熱與加壓并用殺菌技術、加熱與化學藥劑并用殺菌技術、加熱與輻射并用殺菌技術、靜電殺菌技術等,這些技術正在得以研究和應用。
 
  十一 、低溫等離子體冷殺菌
 
  目前,對于生鮮肉、新鮮果蔬及鮮切蔬菜等熱敏食品采用的冷藏、氣調包裝等殺菌保鮮包裝技術,存在殺菌不徹底及產生二次污染的問題。
 
  低溫等離子體冷殺菌技術(CPCS)可以產生多種具有殺菌性能的物質,如活性氧( reactive oxygen species,ROS) 、活性氮( reactive nitrogen species,RNS) 、帶電粒子、紫外光子等。不同的殺菌物質作用于細胞的不同部位造成細胞破壞或者生物體死亡。CPCS 的殺菌機理可以從對細胞的蝕刻作用、細胞膜穿孔與靜電干擾、大分子氧化三個方面解釋。
 
  CPCS具有作用時間短、殺菌溫度低等優勢。與目前廣泛采用的熱源殺菌技術比較,CPCS與氣調包裝( modified atmosphere packaging,MAP) 保鮮技術完美結合。產生殺菌作用的等離子體來源于包裝內部氣體,對包裝產品進行殺菌處理不會產生二次污染、不會產生化學殘留,安全性高; 盡管使用的電壓非常高,但電流微小、殺菌處理過程很短,不會產生熱量、沒有溫升,且能耗低、操作簡便。因此,CPCS-MAP 技術是食品冷殺菌保鮮包裝技術的重要突破[1]
 
  除上述冷殺菌新技術外,食品殺菌還有C02殺菌技術、交變磁場殺菌、半導體光催化殺菌等殺菌技術,它們都在食品工業的不同領域顯示出較好的應用價值。
 
  與傳統的食品加熱殺菌比較,冷殺菌能充分保留食品的營養成分和原有風味,甚至產生某些令人喜愛的特殊風味,而且殺菌徹底,處理時間短。不產生毒性物質。但由于有些技術還不成熟,實際應用中還受到較大程度的限制。隨著冷殺菌機理的深入探討和技術的逐步完善,相信冷殺菌技術將會更多地取代現有的食品熱殺菌技術,人們將享受到品質更好、更安全、更新鮮的食品。[3]

  
  參考文獻:
 
  [1] 章建浩。黃明明。王佳媚。趙見營。低溫等離子體冷殺菌關鍵技術裝備研究進展。食品科學技術學報。2018 年7 月第36 卷第4期
 
  [2] 王賀。 冷殺菌技術在食品加工中的應用[J]. 中國新技術新產品,2012(11):129.
 
  [3] 百度詞條·中國食品科學技術學會
 
  注:因部分資料來源于網絡,無法確定具體來源,如引用了您的資料,但未注明,請與我聯系更正,或刪除。
 
 
  來源:微信公眾號——食品研發與生產
 
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