食品物理冷杀菌技术研究进展.pdf

粮食与油脂2011 年第 2 期 1 食 品 物 理 冷 杀 菌 技 术 研 究 进 展 郑瑞生 1， 2， 王则金2 （1. 泉州师范学院化学与生命科学学院， 福建泉州 362002； 2. 福建农林大学食品科学学院， 福建福州 350002） 摘 要： 物理冷杀菌技术是一种新技术， 既能杀灭食品中微生物、 又能最大限度保持食品色泽、 香 味及营养成分。该文着重介绍超高压杀菌、 高压脉冲电场杀菌、 脉冲非热等离子体杀菌、 脉冲强光 杀菌、 磁力杀菌、 膜分离除菌、 紫外线杀菌、 辐照杀菌、 微波杀菌、 超声波杀菌、 电阻杀菌、 半导体光 催化杀菌等技术的杀菌原理及其在食品中应用。 关键词： 食品； 冷杀菌； 杀菌技术 Research advances on physical cold sterilization technology in foods ZHENG Rui-sheng1， 2， WANG Ze-jin2 （1. College of Chemistry and Life Sciences， Quanzhou Normal University， Quanzhou 362002， China； 2. College of Food Science， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China ） Abstract： Physical cold sterilization is one kind of developing technique， which contributes to keep natural color， flavor and nutritional ingredients of food. This article especially introduced the sterilization technologies of ultrohigh pressure， high voltage plused electric fields， pulsed non thermal plasma， high pulsedlight， magnetic， membrane separation， ultroviolet radiation， irradiation， microwave， ultrasound， ohmic， semiconductor photocatalysis and their application in food field. Key words： food； cold sterilization； sterilization technology 中图分类号： TS205.6 文献标识码： A 文章编号： 10089578 （2011） 02000103 收稿日期： 20101227 作者简介： 郑瑞生 （1979 ） ， 男， 在职博士生， 讲师， 研究方向： 食品科学技术。 微生物代谢活动易引起食品腐败变质， 杀菌成为 关键技术之一。食品工业采用杀菌方法主要有热杀菌 和冷杀菌两大类， 冷杀菌又称非热杀菌， 依据其作用 方式不同可分为物理冷杀菌、 化学冷杀菌 （如高浓度 CO2、 高纯度 ClO2、 臭氧杀菌等 1 ） 、 生物冷杀菌 （如抗 菌肽、 溶菌酶、 Nisin 等 2 ） 。其中物理冷杀菌是目前 研究最广泛一种杀菌方式， 是通过物理方式对食品进 行杀菌， 不仅能杀灭食品中微生物， 且能较好保持食 品固有营养成分、 质构、 色泽和新鲜度， 符合消费者对 食品营养和原味要求。现就当前食品领域物理冷杀菌 技术及其在食品中应用进行综述。 1 超高压杀菌 （UHP） 超高压杀菌又称为高压技术或高静水压技术。 系将食品物料以某种方式包装完好后， 放入液体介 质 （通常是食用水、 油、 甘油、 油与水乳液） 中， 在 100 MPa1000 MPa 压力下作用一段时间后达到灭菌要 求。其基本原理就是压力对微生物致死作用， 主要 是通过破坏细胞膜、 抑制酶活性和影响 DNA 等遗传 物质复制而实现杀菌。Buts 等证实， 高压处理不会 使果蔬中有益成分丢失， 采用超高压这种冷杀菌技 术， 可为消费者提供新鲜水果产品同时又能钝化病 原菌及酵母菌3。 2 高压脉冲电场杀菌技术 （PEF） / 脉冲非热等离子体 杀菌 （NTP） 高压脉冲处理技术是一种基于脉冲电源技术非 热处理方法。此法是通过与高压脉冲电源相连两根电 极将能量输入到待处理样品中， 高压脉冲处理技术中 最重要的是脉冲电源和反应器。在一定电源条件下， 根据与脉冲电源所配套反应器内不同电极结构， 高压 脉冲处理技术在水处理中有两种不同应用形式， 即在 平行电极结构中产生脉冲电场 （PEF） 形式和在集中电 场下通过脉冲液相放电产生非热等离子体 （NTP）形 式 4 。 脉冲电场 （PEF）处理技术是将水样置于两个电 极之间， 接通电源后高压脉冲电场瞬间施加于处于两 个电极之间样品上。该技术在常温常压下进行， 经处 理后样品温升小， 且物理化学性质无改变， 同时具有 杀菌时间短、 无环境污染、 杀菌效果显著等优点， 因此 被认为是颇有潜力非热灭菌方法， 在食品灭菌领域中 得到广泛研究 5 。 等离子体是固态、 液态和气态之外第四种物质存 在形态， 是由电子、 离子、 自由基和中性粒子等组成。 等离子体整体保持电中性同时具有化学反应性， 当体 系中电子温度高达 105K， 而离子和中性粒子温度只有 300500 K 时， 被称为非热等离子体 （NTP） ， 又称非 平衡等离子体 5 。等离子体之所以能灭菌是因其含 有带电粒子 （电子、 离子） 、 活性物质 （分子、 激发态原 子、 亚稳态原子、 自由基） ， 及紫外线和其它一些射线 等。带电粒子轰击微生物， 可直接破坏其蛋白质、 核酸 等大分子物质， 使微生物死亡； 活性物质 （如活性氧、 自由基团等） 与微生物中蛋白质和核酸反应， 扰乱微 生物正常功能；紫外线能使 DNA 双链形成胸腺嘧啶 二聚物而使细胞死亡， 也可破坏蛋白质氨基酸结构， 使蛋白质失去生物学活性 6 。 粮食与油脂2 2011 年第 2 期 3 脉冲强光杀菌技术 脉冲强光杀菌是利用强烈白光闪照进行杀菌技 术， 其系统主要包括动力单元和灯单元。动力单元为 惰性气体灯提供能量， 灯便放出只持续数百微秒， 其 波长由紫外光区域至近红外光区域强光脉冲， 其光谱 与太阳光相似， 但比阳光强几千倍至数万倍。脉冲光 中起杀菌作用波段可能是紫外光， 其它波段起协同作 用 7 。由于细菌、 酵母菌等微生物都系由水、 蛋白质、 碳水化合物、 脂肪和无机物等复杂化合物构成一种凝 聚态物质。脉冲强光有一定穿透性， 当闪照时， 脉冲强 光作用于其活性结构上， 使蛋白质发生变性， 从而使 细胞失去生物活性， 达到杀菌目的。 脉冲强光在杀菌和对食品进行保鲜同时能很好 保持食品营养成分和风味不发生变化， 且无有害物质 残留。此外， 脉冲强光杀菌技术在处理食品时所需费 用也不高， 适于烘烤食品、 海产品、 肉类、 水果和蔬菜 等杀菌及保鲜 8 。 4 磁力杀菌技术 磁力杀菌， 采用 6， 000 高新磁力强度， 将食品放 在 N 极与 S 极之间， 经连续摇动， 不需加热， 即可达到 100% 杀菌效果， 并对食品成分和风味无任何影响。有 关磁力杀菌详细原理目前仍不清楚， 但杀菌作用已被 证实。日本秋田大学、 秋田酿造试验场共同合作， 试验 交变磁力杀菌技术获得成功。日本三井公司将食品放 在 0.6 T 磁密度磁场中， 在常温 48 h， 达到 100% 杀菌 效果。该技术适于饮料、 调味品及各种包装固体食品 杀菌 9 。 5 膜分离除菌技术 膜分离是一种分子级分离， 主要膜系统按膜孔紧 密程度由密到疏， 可分为反渗透 （RO） 、 纳米过滤 （NF） 、 超滤 （UF） 、 微滤 （MF） 。应用微滤膜可使发酵工业用水 和产品实现无菌化。由于在膜分离过程中， 物质不发 生相变， 分离系数较大， 操作温度在室温左右， 因而膜 分离技术在食品加工领域有其独特实用性。 胡立新等 10利用微滤膜对牛初乳进行除菌， 克服传统工艺杀菌 时造成脂肪被氧化， 产生异味缺陷， 产品微生物指标符 合国家标准。由于采用膜技术进行 “冷杀菌” ， 降低热 敏性成分分解， 提高产品品质。膜分离技术如在海水 和苦咸水淡化、 矿泉水杀菌及食品厂废水处理、 空气中 细菌去除等方面都已得到广泛利用。 6 紫外线杀菌技术 紫外线是一种波长范围为 136390 nm 不可见光 线， 在波长为 240290 nm 时具有杀菌作用， 尤其以波 长为 253.7 nm 紫外线杀菌作用最强。其杀菌机理为： 微生物被紫外线照射时， 细胞核酸生物活性因吸收紫 外线而可能改变， 从而引起菌体内蛋白质和酶合成障 碍， 导致结构发生变异、 功能遭到破坏从而导致死亡 11 。王玲等研究表明， 石英紫外线杀菌灯对载体上污 染细菌繁殖体、 细菌芽孢和病毒都有较强灭活效果， 对载体上乙型肝炎表面抗原灭活作用较低 12 。目前 使用紫外线装置大多是管壁能通过紫外线的低压汞 灯， 这种技术多见于对水的处理， 同时也常用于对空 气， 食品器具、 设备等杀菌消毒。 7 辐照杀菌技术 辐照 （或辐射 / 放射线） 杀菌， 是利用一定剂量波 长极短电离射线对食品进行杀菌。对食品杀菌时常用 射线有 X 射线、 射线和电子射线。电子射线主 要从电子加速器中获得， X 射线由 X 射线发生器 产生， 射线主要由放射性同位素获得， 常用放射线 同位素有 60Co 和137Cs。 射线穿透力很强， 适于完 整食品及各种包装食品内部杀菌处理； 电子射线穿透 力较弱， 一般用于小包装食品或冷冻食品杀菌， 特别 适于对食品表面杀菌处理。射线辐射对食品作用分为 初级和次级， 初级是微生物细胞间质受高能电子射线 照射后发生电离作用和化学作用； 次级是水分经辐射 和发生电离作用而产生各种游离基和过氧化氢再与 细胞内其它物质作用。这两种作用会阻碍微生物细胞 内一切活动， 从而导致微生物细胞死亡 13 。 在食品安全控制领域， 辐照技术在解决食品安全 问题时具有独特技术特色和优势， 在防止食品中食源 性致病微生物污染、 降解和破坏食品中有害物质和过 敏原及进出口检疫等方面均有很大应用潜力。对水产 品进行辐照加工处理时， 既可杀死食品中病虫、 病原 微生物及其它腐败菌， 达到产品保存或保鲜目的； 同 时亦降低致敏性和毒害性， 保障食品安全性 14 。 8 微波杀菌技术 微波杀菌机理包括热效应和非热效应。 （1）微 波热效应即微波作用于食品， 食品表里同时吸收微波 能， 温度升高； 污染微生物细胞在微波场作用下， 其分 子也被极化并作高频振荡， 产生热效应， 温度升高； 温 度快速升高使其蛋白质结构发生变化； 从而失去生物 活性， 使菌体死亡或受到严重干扰而无法繁殖。 （2） 微波非热生化效应， 即微波作用会使微生物在其化学 过程中所产生大量电子、 离子、 和其它带电粒子生物 性排列组合状态和运动规律发生改变， 亦使微生物生 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， 使细胞正常代谢功 能受到干扰破坏， 微生物细胞生长受到抑制， 甚至停 止生长或使之死亡。微波能还能使微生物细胞赖以生 存水分活度降低， 破坏微生物生存环境。另外， 微波还 可导致细胞 DNA 和 RNA 分子结构中氢键松驰， 断裂和 重新组合， 诱发基因突变， 染色体畸变， 从而中断细胞 正常繁殖能力。德国内斯公司研制微波室系统， 加热 温度为 72 85， 时间为 18 min， 杀菌效果十分理 想， 特别适于已包装面包、 果酱、 香肠、 锅饼、 点心及贮 藏过程中杀灭虫、 卵等 15 。 9 超声波杀菌技术 超声波是一种新的物理杀菌方法， 超声波在媒介 中传播时， 会引发一系列特殊效应， 如热效应、 力学效 应和空化效应等， 使细胞结构受到破坏； 空化效应时 形成少量自由基也能破坏 DNA 之类生物物质， 使微生 物死亡 16 。但超声波对复杂细菌效果不明显， 故超声 粮食与油脂2011 年第 2 期 3 波单独使用时杀菌效果不理想， 常需要与其它方法联 合使用 17 。 10 电阻杀菌技术 电阻杀菌技术是以交流电电流通过食物， 因食物 中所含盐分或有机酸均为电解质， 无论流体或固体， 电流均可通过。热由食品内部产生， 其原理是利用食 品本身导电性， 及不良导体产生大的电阻抗特性产生 热能。若食品本身各部份导电均匀， 由电极接触使电 流通过时， 其内外整体均以同一速率产生热能。这一 加热方式较微波加热方式更具能源效益， 几乎所有电 能都在食品内被转化成热能。一般而言， 大部分可输 送流体食品只要其水分含量超过 30%、 且溶有盐类， 已 具有足够导电性而使电阻加热。但非离子化物质如脂 肪、 油、 糖、 糖浆或不添加盐类纯水等因不具导电性， 故不适于应用电阻加热。另外， 必须配合专利设计的 电极设计提供电流， 才能排除食品因电流而产生电化 学反应及电极腐蚀可能性， 提高安全性、 降低成本， 有 利于电阻加热在食品商业杀菌运用 18 。 这种杀菌技术初次应用在牛奶上， 它是一种纯放 电加工， 在电热室中通过碳电极， 把牛奶加热到 70， 结果能使分支杆菌结核菌和大肠杆菌失活。常用于炖 牛肉类炖制食品， 可实现连续化生产， 能量利用率也 高， 易于操作控制 19 。 11 半导体光催化杀菌技术 半导体光催化杀菌时， 当光照射到较大聚集体半 导体表面时， 激发产生光生电子和光生空穴对。由于 光生电子迁移速度比光生空穴快得多， 所以可将光生 电子和光生空穴分开。光生空穴有很强得电子能力， 这样产生光生电子、 空穴对一方面与细胞壁、 细胞膜 及胞内组分作用， 导致酶失活等； 另一方面光生电子、 空穴对与水或水中溶解氧发生作用形成氢氧自由基， 它们与细胞壁、 细胞膜或细胞内组成成分发生生化反 应。半导体光催化能进行彻底杀菌， 这种杀菌是通过 生物生命活动过程中电子得失而导致结果， 因而控制 合适光催化条件， 就能达到良好杀菌效果 20 。 半导体光催化以 n 型半导体为催化剂， 例如 TiO2、 CdS、 ZnO、 ZnS、 CdS、 WO2、 Fe3O4、 SnO2等， 已 证明 TiO2和 ZnO 催化活性最好， CdS 也具有较好活 性 21 。ZnO、 CdS 在光照时不稳定， 常因光阳极腐蚀 游离出 Zn2+、 Cd2+及因光阴极腐蚀而析出金属 Zn、 Cd， 光阳极腐蚀产物 Zn2+、 Cd2+对生物有毒性。TiO2 化学性能、 光电化学性能均十分稳定、 耐光腐蚀， 对生 物无毒性， 来源丰富， 因而常选择 TiO2为半导体杀菌 光催化剂。半导体杀菌在光动力学疗法和水的深度处 理方面有着广泛应用前景。 12 结束语 综观以上食品物理冷杀菌技术， 与传统杀菌技术 相比， 减少对食品营养素和风味破坏； 但一些技术尚 处于试验研究阶段， 对其中杀菌原理仍尚不清楚， 因 而限制其应用。其它灭菌技术仍需作进一步研究， 透 彻解其杀菌机理和影响因素， 从而取得最佳灭菌效 果。目前应着重研究：（1） 灭菌技术作用机理、 影响因 素和适用条件等；（2） 努力降低生产成本；（3） 不同杀 菌技术两两结合或更多结合取得最佳杀菌效果；（4） 同时应加强冷杀菌技术安全评价工作， 尤其是新的冷 杀菌技术引起食品内部结构变化、 分子断裂、 重排等 所产生安全方面影响。随着食品工业发展， 物理冷杀 菌技术必将发挥越来越大作用。 参考文献 1 赵敏 . 二氧化氯在蒜粒冷杀菌中的应用 J. 中国调味品， 2009， 34 （2） ： 3235. 2 赵海鹏， 谢晶. 生物保鲜剂在水产品保鲜中的应用J. 吉林农 业科学， 2009， 34 （4） ： 6064. 3 Butz P， Garcia A F， Lindauer R， et al. 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