（制糖工程专业论文）高强脉冲电场对牛乳灭菌效果及其品质影响研究.pdf

摘要 摘要 传统的热灭菌法在对牛乳杀灭有害菌的同时，也对牛乳的品质产生了许多不 利影响。如热灭菌会导致牛乳的颜色加深，产生蒸煮味，热敏性维生素损失等。 热灭菌还会使牛乳蛋白质凝固，导致热交换器结垢，效率降低，影响产品质量等 问题。因此有必要寻找能替代牛乳传统热灭菌的非热技术。 高强脉冲电场灭菌是新兴起来有望取代传统热灭菌法的技术之一。它主要是 利用瞬时高强度的脉冲电场，对处在特殊的处理室里的液态食品进行灭菌的一种 方法。其高场强可直接将微生物杀死，而对食品的天然风味和营养成分几乎没影 响。 本论文就是采用本研究室研制的高强脉冲电场连续处理系统，对牛乳的灭菌 效果和规律，灭菌机理以及灭菌后牛乳中的一些主要营养成分变化进行了研究。 实验室初步研究发现运用高强脉冲电场对牛乳灭菌是高效、安全可行的，并且极 好地保持了牛乳的营养与风味，这为高强脉冲电场在牛乳的工业化应用提供了有 用的理论指导和实验数据，也对高强脉冲电场在其它液态食品灭菌方面的运用同 样具有借鉴意义。具体研究工作和主要成果如下： 研究了高强脉冲电场对接种在无菌脱脂乳中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、 酿酒酵母和枯草芽孢杆菌的灭菌规律和效果。发现相同条件下，各种菌对电场的 抵抗能力大小依次为：枯草芽孢杆菌 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌 酿酒酵母。而增 大电场强度和提高牛乳的初始温度有利于杀灭对电场抵抗力较强的枯草芽孢杆 菌。另外大肠杆菌在全脂乳中比脱脂乳中较难杀灭。低电导率的牛乳比高电导率 的灭菌效果好。在流速为2 0 m l m i n ，脉冲宽度为4 0 i _ t s 时，使用3 5 k v c m 的电场 强度和1 5 0 0 h z 的脉冲频率，可使鲜乳中细菌总数由2 8 1 0 5 c f u m l 降低到 1 6 1 0 2 c f u m l ，达到国家食品卫生标准要求，并且高于巴氏灭菌效果。 采用透射电镜观察了高强脉冲电场对酵母细胞作用前后的结构变化，发现经 脉冲电场作用后的酵母不仅是细胞膜，细胞膜内部结构也遭受到了严重的破坏， 细胞膜的破裂不是导致细胞死亡的唯一机制。 对经脉冲电场处理后牛乳的风味，电导率和乳糖含量的变化进行了分析研 究，发现脉冲电场对它们几乎无影响。采用氨基酸分析仪对经电场处理前后牛乳 中的游离氨基酸含量进行了分析研究，发现牛乳中的总游离氨基酸含量增多。采 用高效液相色谱仪对经电场处理前后牛乳中的维生素a 含量进行了测定，发现 牛乳中维生素a 的含量几乎无损失。 关键词：高强脉冲电场；牛乳；灭菌；品质 a b s t r ac t t h et r a d i t i o n a lt h e r m a lp a s t e u r i z a t i o np r o c e s s e sc a nd e s t r o ym i c r o o r g a n i s m si n t h em i l k ，h o w e v e r ，i th a sb r o u g h tm a n ya d v e r s ea s p e c t s f o re x a m p l e ，i tm a yd a r k e n t h ec o l o ro ft h em i l k ，b r i n gt h eu n d e s i r a b l e c o o k i n gf l a v o r ，d e s t r o ys e n s i t i v ev i t a m i n ， a n dm a k et h ep r o t e i nc u r d l i n gi nt h eh e a te x c h a n g e rt h a tl e a dt h el o we f f i c i e n c yo f t h eh e a te x c h a n g e ra n dq u a l i t yp r o b l e m sa sw e l l s oi t s n e c e s s a r yt h a tw es h o u l d f i n dan o n - t h e r m a lp r o c e s st os u b s t i t u t ef o rt h eh e a tt r e a t m e n to fm i l k t h e a p p l i c a t i o n o f h i p e f ( h i g hi n t e n s i t yp u l s e d e l e c t r i c f i e l d ) a c t iv a t i n g m i c r o o r g a n i s m s i so n eo ft h ea l t e r n a t i v en o n t h e r m a l p r o c e s st e c h n o l o g i e s t ot h e t h e r m a lp r o c e s s e s h i p e f p r o c e s s i n g f o o dc o n s i s t so ft r e a t m e n tw i t h v e r y s h o t e l e c t r i cp u l s e sa th i g he l e c t r i cf i e l di n t e n s i t i e si nas p e c i a lt r e a t m e n tc h a m b e r t h e h i g he l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yc a nd e s t r o yt h em i c r o o r g a n i s m s ，a n dt h e r ea r ea l m o s tn o d i s a d v a n t a g e sf o rt h ef r e s h n e s sa n d n u t r i t i o no ft h et r e a t e df o o d t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t sa n dd i s c i p l i n a r i a no fh i p e fo nm i c r o o r g a n i s m s i nt h e m i l k ，t h em e c h a n i s m s o fh i p e f i n a c t i v a t i n gm i c r o o r g a n i s m s a n dt h e i n f l u e n c e so fi to nm i l k q u a l i t y w i t ht h eh i p e fc o n t i n u o u st r e a t m e n ts y s t e m d e s i g n e db yo u rr e s e a r c hl a b i tw a sf o u n dt h a th i p e fp r o c e s s e so nm i l kw a sn o t o n l ye f f i c i e n t ，s a f ea n da v a i l a b l e ，b u ta l s om a i n t a i nt h en u t r i t i o na n df l a v o ro ft h e m i l k ，w h i c hm a yp r o v i d eu s e f u lt h e o r yg u i d a n c e a n d e x p e r i m e n t a l d a t af o r t h e i n d u s t r i a l i z a t i o no fh i p e fo nm i l ka n dau s ef o rr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no f h i p e fo no t h e rl i q u i df o o d t h ed e t a i lr e s e a r c ha n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g t h ee f f e c t sa n d d i s c i p l i n a r i a n o ft h eh i p e f o nt h e e e o l i ，s a u r e u s ， s a c c h a r o m y c e s ，b s u b i t i l i si n o c u l a t e di nt h eh e a ts t e r i l i z e ds k i mm i l kw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e s i s t a n ta b i l i t yo ft h o s em i c r o o r g a n i s m su n d e rt h es a m e c o n d i t i o no r d e r e da st h e f o l l o w i n g ：b s u b i t i l i s s a u r e u e c o l i 譬口c c 盘，d ，扎y c p 占 i n c r e a s e de l e c t r i cf i e l di n t e n s i t ya n di n i t i a l t e m p e r a t u r eo ft h e m i l km a d eh i p e f i n a c t i v a t eb s u b i t i l i sm o r ee f f i c i e n t l y e c o l iw a sm o r er e s i s t a n tt ot h eh i p e f p r o c e s s e si nt h ew h o l em i l kt h a ni nt h es k i mm i l k t h el o wc o n d u c t i v i t ym i l kc o u l d g e tab e t t e rs t e r i l i z a t i o ne f f e c tt h a nt h eh i g hc o n d u c t i v i t ym i l kd i d w h e nt h ef r e s h m i l kw a se x p o s e dt ot h et r e a t m e n tc o n d i t i o n so f3 5 k v c m ，l5 0 0 h zw i t ht h ep u l s e d u r a t i o no f4 0 i _ t sa n df l o wr a t eo f2 0 m l m i n t h ec o n c e n t r a t i o no ft h eb a c t e r i ai nt h e f r e s hm i l kr e d u c e df r o m2 8 x 1 0 5 c f u m lt o1 6 x 1 0 2 c f u m l w h i c hh a dr e a c h e dt h e n a b s t r a c t c o u n t r yf o o ds a n i t a t i o ns t a n d a r da n dg o tab e t t e re f f e c tt h a nt h ep a s t e u r i z a t i o np r o c e s s e s t h es t r u c t u r eo fs a c c h a r o m y c e sw a so b s e r v e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) b e f o r ea n da f t e rt h eh i p e ft r e a t m e n t a n dw ef o u n dt h a tn o to n l yt h ec e l lm e m b r a n e b u ta l s ot h ej n n e rs t r u c t u r eo f s a c c h a r o m y c e s w a s b a d l yd e s t r o y e da f t e rt h eh i p e f t r e a t m e n t i tt h u sl i k e l yt h ed e s t r o y e dm e m b r a n ed i dn o tc o n s t i t u t et h es o l em e c h a n i s mr e s p o n s i b l ef o r s a c c h a r o m y c e si n a c t i v a t i o nb yh i p e f t h ef l a v o r c o n d u c t i v i t y a n dl a c t o s ec o n t e n to ft h em i l ks h o w e dn os i g n i f i c a n tc h a n g e s a f t e rt h eh i p e ft r e a t m e n t t h ef r e ea m i n oa c i d sc o n t e n t si n 山es k i mm i l kw e r es t u d i e db yt h e a m i n oa c i d sa n a l y t i c a la p p a r a t u sa n dt h et o t a lf r e ea m i n oa c i d sc o n t e n t sw e r ef o u n di n c r e a s e d t h ev i t a m i nac o n t e n ti nt h ef r e s hm i l kw a sa l s os t u d i e db e f o r ea n da f t e r 山eh i p e ft r e a t m e n t ， a n dt h e r ew a sa l m o s tn ol o s so fv i t a m i na i nt h ef r e s hm i l k k e yw o r d s ：h i g hi n t e n s i t yp u l s e d e l e c t r i cf i e l d ；m i l k ；s t e r i l i z a t i o n ；q u a l i t y i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 眯玛 ， 日期：姗争年6 月2 f 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 张蓐 导师签名：j ；咨邓 日期：知由 l 年6 月2 日 e t 期： o 争年f 月1j 日 第一章绪论 第一章绪论 食物是人类生存与发展的重要物质基础。食品是经过加工处理，作为商品可 供流通的食物。作为商品最主要的特征是每种食品应该有其严格的理化和卫生标 准。 我们的食物主要来源于农副产品、畜产品和水产品，这些产品有的在原料状 态极短时间内就可腐败，有的在加工过程中会变质，有的就是加工成制品后，在 以后的销售过程中也可能败坏。有关资料表明，由此而产生的损失，高达这些产 品产量的1 0 2 0 。因此，防止食品的腐败变质是食品生产与研究者的重要任务。 引起食品腐败变质的原因主要有以几个方面： 1 微生物的生长繁殖； 2 食品内部氧化酶、过氧化酶、淀粉酶、蛋白酶等酶的作用 3 空气中氧的作用： 4 昆虫的侵蚀、繁殖和有害物质的直接与间接污染。 在上述引起食品腐败变质的各种原因中，因微生物所引起的变质最为普遍， 所以，在食品的加工过程中，就要采取各种方法杀灭这些有害的微生物“1 。 食品工业中所采用的杀菌技术可分为热杀菌和非热杀菌两类。 热杀菌是以杀灭食品中的致病菌和其它有害微生物为主要目的热处理形式。 由于热杀菌的有效性、简便性以及经济性，加热杀菌已成为食品工业领域和其它 领域杀灭有害微生物的主要方法。但是热处理对食品也产生了一些负面作用。如 热杀菌会使食品的营养成分、特别是热敏性成分有一定量的损失，同时会使食品 的品质和特性产生不良的变化。另外热杀菌消耗的能量较大。 与热杀菌相对应的工艺称为非热杀菌。非热杀菌主要是指不以热处理作为主 要灭菌机制的杀菌工艺。它主要包括一些物理技术的非热灭菌法和一些化学保藏 法。化学保藏法主要是在食品贮运过程中添加一些化学制品( 食品添加剂) 来杀 灭或抑制微生物的生长来提高食品的耐藏性。这些食品添加剂对人体有一定的副 作用，使用受到一定的限制。 随着人们生活水平和受教育程度的不断提高，人们对食品消费的主观选择性 也不断加强，对食品质量要求更高。崇尚吃新鲜、天然、营养、健康、安全的食 品的潮流使得科学研究者努力寻找和研究更好的食品杀菌技术，这些技术包括超 高压杀菌、电离辐射杀菌、紫外线杀菌、高强脉冲电场杀菌、微波杀菌、脉冲强 光杀菌、磁场杀菌等”1 。下面简要介绍一下以上几种技术。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 灭菌技术分类 1 1 1 加热灭菌技术 早在人类还没有充分认识微生物的本质以前，加热技术就以火烧、煮沸等形 式经验性地为人们所应用，并一直沿袭下来。直至1 8 1 0 年法国人n i c o l a s 发明 了用密闭容器进行煮沸灭菌的方法加工食品，后来，l o u i sp a s t e u r 和r o b e r tk o c h 等先驱们又从微生物学的角度进行了研究，从而奠定了灭菌基础“1 。而今食品工 业中，加热仍是杀灭和抑制有害微生物的有效手段。根据要杀灭微生物的种类的 不同可分为巴氏灭菌( p a s t e u r i z a t i o n ) 和商业灭菌( s t e r i l i z a t i o n ) 。 相对于商业灭菌而言，巴氏灭菌是一种较温和的热灭菌形式，巴氏灭菌的处 理温度通常都在1 0 0 。c 以下。典型的巴氏灭菌条件是6 2 8 、3 0 m i n 。达到同样 的巴氏灭菌效果，可以有不同的温度、时间组合。巴氏灭菌可使食品中的酶失活， 并破坏食品中的热敏性的微生物和致病菌，巴氏灭菌的目的及其产品的贮藏期主 要取决于灭菌条件、食品成分( 如p h 值) 和包装情况。 商业灭菌一般又简称为灭菌，是一种较强烈的热处理形式，通常是将食品加 热到较高的温度并维持一定的时间以达到所有致病菌、腐败菌和绝大部分微生 物，使灭菌后的食品符合货价期的要求。当然这种热处理方式一般也能钝化酶， 但它同样对食品的营养成分破坏也较大。灭菌后食品通常也并非达到完全无菌， 只是灭菌后食品中不含致病菌，残存的处于休眠状态的非致病菌在正常的贮藏条 件下不能生长繁殖，这种无菌程度被称为“商业无菌”( c o m m e r c i a l l y s t e r i 】j z a t i o n ) 。 表1 1 加热对食品成分的不利影响 t a b 1 - 1d i s a d v a n t a g e so fp a s t e u r i z a t i o na n ds t e r i l i z a t i o no nf o o di n g r e d i e n t s 食品成分加热的负面作用 碳水化合物 还原糖不稳定，易被氧化。自身会进行分解、缩台反应。与其它物 质发生反应发生美拉德反应，产生褐变 蛋白质蛋白质发生变性，粘度增加，溶解度减小，产生凝固，生物学活性 消失，生物效值降低 相变化、皂化、酸败、油蛤昧，产生有毒物质。色泽变化，营养价 脂质 值下降 维生素热敏性维生素损失较大，非热敏性维生素也会随着温度的增加，时 间的延长而逐渐分解 酶酶蛋白变性、酶钝化 2 第一章绪论 热灭菌除了能促使腐败菌死亡外，还会引起食品品质的变化，这种变化有的 对加工有利，但多数是有害的变化，常常导致食品的色、香、味、组织结构及营 养价值的下降。表l 一1 描述的是加热灭菌对食品中主要成分的不利影响。 1 1 2 新型非热灭菌技术 加热技术存在着的这些不足使得人们对非热灭菌技术的研究产生了极大的 兴趣。如前所述，化学保藏法虽也属于一种非热灭菌法，但是由于额外添加的化 学成分对人体产生副作用也使得这种方法逐渐受到摒弃。而一些新兴起来通过物 理方法来对食品进行灭菌的研究受到了越来越多研究者的关注，被人们称之为 “新型非热灭菌”技术。下面简要介绍以下几种研究较多的新型非热灭菌技术。 1 1 2 1 超高压灭菌( u h p u i t r a h i g hp r e s s u r ep r o c e s s i n g ) 超高压灭菌技术是9 0 年代由日本明知屋食品公司首创的灭菌方法，又称为 高压技术或高静水压技术”1 。它是将食品物料以某种方式包装好后，置于高压 ( 1 0 0 6 0 0 m p a ) 装置中加压处理，以达到灭菌要求。 高压灭菌的基本原理就是压力对微生物的致死作用。高压导致微生物的形 态、生物化学反应、基因机制以及细胞膜发生多方面的变化，从而影响微生物原 有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化。 一般认为酵母、霉菌、许多营养细菌及大多数食品致病菌细胞在压力为 3 0 0 6 0 0 m p a 时便能杀死。由于经u h p 处理的食品能保持原有的色、香、味和营 养成分，因此它有望成为热灭菌技术的替代方法之一。另外一方面细菌的孢子只 有当压力达到大于1 0 0 0 m p a 时才能被杀死，而过高的压力使得能耗增加，对设 备要求过高，不利于工业化生产。因此超高压常与其它方法相结合。而当压力为 5 0 3 0 0 m p a 时，细菌的孢子甚至有可能被激活生长。在相对温和的热处理和压力 处理下可以杀死这些发芽的孢子“1 。另外有资料显示，适当的预热处理和后热处 理有利于灭菌效果”1 。 1 1 2 2 电离辐射灭菌( r s r a d ia t i o ns t e r iiiz a t io n ) 自1 9 世纪术( 1 8 9 5 年) 伦琴发现x 一射线后，m i n k ( 1 8 9 6 ) 就提出了x 一射 线的灭菌作用。但直到第二次世界大战后，射线辐射保藏食品的研究和应用才有 了实质性的进展。它是利用放射性元素”c o 和”7 c s 衰变时放出的射线作为照射 源的灭菌方法。射线在照射过程中会产生直接效应和间接效应：直接效应是微生 物细胞基质受高能电子射线照射后发生的电离作用和化学作用；间接效应是水分 接受射线后产生电离作用再与胞内其它物质作用。这两种作用阻断细胞内的一切 华南理工大学硕士学位论文 活动，导致微生物死亡”1 。 它的优点是杀死微生物效果显著，剂量可根据需要调节，没有非食品物质残 留，一定剂量( ( 5 k g y ) 照射不会使食品发生感观上的明显变化。即使使用高剂 量( 1 0 k g y ) 照射，食品中总的化学变化也很微小。处理过程中产生热量极少， 可忽略不计，可保持食品原有的特性。另外在冷冻状态下也能进行辐射处理。发 射线穿透能力强、均匀、瞬间即逝，而且对辐照过程可进行准确控制。缺点是有 些专家认为辐射会诱发食品产生致突变、致畸形、致癌和有毒因子。尽管后来研 究认为这是没有根据的，但仍使消费者对其产生了恐惧感。另外一点是由于能够 致死微生物的剂量对人体来说是相当高的所以操作必须非常谨慎。 1 1 ，2 3 振荡磁场灭菌( o m f $ ，o s c ；l la t in gm a g n e t i cf i e l ds t e r 1iz a t i o r ) 磁场灭菌又称磁力灭菌。已有的研究表明，静止的强磁场( s l a t i ai a g n e t i c f i e l ds m f ) 和振荡磁场( o s c i l l e t i n gm a g n e t i cf i e l d ，o m f ) 能够杀死微生 物。静止的磁场的强度不随时间发生变化，磁场各方向的强度相同。振荡磁场以 脉冲的形式作用，每个脉冲均改变方向，磁场强度随时间衰变到初始的1 0 。 关于磁场杀灭微生物的机理一般认为是磁场产生的强电流，一方面干扰微生物细 胞膜的电荷分布，进而影响物质出入细胞，另一方面又使细胞内物质及水电离产 生过氧化物，从而使蛋白质及酶类变性，最终破坏细胞结构。用振荡磁场杀灭微 生物的磁通密度为5 5 0 t ，脉冲持续时间为1 0 1 1s 到几个毫秒之间。频率最大 不超过5 0 0 m h z ，因为超过这个值升温开始变得显著“3 。 应用磁场保藏的食品需要具有1 0 2 5 q c i i i 以上的电阻率。一般工艺流程包 括首先用塑料袋包装食品，在频率1 1 0 0 个h z 的脉冲、温度0 5 0 的磁场中 处理2 5us l o m s 。每个脉冲包括1 0 次振荡，1 0 次振荡后，磁场强度衰减可忽 略不计“。 静止磁场和振荡磁场抑制微生物的作用显示了该技术杀灭微生物的潜力。振 荡磁场的灭菌作用的优点包括：食品营养成分和感观品质的改变很小：降低了能 源消耗；使用的塑料袋包装食品能避免加工后的污染。 然而，磁场灭菌处理仍然存在诸多问题需要研究。如目前仍然不清楚磁场抑 制微生物生长的机理和必要条件。另外，磁场灭菌仅可降低微生物两个数量级， 如果要使磁场技术商业化，还要大幅度提高灭菌的有效性和均匀性“”。 1 1 2 4 强光脉冲( l i g h t p u is e s ) 灭菌 强光脉冲技术也是食品保藏中的一种新方法，它主要是利用持续时间短、强 度大的宽谱带“白光”( 紫外和近红外区域波长的光谱) 脉冲穿透物料的表面进 行消毒灭菌的一种方法。持续时间短的宽谱闪光可以杀灭范围宽广的微生物，包 4 第一章绪论 括细菌与真菌芽孢。持续时间范围是1l as 0 1 s ，一般应用的闪光速率为l 2 0 个s 。在大多数的应用中，在几分钟内，数个脉冲即可产生明显的灭菌效果”1 。 穿透物料的光脉冲不传输，但是以热量的形式在物料中消散。物料的表面和 内层产生温度梯度，热量以传导的形式从表面传递到内层，热传导一直进行到物 料温度达到恒定的稳定状态。虽然食品中多含有热的良好导体一一水，表面的热 可以很快地传入食品内部。但是光脉冲的持续时间比热传导的时间短，光脉冲的 能量在物料表面贮存时间极短，期间几乎没有热传导。这实际上是瞬间加热了薄 层表面，热量仅限制在物料的表面而不显著增加食品内部的温度。 各种标准流体如空气和水对于包括可见光和紫外光在内的光谱波长具有高度 的透光性。光几乎不能穿透不透明物料，实际上所有的光和热都以热的形式消散 在物料不超过l m m 的表面。已有的实验研究表明，光脉冲能够杀灭无菌包装材料、 液体食品、肉、鱼等固体食品和焙烤食品上的微生物，增加食品的货价期“。 目前对这项技术的灭菌机理仍然不是很清楚，需对不同具有代表性的食品在 整个光谱带内进行独立的研究。 1 1 25 超声波( u l tr i $ o u n d ) 灭菌 超声波灭菌是通过传声介质( 超过2 0 0 0 0 h z 的声波) 的相互作用产生巨大的 能量，在很短的时间内杀灭微生物。一般认为微生物是由于超声波产生的强大的 超声波能使细菌形态结构破裂和溶解导致死亡。1 。灭菌效果同所使用的声波、微 生物的种类、食品成分、处理时问等有关。单用超声波处理食品还不足使食品的 活菌对数减少到期望值，因此，超声波常协同其它方法来灭菌“”。如联合热处理， 加压处理和激光处理“。 1 1 2 6 紫外光( u r ，u i t r a v i0 i e tr a d ia t i o n ) 灭菌 紫外光属于电磁波辐射，但非电离辐射，其波长范围2 l o 3 2 8 n m 之间，有 的专家认为它的最大灭菌作用是2 4 0 n m 2 8 0 n m ，还有认为是2 6 5 n m 。现代水银蒸 汽灯的紫外线9 0 以上的波长在2 5 3 7 n m 。这个波长接近最大杀灭微生物作用的 波长。 紫外照射使微生物致死的主要作用是胸腺嘧啶的光化学转变作用，具有灭菌 作用的紫外线主要作用于d n a ，通过使一条d n a 链上的相邻胸腺嘧啶键结合形成 二聚体，这种二聚体成为一种特殊的连接，使微生物d n a 失去转化能力而死亡“。 随着人们对紫外光研究的不断深入，其应用范围也逐渐扩大，在食品工业中 的应用也日渐增多。在食品工业中，紫外光主要应用于三个领域：表面灭菌、空 气灭菌和液体灭菌“。 紫外灭菌操作简单、污染小。但紫外光的穿透能力较弱，尤其是对液体的穿 一兰塑翌奎主堡主兰垒笙苎 透能力更弱，它不能透过尘埃，浑浊的介质。因此对稍有浑浊的饮料是几乎没有 作用。另外，直接用紫外光对肉类照射会产生氧化味，乳类食品受紫外照射也有 同样的问题。这些异味的产生是由于食品吸收了紫外产生的臭氧和氮氧化物而使 乳中的脂肪发生了光化学反应。 1 1 2 7 微波( m i c t o w a v e ) 灭菌 微波除了对食品具有加热、干燥、烘烤、解冻的作用外，微波对食品也具有 灭菌灭酶的作用。食品微波灭菌的机理包括热效应和非热效应。 热效应指微波能作用于食品，食品表里同时吸收微波能，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。温度的迅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。 非热效应是指微波的作用使微生物在其生命化学过程中所产生的大量电子、 离子和其他带电离子的生物性排列组合状态和运动规律发生变化，亦即使微生物 的生理活性物质发生变化。同时，电场也会使细胞膜附近的电荷分布改变，导致 膜功能障碍，使细胞的正常生理代谢功能受到干扰破坏而导致死亡。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d n a 和r n a 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力“”。 人们对微波应用于肉制品、禽制品、水产品、水果和蔬菜、罐头、奶制品、 面制品、农作物等进行灭菌、灭酶和消毒进行了大量的研究。 微波灭菌比常规的灭菌方法更能保留产品中具有生理活性的营养成分。因 此，它适用于人参、香菇、猴头菌、花粉、天麻等天然药物及其成药的干燥和灭 菌“”。 微波的工业应用与其它能源相比，其工业应用仍处于不断发展中。能源成本、 技术难度以及某些综合因素仍是目前推广应用微波能的主要障碍。 1 1 2 8 高强脉冲电场( h i p e f ，h ig h in t e n s i t yp u is e de f e c t r icf ie f d ) 灭 菌 高强脉冲电场灭菌是在特殊的处理室里对液态食品施加瞬时高强度的脉冲 电场，将其中的微生物杀死的一种方法。一般电场强度为1 0 5 0 k v c m ，脉冲 宽度在l o ops 以内，脉冲频率在几千h z 以内。其高场强可直接将微生物杀死， 其窄脉冲和低频率保证了食品升温很小和极少的电化学反应，从而最大限度地 保证了食品的天然风味和营养成分。并且能耗小，无污染。在果汁和其它可泵 食品的加工中已显示出特有的优越性，在众多新型的非热灭菌技术中，最有望 6 第一章绪论 取代传统的热灭菌技术“9 2 ”。本课题所做的研究就是采用的这项技术，这里先 只作简要介绍，在以下的章节将会详细介绍。 1 1 2 9 其它新型灭菌技术 有关其它一些新型的灭菌技术还有臭氧冰灭菌，亚、超临界二氧化碳微气 泡灭菌，离子体灭菌，软电子灭菌等”。由于本论文主要研究的是高强脉冲电 场灭菌，因而对其它技术这里不再做详细介绍。 1 2 国内外高强脉冲电场在食品生化工业应用研究进展 1 2 1 高强脉冲电场的研究概况 电脉冲原来用于细胞生物学和生物技术领域的电穿刺和电融合。电穿刺是在 电场的作用下改变细胞膜的通透性，以进行基因操作或引入外界的分子；而电融 合是在电场下融合细胞”“。随着科学技术的不断发展，高强脉冲技术( h i p e f ， h i g h i n t e n s i t yp u l s e de 1 e c t r i cf i e l d ) 已经从细胞生物学扩展到食品工业领 域中。采用高强脉冲电场进行食品灭菌、灭酶( 或激活酶) 、萃取的应用研究也 越来越多”2 2 “。尤其是采用高强脉冲电场对液态食品的灭菌的研究引起越来越多 国内外学者的兴趣。 早在上个世纪的二十年代到四十年代( 1 9 1 9 1 9 3 8 ) ，a n d e r s o n ，p r e s c o t t ， f e t t e r m a n ，g e l p i 和m o s e s 等人陆续报道使用交流电能对牛奶进行巴氏灭菌， 他们称这个过程为“纯电场处理”，即让电流直接通过牛奶对牛奶进行灭菌，他 们认为是处理过程中产生的热量导致了牛奶中细菌的死亡。但是后来g e l p i 等人 产生了疑问，因为在电处理的牛奶中产生的热量能使9 9 5 的细菌的死亡，若 是相同条件下的单独用加热处理产生相同的热量却只能使2 7 的细菌死亡。所 以他们怀疑并不仅仅是热量导致细菌的死亡。尽管当时没有找到更合理的解释。 在当时的纽约、宾夕法尼亚州、伊利诺斯州、密歇根州、康奈提格州邮递区、马 里兰州都认可这种“纯电场”处理对牛奶是一种安全的食品灭菌技术。因此，到 1 9 3 8 年时，全国已经有了5 0 个这样的用电场处理牛奶的加工厂，满足了5 0 0 0 0 消费者的需求。然而，这种方法不知为什么在后来却不受到欢迎。h a l l 和t r o u t 在1 9 6 8 年报道到1 9 6 0 年时，这样的牛奶厂就不存在了”。从现今的文献中看， 这有可能是因为当时所使用的电极材料在长期使用过程中产生了电化学反应，对 牛奶造成了污染，使得这种方法一度遭受到中止。尽管如此，人们对电场在食品 灭菌方面的应用研究却一直没有停步。 上个世纪2 0 年代所用的是2 2 0 v 低压交变电场而非脉冲电场，在1 9 6 0 年， g o s s l i n g 首次提出使用高强脉冲( h i g hi n t e n s i t ye l e c t r i c f i e l dp u l s e s ) 华南理工大学硕士学位论文 来杀死微生物。而d o e e v e n s p e k 不仅描述和发展了电场在食品物质的细胞破裂方 面的应用，而且在运用高压电场使微生物失活和废水处理等方面做了尝试c z s 。 1 9 6 7 年，英国的s a l e 和h a m i l t o n 报导2 5 k v c m 的直流脉冲能有效致死营养细 菌和酵母菌，并认为是电场强度和作用时间是影响灭菌效果的两个主要因素”“。 8 0 年代后，h u l s h e g e r 、z i m m e r m a n n 等学者对电脉冲灭菌机理做了进一步探讨， 并开始了用于工业生产设备的研究”7 2 “。9 0 年代后，有关运用高强脉冲电场进 行灭菌的研究的报导也越来越多，并由此产生了许多专利成果。 目前，世界上许多大学及公司的研究人员对高强脉冲电场处理进行了积极的 研究。对此项技术比较领先的是美国”，另外，法国、德国、英国、西班牙韩 国、土耳其、日本等国家研究也较多“”“。在美国，主要有华盛顿州立大学， 俄亥俄州立大学以及p u r e p u l s et e c h n o l o g i e s 公司等”。如坐落于普尔曼的华 盛顿州立大学的食品非热处理中心拥有一套连续的脉冲电场处理体系，处理量为 1 0 0 l h r ，并且还具有无菌包装系统。这套系统能处理一些浓缩或新鲜的产品， 如苹果汁、脱脂乳、液态蛋和豌豆汤等。坐落于哥伦布的俄亥俄州立大学的无菌 技术研究中心，不仅研究对h i p e f 对热敏性成分的消毒作用，还包括对液态及粒 状食品的灭菌作用，另外还对h i p e f 联合超声波处理进行了研究。该中心拥有整 套的h i p e f 处理系统和无菌包装体系，处理量为0 5 1 9 a l m i n 。坐落于加利福 尼亚州圣地亚哥的p u r e p u l s et e c h n o o g i e s 公司拥有一个处理量为l o l h r 的实 验p e f 体系和一个处理量为2 0 0 l h r 的实验体系，已经成功应用于牛奶、桔汁、 凤梨汁以及其它果汁，啤酒、液态全蛋，酱油的灭菌处理。 在国内，对高强脉冲灭菌技术的研究还处在初步阶段，因此研究高强脉冲电 场灭菌技术具有特别重要的意义。目前国内研究者主要有吉林工业大学的殷涌光 清华大学史摔南和中国农业大学的廖小军以及华南理工大学曾新安老师“2 “。殷 涌光主要对脉冲电场的设计与用脉冲电场对细菌的孢子的灭菌效果进行了研究 ”“。史梓南和廖小军则用脉冲电场对西瓜汁、橙汁的灭菌钝酶进行了研究“2 。 华南理工大学的曾新安老师一直从事电场在食品工业方面的研究。自1 9 9 7 年以 来，曾新安老师先后报导了高压电场对微生物和酶活性影响机理研究以及高压电 场对酒类的催陈机理研究，同时，对高强脉冲电场设备的研制也在同步进千亍，现 已有多项专利成果。目前，对高强脉冲电场设备的研制已由小试进入了中试阶段， 运用该高强脉冲电场设备对桑果汁、湖水进行灭菌实验，灭菌效果显著。本论文 所用的设备就是曾新安老师等人设计的高强脉冲电场连续处理系统。 1 2 2 高强脉冲电场非热灭菌的优点 高强脉冲电场非热灭菌是指将液态食品置于特殊的处理容器中接受高强度 第一章绪论 的脉冲电场处理，食品中的微生物受电场处理后，细胞结构发生破坏，菌体死亡 而达到灭菌的目的。作为一项新兴起来的非热灭菌技术，它主要具有以下几个优 点： 1 电场传递迅速，处理时间短。脉冲电场的作用力在瞬间可传到各处理部分， 脉冲灭菌的微观处理时间以微秒和毫秒计算。不似加热灭菌那样需要较长的 加热时间“”； 2 灭菌效果理想，且灭菌后温度升高很小，灭菌后的温度的升高值一般在5 0 。c 以下。能最大限度的保持食品中的热敏性成分“。 3 灭菌后几乎无副产物，保持了食品的原有风味，并且在常温下具有较长的货 价期“1 。 4 耗能低，操作费用低：据国外资料报道，高强脉冲电场用于液态食品巴氏灭 菌的操作费用估计只有0 1 7 美分升的电费和0 2 2 美分升的维护费“。 5 设备体积小，占地面积不大，对环境无污染。 1 ，3 立题背景及研究意义 1 3 1 牛乳及牛乳热灭菌存在的问题 牛乳是营养最全面的天然食物之一，被营养学家称为“接近完善食品”、“白 色血液”。其中含有的重要成分是蛋白质、脂肪、乳糖、各种维生素和矿物质。 在我国古时其实就有饮乳习惯，而且很了解乳品的营养价值和医疗作用，如 古代文献中记载的乳糜、乳酪、酥酪、醍醐等各种与乳有关的名词和产品。 乳中的蛋白质吸收消化后可转变成各种丰富的人体必需的氨基酸和其它氨 基酸。牛乳中的乳脂肪较其它食用的动物脂肪中含有较多的必需脂肪酸，且乳脂 肪熔点较其它动物脂肪低，易于消化吸收。 牛乳中的乳糖经人体消化后，每一分子乳糖可获得一分子葡萄糖和一分子半 乳糖。半乳糖对幼儿智力发育非常重要，它能促进脑苷和粘多糖的生成，而乳糖 的另外一个重要特征是它能在肠道内促进有益乳酸菌的生长，由于乳酸的生成， 可以有利于钙和其它物质的吸收。乳糖与钙的代谢有关，食物中添加乳糖有利于 婴儿对钙的吸收，对防止佝偻病有效。 牛乳中还含有广范围的矿物质元素，大部分对人体的发育形成和代谢调节上 起作用，有几种是必需的，就是：钙、磷、硫、钾、碘、氯、铁、铜、锌、镁、 锰、钴等。其中尤以钙、磷、铁、和碘特别重要，牛乳是钙、磷两种矿物质的优 秀来源。每天喝一升牛乳可以满足成年人和成长中的儿童对钙的全部需要量和对 磷的一半以上的需要量。 人类所需要的各种维生素都可以在牛乳中发现，牛乳是维生素b ：( 核黄素) 9 华南理工大学硕士学位论文 和维生素a 的良好来源，特别是当奶牛在放牧期，乳中维生素a 和胡萝h 索含量 尤其高。牛乳中同样含有相当量的维生素b ( 硫胺素) 。牛乳中尼克酸的含量较 少，但因牛乳蛋白质中色氨酸含量高，尼克酸可以由色氨酸在人体内合成，所以 牛乳还有抗癞皮病的效果。牛乳中含有丰富的维生素d ，在儿童的发育时期，骨 骼的形成必须借助于维生索d ，儿童缺维生素d ，骨骼软弱，易弯曲变形，这就是 大家熟知的佝偻病。所以儿童在发育期多饮用牛乳是非常有益健康的”“。 在欧洲、北美、澳大利亚、新西兰和世界的其它一些地方，饮用液态牛乳对 各种年龄层次得人来说，已成为种固定的饮食文化，尤其是在英国，饮用液态 乳已成为一种悠久的传统。这一点可以从几十年“送奶上门”服务中得到证明。 在众多的食品中，牛乳在我们饮食中的