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压力辅助热杀菌 Pressureassistedthermalsterilization S K Wimalaratne M M Farid2008 1 摘要 通过压力辅助热杀菌的方式研究芽孢的灭活 使其生产无菌产品 这样可以保留原有食品的感官特性 结果表明 这种压力辅助热杀菌工艺可减少D值 因此 可以降低杀菌温度以更好地保留感官特性 温和的压力可以促进芽孢的萌发然后在用热来灭活萌发的芽孢 使用该技术对营养微生物也进行了测试 然而 这种轻微的压力对酿酒酵母和大肠杆菌失活的影响是微不足道的 关键词 高压处理热杀菌蜡样芽孢杆菌嗜热脂肪芽孢杆菌酿酒酵母大肠杆菌 2 目录 三 结果与讨论 一 研究背景 二 研究方法 3 一 研究背景 高压处理 HPP 在食品加工中是一个相对较新的技术 然而 第一个有想法把高压技术用在食品加工中的人是Hite 1899 他观察到牛奶和其它食品在加压后可以增加保质期目前 食品的杀菌方式已经对食品的质量产生了不利影响 如维生素 颜色和味道 这样的加工结果会造成口感和外观和新鲜的产品相比大有不同 因此 食品加工HPP的使用被发现越来越多的应用在食品工业中 HeinzandKnorr 2002 4 一 研究背景 HPP可以灭活许多微生物的繁殖体 但芽孢可以耐受1000MPa压力 Patterson 2005 因此 HPP在没有热力作用的情况下杀菌作用和保存食品的货架期的作用是有限的 微生物会以不同方式对饥饿和外界的环境做出反应 一些微生物 如芽胞杆菌属和产气荚膜杆菌会产生特殊的结构内生孢子 而高压处理 HPP 在没有中度热处理辅助的情况下很难灭活那些芽孢 RasoandBarbosa C novas 2003 5 一 研究背景 当高压和中温适度结合后营养细胞的抵抗力就会下降 RasoandBarbosa C novas 2003 单核细胞增生李斯特氏菌在45 和压力200MPa的条件下不能被灭活 不过当温度升高到55 其次在200MPa的压力处理15min后 会降低6log SimpsonandGilmour 1997 6 细菌孢子的灭活发生在2个步骤中 第一步用压力来诱导芽孢的萌发 第二步再用压力来灭活萌发的芽孢 CloustonandWills 1969 FurukawaandHayakawa 2000 Hayakawaetal 1994 最近 一项新的技术已经获得了专利 Farid 2006 用于食品杀菌 使用压力辅助热杀菌 以减少杀菌温度 从而最大限度地减少热造成食物营养的损失 一 研究背景 7 二 研究方法 1 热膨胀产生压力的原理当液体被加热时 它会根据它的热膨胀系数扩展 这就是温度所起的作用 在较小的压力范围 大多数液体的热膨胀系数是显着高于金属的热膨胀系数 因此 任何在金属容器中的液体被加热时就会进行膨胀 如果液体的热膨胀被限制 约束系统内的压力就会随着液体的加热作用而将上升 热膨胀系数和液体的可压缩性将决定压力的增加 如由下面的公式 1 其中 和K分别是液体的热膨胀和可压缩性 P和T分别是压力和温度 8 二 研究方法 压力辅助热灭菌设备 9 二 研究方法 2 HPP诱导芽孢萌发机理通过促进芽孢中的芽孢肽聚糖和吡啶二羧酸 DPA 外泄来实现的通过激活萌发受体实现的 10 二 研究方法 嗜热脂肪芽孢杆菌 ATCC795蜡样芽胞杆菌 ATCC11778酿酒酵母 ATCC2601 大肠杆菌 ATCC25922 3 材料与方法3 1细菌的准备 菌种来新西兰奥克兰大学李察堡实验室 11 二 研究方法 3 1细菌的准备 芽孢形成的水平是通过芽孢的染色来判断的 先用5wt 的孔雀石绿溶液染色 然后再用0 5wt 番红染色 最后在光学显微镜下观察一旦产孢量已经达到了90 平板中长出的孢子就被无菌环刮掉 孢子和营养细胞通过离心进行分离 孢子在使用之前被储存在4 然后它们接种到在Milli Q水或牛奶中直到它们浓度达到106cfu ml 12 二 研究方法 3 1细菌的准备 将酿酒酵母和大肠杆菌分别培养在酵母浸出粉胨葡萄糖琼脂培养基 YPD 和大豆酪蛋白琼脂培养基 TSA 中30和37 下培养3天然后进行离心 然后在试验之前将这些细胞分别接种在Milli Q水和牛奶中直到浓度为106cfu mL 13 二 研究方法 3 2压力辅助热处理 接种到Milli Q水或牛奶中的样品通过空气泵被送入内管 一旦内筒被完全填充 50ml 然后关闭出口阀 紧接着关闭进气阀使用压力传感器对压力进行了监测 通过人工对压力和温度进行记录 前2min每10s记录一次 剩下的时间每隔一分钟记录一次 14 二 研究方法 3 3微生物分析菌体的存活率用sy lab微生物分析仪BacTrac4000系列分析 该仪器是基于导电率的分析微生物在生长过程中低导电率的大分子物质 如蛋白质 多肽及碳水化合物等 进行新陈代谢 生成低分子带电荷的分解物 其导电率发生变化 电信号经放大后显示并记录检测系统每10分钟检测一次电导率的变化 由计算机实时监控并自动给出结果 因此 只要先用标准方法对比作出标准曲线 就可以达到快速定量检测菌数的目的 15 二 研究方法 处理和未经处理的样品1ml加入到BacTrac中含有9ml的营养培养基的小玻璃架中 然后将装有嗜热脂肪芽孢杆菌 蜡状芽孢杆菌 酿酒酵母 大肠杆菌的试样架放置在BacTrac4000分析仪中分别在55 37 30 37 下放置一会 进行查看 3 3微生物分析 16 三 结果和讨论 1 压力辅助热处理 如图2展示了换热器内管水的平衡压力温度关系 测量的压力是用来反应管内液体的平均温度通过这个图可以看出通过对水的加压可以产生100MPa的压力 17 三 结果和讨论 1 压力辅助热处理 图3展示了换热器内温度和压力的动态反应 由图可以看出从加热开始达到最大的压力用了90s因为在内管内压力的增加依赖于油的加热速率 所以温度升高的速率比压力快 当温度达到120 时压力达到94MPa 18 三 结果和讨论 2 微生物学 图4显示 嗜热脂肪芽孢杆菌 蜡状芽孢杆菌 酿酒酵母 大肠杆菌悬浮在Milli Q中按照bactrac4000要求做成的校准曲线 这说明在BacTrac方法中随着检测时间的增加细菌数量在减少 19 三 结果和讨论 2 微生物学 图5显示了在90 处理下嗜热脂肪芽孢杆菌的生存曲线该图显示了随着时间的变化细菌在对数的下呈非线性变化结果表明压力辅助热杀菌对嗜热脂肪芽孢杆菌的灭活作用远大于单独的热杀菌 20 三 结果和讨论 图6和图7分别是嗜热脂肪芽孢杆菌在水中和牛奶中的热死亡曲线两者的结果显示压力辅助热处理与热处理相比压力辅助热处理显著降低了嗜热脂肪芽孢杆菌的D值 2 微生物学 21 三 结果和讨论 图8是蜡样芽孢杆菌在水中的热死亡曲线结果表明压力辅助热处理与热处理相比压力辅助热处理显著降低了蜡样芽孢杆菌的D值 2 微生物学 22 三 结果和讨论 这种压力和温度组合的效果 可以进一步解释芽孢两步失活机制 所产生的压力只能诱导芽孢的萌发 而热处理可以抑制萌发的芽孢酿酒酵母和大肠杆菌的营养细菌并不经过这两步失活机制 因此当用热膨胀产生的轻微压力来处理时对它们没有什么显著的影响