罐头热力杀菌原理及杀菌公式的确定.ppt

罐头食品热力杀菌原理及杀菌工艺条件的确定 一 热力杀菌的原理 所谓热力杀菌就是把罐头食品加热到一定温度并保持一段时间 使罐内不含有致病的微生物 在正常室温条件下 贮藏和销售过程中 罐内也不含有能繁殖的非致病性微生物 即达到商业无菌要求 并尽可能地保持食品内容物原有的风味 色泽 组织形态及营养成分 热力杀菌的分类 热力杀菌有高温杀菌及巴氏杀菌 高温杀菌是指用100 以上的蒸汽或水作加热介质的杀菌 高压常是获得高温介质的条件 故又称高压杀菌 它又有高压蒸汽杀菌 高压水杀菌之分 巴氏杀菌指的是在100 以下的加热介质中的低温杀菌 加热介质常用热水 目前常用的罐头杀菌方式有高压蒸汽杀菌 加压水杀菌 常压水杀菌等几种 常压水杀菌多用高酸类罐头杀菌 它又分连续式和间隙式二种 常压杀菌的设备比较简单 影响杀菌效果的因素 影响杀菌效果的因素很多 如食品的种类 内容物的多少 初菌数及其微生物的种类 杀菌锅的结构 杀菌操作 杀菌强度等等 任何一个环节忽视了 产品就达不到商业无菌的要求 因此罐头杀菌规程 温度 时间 的确定是生产中的关键 杀菌规程不科学往往会造成产品的色 香 味不佳或由于杀菌不足而造成消费者健康的危害 所以科学 合理地制定杀菌规程是每一个技术人员应考虑的问题 二 腐败微生物的耐热性 1 芽孢的耐热性微生物芽孢较鞭营养体有很高的耐热性 一般认为芽孢有外皮和皮膜 其原生质的生理特性可能与其耐热性有关 芽孢外皮很厚 约占芽孢直径的1 10 网状构造的聚合物形成 在外孢萌发初期会分解收缩 其耐热性与罐头食品的杀菌条件有直接关系 影响芽孢耐热性的因素很多 如微生物的种类 数量 形成的条件和环境 食品的成分 PH 水分活度 糖 盐的浓度 油脂的含量 热处理的温度和时间等等 热力致死曲线 把细菌芽孢 或一般微生物的营养体等 在M的中性磷酸缓冲液或食品中 置于某一致死温度时 在瞬间加热和瞬间冷却情况下 细菌的死亡数是按指数递减或按对数循环下降 以残存细菌数的常用对数作纵坐标 以加热时间为横坐标 画出的曲线为加热致死速度曲线 下图是PA3679在青豆汁中温度为115 6 时的致死速度曲线 从图中可以看到 加热致死速度曲线一般都呈直线 因此死亡速度常数K 即加热致死速度曲线的斜率可用下列公式表示 K a b t式中 a 加热杀菌前的细菌数因此常数K b 经过t时间加热后的细菌残存数t 加热时间 分 2 微生物耐热性的测定 1 耐热菌热处理温度和时间确定低酸食品杀菌试验 一般采用PA3679作为菌种 在牛心液体培养剂中 厌氧逐级增殖培养 30 培养 二周 离心过滤 洗涤 标定 将芽孢悬浮液 107个 毫升 在接入食品罐头中 熔封 设定4四种不同的加热温度及三种加热时间 在每个温度 时间区域放二个样本 共24个样本 在油浴锅中加热 然后迅速冷却 打开接入猪肝汤培养液 M L B 试管中 厌气30 保温培养7天 按公式Fi F log 1 Tr Ti 计算估计PA3679在四个不同试验温度下的致死时间 确定耐热菌试验较为合理的热处理温度和时间 PA3679菌种热处理温度和时间 2 微生物的耐热性曲线 D值 D值表示在一定的环境中和一定的热力致死温度条件下 每杀死90 原有残存活菌数 芽孢数 所需要的时间 分 如在110 下杀死90 某一细菌需要10分钟 则这个细菌在110 的耐热性可用D110 10分来表示 在半对数坐标纸上以时间为横坐标 残存芽孢数 对数值 为纵坐标 画出加热致死速度曲线 D值是细菌致死率曲线上穿过一对数周期的时间 分 即在一定温度下加热 使其细菌数减少到所需的时间 它是细菌和芽孢在各不同致死温度时耐热性的反映 可用公式D 来表示式中a 加热杀菌前的细菌数b 经过T时间加热后细菌残存数t 加热时间 分 D值的大小和细菌耐热性的强度成正比 它不受原细菌的影响 仅是菌种的耐热性 它是细菌死亡速度K值的倒数 表示微生物的耐热能力 3 热力致死时间曲线 TDT曲线 热力致死时间就是热力致死温度保持恒定不变 将处于一定条件下的悬浮液或食品中某一菌种的细胞或芽孢全部杀死 所必须的最短热处理的时间 分 热力致死时间随致死温度而异 若在半对数坐标图上以纵坐标为热处理时间 横坐标为热处理温度画出的曲线就是热力致死时间曲线 又称内视性热力致死时间曲线 它为直线 表示了不同热力致死温度时细菌芽孢的相对耐热性 一般热力致死规律以指数递减进行的 4 热力指数递减时间TRT 仿热力致死曲线 TRT是指在任何特定热力致死温度条件下 将细菌或芽孢减少到某一程度 如原来活菌数的10 n时所需的热处理时间 根据Ball的建议10 n中的 n指数就称作为热力递减指数 並表示在 TRT 的右下角 如TRTn t D 10n 100 nD分钟 根据各加热温度和相应的nD的关系在半对数坐标图上画出的曲线称作热力递减指数时间曲线 又称仿热力致死时间曲线 5 Z值 Z值表示加热致死时间或致死率 D值 按照或10倍变化时相对应的加热温度 的变化 如将某一细菌芽孢的D值的对数为纵坐标 加热温度为横坐标 画出的曲线 耐热曲线 上的斜率的负倒数就是Z值 其定义就是热力致死时间和仿热力致死时间曲线上横过一个对数循环时所需要的温度 Z值越大 因温度而上升而取得的杀菌效果就越小 因此Z值可以看作是温度变化对细菌耐热性影响的估量 可用公式Z 表示 F值 F值又叫杀菌强度值 表示在一定温度下 杀死一定浓度的细菌和芽孢所需的时间 分 F值可以用于比较不同杀菌过程的杀菌值 它可用来比较Z值相同的细菌的耐热性 但不适用于与Z值不同的细菌的耐热性的比较 通常在F值右侧上下角分别注明Z值和它所依据的温度 如Z 10 0 的试验菌在121 1 加热5分钟即全部杀死 可用F10121 1 5分钟来表示 为简便起见F10121 1通常可直接用F0值来表示 F值与D值的关系 F值与D值的关系可用F nD来表示 n数是不固定的 随工厂卫生条件 食品污染微生物的种类及程度而变化 一般用6D值来表示杀死嗜热性芽孢杆菌 用12D值杀死肉毒梭状芽孢杆菌 以保证食品卫生性 F值与Z值的关系可用F t 来表示 式中t 在恒定致死温度T下的加热时间 T 杀菌温度 三 罐头食品的传热速度 热力杀菌时热量不断地从加热介质中传递给罐头 罐内各点因热量积聚温度依次不断上升 热量从罐外向罐内传递 罐内始终存在温度差 特别是内容物较为浓稠的食品 在静置杀菌锅中杀菌时 杀菌虽将结束 有的产品罐头中心温度则尚未达到杀菌温度 如1588g午餐肉开始冷却时中心温度只有112 这是因为热量传递始终存在时间差 在杀菌锅内 在罐头内各点的温度是不一致的 传热速度的快慢与传热方式有关 1 传热方式 1 传导 内容物在罐内处于不流动状态时 加热和冷却过程中 由于受热的程度不同 在分子间相互碰撞下 热量从高能量分子向邻近的低能量分子依次传递的方式称作传导 简单地说加热时热量由罐壁四周向罐中心传递 罐头中心是温度变化最缓慢之点 即其冷点在几何中心 冷却则相反 罐内食品呈固态 粘度或稠度高的食品如午餐肉罐头 豆沙 枣泥 八宝饭罐头等均属于这一类 传热方式 2 对流 借助于液体和气体流动传递热量的方式称作对流 即流体各部位上的质点发生相对移动而产生热交换 一般为自然对流 如果汁 青豆 蘑菇等颗粒较小的清水类罐头 其冷点在中心轴上离罐底12 7 19mm的部位上 3 对流传导结合型传热食品传热时对流传导同时存在或先后相继出现 如乳状玉米罐头 苹果沙司罐头等 其冷点应根据对流和传导的关系来定 影响传热速度的因素 罐头食品的传热方式由食品的性质决定 影响罐头食品传热速度的因素很多 如食品的形状 大小 密度 粘稠度 内容物固液之比 食品的初温 容器的材料 或热阻 的导热系数 容器的几何形状及大小 罐内顶隙 罐内真空度 杀菌设备的型式 回转式肯定比静目式传热效果好 罐头在杀菌锅内的位置 杀菌操作等等 2 传热速度的测定 传热速度测定主要是测定罐内升温 或冷却 最慢点的温度变化情况 其方法是用丹麦Ellab公司生产的中心温度测定仪 用1mm左右直径的针状热电偶测温头插入杀菌的罐头食品的冷点位置 对流传热型罐头食品的冷点在中心轴上离罐底12 70 19 05毫米处 导热型罐头食品的冷点在几何中心点上 每次测定的罐数一般为6 8罐 当测温结果相差很大时 则要增加罐数至少10 12罐 测定时要有一只热电偶测锅温与水银温度计的温度作对照 作为标绘加热曲线时参考 测温时要记录初温 至少一分钟记录一次罐内温度 3 传热曲线 传热曲线是以测得的罐内冷点温度变化的数据画在半对数坐标纸上所作的曲线 即以实际温度与加热或冷却温度之差的对数值为纵坐标 时间为横坐标 为了避免在坐标轴上用温差来表示 可将用于标出加热曲线的坐标纸上下倒转180度 而对数坐标上最高线标出的温度应比加热温度低1 第一个对数周期坐标为每格1 第二个对数周期为每格10 这样依次标出其余温度值 这样对数轴就直接可作为所测温度的标度 不用再标成杀菌温度和食品温度的差值 这样就可按加热时间测得的罐内冷点温度直接在坐标纸上点出 将各点連起来 但不得偏离各点0 56 这就画出了传热曲线一般都呈一条直线 简单型加热曲线 转折型加热曲线 传热曲线 在冷却时 只须将半对数轴上最低线标为高于冷却水温度1 的温度数 再依次向上标出其他温度 这样就可按加热 或冷却 时间测得的罐内冷点温度直接在坐标纸上点出 並将各点連起来 但不得偏离各点0 56 这样就画出了传热曲线一般都呈一条直线 其斜率用可fh 加热杀菌时的速率 值或fs 冷却速率 表示 fh值或fs为加热曲线或冷却曲线直线部分穿过一对数周期所需要的时间 分钟 f2值为转折型加热曲线中第二条直线的斜率 冷却曲线 四 罐头杀菌值 F0 和杀菌时间的计算 鲍尔公式法 杀菌时间的计算有比奇洛的基本推算法 鲍尔公式计算法 列线图计算法等 而鲍尔公式计算法是FDA认可的杀菌时间及F值的最简单实用的方法 它根据罐头在杀菌过程中罐头内容物温度的变化 在半对数坐标纸上画出的加热曲线和冷却的曲线 进行推算杀菌时间和F值 它的优点是可以在杀菌温度变更时计算出杀菌时间 但其缺点是计算较繁 费时间 公式法计算基本步骤如下 1 绘制加热曲线 由实测罐内冷点位置温度变化数据在半对数坐标纸上绘制 并求得传热速率fh值和滞后因子j值 如其传热曲线呈一条直线为简单型加热曲线 如呈二条直线则为转折型加热曲线 除求得fh值和j值外 还需求得fz x和fc 为了进行公式法计算 还必须有fi值表和f u logg图 杀菌F0值和杀菌时间计算 在计算前先将有关符号的含意介绍一下 Z 它为热力杀菌对象菌真正的或内视性热力致死时间曲线的斜率 分钟 低酸食品罐头按Z 10 肉毒杆菌计算 酸食品罐头在低于100 的温度杀菌时按Z 8 计算 fh 食品的传热速度 它是在半对数坐标纸上加热曲线中直线部分的斜率 是传热曲线穿过一对数周期所对应的时间 分钟 在转折型加热曲线中转折点前 第一条加热曲线中直线部分的斜率也为fh f2 传热曲线中转折点后第二条直线的斜率 分钟 符号的含意 j 食品在半对数坐标纸上加热呈直线加热时间的滞后因子 为了让直线方程式能包括开始杀菌前初温在内 罐内温度加热初期缓慢上升 不按直线规律 故用j值校正 杀菌过程中的校正零点是传热曲线中直线延长线的假起始点 经过多次试验 金属罐或玻璃罐的滞后升温时间中42 可以视为有效直线加热部分 因而将升温时间乘0 58 1 42 并在时间坐标上确定该点后 作垂直线并和传热曲线中直线部分延长线相交 该交点为校正零点 即全部按直线加热而无滞后期的起始点 校正零点上相应的温度称为假初温 符号含义 j 式中RT 杀菌或杀菌锅温度 IT 罐头食品初温 杀菌锅进蒸汽前内容物的平均温度 I T 假初温 它处于横坐标上按58 升温时间标定的点引出的垂直线和加热曲线直线部分延长线相交的交点上 该交点实为假起始点 X 转折型加热曲线中第一条直线从42 升温时间包括在内的假起始点到转折点的加热时间 分钟 fc 半对数冷却曲线中直线部分的斜率 分钟 CW 冷却水的温度 B 理论加热时间 分钟 即42 升温时间 杀菌时间 符号的含意 tp 从杀菌锅升温到达杀菌温度时到蒸汽关闭冷却开始时的间隔时间 即实际杀菌时间 tp B 0 42 升温时间 分钟 CUT 升温时间 即罐头进锅后开蒸汽到锅内温度达于杀菌温度的时间 I 罐头食品初温和杀菌锅温度间的差值 即I RT IT g 杀菌温度 T杀 和加热结束时罐内冷点上能达到的最高温度或半对数传热曲线和加热杀菌结束时间交点上温度 Ti 的差值 m g 杀菌温度和冷却水之间温度的差值 m g RT CW 符号的含意 F 在基准温度中杀死一寂量对象菌所需的时间 分钟 即该菌的杀菌值 低酸食品的基准温度常用121 1 Fi 在任何其他致死温度时和121 1 时热处理一分钟相对的时间 分钟 即F121 1 1 0时Fi 1 121 1 T Z U 实际杀菌过程中罐内各测温点上各致死温度接受的热致死量累计值 以杀菌温度所需的杀菌时间表示 U F Fi r 加热杀菌时全部杀死值 F值 中加热部份所占的比例 在一定Z和m g的条件下 r为 g或g的对应值 t0 1 杀菌温度和食品测点温度差值为0 1 时 从假初温算起的加热时间 分钟 tu 食品测定温度瞬间到达g 0 1 后 继续加热的时间分钟 即tu B t0 1 A 简单型加热曲线 上图2是284g整清水马蹄罐头以10 45 115 杀菌 罐头内容物初温为13 罐头冷却水温度为16 的加热曲线 它呈一条直线 为简单型加热曲线 求该产品的杀菌强度F0值 可按下表步骤逐项计算 转折型加热曲线 图3是2950克清水竹笋罐头15 40 10 116 冷却水温度为20 罐头杀菌前的初温为66 时测得的传热曲线 求其杀菌强度F0 根据图3其曲线呈二条直线 属转折型加热曲线 由第一条直线求得fh 24 4分钟 第二条直线求得f2为54分钟 并自二条直线的交点所对应的时间减去58 升温时间求出X值为17 5分钟 而j值仍以第一条直线求得 冷却曲线fc同样以实测温度时间的记录画出冷却曲线图4 其横跨一对数周期的时间冷却速率fc为22分钟 将计算过程填入下表 通过上述计算F0为4 57分钟 转折型加热曲线 如考虑到F0值偏高 而采用F值为4分钟时 则需要多少杀菌时间 计算时可按下表逐项计算填入 通过上述计算F0为4 0分钟杀菌2950克清水竹笋罐头 需要杀菌时间为38分钟 公式为15 38 116 罐头初温亦66 冷却水温度为20 五 杀菌规程确定的步骤和流程 一 确定杀菌规程的步骤 FDA的规定 制定杀菌规程时应采用以下的步骤 1 腐败微生物芽孢耐热性试验法 芽孢递减测试法 确定对象菌的致死值 2 传热试验法作出传热曲线 用鲍尔公式法计算杀菌时间F0值 3 罐接种杀菌试验法验证杀菌规程的科学 合理性 杀菌规程确定的流程表 杀菌规程的确定 1 杀菌对象菌的确定大家知道腐败菌是罐头食品杀菌的对象菌 食品的种类不同 杀菌的对象菌是不同的 如低酸食品的腐败菌大多数属于专性厌氧嗜热芽孢杆菌和厌氧嗜温芽孢菌一类 厌氧嗜热芽孢菌常见的有嗜热解糖梭状芽孢杆菌 它最适宜的生长温度55 温度低于32 时生长缓慢 厌氧嗜温芽孢杆菌有肉毒杆菌 生芽梭状芽孢杆菌等嗜热脂肪芽孢杆菌 其耐热性较强 杀菌对象菌的确定 低酸食品罐头中 杀菌的对象菌是食品致病菌中耐热性最强的肉毒杆菌 其产生的外毒素误食后可以造成食物中毒而死亡 所以必须最大限度地杀死肉毒杆菌的营养体及芽孢 使其失去繁殖能力和变异能力 确保食用者的安全性 目前国际上在试验时为保证试验人员的安全性 一般采用与肉毒杆菌一样的梭状芽孢杆菌 简称PA3679 其生理 生化和营养学特性 种族特征及培养方法均与肉毒杆菌 A型 相似 有相同的Z值 而PA3679芽孢的耐热性比肉毒杆菌大3 8倍 只要将PA3679的菌体及芽孢全部杀死 就足以杀死所有的肉毒杆菌 并彻底破坏其毒素 确保产品的安全性 杀菌对象菌的确定 高酸性罐头食品中中常见有腐败菌有小球菌以及乳杆菌 明串球菌等非芽孢菌 总之罐头食品品种不同 杀菌对象菌是不同的 其耐热性也是不同的 酸性食品的腐败菌有专性厌氧嗜温芽孢杆菌 如巴氏固氮梭状芽孢杆菌 酪酸梭状芽孢杆菌等解糖菌 嗜热性芽孢杆菌又称凝结芽孢杆菌 2 实罐试验 根据食品热传导值和腐败微生物的耐热性 对杀菌条件进行理论计算 确定杀菌的温度和时间 以满足理论计算的杀菌值 F0值 为目标 可以有各种不同的杀菌温度 时间的组合 实罐试验的目的就是要根据罐头食品的质量 生产能力等综合因素选定最合理的杀菌条件 既能达到安全卫生的要求 而产品质量也是最高 在经济上也是最合理 几种低酸食品罐头传热参数 供参考 项目 项目 项目 蘑菇罐头的接种试验 根据测定PA3679在蘑菇基质中的耐热性参数 D 1 9 Z 9 8 在121 时TDT 18 並测得蘑菇罐头杀菌时的传热曲线呈简单型加热曲线 从上表可知668罐型184克蘑菇fh 4 84 j 0 35 而求出了杀菌强度值 F0 将PA3679浓度为105 毫升 在184克蘑菇中每罐接入1毫升 加汤 封口 杀菌 分别按不同的F0值分5组杀菌 同时将热电偶测温头插在冷点 离罐底1 2mm的中心线位置 测定中心温度 杀菌规程按下表设计 184蘑菇杀菌规程的设计 五组不同杀菌时间蘑菇罐头保温结果 低酸食品罐头以肉毒杆菌为对象菌来杀菌 美国FDA要求罐头的腐败率为10 12 即要求罐头的杀菌为12Dr 即n 12 由于肉毒杆菌A型芽孢的Dr为0 204分钟 则 12 0 204 2 45 为安全起见 1978年提出了F0值不小于3 0分钟 这被称为肉毒杆菌最低杀菌标准 第四组试验F0值达到了17 腐败率为零 此杀菌规程是有效的 如实罐接种的结果与理论计算的结果相接近 内在质量也是最佳 那么这个杀菌条件是合理的 综上所述 杀菌规程的制订 首先要确定杀菌对象菌 其耐热性取决于菌种及其加热时食品基质和后培养基 进行耐热性试验 画出微生物耐热性曲线 热力致死曲线 热力指数递减时间曲线 测得参数D值 TDT值 n Z值 F值 在以传热试验测得参数fh 食品的传热速度值 和j 食品的传热值 后 就可用鲍尔公式法来计算理论杀菌规程 再用实罐接种 杀菌 保温试验来校核所计算的理论杀菌规程的可靠性 在这过程中杀死对象菌是前提 传热曲线是基础 确定F值是关键 杀菌设备的热分布均匀性是条件 杀菌操作是保证 六 罐头食品杀菌时间的推算 前面讲到传热曲线是基础 影响传热曲线的因素很多 在这方面我们是有深刻的教训 如番茄酱为防止印铁罐擦伤垫蔴袋 满笼与半笼 加不加垫板等等 这些都会影响传热效果 影响杀菌锅的热分布 所以FDA规定 测定热分布时要满笼 企业的最小罐型 装满水 其目的就是减少外界条件对热分布的影响 根据我们的经验 杀菌锅的冷点一般在杀菌锅的轴中心位置 1 不同罐型间传热速率特性值的换算 在实测求得某一产品的传热速度特性值后 当更换罐型 内容物装罐条件相一致时 可通过换算求得fh或j值 不必重新测定其传热曲线 当然最好还是实际测定较准 不同罐型fh的换算a 对流传热为主的换算公式 式中r和r 为已知和未知罐的内半径 即1 2罐外径 1 6mm l和l 为已知和未知罐的内高 即罐高 6 4mm 不同罐型传热速率特性值的换算 b 传导传热为主的换算公式 式中d1和d2为已知和未知fh的二种不同罐型的内径 即罐外径 3 2mm l1和l2为已知和未知fh罐的内高 即罐高 6 4mm 根据计算公式我国有关圆型罐对流传热和传导传热的fh换算有表可查 2 不同条件罐内测温点温度的换算 不同杀菌温度和食品初温条件下 罐内食品温度的变化是不同的 照理应分别加以测定 但如果已在某一杀菌温度和食品初温条件下测得罐内测温点温度变化数据 在同一