非热力加工的特色及研究进展.doc

食品科学与工程专题课程论文 题 目非热力加工的特色及研究进展姓 名费鹏学 号2013309010006专 业食品科学评 分指导教师谢笔钧职 称教授中国武汉二一三 年 十二 月非热力加工的特色及研究进展摘要：食品的非热加工技术是当代一类崭新的技术，它既有利于保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持原料的色、味及营养成分。本文介绍了超高压 (ultra high Pressure, UHP) 技术、超高压脉冲电场 (pulse electric field, PEF)技术、脉冲强光(pulsed light, PL) 技术、微波杀菌、紫外线杀菌、辐照杀菌、臭氧杀菌、超声波非热技术等技术在食品中的应用。关键词：非热力；超高压；脉冲电场；脉冲强光；紫外线Abstract: Non thermal processing for food is a kind of new developing technique which contributes to protect functional factors and keep flavor and nutritional ingredients of food. This article would introduce some non thermal processing techniques, such as ultra high pressure (UHP), pulse electric field (PEF), pulsed light, (PL), microwave sterilization, ultraviolet sterilization, ozone sterilization, ultrasonic non thermal processing and their application in food field.Keywords: Non thermal; ultra high pressure; pulse electric field; pulsed light; ultraviolet light食物的热加工能使蛋白质变性，提高消化吸收率，使人们获得更加丰富的营养，并能杀死病虫细菌，使人们少生疾病，促进人体发育和大脑发育。但是近二十年来的研究揭示了食品热加工中存在的严重缺陷1，如热加工引起的食品污染已经引起了科学界和公众的双重关注。随着科学技术的进步，越来越多的安全营养问题在热加工食品中被检测出来，并且制约了这项技术的发展。2002年瑞典食品管理局 (Swedish National Food Administration，SNFA) 发现了某些热加工食品中有较高含量的丙烯酰胺(Acrylamide，AA)，引起了欧盟FAO/WHO，美国食品工艺师协会(IFT)，美国谷物化学协会(AACC) 等国际组织的关注2，丙烯酰胺是一种神经毒性的小分子化合物，主要是由游离的天门冬酰胺在食品热加工处理中通过美拉德反应形成的，在含淀粉高且经过油炸食品中常有很高的含量，能使动物致畸、致癌，还可使人体神经损坏导致瘫痪3，一些实验表明丙烯酰胺能导致哺乳动物的染色体变异，长期监测发现使雄性小鼠阴囊肾上腺甲状腺和雌性鼠乳腺子宫甲状腺产生肿瘤4，因此可以表明丙烯酰胺长期摄入将严重影响人类的健康。与丙烯酰胺相似，在很多热处理食品特别是罐装食品中检测出了致癌物呋喃，呋喃主要是由食品中含有的葡萄糖、果糖、乳糖等化合物降解形成的，具有高度亲脂性，很容易被肠道吸收，引起肿瘤和癌变。Vranova等5在探讨食品中呋喃形成时发现食品在加热超过100时抗坏血酸被转化为呋喃。除了丙烯酞胺和呋喃外，食品热加工中产生的氯丙醇，氯丙二醇(3-MCPD)和1，3-二氯丙醇(1, 3-DCP)也得到了全球食品安全界的广泛关注，Chung6等调查了香港的一些零售市场，其中有32%的食品中含有3-MCPD。在一些焙烤食品中，如而包、蛋糕、汉堡和蛋挞中会产生一定量的3-MCPD。在油炸食品中会产生3-MCPD和1, 3-DCP。一般而言，油炸大大提高了食品中的氯丙醇的含量，在烹饪牛肉、猪肉、鱼虾和螃蟹等高蛋白食品中易形成氯丙醇。另外，烹饪温度过高会使一些营养物质遭到损失、破坏，产生对人体有害的物质。如食物中的水溶性蛋白白质过度受热会结成硬块，肉类中的脂肪过度加热则氧化分解，损失其所含的维生素A.D.蔬菜中的维生素C等很不稳定，烹调热度越高，时间越长，损失就越大7。面对热加工的一系列问题，非热加工技术作为一个更安全的食品加工技术开始兴起。非热加工技术主要用于杀菌与钝酶，包括超高压、高压脉冲电场、高压二氧化碳、电离辐射、脉冲磁场等方法。与热力杀菌相比，非热加工对食品特别是热敏性食品的色、香、味、功能性及营养成分等具有很好的保护作用，能够在很大程度上保证产品原有的新鲜度，特别是避免在加工过程中生成对人体有害的物质，并在一定程度上具有节约能源、环保等优势。目前，一些非热加工技术如超高压、高压二氧化碳等在美国、日本、法国等发达国家已经得到了产业应用。同时，随着研究的不断深入，非热加工技术的应用范围得到了拓宽，可用于食品功能成分的提取、食品大分子的改性等方面。1. 超高压技术食品的超高压处理，是指利用压媒(通常是液体介质，例如水)使食品在极高的压力(例如100-1000 MPa)下产生酶失活、蛋白质变性、淀粉糊化和微生物灭活等物理化学及生物效应，从而达到灭菌和改性的物理过程。通常，将用超高压处理的食品称为超高压食品。早在1899年，美国西Virginia大学化学家Berthite首次发现450 MPa的高压能延长牛乳的保藏期；1914年美国物理学家Bridgeman提出静水压下卵白变硬和蛋白质变性、凝固的报告，被认为是超高压食品处理技术的起源。该报告指出，白蛋白在500MPa作用下凝固，在700MPa下变成硬的凝胶状态。由于当时条件的限制，此后70多年来这一直未引起食品界的足够重视。直到1987年在东京大学林力丸的倡导下，日本开始研究应用超高压杀灭食品中微生物的方法；1991年4月世界上第1个高压食品果酱问世，引起了日本国内的轰动，被人们誉为21世纪食品。1.1 超高压灭菌的基本原理 超高压杀菌法，是先将食品原料配好以后，充填到柔软的容器中密封，再投入到有数千静水压的超高压杀菌器中加压处理的过程。 极高的静压会改变细胞的形态，包括细胞外形变长，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变厚。高压对细胞膜、细胞壁都有影响。20-40MPa的压力能使较大的细胞因受应力作用细胞壁机械断裂而松解；200 MPa的压力下，细胞壁遭到破坏；300-400 MPa下，微生物的核膜和线粒体外膜受到破坏，加压的细胞膜常常表现出通透性的变化，压力引起的细胞膜功能劣化导致氨基酸摄取受到抑制。上述过程是一个纯物理过程，几乎完全是因为超高压力的作用，故高压杀菌过程中，压力问题成为一个重点，也成为一个难点。随着压力的增大，微生物数量急剧下降，但对于某些食品杀菌，如果汁中易感染微生物革兰氏阳性芽孢杆菌，它的芽孢和真菌孢子以及某些致褐变酶的耐压力很高，在室温下需要1000 MPa甚至更高的压力。但压力过高，超高压设备制造成本与其额定工作压力呈几何级数增长关系，设备器件使用寿命也会减短，故优化杀菌条件，能降低工作压力的超高压协同技术是目前的一个研究重点。1.2 超高压灭菌的特点 超高压只能对非共价化学键产生作用，如离子键、氢键和疏水键，而共价键则不受影响。这样，一方面可以破坏微生物的活动，另一方面又不会对决定食品质地或风味的分子产生重大的影响。由于超高压处理食品可以在室温甚至低温下进行，是一个纯物理过程，因此对食品的营养成分、天然风味以及色泽的破坏极小，从而生产出高品质的产品9。1.3 超高压灭菌的影响因素在超高压杀菌过程中，由于食品成分和组织状态十分复杂，因此要根据不同的食品对象采取不同的处理条件。一般情况下，影响超高压杀菌的主要因素有：压力大小、加压时间、加压温度、pH值、水分活度、食品成分、微生物生长阶段和微生物种类等。 1.3.1压力大小和加压时间一般说来，在一定范围内，加压时间越长，压力越高，灭菌效果就越好。Lucore等研究了环境条件对抑制大肠杆菌O157:H7的作用，用300，500，700MPa压力处理，加压时间较长时，大肠杆菌O157:H7会被抑制5个数量级9。但是，由于每一种微生物都有自身耐受压力的上限值，在该压力下，增加加压的时间对微生物的失活率没有多大影响。而只要达到或超过该压力，增加保压时间，微生物数量减少效果明显，灭菌效果也有一定程度的提高。Calik等10研究了超高压对牡蛎中副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)的作用，用平皿计数法测定了牡蛎加压前后的副溶血弧菌数，最佳条件是500 MPa，施压30s，此处理条件能将含菌量从109 cfu/ml降至10 cfu/ml。如果压力降低，要取得同样的效果，则加压时间加长，如将上述压力降至350MPa，则需要14. 5 min，才能将含菌量10cfu/mL。细菌、霉菌、酵母菌在300MPa以上就可被杀灭，病毒在较低的压力下也可失去活力。对于芽孢菌，有的在1000 MPa的压力下还可生存。而用低压处理芽孢菌，反而会促进芽孢发芽。1.3.2 加压温度由于微生物对温度具有极强的敏感性，在食品处理过程中，受压时的温度对于杀菌效果的影响非常明显。提高温度，可以降低描述微生物致死反应动力学的Arrhenius方程中致死平均活化能（酶平均钝化能）Ea，即: lnk=lnk0-Ea/RT 其中：k反应常数；k0初始常数；R波尔茨曼参数；T温度；Ea酶平均钝化能。由于温度上升，Ea下降，从式中可以看出，Ea与反应常数成反比关系，故不难分析，温度上升，酶更容易钝化。此外反应常数k与温度T成正比关系，也表明温度升高将促进酶钝化。因此，提高温度，可以导致微生物细胞膜的结构和流动性发生变化，生物大分子的疏水、氢键等相互作用减弱，磷脂的聚集状态也发生变化，这就加速了微生物的致死速率。故在不影响产品品质的温度范围内( 60)，加热或提高超高压处理体系的温度，能较大幅度提高杀菌效果。Kinugasa11等研究了高压灭活茶提取物中的微生物时发现，耐热芽孢杆菌芽孢在常温下进行加压处理时，不会被灭活，但在较高的温度下，300-700MPa压力下会被灭活，彻底灭菌条件为700MPa，700。大多数微生物在低温下耐压程度降低，主要是因为压力使得低温下细胞因冰晶析出而破裂程度加剧。在低温范围内高压处理对保持食品的品质较为有利，特别是在减少热敏性成分破坏的方面。因此，在低温范围内用高压处理食品引起了人们特别的关注。高桥观二郎等11对包括芽孢菌等常见致病菌在内的16种微生物的低温高压杀菌研究显示，除了芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多数微生物在-20条件下的高压杀菌效果较20条件下的好。1.3.3 pH不同微生物对pH值的要求不一样，不同的微生物也各自有最适宜的pH值。每种微生物在其最适生长的pH值范围内时酶活性最高，如果其他条件适合，微生物的生长速率也最高。因此，pH值是影响微生物在受压条件下生存的因素之一。一般的微生物都适合在弱酸性至中性条件下生长。随着环境pH值的不断变化，微生物生长受阻。当超过最适pH值的最高或最低值时，微生物的耐压性降低，将引起微生物的死亡，有利于超高压对微生物的灭活。正是由于酸性环境不利于多数微生物的生长，高浓度的氢离子会引起菌体表面蛋白质和核酸水解，并破坏酶类活性，所以第一代的高压食品大都以酸度较大的果酱、果汁为主。有报道12显示，压力会改变介质的pH值，且逐渐减小微生物生长的pH值范围，如在68 MPa下，中性磷酸盐缓冲液的pH值将降低0.4个单位。在利用超高压技术加工食品时，应考虑压力与pH值对微生物的影响关系。1.3.4 水分活度不同类群微生物生长繁殖的最低水分活度范围不同，大多数细菌0.99-0.94，大多数霉菌为0.94-0.80，大多数耐盐细菌为0.85，耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母为0.65-0.60。在水分活度低于0.60时，绝大多数微生物就无法生长13。水分活度(Aw)对高压杀菌效果影响也很大。Rodriguez通过研究证明了水分活度对杀菌效果有显著的影响作用，其影响作用因压力大小而异，当压力为414MPa时，水分活度从0.99降至0.91，杀菌作用减弱14。低水分活度产生细胞收缩和对生长的抑制作用，从而使更多的细胞在压力中存活下来15。微生物的耐压程度与含有的Aw大小有密切的关系，当用超高压杀菌技术处理固体与半固体食品时，考虑Aw的大小十分关键。1.3.5 食品组分 各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求也不一样。在高压下，食品的化学成分对杀菌效果有显著的影响。蛋白质、碳水化合物以及脂类对微生物具有保护作用。Takahashi研究了低温下共存物对超高压杀菌效果的影响，选用的物质有氯化钠，蛋清等，在不同的压力和温度下处理，均证明这些物质的存在可以提高微生物的存活率。一般而言，食品中盐和蛋白质的浓度越高，营养成分越丰富，食品中的微生物在高压下的耐压性就越强。食品基质中含有的添加剂组分对超高压杀菌结果影响也很大。这些添加剂不是保护微生物的存在的，如Ni乳酸链球菌肽具有破坏革兰氏阳性菌的专一性，是天然的抗菌防腐剂，对人体无害。在利用超高压对食品进行杀菌处理时，适当的考虑使用天然抑菌剂，可以降低处理压力，提高效率。另外，添加脂肪酸醋、蔗糖醋或者乙醇等添加剂，也将提高加压杀菌的效果。1.3.6 施压方式在超高压杀菌处理中，由于不同微生物的耐压特性各异，特别是产芽抱革兰氏阳性菌的芽孢特别耐压，而延长保压时间对微生物的致死率影响不大，但是间歇式重复加压的超高压处理效果明显。脉冲加压可以使被处理微生物的细胞壁、细胞膜、代谢酶和核酸的损伤累积。快速的升压和降压减小上述物质对环境条件的响应能力，从而降低适应性，微生物薄弱位点的损伤加剧。研究认为12，对于耐压性极高的芽抱，第1次加压会引起芽孢菌发芽，第2次加压则使这些发芽而成的营养细胞被杀死。因而，对易受芽孢菌污染的食物用超高压多次重复短时处理，杀灭芽孢效果好。Hayakawa等研究了嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus)的失活情况，通过研究得出重复的压力处理比较有效，600MPa的压力、70条件下处理5 min，如此重复6次，可使含嗜热脂肪芽孢杆菌量为106/g的样品全部灭菌12。另外，低压处理对芽孢有活化作用，促使芽孢发芽，从而使其丧失耐压性，重复压力处理具有明显杀灭孢子的作用。1.3.7 微生物种类 由于不同微生物的耐压性有差别，一般来说，各种微生物的耐压性强弱依次为革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌，而耐高温的微生物耐高压的能力也较强，各种食品微生物的耐压性一般较差。但革兰氏阳性菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢最耐压，可高达1000MPa11。微生物在不同的生长时期，对高压的耐受情况也不一样。对同种微生物而言，处于对数指数期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力更为敏感。由于芽孢耐压性强，杀死芽孢则需要更高的压力或结合其他处理方式。1.4 超高压设备 作为超高压技术关键的超高压容器，其价格是此技术在食品工业能否应用的关键问题。首先，制造技术要求严、材料性能要求高，从而使成本很高。据了解，国内只有为数不多的厂家能整体锻造超高压容器，制作容器的材料只有少数军工企业才能提供。其次，比CIP设备更高的承压要求容器更加庞大，价格进一步增加。超高压杀菌装置的特点是，承受很高的操作压力（150-1000MPa），循环载荷次数多（连续工作，通常为215次/h）。因此，超高压设备应从以下几方而进行优化:材料：超高压容器及其密封结构的设计必须正确合理地选用材料，保证其足够的力学强度，高的断裂韧性，低的回火脆性和时效脆性，一定的抗应力腐蚀及腐蚀疲劳性能。所以大力开发新的高强度材料和制造工艺，也是减小容器质量、降低容器费用的又一个措施。特殊设计：鉴于食品加工工业中的特殊要求，即要有一定的处理能力和较短的单位生产时间，有效保证产品的高质量要求，故而要设法缩短生产附加时间(如密封装置的开启时间)，把装置设计成便于快装快卸操作的轻便形式。轻型化结构高压筒体制造困难且价格昂贵，探求其合理的轻型化结构也有着很重要的经济意义。2. 高压脉冲电场技术 高压脉冲电场（Pulsed Electric Field，简称PEF）处理是对两电极间的流态物料反复施加高电压的短脉冲（典型为2080KV/cm）进行处理的过程。与传统的食品热加工方式相比，PEF具有处理温度低、时间短、能耗低、污染小、能更好的保持食品品质及营养特性等优点，工业化前景十分看好2。2.1 PEF的产生及影响因素2.1.1 PEF的产生高压脉冲电场的获得有两种方法：一种是利用特定的高频高压变压器来得到持续的高压脉冲电场，用这种原理制作大型设备有很多困难。另一种是利用LC振荡电路的原理来形成高压脉冲电场，利用自动控制装置对LC振荡电路进行连续的充电与放电，可在几十毫秒内完成杀菌处理，所以应用较多。杀菌用高压脉冲电场的强度一般为15-100kV/cm，脉冲频率为1-100kHz，放电频率为1-20Hz。2.2 PEF技术在杀菌和灭酶方面的应用2.2.1 PEF杀菌作用机理 目前，对PEF杀菌的许多研究表明，细胞膜不可逆破损是使细胞失活的直接原因。关于细胞膜破损的机制有很多理论假说，包括膜的介电击穿理论、电穿孔理论、电机械压缩及不稳定理论、渗透不平衡理论、粘弹性模型、亲脂亲水性孔转化理论、构形转化理论等18。众假说各有特点并都有一定的研究结果支持，其中，介电击穿、电穿孔理论是得到普遍认同的提法，在具体机理上与其他假说也有很大共通性。1）介电击穿理论：介电击穿理论认为，细胞膜是一个电容器，细胞膜的双层结构可看作一种电介质材料，其电介质常数(K)很小(一般只有2，而水为80)，自山电荷可聚积在膜两侧表面，但不能达到很高浓度。电场作用时，将导致跨膜电势的提高。由于膜的两表面释放的电荷是相反的，会产生电荷的相互吸引作用，这种相互吸引会使膜厚度减小，即膜两面上的电荷间距离也变小，相应的电荷吸引作用随之变大。随着膜的压缩程度提高，膜会产生反方向的弹性或黏弹性回复力，当导致膜厚度降低的电压缩力的增大强于弹性回复力时，膜上会产生破损，这是一种内陷的破损作用19。2）电穿孔理论：电穿孔是指细胞在PEF作用下，细胞膜上会出现小孔，其结果将导致细胞膜正常的选择性透过屏障出现部分或完全地被破坏。细胞膜山磷脂双分子层及蛋白质组成，存在蛋白质通道、孔、泵送结构。蛋白质通道的开关决定于跨膜电势20, 21。蛋白质通道的开口电压为50 mV左右，小于磷脂双分子层的介电强度。在PEF作用下，在跨膜电势达到磷脂双分子层击穿电压(150 mV-500 mV)前，许多电压敏感的蛋白质通道将会打开。而蛋白质通道一旦打开，将会经受比设定值大得多的电流，其结果是由于焦耳热作用或功能团的电改性，蛋白质通道形成了不可逆的破坏。磷脂双分子层山于磷脂分子的带电性及双分子层对离子的可穿透性，对电场作用敏感。电荷使得磷脂分子在高强度电场作用下重新定向，产生了亲水性的孔，破坏了双分子层抗离子的屏障。亲水性孔可以通过电流，从而产生焦耳热使磷脂双分子层发生相转变20-22。由此，细胞膜上的电穿孔在蛋白质通道和磷脂双分子层中都出现了。孔在形成后，其尺寸随电场强度、处理时间的增大而扩大。2.2.2 PEF杀菌系统装置1）高压脉冲发生器：高压脉冲发生器主要包括高压直流电源和高压脉冲波形两大部分。高压直流电源的作用就是将电网输入的220 V的交流电源通过逆变压器变成几十千伏的交流电，然后经过整流变成高压直流电23。一般来说，PFF杀菌系统的高压脉冲波形可以使用方波、指数衰减波、钟形波等几种形式，目前常用的是指数脉冲，它由电阻一电容组成的电路产生，结构比较简单，价格比较便宜，适宜于工业化应用24。2）处理室：处理室是PFF杀菌系统的重要组成部分，它最基木的功能就是放置待处理的物料和安放电极。一个PFF处理室一般有2个电极，以及装载电极的绝缘材料构成。根据物料是否流动，处理室分为静态式和连续式;根据电极形式分为平板式、同轴式和共场式3种。处理室设计遵循的总体原则，大致可以归纳为：电场分布均匀；不易放电且适用于各种食品物料；腔体直径的大小应尽量满足物料处理量的要求而不能造成负载过小。同时在设计处理室时还应考虑如何使样品更容易注入处理室和减小处理室的复杂性25。2.2.3 影响PEF杀菌作用的关键因素 影响PEF杀菌效果的关键因素可分为处理参数、被处理介质条件、微生物性质3大类。1）处理参数的影响：对PEF杀菌技术而言，高的杀菌效果和尽量低的温升是最理想的。选择短脉冲、双极性、方形波的电脉冲条件，会获得较好的杀菌效果。电场强度和处理时间是PEF杀菌技术的重要影响因素，提高电场强度和延长总处理时间会提高杀菌效果，但这样的处理同时也会带来处理介质升温较大的问题。因此，适当选择处理参数和良好的处理装置设计对PEF杀菌处理是十分重要的。2）被处理介质条件的影响：被处理介质的状态对PEF的处理效果影响很大。目前.利用PEF杀菌技术来处理的介质除水外。最多的是液态食品，如，牛奶、脱脂奶、酸奶、橙汁、苹果汁、果酒、液态全蛋、豆汤等，这类液态食品的理化性质，特别是电导率、pH值、离子强度、温度、Aw等都与杀菌效率有关。低电导率的液态食品需要的功率低，引起升温也小，因而，用PEF处理比较有效。3）微生物特性的影响：目前，在对PEF杀菌技术的研究中，所涉及的微生物种类很多，主要有:大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、产气肠杆菌、植物乳酸菌、枯草芽孢杆菌、微球菌、沙门氏菌、假单孢菌、李斯特菌、酵母、耶尔森氏小肠结肠炎菌等等。有关研究结果表明，微生物种类、生长阶段、大小、形状等都对PEF杀菌效率有影响。总的来说，处于指数生长阶段的微生物对PEF的作用最敏感；革兰氏阳性细菌比阴性细菌对PEF更有耐受性；细菌比酵母更有耐受性。微生物在处理介质中的存在状态也影响杀菌效果，附着的细菌比游离的细胞有更大的失活率。芽孢比营养体在PEF作用下具有更强的耐受力。2.3 PEF在食品预处理中的应用2.3.1对食品干燥的影响果蔬的传统干燥方法影响其物理和化学状态，导致缩水、颜色改变，还影响果蔬的质地和口感。王维琴等26研究了高压脉冲电场预处理对甘薯干燥的影响。经PEF预处理的甘薯样品在渗透脱水后的质量都有一定增加，渗透脱水固形物增加率与PEF处理参数中的场强和脉冲数目小成正比关系。在高压脉冲电场处理中，电场强度和脉冲数对干燥速率都有影响，其影响规律是：电场强度为2kV/cm，脉冲数为70个和脉冲数为50个而电场强度为1kV/cm时，有较高的热风干燥速率和较低的含水率。2.3.1 对食品解冻的影响冷冻食品在使用之前大都需要经过解冻过程。而在食品的冻结解冻过程中必然会发生各种物理、化学变化，影响食品的品质。利用PEF解冻食品，解冻速度快，解冻后食品温度分布均匀，汁液流失少，能有效地防止食品的油脂酸化，而且一定强度的高压静电场对微生物具有抑制和灭杀的作用，有利于食品品质的保护。方胜等研究发现电场脉冲频率对解冻时间缩短百分率影响小显著，电场强度对冰解冻时间缩短百分率的影响比较明显。当电场强度为5kV/cm时，解冻时间仅仅缩短1.3%而当电场强度增大到22kV/cm时，解冻时间缩短7.4%。此外对冻豆腐、冻肉等冰冻食品都有明显解冻作用27。2.3.3 对酒的快速陈化的影响殷涌光等28利用高电压脉冲电场对白酒进行催陈研究。结果表明，高电压脉冲电场可以使白酒快速催陈，操作简便，速度快；高电压脉冲电场催陈的最佳参数为脉冲数50个，场强E=25kV/cm，助剂浓度1.0 X 10-6mol/L。处理后的酒样总酸、总酯和总醛等有所增加，总醇含量有所下降，酒体透明，陈香明显，辛辣味减少，柔和绵软，有余香。2.3 PEF技术在天然产物成分提取方面的应用 天然产物为动物、植物、昆虫、海洋生物及微生物主代谢和次生代谢的化学物质。山于天然产物小稳定，许多具有生理活性的化介物一旦离开机体，很容易变性、破坏，在生产过程中要小心地保护这些化介物的生理活性，因此，生产这类具有生理活性的物质常选择温和的条件，并尽可能在较低温度和洁净环境下进行。高压脉冲电场可在瞬间使被处理细胞的细胞壁和细胞膜电位混乱，改变其通透性甚至可击穿细胞壁和细胞膜，使其发生小可逆破坏，造成细胞新陈代谢紊乱、细胞中生长的必须组分流出，成为一门新兴的提取技术。3. 脉冲强光技术(pulsed light, PL)脉冲强光杀菌是采用脉冲的强烈白光闪照方法进行灭菌的技术，其最基本的结构是动力单元和惰性气体灯单元。通过由动力单元向惰性气体灯单元提供高电压高电流脉冲，以使惰性气体灯发出与太阳光谱相反、但强度更强的紫外线至红外线区域光进行杀菌29。脉冲光使用高强度白光的极短脉冲，杀死食品表面的微生物。该高强度的白光类似阳光，但仅以几分之一秒钟的速度反射出来，比阳光更强，能迅速杀死细菌。脉冲强光能有效杀灭暴露在食品和包装材料表而或水中的细菌、霉菌、抱子、病毒、原生质、休眠抱子等各类微生物以及食品中的内源酶，是一种无汞、低热、无副产物的新型杀菌技术。脉冲强光杀菌技术是近年出现的对食品表面、包装材料及器械进行快速灭菌的一种非热物理杀菌新技术，它利用惰性气体灯发出与太阳光谱相近、波谱范围由紫外线至红外线区域的强烈脉冲闪光来杀灭固体表面、气体和透明液体中的微生物。3.1 PL的杀菌机理脉冲强光杀菌是利用脉冲的强烈白光闪照方法进行灭菌的技术。脉冲强光杀菌的原理是：将可见光、红外线和紫外线协同作用于微生物，通过闪照时瞬时的、高强度的脉冲光能量对微生物细胞壁蛋白质和核酸活性结构的作用，使细胞变性、失去生物活性，抑制其生长繁殖，从而达到杀菌目的。其杀菌作用主要归因于光热、光化学效应，大多数研究认为其杀菌作用主要依赖于光化学效应。脉冲强光包括25%的紫外光谱，这些紫外光对杀菌具有非常重要的作用。有试验研究表明，如果将脉冲强光通过一个可以去除波长320 nm以下紫外光区的滤光器，过滤后的脉冲强光将失去杀菌作用。微生物经脉冲强光照射后，细胞内物质发生变化而失活。Wang等29认为微生物经过PL处理后，DNA吸收紫外光产生的光化学反应是微生物失活的主要原因。在样品温度不变的条件下，Rowan等30研究PL杀菌效果，认为PL的杀菌作用归因于短波长紫外光的光化学作用。紫外杀菌能破坏细菌的嘧啶二聚体结构(其中主要是胸腺嘧啶)，结构发生改变的二聚体能抑制新的DNA链形成，从而使微生物失活；此外，紫外光处理主要可导致细菌芽孢形成“芽孢光照产物”，DNA的单链、双链、环丁烷嘧啶二聚体破坏。目前，大多学者认为PL杀菌是一个多靶处理过程，DNA变性是导致微生物死亡的主要原因，同时还伴随着细胞膜、蛋白质等大分子物质的破坏。3.2 脉冲强光杀菌效果 与传统的杀菌方法相比，脉冲强光杀菌技术具有杀菌处理时间短(一般处理时间是几秒到几十秒)、残留少、对环境污染小、不与物料和器械直接接触、操作容易控制等特点。针对食品中的化学成分(包括营养成分)及微生物菌群变化进行的大量试验，证明脉冲强光处理食品具有安全可靠性。3.2.1脉冲强光可有效减少食品表而的微生物数量。 脉冲强光具有极高的峰值能量，就像是闪电，把相同的能量以高峰值的形式瞬间释放，穿透食品的包装，彻底破坏微生物DNA。Joseph等研究结果表明，脉冲强光能杀死大多数的微生物，比传统的紫外灯效率高，可用于延长以透明物料包装的食品及新鲜食品的货架期，具有很好的发展前景。3.2.2脉冲强光能使食品中的酶钝化 研究表明，脉冲强光闪照40次后，淀粉酶活力降70%、蛋白酶活力下降90%。Dunn等用3J/cm2的脉冲强光对鲜马铃薯切片进行2-5次处理后，避免了马铃薯片表而发生褐变.而对照组褐变严重。这表了马铃薯片表而发生褐变，而对照组褐变严重，这表明脉冲强光可以抑制多酚氧化酶(PPO)活性，避免果蔬褐变。3.2.3脉冲强光对食品中营养成分的影响很小 脉冲强光低温特性有助于保持被处理食品的风味，且脉冲强光只作用于食品的表而，从而对食品的风味和营养成分影响很小。经脉冲光处理的食品与未处理的相比，其中的化学成分和营养特性没有显著变化。有研究表明，脉冲强光对油脂，L-酪氨酸、葡萄糖、淀粉及VC均不造成明显的破坏。4. 低温等离子体杀菌技术等离子体是由部分电子被剥夺后的原子，以及原子被电离后，产生的负电子组成的离子化气体状物质(主要由电子、正负离子、基态原子、激发态原子、活性自由基、射线鄂组成，其中正负电荷总数相等，呈电中性，因而称为等离子体。它是除去固态、液态、气态外，物质存在的第四态。按照带电粒子温度的相对高低，实验室等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体的基本特点是系统主要由带电粒子支配，受外部电场、磁场、电磁场的影响，存在多种基元过程及等离子体与固体表而的相互作用，具有独特的光、热、电等物理性质，可产生多种物理、化学过程。现有的几种低温等离子体包括：电晕放电等离子体(CDP)、介质阻挡放电等离子体(DBDP)、常压等离子体射流(APPJ)、微波等离子体、滑动弧等离子体，以及以介质阻挡放电（DBD)为基础的高阻抗阻挡放电等离子体(RBDP)和瀑式介质阻挡放电等离子体(CDBDP)等。4.1 低温等离子体杀菌机理采用等离子体杀菌是一种光谱灭菌新技术，它可杀死多种类型的微生物，且杀菌效果明显。虽然大量实验已经证实了等离子体对细菌、芽孢、真菌、病毒等微生物具有强大的杀灭作用，但其杀菌机制还不十分明确，各种观点还不统一。目前仍停留在只是以等离子体场中活性物种混存下的表观反应结果为依据作出的推测，尚未能建立起具有普遍说服力的灭菌机理。一般认为，等离子体的杀菌机制与其含有带电粒子(电子、离子)、活性物质(分子、激发态原子、亚稳态原子、自由蓦以及紫外线和其它射线有关。Mendis31研究组指出，带电粒子可能在细胞外膜表面积累，产生超过细胞膜自身张力的静电力，从而引起细胞破裂，并预言革兰氏阴性菌发生这种破裂的可能性较大。4.1.1带电粒子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。Mendis等31认为，带电粒子在杀菌过程中起着重要作用，它可能积累在细胞外膜表面，从而产生超过细胞膜自身张力的静电力，引起细胞破裂，达到灭活作用。4.1.2 活性物质活性物质(如活性氧、自由基团等)与微生物中的蛋白质和核酸反应，扰乱微生物的正常功能。如Laroussi等32认为，可能是活性粒子穿透外膜屏障，直接与孢内生命物质作用导致细胞死亡。吴旭琴等33通过大肠杆菌细胞壁及外膜的破裂证明，活性自由基在常压低温等离子体(CAPPJ)引起微生物细胞破裂机制中发挥主要作用。4.1.3紫外辐射在等离子体产生的过程中，由于辉光放电，可放出大量紫外线。紫外线可通过干扰细胞DNA中胸腺嘧啶的形成来抑制细菌的再繁殖，也可以破坏蛋白质氨基酸的结构，使蛋白质失去生物学活性。但是，紫外线只有在波长小于280 nm且剂量足够大时才能杀死细菌。Laroussi32认为，等离子体杀菌过程中，有电磁辐射、粒子辐射和紫外辐射3种，其中紫外线在波长230-240 nm的杀菌效果最好。综上所述，等离子体灭菌是在微生物外层壁发生的物理溅射、活性物质的化学降解以及紫外线的协同作用过程，各类等离子体在灭菌中的规律和作用尚未完全探明。5. 其他5.1 紫外线杀菌技术 紫外线是德国物理学家Rittle在1802年发现的，但其应用一直未能得到开发，直到木世纪60年代到70年代才开始对它进行应用开发研究。目前研究应用范围日益扩大，其中在食品杀菌中得到广泛应用，且效果良好。 紫外线按其波长不同可分为3段:长波段(320-400nm)，中波(275-320nm)，短波段(180-275nm)，处于24002800人区段的紫外线杀菌力较强，而最强的波长为250-265nm，多以253nm作为紫外线杀菌的波长。 当微生物被紫外线照射时，其细胞的部分氨基酸和核酸吸收紫外线，产生光化学作用，引起细胞内成分，特别是核酸、原浆蛋白、酉旨的化学变化，使细胞质变性，从而导致微生物的死亡。紫外线进行直线传播，其强度与距离平方成比例地减弱，并可被不同的表面反射，穿透力弱，广泛用于空气、水及食品表面、食品包装材料、食品加工车间、设备、器具、工作台的灭菌处理。5.2 辐照杀菌 放射线同位素放出的射线通常有、三种射线，用于食品内部杀菌的只有射线。射线是一种波长极短的电磁波，对物体有较强的穿透力，微生物的细胞质在一定强度射线辐照下，没有一种结构不受影响，因而产生变异或死亡。微生物代谢的核酸代谢环节能被射线抑制，蛋白质因照射作用而发生变性，其繁殖机能受到最大的损害。采用辐照，不但杀菌范围广，而且对细菌的破坏力也很强，只有极少量的病菌在辐照后能够存活下来，但其数量己不足以对人体构成危害。食品经过辐照后至少可以使99. 9%种常见的以食物为载体的病菌失去活性。由于辐射技术杀菌效果显著，美国许多医院对抵抗力差的病人的食物进行了辐射处理。5.3 微波杀菌 微波是指频率从300MHz-300GMHz的电磁波。当它在介质内部起作用时，水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等极性分子受到交变电场的作用而剧烈振荡，引起强烈的摩擦而产生热，这就是微波的介电感应加热效应。 微波杀菌不仅具有热效应，还具有非热力生物效应。新的研究认为，微波能破坏微生物的机体，使活体组织变性，最终导致微生物死亡。微波对微生物的热效应是使蛋白质变性，使微生物失去营养、繁殖和生存的条件而死亡；非热效应是微波电场改变细胞膜的断面的电位分布，影响细胞周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性，微生物从此营养不良，不能正常新陈代谢，微生物结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。利用微波杀菌，容易实现连续生产，不影响食物原有的风味和营养成分，并由于其穿透性好的特点，可进行包装后杀菌。目前，己被应用于食品工业中比较先进的微波处理系统主要是由微波发生器、波导管连接器及处理室等部分构成，它能够以食品内极微小的温度差异，对连续流动的食品进行快速的杀菌处理。当然，目前的微波保鲜技术也还存在一些不足，例如它对某些肉食品保鲜效果不明显，对某些食品的营养成分也有一些影响。5.4 臭氧杀菌 臭氧氧化力极强，仅次于氟，能迅速分解有害物质，杀菌能力是氯的600-3000倍，其分解后迅速地还原成氧气。臭氧技术在美国、日本和欧洲的发达国家中早就得到了广泛应用，是杀菌消毒、污水处、水质净化、食品储存、医疗消毒等方面的首选技术。试验证明，臭氧水是一种广谱杀菌剂。它能在短时间内有效地杀灭大肠杆菌、蜡杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌、流脑双球菌等一般病菌以及流感病毒、肝炎病毒等多种微生物。可杀死和氧化鱼、肉、瓜果蔬菜、食品表面能产生异变的各种微生物和果蔬脱离母体后继续进行生命活动的微生物，延长保鲜期。利用臭氧水洗涤蔬菜瓜果，可以有效清除其表面的残留农药、细菌、微生物及有机物，解决农药给人们带来的隐患。同时避免了用洗洁净洗涤瓜果蔬菜带来的二次污染，能彻底杀灭水中的细菌，消除有机物，净化饮水，除去水中及被清洗物的异味、臭味。5.5 高压二氧化碳杀菌 二氧化碳是一种天然抗微生物剂，单独作用能抑制微生物生长，但不能杀死微生物，与压力结合则能达到有效的杀菌。而对于微生物，高浓度的二氧化碳和低pH能抑制微生物生长，同时高压作用下二氧化碳扩散进入细菌细胞，当卸压时，二氧化碳迅速由液体变为气体，导致微生物细胞膜反压破裂，从而杀死微生物。5.6 超声非热加工技术5.6.1超声提取加工技术 超声波对各种成分的提取分离的强化作用主要源于空化作用和机械效应，超声空化现象中微小气泡的爆裂会产生极大的压力，使植物细胞壁及整个生物体的破裂在瞬问完成，大大缩短了破碎时问，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散和溶解，可显著提高提取效率。与常规提取方法相比，超声波提取技术具有提取效率高、提取时问短、能耗低以及产品收率高等优点。5.6.2超声波乳化和均质乳化是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中，形成乳浊液的过程。超声乳化是利用超声的空化作用和机械效应，剪切大分子或液体中的分散相，使其均质达到乳化的效果；此外，超声波的作用还能够使一些不溶于水的物质活性增加，从而在水中分散均匀或溶解，在几乎不使用稳定剂的情况下保持乳浊体系的稳定。与其他方法相比，超声乳化具有许多优点。液滴系数小。所形成的乳液平均液滴尺寸为0.2 m-2.0 m液滴尺寸分布范围为0.1 um-10.0m 浓度高。所形成的乳液更加稳定，纯乳液浓度可超过30%，外加乳化剂可高达70%；乳状液类型可控。在超声作用卜O/W(水包油和W/O(油包水型乳液都可制备；生产乳液所需功率小。新鲜牛奶中含有大量粒度大小不等的脂肪球，其上浮会在牛奶表面形成奶油层，使牛奶产生分层现象。牛奶的均质处理就是要击碎牛奶中的脂肪球，使脂肪球的大小显著降低，由2.79m-3.08 m降至0.57m-0.95m，使上浮力减小甚至消失，从而防止牛奶的分层，达到使牛奶均一化的效果。5.6.3 超声波结晶 超声波能够强化晶体生长，加速结晶过程。与其他刺激结晶法和投晶种法相比，超声结晶所要求的过饱合度较低，晶体生长速度快，所得晶体均匀、完整，成品晶体尺寸分布范围小。在制药行业中为了得到细小而且均匀的颗粒，己将超声用于生产口服液或注射液。超声强化结晶也是改变许多食品特性的有效工具，如膳食脂肪、巧克力、冰激凌的特性修饰等。此外，超声结晶技术还可以用于控制速冻食品冰晶的形成。超声波可以加快热量传导，使食品冰冻速度加快，并有效防止由于冰晶生长而造成的细胞组织破裂，避免解冻后的组织结构软化和细胞液外流。超声波还能防止在结晶过程中晶体在管路上过度沉积，是一种最佳的绿色防垢技术。6. 结语近十几年来，非热力加工新技术发展迅速，其既能达到食品安全质量要求，又能保持食品的自然风味和感官特性，符合人们对食品“自然、营养、安全、方便”的追求。在世界范围内掀起了研究和开发的热潮，取得了一些技术参数和成果，但一些杀菌技术的基础理论研究和理论体系尚不完善，要推向市场，实现工业化生产还面临不少问题，还需广大研究人员的不懈努力与奋斗。参考文献1 Ames JM. Dietary Maillard Reaction Products: Implications for Human Health and Disease. Czech J Food Sci, 2009 (27): S66-692 林奇龄，欧仕益，黄才欢. 几种添加剂对热加工食品中丙烯酰胺产生的影响. 食品科技, 2005 (3): 53-55.3 LoPachin RM, Canady RA. Acrylamide toxioities and food safety: Session IV summary and research needs. Neurotoxicology, 2004, 25 (4): 507-5094 Jin L, Chico-Galdo V, Massart C. Acrylamide does not induce tumorigenesis or major defects in mice in vivo. J Endocrinol, 2008, 198 (2): 301-3075 Vranova J, Ciesarova Z. Furan in Food-a Review. Czech J Food Sci, 2009, 27(1): 1-10.6 Chung SWC, Kwong KP, Yau JCW. Chloropropanols levels in foodstuffs marketed in Hong Kong. J Food Compos Anal, 2008, 21(7): 569-573.7 Ngoan LT, Thu NT, Lua NT. Cooking Temperature Heat-generated-carcinogens, and the Risk of Stomach and Colorectal Cancers. Asian Pac J Cancer P, 2009 (10): 83-86.8 Fellows PJ. 食品加工技术一原理与实践(第二版) M. 北京: 中国农业大学出版社. 2006, 214.9 Lucore LA. The effect of environmental stress on the barotoler ance of Escherichia coli O157:H7. 2000 IFT Annual Meeting, USA, 2000, 51H-23.10 Cslik H. High hydrostatic pressure effect on Vihbio parahaemolyti cus in oysters. 2000 IFT Annual Meeting, USA, 2000, 51A-17.11 周家春. 食品工业新科技 M. 北京:化学工业出版社, 2005, 381.12 陈复生. 食品超高压加工技术 M. 北京: 化学工艺出版社.2005, 165.13 阚建全. 食品化学M. 北京:中国农业大学出版社, 2002, 30.14 Palou E. High Hydrostatic Pressure as a Hurdle fox Zygo