杀菌技术及其应用

1、杀菌技术及其应用摘要： 杀菌技术在食品工业中有及其重要的地位，杀菌技术也在不断的改进当中。食品保鲜加工的目的之一是延长其保质期。食品变质会造成巨大的经济损失，并对消费者的身体健康等造成伤害。所以杀菌成为食品加工中的必需工序。总之，杀菌是食品加工过程中一个重要操作单元，杀菌效果的好坏直接影响着食品的品质，关乎人类生存和健康。本文介绍了传统的杀菌技术和新型的一些杀菌技术，包括热杀菌非热 杀菌技术，以及其原理和应用。关键词：杀菌技术；传统杀菌；新型杀菌；热杀菌；非热杀菌；原理应用Abstract： Sterilization technology in the food industry and i

2、ts important position, sterilization technology is also constantly improve them. One of the purposes of food preservation is to extend its shelf life. Food spoilage can cause huge economic losses and harm the health of consumers. Sterilization becomes a necessary step in food processing. In short, t

3、he sterilization process is an important food processing unit, the sterilization effect of a direct impact on the quality of food, about human survival and health. This paper describes the traditional sterilization technology and some of the new sterilization techniques, including non-thermal steril

4、ization heat sterilization technology, as well as its principles and applications.Keywords： Sterilization technology; traditional sterilization; new sterilization; heat sterilization; non-thermal sterilization; principle application随着国家对食品安全的重视及HCCP的引入1，以及消费者对食品质量要求越来越高，食品杀菌技术越来越重要，要求杀菌前后，对食品的安全及色、香

5、、味尽可能得小。因而对杀菌技术得要求越来越严格。杀菌技术通常分为：热杀菌和非热杀菌。热杀菌又可大致分为：新型热杀菌和传统热杀菌技术；非热杀菌亦可分为：化学杀菌和物理杀菌。随着科学技术的进步，各种杀菌技术都在原有的基础上进行了很大的改进。1 热杀菌技术加热杀菌是食品工业中最常用的方法, 以热水、 火、 水蒸气等作为加热源对食品进行直接或间接加热。制造者把食品中最耐热的微生物的热特性值及加热进程曲线作为杀菌条件。1.1 传统热杀菌技术传统热杀菌技术在食品工业中已被广泛应用，它能够杀死各种微生物，而且杀菌程度可以准确控制，是一种有效的杀菌方式。2 本质是依靠燃烧燃料或电阻加热在食品外部提供热能，通过

6、传导和对流将热能转移到食品内部，从而达到杀菌和钝化酶的目的。其优点是可准确控制温度，其缺点是影响食品的色泽、风味、营养等。1.1.1 巴 氏杀菌巴氏杀菌指能够杀死食品中几乎所有的病原菌的热处理强度。热处理程度视目标产品中对象菌的耐热性而定2 。巴氏杀菌的对象一般为：原乳、特浓豆奶、啤酒，果汁、罐装蟹肉等。总 - 乳球蛋白变性率和糠氨酸含量是国际奶业普遍用来评估奶和奶制品品质的2 个重要指标，与其他灭菌方式比较，巴氏杀菌乳中这2 个指标均为最低。巴氏杀菌乳在冷藏条件下 （10 ）货架期一般为10 d ，其风味、营养价值和其他性质与新鲜原料乳差异很小。1.1.2 灭 菌灭菌指能够杀死食品中包括芽孢

7、在内的几乎全部微生物的热处理强度。灭菌处理的强度比巴氏杀菌高。它的优点是：杀死包括芽孢的微生物，灭活全部活性酶。但其缺点是：维生素含量降低，乳蛋白变化，产生美拉德反应或者赖氨酸含量降低。1.2 新型热杀菌技术在热力对食品品质的影响程度限制在最小条件下，迅速而有效地杀死存在于食品物料中的有害微生物，达到产品指标的要求。新型热杀菌技术的优点：节能，高效，安全，经济，保持原有色香味。其主要包括：超高温杀菌、微波杀菌、欧姆杀菌。1.1.3 超 高温杀菌超高温杀菌指加热温度为135150 ，加热时间为28 s，加热后产品达到商业无菌要求的杀菌过程。这一杀菌条件相对低酸性食品常规杀菌中采用的100135

8、高出 2040 ，因此称为超高温杀菌。大量实验表明，微生物对高温的敏感性远大于多数食品成分对高温的敏感性，故UHT 能在很短时间内有效地杀死微生物，并较好地保持食品应有的品质，大大延长食品的货架期。因而目前广泛应用于乳品、饮料和发酵等行业。要达到杀菌要求，同时食品不受到热损害，其技术关键是快速加热和快速冷却，最常用的换热设备是板式换热器。按照物料与加热介质直接接触与否，UHT 过程可分为间接式加热法和直接混合式加热法。经过 UHT的食品达到了商业灭菌要求，必须采用无菌包装以防止在后续的包装、运输和销售过程中受到微生物的污染。但通常的UHT 设备只适用于不含颗粒的物料或所含颗粒的粒度小于1 cm

9、物料的加热杀菌。对颗粒度大于1 cm 的物料，目前可用微波杀菌和欧姆杀菌来实现。微生物对高温的敏感性大于食品成分。超高温杀菌技术的关键：快速加热和快速冷却，利用板式换热器。王晶峰等3 人基于计算流体力学技术对橙汁超高温瞬时灭菌工艺进行了优化，灭菌工艺为 135 （408 K） ， 13 s ，且在该条件下单位橙汁的灭菌机械能耗最低。1.1.4 微 波杀菌微波是指频率为300 MHz300 GHz，即波长为1 m1 mm 的超高频电磁波。微波杀菌是热效应和非热效应的共同结果。一方面微波穿透介质，极性分子受交变电场作用而取向运动，摩擦生热，产生热效应。另一方面生物体与微波作用会产生复杂的生物效应，

10、即非热效应，如微波电场改变细胞膜断面电子分布，使其通透性改变；引起蛋白质变性；改变生理生化反应的活化能；诱发各种离子基团，使微生物的生理活性物质发生改变；导致DNA 和 RNA结构中氢键的松弛、断裂和重新组合，诱发一些基因突变，中断细胞的正常生理功能4 。微波加热设备主要由直流电源、磁控管、加热器、控制器和冷却系统组成，可应用于肉制品、禽制品、水产品、果蔬、罐头、奶制品、农作物、布丁和面包等一系列产品。戚彪等人5 对卤猪肝的杀菌方式比较发现，在表面温度达到70 时，微波杀菌的效果与高温杀菌接近，但品质变化较小。1.1.5 欧 姆杀菌欧姆杀菌是利用电极，将电流直接导入食品，由食品本身介电性质所产

11、生的热量达到直接杀菌的目的。欧姆杀菌技术适于处理黏度较高的液体物料，并可以含有一些颗粒的物料，如肉汤、布丁的商业化无菌处理。采用欧姆加热，使颗粒的加热速率与液体的加热速率相接近成为可能，并可获得比常规方法更快的颗粒加热速率( 12 /s ) ， 因而可缩短加工时间，得到高品质产品。欧姆杀菌装置系统主要由泵、柱式欧姆加热器、保温管、 控制仪表等组成，其中最重要的部分是柱式欧姆加热器。加热高酸制品时，反 压 维 持 在 0.2 MPa，杀菌温度达 9095 ，加热低酸食品时反压维持在0.4 MPa ，杀菌温度达120140 。实验室研究用的欧姆加热器为5 k W ， 50 kg/h 。目前，英国A

12、PV Baker 公司已制造出工业化模的欧姆加热设备，可使高温瞬时技术应用于含颗粒(粒径高达25 mm) 食品的加工。2 非热杀菌技术非热杀菌技术是指采用非加热的方法杀灭食品中有害和致病的微生物，使杀菌对象达到特定杀菌程度要求的杀菌技术。食品的非热杀菌主要包括物理杀菌和化学杀菌，物理杀菌包括辐照杀菌、高静压杀菌、脉冲电场杀菌、高密度二氧化碳杀菌、超声波杀菌、紫外线杀菌、脉冲光杀菌、脉冲X 射线杀菌等，化学杀菌包括臭氧杀菌、生物防腐剂等。这里介绍在食品工业中研究和应用较多的5 种新技术。2.1 化学杀菌化学杀菌法是指用化学药品直接作用于微生物而将其杀死的方法。2.1.1 臭 氧杀菌臭氧具广谱抗菌

13、特性，对细菌营养细胞、芽孢、病毒、真菌均有高效杀灭作用。2001 年FDA 将臭氧列入可直接与食品接触的添加剂范围，这是臭氧杀菌技术发展的里程碑，在食品原料清洗、果蔬保鲜和畜产品加工中应用越来越多。臭氧的作用机理是首先作用于细胞膜，使膜构成成分受损伤而导致新陈代谢障碍，臭氧继续渗透穿过膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡；同时，臭氧还能使细胞活动所必要的酶失去活性，而影响其正常的生理功能。臭氧杀菌时除可直接利用臭氧气体对物质进行处理外，还可将其溶解于水，形成臭氧水进行杀菌。臭氧水杀菌作用有些不同，其氧化反应有2 种，微生物菌体既与溶解于水中的臭氧直接反应，又与臭氧分

14、解生成的羟基间接反应，由于羟基为极具氧化性的氧化剂，因此臭氧水的杀菌速度极快6。2.1.2 生 物防腐剂生物防腐剂指从生物体通过生物培养、提取和分离技术获得的, 具有抑制和杀灭微生物作用的一类高效防腐剂。食品的营养丰富，极易受微生物污染而腐败变质，为了保证食品的食用安全性，人们采用了许多方法来保藏食品，如盐渍、罐藏、冷藏等。但在一定条件下，配合使用防腐剂作为保藏的辅助手段对防止食品的腐败有显著的效果，因此防腐剂依为重要的食品添加剂之一，在食品工业中被广泛使用。2.2 物理杀菌是指利用物理因素杀灭或消除病原微生物及其他有害微生物的方法。2.1.3 辐 照杀菌辐照杀菌是指利用电磁射线、加速电子照射

15、被杀菌的物料从而杀死微生物的一种杀菌技术。用于杀菌的辐照可分为电离辐照（如 射线、加速电子）与非电离辐照（如紫外线、红外线和微波）。食品辐照杀菌根据所要达到的目的及所需的剂量，可分为辐照耐贮杀菌、辐照巴氏杀菌和辐照阿氏杀菌。相对于其他杀菌技术，辐照杀菌有着自己的优越性。适宜的剂量下，物料的温度在辐照处理过程中升高很小；辐照均匀、快速、易控制；物料也在有包装的情况下进行杀菌；辐照处理后不会留下任何残留物。同时它也有弱点，如需要专门的辐射源，设备投资大；射线对人体有影响，因此需要十分注意操作人员的防护措施；辐照的灭酶效果不好等。王娟娟等人7 使用 60Co- 射线辐照来延长蛋糕的保质期，结果表明随

16、着辐照剂量的增加，微生物的存活率减小。蛋糕经1 k Gy 剂量辐照，可杀死100%的霉菌和大肠菌群，菌落总数也降低至5.6%，常温下贮存90 d 后，蛋糕未产生任何霉变现象，且13 k Gy剂量辐照不会改变蛋糕的感官品质。2.2.2 高静压杀菌高静压杀菌技术（High hydrostatic pressue process-ing ， HHP）是将1001 000 MPa的静态液体压力施加于液态或固态食品、生物制品等物料上并保持几秒钟到几十分钟，起到杀菌、破坏酶及改善物料结构和特性的作用。高静压杀菌具有一些优点：它能在常温或常温附近的温度下达到杀菌灭酶的作用，而且其对大分子的修饰使得它可能对制

17、品的质构等品质因素有一定的改善作用；HHP过程的传压速度快、均匀，只要制品本身不具备很大的压缩性，不会影响制品的外观形态。高静压杀菌效果也受诸多因素的影响，包括微生物的种类和生长期培养条件、压力大小和加压时间、施压方式、处理温度、p H 值、介质成分及水分活度等。目前，HHP 在果蔬制品、肉制品、水产品、乳制品、酒类的杀菌上都有应用。王寅等人8 采用HHP 处理蓝莓汁，结果表明超高压处理杀菌效果显著，400 MPa 处理 10 min 已无菌落检出；且高压处理对蓝莓汁色泽、还原糖、可溶性固形物的影响较小，蓝莓汁中的花青素和VC 含量在高压处理后保留率达90%以上，而总酸和总酚含量略有下降。尹林

18、清等人9 发现超高压处理对保持果蔬的质构、色泽等理化指标比热烫好，有望用超高压技术代替热烫来进行果蔬的处理和生产。2.2.3 高 压脉冲电场杀菌高电压 （ 15100 kV/cm） 脉冲作用于电极间的食品，常温下进行，作用时间短（ <1 s ） ，以杀灭食品中的微生物的一种新型杀菌技术。原理：跨电膜理论、介电破坏理论、电穿孔理论和空穴理论。高压脉冲电场杀菌技术利用高电压脉冲作用于物料，食品中微生物的细胞膜在强电场作用下被电击穿，产生不可修复的穿孔或破裂，使细胞组织受损，导致微生物失活10。高压脉冲电场杀菌的处理过程在室温、低于室温或稍微高于室温的条件下进行，由于作用时间非常短（ 小于 1

19、 s） ，物料的温度仍在常温范围内，非常适合热敏性的食品杀菌，目前主要用于液态食品物料的巴氏杀菌11 。脉冲电场能有效杀灭细菌，但不会同时杀灭孢子，常适合脉冲电场技术12 。 电场强度、脉冲特性、处理时间、温度、 果蔬汁和微生物的种类等，均可影响脉冲电场对果汁的杀菌效果13。2.2.4 高 密度二氧化碳杀菌高密度 CO2 杀菌技术是指在100MPa 以下压力、在常温或较低的温度下，通过酸化（化学作用 ） 、胀破力 （ 机械作用 ） 和其他未知原理的作用杀死微生物，同时使食品中的酶、蛋白质等生物大分子变性达到灭菌保鲜目的。同样食品的天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响、低能耗、无毒素产生的一

20、种加工方法。既能有效杀灭食品中微生物，保证食品贮藏安全，又能最好保证食品中原有营养和天然风味特色的食品保鲜加工替代技术，成为食品工业科技的前沿和重大课题。 “冷杀菌”技术成为替代首选。由于热力杀菌存在难以克服弊端以及食品保鲜加工的迫切需要， “冷杀菌”（ 又称非热杀菌） 技术得到飞速发展。高密度CO2杀菌，加工产品的品质优良，为典型的“冷杀菌” 。高密度CO2 有效杀菌压力在3MPa 至 70MPa。此外，成本低、节约能源、安全无毒、节省空间、连续生产、无噪音等优点鲜明。高密度CO2 杀菌设备成本低，工业化投资成本大大降低。技术成熟后，将是最有希望大规模工业化应用的" 冷杀菌 &qu

21、ot; 技术 14。2.2.6 紫外线杀菌紫外线照射是一种传统且有效的非热杀菌方法，对于紫外线的杀菌机理一般认为其杀菌作用主要作用于微生物的核酸，导致其破坏，同时对蛋白质、酶也有一定的作用15。紫外线波长范围是从100 400 nm，其中只有200 280nm 段为杀菌范围，具有杀菌能力，波长为 253 7 nm 的紫外线杀菌能力最强。因紫外线穿透力弱，适用于对空气、水、薄层流体制品及包装容器表面的杀菌。紫外线对不同微生物的杀灭时间有所不同。照射时间为6 min时紫外线对大肠杆菌的去除率为100% ; 照射时间为12 min 时，对微球菌的杀灭率达到100% ; 照射时间为16 min 时，对

22、芽孢杆菌一类高抗性的细菌杀灭率达100%16。近年来，随着强力紫外线灯的开发，紫外线杀菌的应用范围越来越广，在肉制品工业、鲜切蔬菜保鲜方面亦有广泛应用15。2.2.7 超高压杀菌超高压技术（High Hydrostatic Pressure , HHP ）是将食品物料放入液体介质（如水、甘油等）中，在一定的温度下加压（一般在1001000MPa 范围内）处理适宜时间。超高压只作用于对生物大分子立体结构有贡献的氢键、离子键和疏水键等非共价键，使基本物性变异，同时还具有一定的杀菌功效，而食品物料的风味及营养基本不受影响。3 总结与展望现阶段的杀菌技术仍然不够完善，热杀菌，像高温高压杀菌的作用条件太强烈，可能会损坏食品的色泽感官及营养成分等；冷杀菌技术作用条件温和，可以极大程度得保持食品的风味营养等，但是在国内的技术仍不够完善，应用还不够广泛。有关食品的杀菌技术, 已取得了很大的进展, 它必将对新型食品的开发、加工、保藏起重要作用。相信随着科技的进步, 食品工业中的杀菌技术会越来越先进, 今后食品的杀菌技术会向综合化、环保化发展。参考文献：1 陈小娥 , 方旭波 , 浙江海洋学院学报（ 自然科学版） 2002, 62-65.2 李梦颖 , 李建科 , 何晓叶 , 赵伟 , 农产品加工（ 学刊） 2013, 109-113.3 王金锋