第六章 食品杀菌新技术

1、第六章第六章 食品杀菌新技术食品杀菌新技术第一节第一节 超高温杀菌技术超高温杀菌技术第二节第二节 欧姆杀菌技术欧姆杀菌技术第三节第三节 高压杀菌技术高压杀菌技术第四节第四节 辐射保鲜技术辐射保鲜技术第一节第一节 超高温杀菌技术超高温杀菌技术一、超高温杀菌原理一、超高温杀菌原理二、超高温杀菌的装置系统二、超高温杀菌的装置系统三、超高温杀菌系统的加热设备三、超高温杀菌系统的加热设备 超 高 温 瞬 时 杀 菌超 高 温 瞬 时 杀 菌 ( U l t r a H i g h Temperature Short Time，简称，简称UHTST)是利用热交换器或直接蒸汽，使食品在是利用热交换器或直接蒸

2、汽，使食品在130150温度下，保持温度下，保持28s后迅速冷后迅速冷却，产品达到商业无菌要求的过程。却，产品达到商业无菌要求的过程。 一、超高温杀菌原理一、超高温杀菌原理1 1、微生物的耐热性、微生物的耐热性细菌种类细菌种类最低生长温度最低生长温度/最适生长温度最适生长温度/最高生长温度最高生长温度/嗜热菌嗜热菌嗜温菌嗜温菌嗜冷菌嗜冷菌30 455 15105 550 7030 45121570 9045 551525比较耐热程度：比较耐热程度：产芽孢菌产芽孢菌 非芽孢菌；芽孢非芽孢菌；芽孢 营养细营养细胞；嗜热菌芽孢胞；嗜热菌芽孢 厌氧菌芽孢厌氧菌芽孢 需氧菌芽孢。需氧菌芽孢。影响微生物耐

3、热性的因素影响微生物耐热性的因素（1）微生物致死速率曲线）微生物致死速率曲线 在一定的环境条件和一定温度下，微生物随在一定的环境条件和一定温度下，微生物随时间而死亡时的时间而死亡时的活菌残存数是按指数递减或按对活菌残存数是按指数递减或按对数周期下降的数周期下降的。以单位物料内残存的活细胞或芽以单位物料内残存的活细胞或芽孢数的对数值为纵坐标，以热处理时间为横坐标孢数的对数值为纵坐标，以热处理时间为横坐标作图作图，所得的曲线即为微生物致死速率曲线。，所得的曲线即为微生物致死速率曲线。（2）D值值 指细菌的残存活菌数下降指细菌的残存活菌数下降1个对数周期所需个对数周期所需的时间。在数值上等于致死速率

4、曲线斜率绝对值的时间。在数值上等于致死速率曲线斜率绝对值的倒数的倒数 。2 2、微生物的致死速率与、微生物的致死速率与D D值值图图6-1 微生物致死速率曲线微生物致死速率曲线（1）微生物的热力致死时间微生物的热力致死时间(Thermal Death Time, TDT) 就是热力致死温度保持不变条件下，完全杀灭就是热力致死温度保持不变条件下，完全杀灭某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。（2）热力致死时间曲线）热力致死时间曲线 以以热处理温度为横坐标，热致死时间热处理温度为横坐标，热致死时间(TDT)的对的对数值为纵坐标数值为纵坐标，就可以在半对

5、数坐标图上得到一条，就可以在半对数坐标图上得到一条形为直线的热力致死时间曲线。形为直线的热力致死时间曲线。3 3、微生物的热力致死时间与、微生物的热力致死时间与Z Z值值（3）Z值值 热致死时间缩短一个对数周期所要求的热热致死时间缩短一个对数周期所要求的热处理温度升高的度数。在数值上等于热力致死处理温度升高的度数。在数值上等于热力致死时间曲线的斜率绝对值的倒数。时间曲线的斜率绝对值的倒数。（4）F值值 某种细菌在某种细菌在121时的时的TDT值称为该细菌的值称为该细菌的F值，单位为值，单位为min。图图6-2 热力致死时间曲线热力致死时间曲线（1）热力递减致死时间）热力递减致死时间(Therm

6、al Reduction Time，TRT) 是在任何特定热力致死条件下将细菌或芽孢数是在任何特定热力致死条件下将细菌或芽孢数减少到某一程度如减少到某一程度如10-n时所需要的热处理时间时所需要的热处理时间(min)。n值称为递减指数值称为递减指数(Reduction Exponent)。 （2）TRT值与值与n值的选取值相联系，故常将值的选取值相联系，故常将n值标在右值标在右下角，写成下角，写成TRTn。 某一热力致死温度条件下原菌数减少到百万分某一热力致死温度条件下原菌数减少到百万分之一之一(即即1/106)需要需要10min，那么它的，那么它的TRT610min 4 4、生物的热力递减致

7、死时间、生物的热力递减致死时间讨讨 论论uD D值反映微生物的抗热能力；值反映微生物的抗热能力；uD D值的大小取决于直线的斜率，与原始菌数值的大小取决于直线的斜率，与原始菌数无关；无关；uD D值与加热温度、菌种及环境的性质有关；值与加热温度、菌种及环境的性质有关；uD D值的计算：值的计算：NNDlglg0Z值性质值性质Z值表示微生物值表示微生物耐热性耐热性的强弱的强弱；不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的Z值，同一种微生物只值，同一种微生物只有在相同的环境条件下才有相同的有在相同的环境条件下才有相同的Z值。值。u当当Z值相同时值相同时，F值越大者耐热性越强。值越大者耐热性越强。uF值

8、表示杀菌强度，随微生物和食品的种类不同而值表示杀菌强度，随微生物和食品的种类不同而异，一般必须通过试验测定。异，一般必须通过试验测定。对于低酸性食品，一般取对于低酸性食品，一般取 t0=121， Z=10对于对于 酸性食品，酸性食品， 一般取一般取 t0=100， Z=8关于关于TDT值与值与TRT值的讨论值的讨论uTDT值值只能在和试验时的原始菌相一致时才适只能在和试验时的原始菌相一致时才适用；用； uTRT值值可作为确定杀菌工艺条件的依据可作为确定杀菌工艺条件的依据；TRTnTRTnnDnD当当nn时，时，TRTnTDTTRTnTDTuTRT值值解决了杀菌终点问题。解决了杀菌终点问题。例：

9、例：12D 12D 最低肉毒杆菌致死温时；最低肉毒杆菌致死温时；对对P.A.3679P.A.3679的杀菌强度要求达到的杀菌强度要求达到5D5D。5 5、UHTUHT杀菌效果杀菌效果u检验检验UHT杀菌效果（杀菌效果（Sterizing Effect, SE）可用某类微生物的可用某类微生物的芽孢芽孢作为试验对象。作为试验对象。uSE=log原始芽孢数原始芽孢数/最终芽孢数最终芽孢数u对对PA3679芽孢，芽孢，3.4s，总孢子数减少，总孢子数减少12个个对数周期；对数周期；4s，总孢子数减少，总孢子数减少14个对数周个对数周期。期。u135,4s，SE大于大于6-9。表表6-1 不同温度下的同

10、一原始菌数的不同温度下的同一原始菌数的UHT杀菌效果杀菌效果表表6-2 同一温度同一温度(135)不同原始菌数下的杀菌效果不同原始菌数下的杀菌效果表表6-3 嗜热脂肪芽孢杆菌的杀菌效果嗜热脂肪芽孢杆菌的杀菌效果 由以上三表可看出，原料乳在由以上三表可看出，原料乳在135或或更高温度进行更高温度进行4秒钟的热处理，就能满足满秒钟的热处理，就能满足满足灭菌乳商业标准足灭菌乳商业标准(含菌不超过含菌不超过1)的要求。的要求。因此，采用因此，采用UHT瞬时杀菌技术可以得到满意瞬时杀菌技术可以得到满意的杀菌效果。的杀菌效果。 6 6、UHTUHT杀菌的品质保证杀菌的品质保证uUHT瞬时杀菌技术可最大程度

11、保持食品的瞬时杀菌技术可最大程度保持食品的风味及品质。风味及品质。u原因在于原因在于：微生物对高温的敏感程度远远：微生物对高温的敏感程度远远大于食品成分的物理化学变化对高温的敏大于食品成分的物理化学变化对高温的敏感程度。感程度。图图6-4 牛乳灭菌及褐变的时间牛乳灭菌及褐变的时间-温度曲线温度曲线1.变褐的最低时间变褐的最低时间-温度条件温度条件 2.灭菌的最低时间灭菌的最低时间-温度条件温度条件若选择灭菌条件为若选择灭菌条件为110120，1520min；则两线之间间；则两线之间间距甚近，说明生产工艺距甚近，说明生产工艺条件要有十分严格的措条件要有十分严格的措施来维持，这在实际上施来维持，这

12、在实际上很难办到。而选择很难办到。而选择UHT灭菌条件灭菌条件137145，25s时，两线时，两线之间间距较远，说明产之间间距较远，说明产生褐变及其他缺陷的危生褐变及其他缺陷的危险性较小，生产工艺条险性较小，生产工艺条件较易控制。件较易控制。按照处理过程不同分类按照处理过程不同分类UHT瞬时杀菌瞬时杀菌直接混合式加热法直接混合式加热法间接式加热法间接式加热法喷射式喷射式 注射式注射式 二、超高温杀菌的装置系统二、超高温杀菌的装置系统二、超高温杀菌的装置系统二、超高温杀菌的装置系统间接式加热法和直接混合式加热法间接式加热法和直接混合式加热法间接式加热：采用高压蒸汽或高压水为加热介间接式加热：采用

13、高压蒸汽或高压水为加热介质，热量经固体换热壁传给待加热杀菌物料。质，热量经固体换热壁传给待加热杀菌物料。由于加热介质不直接与食品相接触，所以可较由于加热介质不直接与食品相接触，所以可较好地保持食品物料的原有风味，故广泛用于果好地保持食品物料的原有风味，故广泛用于果汁、牛乳等。汁、牛乳等。特点：相对成本较低，生产易于控制，但传热特点：相对成本较低，生产易于控制，但传热效率较低。效率较低。直接混合式加热：直接混合式加热：采用高纯净的蒸汽直接与待采用高纯净的蒸汽直接与待杀菌物料混合接触，进行热交换，使物料瞬间杀菌物料混合接触，进行热交换，使物料瞬间被加热到被加热到135-160135-160。直接混

14、合式加热法直接混合式加热法可按两种方式进行。一是可按两种方式进行。一是注射式注射式，即将高压蒸汽注射到待杀菌物料中；另一种是即将高压蒸汽注射到待杀菌物料中；另一种是喷射喷射式式，即将待杀菌物料喷射到蒸汽中。，即将待杀菌物料喷射到蒸汽中。在喷射式中在喷射式中，物料通常向下流动，而蒸汽向上运动。，物料通常向下流动，而蒸汽向上运动。由于加热蒸汽直接与食品相接触，因此对蒸汽的纯由于加热蒸汽直接与食品相接触，因此对蒸汽的纯净度要求甚高。净度要求甚高。特点：特点：加热速度快，热处理时间短，食品颜色、加热速度快，热处理时间短，食品颜色、风味及营养成分的损失少。风味及营养成分的损失少。二、超高温杀菌的装置系统

15、二、超高温杀菌的装置系统1 1、直接混合式加热的超高温瞬时杀菌装、直接混合式加热的超高温瞬时杀菌装置系统置系统2 2、间接加热的超高温瞬时杀菌装置系统、间接加热的超高温瞬时杀菌装置系统被处理物料的性质不同，被处理物料的性质不同，UHTUHT杀菌的工艺杀菌的工艺流程也不同。流程也不同。关键步骤关键步骤相同：相同：物料由泵送至预热器预热；物料由泵送至预热器预热；然后进入直接蒸汽喷射杀菌器；然后进入直接蒸汽喷射杀菌器；杀菌后物料经闪蒸去除部分水分和降低杀菌后物料经闪蒸去除部分水分和降低温度后进入下道工序。温度后进入下道工序。1 1、直接混合式加热的、直接混合式加热的UHTUHT瞬时杀菌装置系统瞬时杀

16、菌装置系统图6-6u原料乳由输送泵原料乳由输送泵1送经第一预热器送经第一预热器2进入第二预热器进入第二预热器3，牛乳升，牛乳升温至温至7580。u然后在压力下由泵然后在压力下由泵4抽送，经调节阀抽送，经调节阀5送到直接蒸汽喷射杀菌送到直接蒸汽喷射杀菌器器6。在该处，向牛乳喷入压力为。在该处，向牛乳喷入压力为1MPa的蒸汽，牛乳瞬间升的蒸汽，牛乳瞬间升温至温至150。u在保温管中保持这一温度约在保温管中保持这一温度约2、4s时间，然后进入真空膨胀罐时间，然后进入真空膨胀罐9中闪蒸，使牛乳温度急剧冷却到中闪蒸，使牛乳温度急剧冷却到77左右。左右。u热的蒸汽由水冷凝器热的蒸汽由水冷凝器18冷凝，真空

17、泵冷凝，真空泵21使真空罐始终保持一使真空罐始终保持一定的真空度。真空罐内部汽化时，喷入牛乳的蒸汽也部分连定的真空度。真空罐内部汽化时，喷入牛乳的蒸汽也部分连同闪蒸的蒸汽一起从真空罐中排出，同时带走可能存在于牛同闪蒸的蒸汽一起从真空罐中排出，同时带走可能存在于牛乳中的一些臭味。另外，从真空罐排出的热蒸汽中的一部分乳中的一些臭味。另外，从真空罐排出的热蒸汽中的一部分进入管式热交换的第一预热器进入管式热交换的第一预热器2中用来预热原料乳。中用来预热原料乳。u经杀菌处理的牛乳收在膨胀罐底部，并保持一定的液位。接经杀菌处理的牛乳收在膨胀罐底部，并保持一定的液位。接着，牛乳用无菌乳泵着，牛乳用无菌乳泵1

18、1送至无菌均质机送至无菌均质机12。经过均质的灭菌。经过均质的灭菌牛乳在灭菌乳冷却器牛乳在灭菌乳冷却器13中进一步冷却之后，直接送往无菌罐中进一步冷却之后，直接送往无菌罐装机，或送入无菌贮罐。装机，或送入无菌贮罐。图图6-7 直接直接热处理法热处理法UHT工艺流工艺流程示意图程示意图1.平衡罐平衡罐 2.泵泵 3.预热器预热器 4.加热器加热器 5.高压泵高压泵 6.直直接喷射杀菌接喷射杀菌器器 7.分流阀分流阀 8.膨胀罐膨胀罐 9.真空泵真空泵 10.无菌泵无菌泵 11.无菌均质无菌均质机机 12.冷却冷却器器 13.膨胀膨胀罐罐 14.泵泵 15.冷却器冷却器图图6-8 过热（注入式过热

19、（注入式UHT杀菌）装置流程图杀菌）装置流程图1.增压泵增压泵 2.平衡槽平衡槽 3.无菌片式交流换热器无菌片式交流换热器 4.定时泵定时泵 5.片式预热器片式预热器 6.注入式加热器注入式加热器7.保温管保温管 8.注入式加热器反压阀注入式加热器反压阀 9.无菌闪蒸罐无菌闪蒸罐 10.片式蒸汽冷凝器片式蒸汽冷凝器 11.无菌泵无菌泵12.无菌均质机无菌均质机 13.水进口水进口 14.牛乳进口牛乳进口 15.旁通管旁通管 16.流量控制阀流量控制阀 17.热水热水18.到平衡槽过量灭菌牛乳到平衡槽过量灭菌牛乳 19.到平衡槽回流管到平衡槽回流管 20.产品无菌包装机产品无菌包装机 21.热水

20、温控热敏元件热水温控热敏元件22.冷凝水冷凝水 23.真空度调真空度调节管节管 24.排出口排出口 25.真空冷凝液泵真空冷凝液泵 26.注入器反压阀的控制气注入器反压阀的控制气 27.水汽出口水汽出口 28.往灌装器往灌装器 29.无菌压力表无菌压力表 30.装量反压装量反压阀阀 31.制品循环制品循环32.止逆阀止逆阀 33.蒸汽进口蒸汽进口 34.切换开关切换开关1 35.就地清洗消毒就地清洗消毒 36.装置反压阀的控制气装置反压阀的控制气 37.切换开关切换开关2(手动手动-自动自动) 38.控制仪表屏控制仪表屏 39.安全加热范围传感敏感元件安全加热范围传感敏感元件 40.注入器温控

21、热敏元件注入器温控热敏元件 41.注入器气动阀的控制气注入器气动阀的控制气 42.进口进口 43.出口出口u 利用增压泵利用增压泵1把待处理的原乳或其他乳制品从平衡槽把待处理的原乳或其他乳制品从平衡槽2输送到片式换热器输送到片式换热器3，并加热到大约并加热到大约60。u接着，由定时泵接着，由定时泵4抽出，送入片式预热器抽出，送入片式预热器5，温度升高到大约，温度升高到大约77。在此温。在此温度下，制品进入注入式加热器度下，制品进入注入式加热器5，并由输入加热器的蒸汽加热到，并由输入加热器的蒸汽加热到147或更或更高温度。一般保持这一温度和压力高温度。一般保持这一温度和压力4s。通常在接近加热器

22、底部的地方，装。通常在接近加热器底部的地方，装上控制蒸汽的传感器，另一传感器则装在保温管上控制蒸汽的传感器，另一传感器则装在保温管7中部。中部。u牛乳经保温管和注入式加热器反压阀牛乳经保温管和注入式加热器反压阀8后，进入无菌闪蒸罐后，进入无菌闪蒸罐9，在特定的真，在特定的真空度下，蒸掉加热时注入的全部蒸汽，从而保持加热前后含水量不变。空度下，蒸掉加热时注入的全部蒸汽，从而保持加热前后含水量不变。u同时用真空冷凝液泵同时用真空冷凝液泵25使牛乳或其他制品通过片式蒸汽冷凝器使牛乳或其他制品通过片式蒸汽冷凝器10，除掉所，除掉所含的牧草和饲料等异味、过量的蒸汽和不凝性气体。含的牧草和饲料等异味、过量

23、的蒸汽和不凝性气体。u聚集在闪蒸饱底部的灭菌制品，由无菌泵聚集在闪蒸饱底部的灭菌制品，由无菌泵11送入无菌均质机送入无菌均质机12。进入均质。进入均质机时，其温度已经再次降到适合均质作业的温度机时，其温度已经再次降到适合均质作业的温度(77)。u均质后的灭菌制品进一步在无菌换热器均质后的灭菌制品进一步在无菌换热器3中冷却到中冷却到21。最后通过转向阀。最后通过转向阀V5，进入无菌包装机或其他下道工序。进入无菌包装机或其他下道工序。u如果需要，也可输送到无菌贮槽中。转向阀的传感器安装在闪蒸罐进口的如果需要，也可输送到无菌贮槽中。转向阀的传感器安装在闪蒸罐进口的保温管中。如果因为某种原因，在此管路

24、上的制品温度低于或降低到杀菌保温管中。如果因为某种原因，在此管路上的制品温度低于或降低到杀菌温度以下时，则转向阀将制品返回到平衡槽中重新处理。在没有使用无菌温度以下时，则转向阀将制品返回到平衡槽中重新处理。在没有使用无菌贮槽时，过量的灭菌制品也经由阀门贮槽时，过量的灭菌制品也经由阀门V7返回到平衡槽。返回到平衡槽。图6-9通过间壁式换热器来实现的。通过间壁式换热器来实现的。常用的间壁式换热器有板式、管式和旋转刮板常用的间壁式换热器有板式、管式和旋转刮板式。式。2 2、间接加热的、间接加热的UHTUHT瞬时杀菌装置系统瞬时杀菌装置系统图图6-10 间接式间接式UHT热处理法流程简图热处理法流程简

25、图1.平衡罐平衡罐 2.泵泵 3，6.管式交互换热加热器管式交互换热加热器 4.脱气机脱气机5.均质机均质机 7.高压管式加热器高压管式加热器 8.冷却器冷却器如图平衡罐如图平衡罐l中的牛乳经中的牛乳经泵泵2送至预热器送至预热器3预热以预热以后进行脱气后进行脱气4和均质和均质5，再经预热器再经预热器6进一步预进一步预热后进入管式热后进入管式UHT杀菌杀菌器器7。加热器。加热器3，6为交为交互换热式，以便回收利互换热式，以便回收利用余热。杀菌后的牛乳用余热。杀菌后的牛乳在预热器在预热器3，6中与冷的中与冷的原乳进行热交换，原乳原乳进行热交换，原乳被预热，而灭菌乳被预被预热，而灭菌乳被预冷，最后经

26、冷却器冷，最后经冷却器8最最终冷却，送往下道工序终冷却，送往下道工序(无菌充填机等无菌充填机等)。图图6-11 无菌热处理（套管式无菌热处理（套管式UHT杀菌）装置流程杀菌）装置流程1,16.贮料筒贮料筒 2.泵泵 3.均质机均质机 4.循环消毒器循环消毒器 5,7.互换式加热器互换式加热器 6,12.均质阀均质阀 8.UHT加热器加热器 9.恒温管恒温管 10,11.互换式冷却器互换式冷却器 13.水冷却器水冷却器 14.冷水冷却器冷水冷却器 15.换热器换热器 17.贮槽贮槽三、超高温杀菌系统的加热设备三、超高温杀菌系统的加热设备1 1、板式换热器、板式换热器2 2、环形套管式换热器、环形

27、套管式换热器3 3、旋转刮板式、旋转刮板式UHTUHT加热杀菌设备加热杀菌设备4 4、直接加热式、直接加热式UHTUHT杀菌设备杀菌设备 板式换热器是板式换热器是UHTUHT过程中最常用的一种换热设备。过程中最常用的一种换热设备。 与管壳式热交换器相比，与管壳式热交换器相比，特点为：特点为：1 1、板式换热器、板式换热器热损失小热损失小价格低廉价格低廉有泄漏有泄漏单位长度的压力损失大单位长度的压力损失大传热系数高传热系数高结构紧凑结构紧凑容易增减传热面积容易增减传热面积容易清洗干净容易清洗干净 传热板式板式换热器的主要工作件，一般采用不锈传热板式板式换热器的主要工作件，一般采用不锈钢冲压制成。

28、钢冲压制成。 其主要结构为螺旋状的同心套管。与管壳式热其主要结构为螺旋状的同心套管。与管壳式热交换器相比，交换器相比，特点为：特点为：2 2、环形套管式换热器、环形套管式换热器当流量小或者所需传热面积小的情况下适用。当流量小或者所需传热面积小的情况下适用。可用于较高黏度流体的热交换。可用于较高黏度流体的热交换。没有应力造成的破坏漏失。没有应力造成的破坏漏失。紧凑，安装容易。紧凑，安装容易。用机械方法清洗困难。用机械方法清洗困难。当用不锈钢管作传热管时，如果传热管长度大于某当用不锈钢管作传热管时，如果传热管长度大于某一限度，为了保持壳侧流均匀，必须加隔板，从而一限度，为了保持壳侧流均匀，必须加隔

29、板，从而使壳侧流体压力损失增大。使壳侧流体压力损失增大。 较适合于黏度大或流动慢，或者在加热器表面较适合于黏度大或流动慢，或者在加热器表面易形成焦化膜的杀菌物料。刮片的设计非常重易形成焦化膜的杀菌物料。刮片的设计非常重要。要。3 3、旋转刮板式、旋转刮板式UHTUHT加热杀菌设备加热杀菌设备4 4、直接加热式、直接加热式UHTUHT杀菌设备杀菌设备 主要由物料泵、蒸汽喷嘴（或物料喷嘴）、真主要由物料泵、蒸汽喷嘴（或物料喷嘴）、真空罐及各种控制仪表构成。空罐及各种控制仪表构成。 最关键的是加热介质与物料相混合的装置。最关键的是加热介质与物料相混合的装置。 在杀菌条件相同的情况下，在杀菌条件相同的

30、情况下，超高温瞬时杀菌超高温瞬时杀菌与与低温长时间低温长时间杀菌相杀菌相比，不仅细菌致死时间显著缩短，而且食品成分的保存比，不仅细菌致死时间显著缩短，而且食品成分的保存率也显著提高。目前这种杀菌技术已广泛应用于率也显著提高。目前这种杀菌技术已广泛应用于牛乳牛乳、果汁饮果汁饮料料、豆乳茶豆乳茶、酒酒等产品的生产过程中。等产品的生产过程中。 超高温瞬时杀菌技术在食品工业中的应用超高温瞬时杀菌技术在食品工业中的应用第二节第二节 欧姆杀菌技术欧姆杀菌技术一、欧姆杀菌原理一、欧姆杀菌原理二、欧姆杀菌装置二、欧姆杀菌装置三、欧姆杀菌技术在食品工业中的应用三、欧姆杀菌技术在食品工业中的应用欧姆杀菌亦称欧姆杀

31、菌亦称“通电杀菌通电杀菌”，它利用电极将电，它利用电极将电流通过物体，由于阻抗损失、介质损耗等的流通过物体，由于阻抗损失、介质损耗等的存在，最终使存在，最终使电能转化为热能电能转化为热能，使物体内部，使物体内部产生热量而达到杀菌目的，产生热量而达到杀菌目的，多用于含有颗粒多用于含有颗粒的液体食品的杀菌的液体食品的杀菌。欧姆加热使颗粒的加热速率与液体的加热速率欧姆加热使颗粒的加热速率与液体的加热速率相接近，甚至更快（相接近，甚至更快（1-2/s）。因而可缩短）。因而可缩短加工时间，得到高品质产品。加工时间，得到高品质产品。早在早在19世纪初世纪初就提出了欧姆加热的概念，并逐渐有就提出了欧姆加热的

32、概念，并逐渐有了利用电能加热物料的专利加工技术。了利用电能加热物料的专利加工技术。20世纪初世纪初，美国生产出用于牛奶消毒的欧姆加热装，美国生产出用于牛奶消毒的欧姆加热装置，但是由于没有合适的惰性电极材料而失败。置，但是由于没有合适的惰性电极材料而失败。90年代年代，英国的，英国的APV Baker公司开发了商用的欧姆公司开发了商用的欧姆加热装置，英国、法国、日本和美国均开始使用。加热装置，英国、法国、日本和美国均开始使用。由于欧姆加热技术具有由于欧姆加热技术具有物料升温快、加热均匀、无物料升温快、加热均匀、无污染、易操作、热能利用率高、加工食品质量好污染、易操作、热能利用率高、加工食品质量好

33、等等优点，近年来逐渐引起国内外食品科学工作者的关优点，近年来逐渐引起国内外食品科学工作者的关注。注。 一、欧姆杀菌原理一、欧姆杀菌原理 通电杀菌的机理据初步探讨有两方面的原通电杀菌的机理据初步探讨有两方面的原因：因：u一方面由于通电加热致使温度升高而灭菌；一方面由于通电加热致使温度升高而灭菌；u另一方面是因为在通电的两电极间的菌体另一方面是因为在通电的两电极间的菌体细胞由于受到所加电场的作用导致菌体细细胞由于受到所加电场的作用导致菌体细胞膜的破坏而灭菌。胞膜的破坏而灭菌。欧欧 姆姆 加加 热热 原原 理理（一）欧姆加热的影响因素（一）欧姆加热的影响因素 根据根据Joule定律，在被加热食品内部

34、的任定律，在被加热食品内部的任一点，通入电流所产生的热量为：一点，通入电流所产生的热量为：式中式中 Q某点处的单位加热功率，某点处的单位加热功率，(W/m3)； K某点处的电导率，某点处的电导率，S/m。S为电导单位西门为电导单位西门 子，它等于电阻子，它等于电阻的倒数；的倒数； gradV任一点处的电位梯度，任一点处的电位梯度，V/m； 符号算子。符号算子。1 1、电导率是影响欧姆加热的主要因素、电导率是影响欧姆加热的主要因素 影响电导率的因素：频率、食品物料电导率影响电导率的因素：频率、食品物料电导率的各向异性、温度、颗粒的形状、颗粒与所加电的各向异性、温度、颗粒的形状、颗粒与所加电场的排

35、列取向等。场的排列取向等。2 2、流体流型对欧姆加热的影响、流体流型对欧姆加热的影响 层流流动下欧姆加热所产生的物料温度标度层流流动下欧姆加热所产生的物料温度标度将导致与常规加热法设计中类似的问题，即管中将导致与常规加热法设计中类似的问题，即管中心加热不足，而管壁处加热过度。所以应在设计心加热不足，而管壁处加热过度。所以应在设计上避免这种稳定的层流流动，在操作上力求破坏上避免这种稳定的层流流动，在操作上力求破坏加热器内速度分布的形成。加热器内速度分布的形成。3 3、操作因素对欧姆加热的影响、操作因素对欧姆加热的影响 1 1、欧姆杀菌装置系统组成、欧姆杀菌装置系统组成 泵、柱式欧姆加热器、保温管

36、、控制仪表等。由泵、柱式欧姆加热器、保温管、控制仪表等。由加热、保加热、保温温和和冷却冷却三部分组成。三部分组成。2 2、工艺流程、工艺流程待杀菌的食品原料待杀菌的食品原料物料泵物料泵欧姆加热器欧姆加热器保温管保温管冷却冷却管（管式换热器）管（管式换热器）无菌充填或无菌贮罐无菌充填或无菌贮罐具有一定粘度的、含颗粒的食品经泵进入到欧姆加热器中，具有一定粘度的、含颗粒的食品经泵进入到欧姆加热器中，以垂直于电场的方向流过欧姆加热柱，物料在以垂直于电场的方向流过欧姆加热柱，物料在2min内被加内被加热到需要的温度，在该温度保温热到需要的温度，在该温度保温3090s，达到要求的灭菌，达到要求的灭菌强度，

37、然后快速冷却、无菌包装。强度，然后快速冷却、无菌包装。3 3、欧姆杀菌技术操作（无菌技术）、欧姆杀菌技术操作（无菌技术）二、欧姆杀菌装置二、欧姆杀菌装置欧欧 姆姆 加加 热热 流流 程程物料罐物料罐控制板控制板产品回收产品回收反压阀反压阀无菌冷却器无菌冷却器产品出口产品出口物料泵物料泵反压泵反压泵刮板式冷却器刮板式冷却器保温管保温管欧姆欧姆加热器加热器 APV Baker is a world leader in the supply of the machines and complete process systems to make the worlds favourite food p

38、roducts APV的欧姆加热器示意图的欧姆加热器示意图三、欧姆杀菌技术在食品工业中的应用三、欧姆杀菌技术在食品工业中的应用 与传统罐装食品的杀菌相比，欧姆杀菌可使产品品与传统罐装食品的杀菌相比，欧姆杀菌可使产品品质在微生物安全性，蒸煮效果及营养、维生素保持方面质在微生物安全性，蒸煮效果及营养、维生素保持方面得到改善。得到改善。主要优点主要优点：对营养物如维生素等的破坏较小，可生产新鲜、美味的对营养物如维生素等的破坏较小，可生产新鲜、美味的大颗粒产品；大颗粒产品；能加热连续流动的产品而不需要任何热交换表面；能加热连续流动的产品而不需要任何热交换表面；可加工对剪切敏感的产品；可加工对剪切敏感的

39、产品；热量可在产品固体中产生而不需要借助其液体的传导或热量可在产品固体中产生而不需要借助其液体的传导或对流；对流；系统操作平稳，维护费用低，过程易于控制，可立即启系统操作平稳，维护费用低，过程易于控制，可立即启动和中止；动和中止；加工和包装费用有节约潜力，包装的选择范围较宽。加工和包装费用有节约潜力，包装的选择范围较宽。 目前，欧姆加热技术在美国正广泛应用于低酸目前，欧姆加热技术在美国正广泛应用于低酸性或高酸性食品的加工，在日本用于生产酸牛奶的性或高酸性食品的加工，在日本用于生产酸牛奶的草莓、鱼糜制品及豆腐的加工等，在国内主要用于草莓、鱼糜制品及豆腐的加工等，在国内主要用于肉的解冻和牛奶、豆浆

40、的加热杀菌。从目前国外的肉的解冻和牛奶、豆浆的加热杀菌。从目前国外的研究和使用情况来看，欧姆加热最具有潜力的应用研究和使用情况来看，欧姆加热最具有潜力的应用领域是领域是含颗粒流体食品的无菌加工含颗粒流体食品的无菌加工。除此之外，用。除此之外，用于对大块固体食品的加热与解冻也具有很大的研究于对大块固体食品的加热与解冻也具有很大的研究发展空间。发展空间。 欧姆加热技术在食品工业中的应用欧姆加热技术在食品工业中的应用第三节第三节 高压杀菌技术高压杀菌技术一、高压杀菌原理一、高压杀菌原理二、高压杀菌装置二、高压杀菌装置三、高压杀菌技术在食品工业中的应用三、高压杀菌技术在食品工业中的应用 高压杀菌：高压

41、杀菌：是指将食品物料包装以后，置于是指将食品物料包装以后，置于高压高压（200MPa200MPa以上，以上，20002000多个大气压）多个大气压）装置中加装置中加压，使微生物因细胞壁和膜被破坏、微生物的生压，使微生物因细胞壁和膜被破坏、微生物的生理机能丧失而致死，从而达到食品灭菌的一种杀理机能丧失而致死，从而达到食品灭菌的一种杀菌技术。菌技术。 高压杀菌技术也是近年来出现的新型杀菌技高压杀菌技术也是近年来出现的新型杀菌技术，需要有特殊的加压设备和耐高压容器及辅助术，需要有特殊的加压设备和耐高压容器及辅助设备，目前尚处于试验研究与开发阶段，但其在设备，目前尚处于试验研究与开发阶段，但其在食品工

42、业中的应用前景是可喜的。食品工业中的应用前景是可喜的。早在早在19 世纪末期世纪末期就证明了牛奶、果蔬（包括香蕉、就证明了牛奶、果蔬（包括香蕉、梨、桃子、李子、大豆、西红柿、豌豆等）和其他食梨、桃子、李子、大豆、西红柿、豌豆等）和其他食品和饮料中的微生物对压力敏感，并证明高压处理能品和饮料中的微生物对压力敏感，并证明高压处理能延长食品的货价期。延长食品的货价期。1914 年年，美国物理学家，美国物理学家Briagmum P.W.提出了静水提出了静水压（压（500MPa）下蛋白质凝固，）下蛋白质凝固，700MPa 形成凝胶的形成凝胶的报告超高压技术作为能确保高质量食品生产的非热保报告超高压技术作

43、为能确保高质量食品生产的非热保藏技术已被关注研究了很多年，但由于超高压技术上藏技术已被关注研究了很多年，但由于超高压技术上的难题，这一研究成果并没有被实际应用。的难题，这一研究成果并没有被实际应用。直到直到1986年年，日本京都大学林立九教授提出超高压，日本京都大学林立九教授提出超高压在食品工业上的应用，并使超高压技术成为一种可行在食品工业上的应用，并使超高压技术成为一种可行的商业加工手段，这一技术才引起世界各国的关注。的商业加工手段，这一技术才引起世界各国的关注。 高压技术在我国还处于起步、理论研究阶段，高压技术在我国还处于起步、理论研究阶段，国内超高压杀菌技术的研究报道仅局限在国内超高压杀

44、菌技术的研究报道仅局限在果汁及果果汁及果汁饮料的灭酶及杀菌汁饮料的灭酶及杀菌中，还未投入实际生产应用之中，还未投入实际生产应用之中，目前尚无高压食品商品问世。因此，加快开展中，目前尚无高压食品商品问世。因此，加快开展超高压食品研究，特别是加强超高压加工调味品、超高压食品研究，特别是加强超高压加工调味品、中药材、保健食品以及其他价值高但对热较敏感的中药材、保健食品以及其他价值高但对热较敏感的食品或药品的研究，对我国参与国际竞争有着极为食品或药品的研究，对我国参与国际竞争有着极为重要的意义。重要的意义。 超高压技术加工的食品与传统加热处理的食品超高压技术加工的食品与传统加热处理的食品相比，具有其独

45、特的相比，具有其独特的优点优点：(1)营养成分高；营养成分高；(2)产生新的组织结构，不会产生异味；产生新的组织结构，不会产生异味；(3)无无“回生回生”现象；现象；(4)原料利用率高；原料利用率高；(5)适用范围广，开发前景好。适用范围广，开发前景好。 一、高压技术原理一、高压技术原理 液体液体( (水水) )在超高压作用下被压缩，而受压食品介在超高压作用下被压缩，而受压食品介质中的蛋白质、淀粉、酶等生物高分子物料会产生压质中的蛋白质、淀粉、酶等生物高分子物料会产生压力变性，即生物高分子物质立体结构中的非共价键结力变性，即生物高分子物质立体结构中的非共价键结合部分合部分( (氢键、离子键和疏

46、水键等相互作用氢键、离子键和疏水键等相互作用) )发生变化，发生变化，其结果是食品中的蛋白质呈凝固状变性、淀粉呈胶凝其结果是食品中的蛋白质呈凝固状变性、淀粉呈胶凝状糊化、酶失活、微生物死亡，或使之产生一些新物状糊化、酶失活、微生物死亡，或使之产生一些新物料改性和改变物料某些理化反应速度，故可长期保存料改性和改变物料某些理化反应速度，故可长期保存食品而不变质。这就是食品而不变质。这就是超高压技术的基本原理超高压技术的基本原理。 （1 1）改变细胞形态）改变细胞形态 极高的流体静压会影响细胞的形态，包括极高的流体静压会影响细胞的形态，包括细胞细胞外形变长，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变外形变长

47、，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变厚等。厚等。上述现象在一定压力下是可逆的，但当压力上述现象在一定压力下是可逆的，但当压力超过某一点时，便不可逆地使细胞的形态发生变化。超过某一点时，便不可逆地使细胞的形态发生变化。 1、高压对细胞的影响、高压对细胞的影响（2 2）影响细胞生物化学反应）影响细胞生物化学反应u按照化学反应的基本原理，按照化学反应的基本原理，加压有利于促进反应加压有利于促进反应朝向减小体积的方向进行朝向减小体积的方向进行，推迟了增大体积的化学，推迟了增大体积的化学反应，由于许多生物化学反应都会产生体积上的改反应，由于许多生物化学反应都会产生体积上的改变，所以加压将对生物化学过程产

48、生影响；变，所以加压将对生物化学过程产生影响；u加压阻碍放热反应的进行加压阻碍放热反应的进行；u凡是对保持生物聚合物天然状态有利的化学键都凡是对保持生物聚合物天然状态有利的化学键都会受压力的影响。会受压力的影响。 （3 3）影响微生物基因机制）影响微生物基因机制u核酸比蛋白质更耐受流体静压力，原因在于核酸比蛋白质更耐受流体静压力，原因在于DNA螺螺旋结构大部分来自氢键，而压力上升必然有利于氢键旋结构大部分来自氢键，而压力上升必然有利于氢键形成是所固有的容积变小作用。尽管形成是所固有的容积变小作用。尽管DNA在压力下具在压力下具有稳定性，但由酶参与的有稳定性，但由酶参与的DNA复制和转录步骤却因

49、压复制和转录步骤却因压力而中断；力而中断；u高压使得多核蛋白体系统受到影响，可抑制部分诱高压使得多核蛋白体系统受到影响，可抑制部分诱导、转录和转译；导、转录和转译；u高压主要通过作用核蛋白体亚单元而影响蛋白质的高压主要通过作用核蛋白体亚单元而影响蛋白质的合成。合成。（4 4）高压对细胞壁的影响）高压对细胞壁的影响u细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质，其结构靠氢键和疏水细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质，其结构靠氢键和疏水键来保持。键来保持。u在压力作用下，细胞膜的双层结构的容积随着每一磷脂分在压力作用下，细胞膜的双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。子横切面积的缩小而收缩。u加压的细胞膜

50、常常表现出通透性的变化，压力引起的细胞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将导致氨基酸摄取受抑制，原因可能是蛋白质在膜功能劣化将导致氨基酸摄取受抑制，原因可能是蛋白质在膜内发生变性。膜内发生变性。u20-40MPa的压力能使较大的细胞因受应力的细胞壁的机的压力能使较大的细胞因受应力的细胞壁的机械断裂而松懈。械断裂而松懈。 （1）pH pH是影响微生物在受压条件下生长的主要因素是影响微生物在受压条件下生长的主要因素之一。之一。 在受压条件下，培养基的在受压条件下，培养基的pH有可能发生变化，有可能发生变化，细菌的最适细菌的最适pH范围也变得较为狭窄。范围也变得较为狭窄。

51、酸性条件下微生物的耐压性较差。酸性条件下微生物的耐压性较差。 对酵母菌类而言，采用超高压处理时对酵母菌类而言，采用超高压处理时pH值并不值并不是重要的因素。是重要的因素。2、影响超高压杀菌的主要因素、影响超高压杀菌的主要因素（2）温度）温度 由于微生物对温度有敏感性，在低温或高温下，由于微生物对温度有敏感性，在低温或高温下，高压对微生物的影响加剧，因此，高压对微生物的影响加剧，因此，在低温或高温下在低温或高温下对食品进行高压处理具有较常温下处理更好的杀菌对食品进行高压处理具有较常温下处理更好的杀菌效果。效果。 大多数微生物在低温下耐压程度降低的原因：大多数微生物在低温下耐压程度降低的原因： 压

52、力使得低温下细胞因冰晶析出而破裂程度压力使得低温下细胞因冰晶析出而破裂程度加剧加剧 ； 蛋白质在低温下高压敏感性提高，致使此条蛋白质在低温下高压敏感性提高，致使此条件下蛋白质更易变性，菌体细胞膜的结构也更易损件下蛋白质更易变性，菌体细胞膜的结构也更易损伤。伤。 低温下高压处理对保持食品品质，尤其是减少低温下高压处理对保持食品品质，尤其是减少热敏性成分的破坏较为有利。热敏性成分的破坏较为有利。在不同温度在不同温度压力组合下酵母菌死亡速率的等高线压力组合下酵母菌死亡速率的等高线 研究发现，除芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多研究发现，除芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多数的微生物在数的微生物在 -20以下

53、的高压杀菌效果较以下的高压杀菌效果较20时时好。好。 适当提高温度对高压杀菌有促进作用适当提高温度对高压杀菌有促进作用 针对针对芽孢菌芽孢菌的高耐压性，就现阶段研究来看，的高耐压性，就现阶段研究来看，结合温度处理则是一种十分有效的杀菌手段。结合温度处理则是一种十分有效的杀菌手段。 （3）微生物生长阶段）微生物生长阶段 不同生长期的微生物对高压的反应不同；不同生长期的微生物对高压的反应不同； 处于指数生长期的微生物比处于静止生长处于指数生长期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力反应更敏感；期的微生物对压力反应更敏感； 革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对压力更具革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对压力更具抗性

54、；抗性； 孢子对压力的抵抗力则更强；孢子对压力的抵抗力则更强； 革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌属（革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌属（Bacillus）和梭）和梭状芽孢杆菌属（状芽孢杆菌属（Clostridum）的芽孢最为耐压；）的芽孢最为耐压； 芽孢壳的结构极其致密，使得芽孢类细菌具备了芽孢壳的结构极其致密，使得芽孢类细菌具备了抵抗高压的能力，杀灭芽孢需更高的压力并结合其抵抗高压的能力，杀灭芽孢需更高的压力并结合其它处理方式。它处理方式。（4） 食品本身的组成和添加物食品本身的组成和添加物 营养丰富环境中微生物的耐压性较强，营养丰富环境中微生物的耐压性较强，蛋白质、蛋白质、碳水化合物、脂类和盐分对微生物具

55、有缓冲保护作碳水化合物、脂类和盐分对微生物具有缓冲保护作用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我修复功能。修复功能。 食品基质含有的食品基质含有的添加剂组分添加剂组分对超高压灭菌影响对超高压灭菌影响很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加剂，很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加剂，将提高加压杀菌的效果。将提高加压杀菌的效果。（5）压力大小和受压时间）压力大小和受压时间 在一定范围内，压力越高，灭菌效果越好。在一定范围内，压力越高，灭菌效果越好。在相同压力下，灭菌时间延长，灭菌效果也在相同压力下，灭菌时间延长，灭菌效果也有一定程度的提高。有一定

56、程度的提高。（6） 施压方式施压方式 超高压灭菌方式有连续式、半连续式、间歇式。超高压灭菌方式有连续式、半连续式、间歇式。研究报道，同持续静压处理相比，阶段性压力变化研究报道，同持续静压处理相比，阶段性压力变化处理杀菌效果较好。处理杀菌效果较好。 对于易受芽孢菌污染的食物用超高压多次重复对于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。短时处理，杀灭芽孢效果好。 （7）水分活度（）水分活度（Aw） 水分活度（水分活度（Aw）对灭菌效果影响也很大。低）对灭菌效果影响也很大。低Aw产生细胞收缩和对生长的抑制作用，从而使更多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

57、下来的细胞在压力中存活下来 。 控制控制Aw无疑对高压杀菌，尤其是固态和半固态无疑对高压杀菌，尤其是固态和半固态食品的保藏加工有重要意义。食品的保藏加工有重要意义。 1、高压装置加压方式：、高压装置加压方式： （1 1）直接加压方式）直接加压方式 在直接加压方式中，高压容器和加压装置分离，在直接加压方式中，高压容器和加压装置分离，用增压机生产高压介质，并通过高压配管将高压介用增压机生产高压介质，并通过高压配管将高压介质送至高压容器。超高压介质一般为水。质送至高压容器。超高压介质一般为水。二、高压杀菌装置二、高压杀菌装置 （2 2）间接加压方式）间接加压方式 高压容器与加压气缸配合工高压容器与加

58、压气缸配合工作。在加压气缸向上的运动冲程中，活塞将容器中作。在加压气缸向上的运动冲程中，活塞将容器中的介质压缩产生超高压，使物料受到超高压处理。的介质压缩产生超高压，使物料受到超高压处理。在向下的运动冲程中，减压卸料。在向下的运动冲程中，减压卸料。直接加压方式与间接加压方式比较直接加压方式与间接加压方式比较: : 直接加压方式装备结构紧凑，密封部位直接加压方式装备结构紧凑，密封部位固定、无损耗，高压容器容量大，适宜于固定、无损耗，高压容器容量大，适宜于生产用，但需经常保养维护。生产用，但需经常保养维护。 间接加压方式装备结构庞大，密封部位间接加压方式装备结构庞大，密封部位滑动、易磨损，高压容器

59、容量小，但保养滑动、易磨损，高压容器容量小，但保养性能好，可用于实验室研究。性能好，可用于实验室研究。2、高压容器、高压容器 高压容器通常为圆筒形，为了增加筒体的承载高压容器通常为圆筒形，为了增加筒体的承载能力，除适当增加筒壁厚度外，还可采用自增强的能力，除适当增加筒壁厚度外，还可采用自增强的方法。通过对圆筒施加内压使内壁屈服，从而使内方法。通过对圆筒施加内压使内壁屈服，从而使内壁在卸压后产生预应力。壁在卸压后产生预应力。 强化的筒体结构主要有两种形式强化的筒体结构主要有两种形式夹套式夹套式 即多层简单筒体通过热套加工工艺复合，形成即多层简单筒体通过热套加工工艺复合，形成多层壁结构。多层壁结构

60、。 操作压力在操作压力在400 MPa以上的压力容器可由两个以上的压力容器可由两个或两个以上的高强度不锈钢同心圆筒组成。或两个以上的高强度不锈钢同心圆筒组成。绕丝式绕丝式 在简单筒体上缠绕数层钢丝或钢带。在简单筒体上缠绕数层钢丝或钢带。 绕丝式结构绕丝式结构不能承受轴向力，因此需由框架承不能承受轴向力，因此需由框架承担，端盖及密封结构设计相对容易，也可改善筒体担，端盖及密封结构设计相对容易，也可改善筒体的应力状态。的应力状态。 多层壁式结构多层壁式结构的轴向力由上端盖承受，因此设的轴向力由上端盖承受，因此设计时强度分析很重要。但该设计省略了笨重的框架，计时强度分析很重要。但该设计省略了笨重的框