食品杀菌新技术

食品杀菌新技术主要内容超高温杀菌

高压杀菌欧姆杀菌第2页,共51页，2024年2月25日，星期天第一节超高温杀菌一、基本原理

超高温杀菌是把加热温度为135-150℃、加热时间为2-8s、加热后产品达到商业无菌要求的杀菌过程叫做超高温杀菌或者UHT杀菌。其基本原理包括微生物热致死原理和如何最大限度地保持食品的原有风味及品质原理。因为微生物对高温的敏感性远远大于多数食品成分对高温的敏感性，故超高温短时杀菌，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。

第3页,共51页，2024年2月25日，星期天二、UHT杀菌的微生物致死理论依据

(一)微生物的耐热性 微生物的耐热性受到下列因素的影响1.菌种和菌株；2.菌龄、培育条件、贮存环境；3.热处理的介质、食品成分如酸度；4.原始活菌数；5.热处理温度和时间(主导因素)。(二)微生物的致死速率与D值 微生物的热致死率是加热温度和加热时间的函数。第4页,共51页，2024年2月25日，星期天在一定环境和温度下，微生物随时间而死亡时的活菌残存数是按指数递减或按对数周期下降的。细菌任意时刻的致死速率可以用它残存活菌数下降一个对数周期所需的时间来表示，这便是图中D值的概念。D值是这一直线斜率绝对值的倒数，即：D值反映了细菌死亡的快慢。D值越大，细菌死亡的速度越慢，即细菌的耐热性越强；反之则死亡速度越快，耐热性越强。D值随其它影响微生物耐热性的因素而异，只有在这些因素固定不变的条件下，才能稳定不变。第5页,共51页，2024年2月25日，星期天第6页,共51页，2024年2月25日，星期天（三）微生物的热力致死时间与Z值热力致死时间(ThermalDeathTime=TDT)——表示热力致死温度保持不变的条件下，完全杀灭某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。微生物热力致死的时间随致死温度而异，两者的关系曲线称为热力致死时间曲线，图10-2表达了不同热力致死温度下细菌芽孢的相对耐热性。第7页,共51页，2024年2月25日，星期天Z值表达了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，它在数值上等于热力致死时间曲线的直线斜率绝对值的倒数。即：如果某种微生物在121℃时的TDT值为F，则该微生物在任何杀菌温度下的TDT值可表示为第8页,共51页，2024年2月25日，星期天热力递减致死时间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10-n时所需要的热处理时间。即：N值指的是活菌递减的对数周期，也称递减指数（四）微生物的热力递减致死时间X：细胞残存数；C：细胞原始总数；n：递减指数第9页,共51页，2024年2月25日，星期天三、UHT杀菌效果

通常，检验UHT杀菌效果可用某类微生物的芽孢作为试验对象。例如，用PA3679芽孢，这种芽孢具有极高的Z值（Z=35）若某一UHT杀菌工艺要求F值为12D，处理之后的芽孢总数就要减少到经过12个对数期后的值。若原料总的孢子总数为1000个/ml,则按图中的十减九递减时间曲线，如果150℃所选定的D值为0.285s(杀死90%孢子所需的时间)，那么全部热处理时间就是0.285×12=3.4s。所以把热处理温度150℃和热处理时间结合起来就会使原始总孢子数由1000个/ml减少到1个/109ml，即1个/106L，这无疑是一个很严格的卫生标准。如果热处理时间进一步延长到4s，就有可能达到1×108L的UHT杀菌产品只有一个1个残存孢子的水平。第10页,共51页，2024年2月25日，星期天第11页,共51页，2024年2月25日，星期天第12页,共51页，2024年2月25日，星期天四、UHT杀菌的品质保证措施：控制温度使褐变时间与杀菌时间的距离相距较大，即两条线之间的间距第13页,共51页，2024年2月25日，星期天第二节UHT瞬时杀菌的基本过程及设备一、UHT杀菌的基本方法 间接式(间壁式)加热法 直接混合式加热法基本方法间接式加热UHT过程是采用高压蒸汽或高压水为加热介质，热量经固体换热壁传递给待加热杀菌的物料。由于加热介质不直接与食品接触，所以可较好地保持食品原有的风味。直接式加热法，一是注入式，即将高压蒸汽柱射到待杀菌的物料中；二是喷射式，即将待杀菌物料喷射到蒸汽中。该法加热快、时间短，但蒸汽净化程度要求高。第14页,共51页，2024年2月25日，星期天二、UHT瞬时杀菌设备流程(一)直接混合式加热UHT瞬时杀菌设备流程1.基本步骤根据被处理物料性质的不同，UHT杀菌的工艺流程也不完全相同，但主要的关键步骤相同，即物料都由泵送至预热器预热，然后进入直接蒸汽喷射杀菌器，杀菌后的物料经闪蒸去除部分水分和降低温度之后进入下道工序。下面以消毒牛乳为例介绍一下直接混合式加热UHT过程的若干典型装置流程。下图为APY-6000型灭菌乳生产杀菌装置流程图。

第15页,共51页，2024年2月25日，星期天第16页,共51页，2024年2月25日，星期天原料乳由输送泵1送经第一预热器2进入第二预热器3，牛乳升温至75～80℃。然后在压力下由泵4抽送，经调节阀5送到直接蒸汽喷射杀菌器6。在该处，向牛乳喷入压力为1MPa的蒸汽，牛乳瞬间升温至150℃。在保温管中保持这一温度2、4s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77℃左右。热的蒸汽由水冷凝器18冷凝，真空泵21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同闪蒸的蒸汽一起从真空罐中排出，同时带增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进入管式热交换的第一预热器2中用来预热原料。第17页,共51页，2024年2月25日，星期天第18页,共51页，2024年2月25日，星期天UHT瞬时杀菌关键设备（一）板式换热器第19页,共51页，2024年2月25日，星期天UHT瞬时杀菌关键设备（二）直蒸汽杀菌器第20页,共51页，2024年2月25日，星期天第21页,共51页，2024年2月25日，星期天(二)间接加热UHT瞬时杀菌设备流程

间接式加热UHT瞬时杀菌是通过间壁式换热器来实现的。第22页,共51页，2024年2月25日，星期天间接式杀菌器UHT瞬时杀菌关键设备（三）第23页,共51页，2024年2月25日，星期天第三节欧姆杀菌

一、欧姆杀菌的基本原理1、概念：欧姆杀菌是借助通入电流使食品内部产生热量达到杀菌目的的一种杀菌方法。2、原理：所用电流为50-60Hz的低频交流电。根据Joule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

Q=K（gradV.gradV）式中：Q——某点处的单位加热功率，(W/m)

K——某点处的电导率(S/m)。

S——电导单位西门子，它等于电阻欧姆的倒数

gradV为任一点处的电位梯度，V/m

第24页,共51页，2024年2月25日，星期天二、影响欧姆杀菌的因素(一)电导率与温度 食品是离子型电导体，其电导率一般随温度呈直线上升(图11-2)，但与常规加热相比，欧姆加热中，电导率的上升发生在较低的温度区域。第25页,共51页，2024年2月25日，星期天此外，食品的电导率还是频率的函数；食品的各个方向电导率是不同的，如胡萝卜长轴方向的电导率较高。第26页,共51页，2024年2月25日，星期天(二)电场强度E、频率f与欧姆加热速率的关系转换成热量的能量式中，k——转换系数,

等于5.56×10-13A·S/V.cm ε’——介电常数

δ——损失角

E——电场强度，V/cm F——频率，Hz表示介电损耗因子表示介电损耗因子第27页,共51页，2024年2月25日，星期天(三)流体在加热器中所处的位置与受热程度的关系 加热器中心的温度低，此处的物料常常加热不足；加热器管壁的温度常常偏高，管壁处的常常加热过度。(四)操作因子与欧姆加热速率的关系 外加电场的强度越大，物料的温升也越高，加热也就越快；当两电极的间距拉大时，加热速率将减慢；而物料的流率越大，其温升也越小。温升与各因素的关系如下：第28页,共51页，2024年2月25日，星期天

(℃)

式中V——两电极之间的电位差，V Ar——加热管的横截面积，m2

r——电导率，S/m

L——两极间距离，即管段长度，m M——物料的流率，kg/s

Cp——物料的比热容，J/(kg.℃)

第29页,共51页，2024年2月25日，星期天第四节欧姆杀菌过程及设备

第30页,共51页，2024年2月25日，星期天一、欧姆杀菌工艺操作(无菌工艺)

1.装置的预杀菌用电导率与待杀菌物料相接近的一定浓度的硫酸钠溶液的循环来实现。通过电流加热使之达到一定温度，通过压力调节阀控制杀菌压力，对欧姆加热组件、保温管和冷却管进行杀菌。其它设备用传统的蒸汽杀菌法。用电导率与产品相近的硫酸钠的作为预杀菌溶液的目的是避免设备从预杀菌到产品杀菌期间电能的大幅度调整，以保持平稳而有效地过度，且温度波动小。2.预杀菌液冷却后排出，引入待杀菌物料。通过反压阀利用无菌空气和气氮气调节压力。3.物料加热杀菌，再依次进入保温管、冷却管和贮罐，供无菌充填。4.生产结束后，切断电源，先用清水清洗，再用80℃的2%的氢氧化溶液循环清洗30min。第31页,共51页，2024年2月25日，星期天二、欧姆杀菌的优点

1.可生产新鲜、大颗粒产品；2.不需任何热交换表面；3.可连续操作；4.热量在液体中产生，不需借助其液体的传导或对流；5.过程易于控制，可立即终止或启动。第32页,共51页，2024年2月25日，星期天第五节高压杀菌一、高压杀菌的基本原理 高压杀菌就是将食品物料以某种方式包装以后，置于高压(200MPa以上)装置中加压处理，使之达到商业灭菌的要求。 食品高压杀菌的基本原理就是压力对食品微生物的致死作用。高压导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆的变化，引起微生物的致死。1.高压对细胞形态的影响 高压能够引起微生物特别是原虫运动的停止，这可能与高压引起的微生物结构变化有关。但大多数微生物在解除压力后会返回到正常状态开始重新运动。第33页,共51页，2024年2月25日，星期天2.高压对细胞生物化学反应的影响 高压会使蛋白质(酶)变性，从而使酶失活。而且当高压在100～300MPa时，变性是可逆的，但当高压超过300MPa时，这种变性是不可逆的。变性随压力的升高和时间的延长而加强。 酶的压致失活的机制是：改变分子的内部结构；活性部位上的构象发生变化。3.高压对微生物基因机制的影响 核酸对剪切力的作用虽然敏感，但对流体静压力的耐受力却远远大于蛋白质。当施加的压力高达1000MPa时，鲑鱼精子和小牛胸腺的DNA天然结构在25～40℃下60min不发生变化。但尽管DNA在压力下有这种稳定性，而由酶催化的DNA的复制和转录步骤却因压力而中断。4.高压对细胞壁膜的影响 在高压作用下，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。加压的细胞膜常常表现出通透性的变化。在核蛋白中，钾和钠的流出随压力升高超过40MPa而呈直线性下降。一般认为，对于微生物，压力引起损伤的前沿部位可能是细胞膜。第34页,共51页，2024年2月25日，星期天第35页,共51页，2024年2月25日，星期天二、高压对食品中营养成分的影响1.高压对蛋白质的影响 高压使蛋白质变性，可能是由于高压使蛋白质的原始结构伸展，导致蛋白质体积的改变。加压使鸡蛋的蛋白质变性，加压后的颜色与加压前一样鲜艳，而口感仍然是生鸡蛋味，且维生素无损失。 高压对食品中的酶的活性的影响是：压力较低时，高压可能会增加酶的活力，如切片的土豆、苹果和洋梨，在压力较低时，可激活组织中多酚氧化酶，导致褐变的发生。若加压到400MPa以上时，则酶的活性逐渐丧失。可见，与迅速加热使酶失活一样，加压速率也应提高，以达到快速钝化酶的目的。 使蛋白质发生变性的压力大小，依不同的物料及微生物特性而定，通常在100～600MPa之间。2.高压对淀粉及糖类的影响 高压可使淀粉改性。常温下加压到400～600MPa，可使淀粉糊化而呈不透明的粘稠状物，且吸水量也发生改变。原因是压力使淀粉分子的长链断裂，分子结构发生改变(图11-18)。用高压处理蜂蜜，除微生物死亡以外，对糖几乎无影响。第36页,共51页，2024年2月25日，星期天第37页,共51页，2024年2月25日，星期天3.高压对油脂的影响 油脂耐压程度低，在常温下加压到100～200MPa时，基本上变成固体，但解除压力后，又恢复到原状；高压对油脂的氧化也有一定的作用。4.高压对食品中其它成分的影响 高压对食品中的风味物质、维生素、色素及各种小分子物质的天然结构基本上没有影响。如：草莓果酱能保持原有的特殊风味、色泽及营养；高压处理柑桔汁，不仅可以避免煮熟味的产生，而且可以抑制榨汁后苦味物质的产生。第38页,共51页，2024年2月25日，星期天三、影响高压杀菌的因素1.pH值对高压杀菌的影响 一方面压力可以改变(降低)介质的pH值，且逐渐缩小微生物生长的pH值范围，另一方面，在食品容许的范围内，改变介质的pH值，使微生物的生长环境劣化，也会加速微生物的死亡速率，使高压杀菌的时间缩短或降低所需压力。2.温度对高压杀菌的影响 在低温或高温下进行高压杀菌，对微生物的影响加剧。因为微生物对温度具有敏感性。因此，在温度作用的协同下，高压杀菌的效果可以大大提高。 大多数微生物在低温下的耐压程度降低，主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出耐破裂的程度加剧，所以，低温对高压杀菌有促进作用。 在同样的压力下，杀死等量的细菌，则温度高的所需杀菌的时间短。因为在一定的温度下，微生物中的蛋白质、酶等成分均会发生一定程度的变性。因此，适当提高温度，对高压杀菌也有促进作用。第39页,共51页，2024年2月25日，星期天第40页,共51页，2024年2月25日，星期天第41页,共51页，2024年2月25日，星期天3.微生物生长阶段(或生长条件)对高压杀菌的作用 不同生长阶段的微生物对高压的耐受性不同。在生长