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食品杀菌技术

2019-10-10 10:07浏览数:104 
文章附图

食品杀菌技术

食品杀菌技术主要有热杀菌和非热杀菌,其中热杀菌主要有:湿热杀菌、干热杀菌、微波杀菌、电热杀菌和电场杀菌等;非热杀菌主要有:化学与生物杀菌、辐照杀菌、紫外线杀菌、脉冲杀菌、超高静压杀菌、脉冲电场(PEF)杀菌以及振动磁场杀菌等。下面就针对这些杀菌技术作一下详细的介绍:

湿热杀菌:

热杀菌是以杀灭微生物为主要目的的热处理形式,而湿热杀菌是其中最主要的方式之一。它是以蒸气、热水为热介质,或直接用蒸汽喷射式加热的杀菌法。

利用热能转换器(如锅炉)将燃烧的热能转变为热水或蒸汽作为加热介质,再以换热器将热水或蒸汽的热能传给食品,或将蒸汽直接喷入待加热的食品。
食品热处理中常用的加热介质及其特点
加热剂种类 加热剂特点
蒸汽 易于用管道输送,加热均匀,温度易控制,凝结潜热大,但温度不能太高
热水 易于用管道输送,加热均匀,加热温度不高
空气 加热温度可达很高,但其密度小、传热系数低
烟道气 加热温度可达很高,但其密度小、传热系数低,可能污染食品
煤气 加热温度可达很高,成本较低,但可能污染食品
电 加热温度可达很高,温度易于控制,但成本高

一、 加热对微生物的影响

(一)微生物和食品的腐败变质

食品中的微生物是导致食品不耐贮藏的主要原因。细菌、霉菌和酵母都可能引起食品的变质。

细菌、霉菌和酵母

食品中的微生物是导致食品不耐贮藏的主要原因。一般说来,食品原料都带有微生物。在食品的采收、运输、加工和保藏过程中,食品也有可能污染微生物。在一定的条件下,这些微生物会在食品中生长、繁殖,使食品失去原有的或应有的营养价值和感官品质,甚至产生有害和有毒的物质。

细菌、霉菌和酵母图谱

细菌、霉菌和酵母都可能引起食品的变质,其中细菌是引起食品腐败变质的主要微生物。细菌中非芽孢细菌在自然界存在的种类最多,污染食品的可能性也最大,但这些菌的耐热性并不强,巴氏杀菌即可将其杀死。细菌中耐热性强的是芽孢菌。芽孢菌中还分需氧性、厌氧性的和兼性厌氧的。需氧和兼性厌氧的芽孢菌是导致罐头食品发生平盖酸败的原因菌,厌氧芽孢菌中的肉毒梭状芽孢杆菌常作为罐头杀菌的对象菌。酵母菌和霉菌引起的变质多发生在酸性较高的食品中,一些酵母菌和霉菌对渗透压的耐性也较高。

(二)微生物的生长温度

不同微生物的最适生长温度不同,当温度高于微生物的最适生长温度时,微生物的生长就会受到抑制,而当温度高到足以使微生物体内的蛋白质发生变性时,微生物即会出现死亡现象。

最低生长温度 最适生长温度 最高生长温度
嗜热菌 30~45 50~70 70~90
嗜温菌 5~15 30~45 45~55
低温菌 -5~5 25~30 30~55
嗜冷菌 -10~-5 12~15 15~25


微生物的最适生长温度与热致死温度(

(三)湿热条件下腐败菌的耐热性

一般认为,微生物细胞内蛋白质受热凝固而失去新陈代谢的能力是加热导致微生物死亡的原因。因此,细胞内蛋白质受热凝固的难易程度直接关系到微生物的耐热性。蛋白质的热凝固条件受其它一些条件,如:酸、碱、盐和水分等的影响。

(四)影响腐败菌耐热性的因素

1、 加热前--腐败菌的培育和经历对其耐热性的影响

影响因素主要包括:细胞本身的遗传性、组成、形态,培养基的成分,培育时的环境因子,发育时的温度以及代谢产物等。
成熟细胞要比未成熟的细胞耐热。培养温度愈高,孢子的耐热性愈强,而且在最适温度下培育的细菌孢子具有最强的耐热性。营养丰富的培养基中发育的孢子耐热性强,营养缺乏时则弱。

2、 加热时--加热温度、加热致死时间、细胞浓度、细胞团块存在与否、介质性状和pH值等方面的因素对腐败菌耐热性的影响。

(1) 加热条件:在一定热致死温度下,细菌(芽孢)随时间变化呈对数性规律死亡;温度愈高,杀灭它所需的时间愈短。
(2) 细菌状态:在一定热致死温度下,菌数愈多,杀灭它所需时间愈长。细胞团块的存在降低热杀菌的效果
(3) 介质性状:包括水分(水分活度)、pH值、碳水化合物、脂质、蛋白质、无机盐等,是影响杀菌效果的最重要的因素。
(4) 各种添加物、防腐剂和杀菌剂的影响

3、 加热后--热死效果的检验

腐败菌受热损伤后有如下表现:发育时的诱导期延长,营养需求增加;发育时最适pH范围缩小;增殖时最适温度范围缩小;对抑制剂的敏感性增强;细胞内的物质产生泄漏;对放射线的敏感性增加;细胞中酶的活力降低;核酸体的RNA分解等。

判断腐败菌是否被杀灭,需测定其热死效果,常通过对经过热处理后的细菌芽孢进行再培养,以检查是否仍有存活。选择适当的培养基,如果腐败菌没有再生长,说明杀菌工艺适用。



(一)热破坏反应的反应速率

食品中各成分的热破坏反应一般均遵循一级反应动力学,也就是说各成分的热破坏反应速率与反应物的浓度呈正比关系。这一关系通常被称为"热灭活或热破坏的对数规律(logarithmic order of inactivation or destruction)"。这一关系意味着,在某一热处理温度(足以达到热灭活或热破坏的温度)下,单位时间内,食品成分被灭活或被破坏的比例是恒定的。

DT值
  即指数递减时间(Decimal reduction time),是热力致死速率曲线斜率的负倒数,可以认为是在某一温度下,每减少90%活菌(或芽孢)所需的时间,通常以分钟为单位。
  由于上述致死速率曲线是在一定的热处理(致死)温度下得出的,为了区分不同温度下微生物的D值,一般热处理的温度T作为下标,标注在D值上,即为DT。很显然,D值的大小可以反映微生物的耐热性。在同一温度下比较不同微生物的D值时,D值愈大,表示在该温度下杀死90%微生物所需的时间愈长,即该微生物愈耐热。
  必须指出,DT值是不受原始菌数影响的,但随热处理温度不同而变化,温度愈高,微生物的死亡速率愈大,DT值则愈小。

TDT值
  即热力致死时间(Thermal death time)。在一定时间内(通常指1~10分钟)对细菌进行热处理时,从细菌死亡的最低热处理温度开始的各个加热期的温度称为热力致死温度。
  在某一恒定温度(热力致死温度)条件下,将食品中的一定浓度的某种微生物活菌(细菌和芽孢)全部杀死所需要的时间(min),一般用TDT值表示,同样在右下角标上杀菌温度。

F值
  F值又称杀菌值,是指在一定的致死温度下将一定数量的某种微生物全部杀死所需的时间(min)。由于微生物的种类和温度均为特指,通常F值要采用上下标标注,以便于区分,即 。一般将标准杀菌条件下的记为F0在121.1热力致死温度下的腐败菌的热力致死时间,通常用F值表示。F值可用于比较相同Z值时腐败菌的耐热性,它与菌的热死试验时的原始菌数有关,随所指定的温度、菌种、菌株及所处环境不同而变化。

Z值
  当热力致死时间减少1/10或增加10倍时所需提高或降低的温度值,一般用Z值表示。Z值是衡量温度变化时微生物死灭速率变化的一个尺度。

TRT值
  即热力指数递减时间。在某特定的热死温度下,将细菌或芽孢数减少到10-n时所需的热处理时间,。它是指在一定的致死温度下将微生物的活菌数减少到某一程度如10-n或1/10n(即原来活菌数的1/10n)所需的时间(min),记为TRTn,单位为分钟,n就是递减指数。
  很显然: 。可以看出,TRT值不受原始微生物活菌数影响,可以将它用作确定杀菌工艺条件的依据,这比用前述的受原始微生物活菌数影响的TDT值要更方便有利。TRTn值象D值一样将随温度而异,当n=1,TRT1=D。若以D的对数值为纵坐标,加热温度T为横坐标,根据D和T的关系可以得到一与拟热力致死时间曲线相同的曲线,也称为TRT1曲线。

低温长时杀菌法
(一) 概念
  低温长时杀菌法也称为巴氏杀菌。相对于商业杀菌而言,巴氏杀菌是一种较温和的热杀菌形式,巴氏杀菌的处理温度通常在100以下,典型的巴氏杀菌的条件是62.8/30min,达到同样的巴氏杀菌效果,可以有不同的温度、时间组合。巴氏杀菌可使食品中的酶失活,并破坏食品中热敏性的微生物和致病菌。巴氏杀菌的目的及其产品的贮藏期主要取决于杀菌条件、食品成分(如pH值)和包装情况。对低酸性食品(pH>4.6),其主要目的是杀灭致病菌,而对于酸性食品,还包括杀灭腐败菌和钝化酶。
(二) 特点
简单、方便,杀菌效果达99%,致病菌完全被杀死;
不能杀死嗜热、耐热性细菌、孢子,以及一些残存的酶类;
设备较庞大,杀菌时间较长;
高温短时杀菌法
(一) 概念
  高温短时杀菌法主要是指食品经100以上,130以下的杀菌处理。主要应用于pH>4.5的低酸性食品的杀菌。

(二) 特点
占地少,紧凑(仅为单缸法的占地面积的20%)
处理量大,连续化生产,节省热源,成本低;
可于密闭条件下进行操作,减少污染的机会。但杀菌后的细菌残存数会比低温长时杀菌法高;
加热时间短,营养成分损失少,乳质量高,无焖煮味;
可与CIP(原地无拆卸循环清洗系统)清洗配套,省劳力,提高效率;
温度控制检测系统要求严格(仪表要准确)

(三)设备适用范围
  需要快速有效的热传导,通常采用刮板式或管式热交换器。这种方式适用于液体或小颗粒混合体。但如果是很粘稠的液体或颗粒直径大于3cm时,加热就会受到热传导的控制,此时产品就需要受热数分钟才能达到杀菌要求,这样产品的质量、营养成分和口感会受到影响。
通常采用热水或蒸汽加热的管式或刮板式热交换器。
超高温瞬时杀菌
特点
温度控制准确,设备精密;
温度高,杀菌时间极短,杀菌效果显著,引起的化学变化少;
适于连续自动化生产;
蒸汽和冷源的消耗比高温短时杀菌法HTST高。

蒸汽喷射式加热灭菌法
(一) 概念
是指采用蒸汽喷射的UHT灭菌法,通常叫做直接蒸汽喷射或DSI。
在最后的灭菌阶段将产品与蒸汽在一定的压力下混合,蒸汽释放出潜热将产品快速加热至灭菌温度。这种直接加热系统加热产品的速度比其它任何间接系统都要快。

(二) 特点
1、加热和冷却速度较快,UHT瞬时加热更容易通过直接加热系统来实现。
2、能加工粘度高的产品,尤其对那些不能通过板式热交换器进行良好加工的产品来说,它不容易形成结垢。但蒸汽压力将限制设备长时间运转。
3、产品灭菌后需要进行无菌均质,由此设备本身的成本和运转成本大大增加。
4、结构复杂,装置大多是非标准型,系统成本是同等处理能力的板式或管式加热系统的两倍。
5、运转成本高,能量回收的限制性使加热成本增加。但从某种程度上说,该系统连续运转较长时间可适当弥补其高成本的缺陷。尤其对于牛乳来说,间接系统会产生严重的结垢现象,直接加热体系更符合产品的特性和质量要求。


二次灭菌法
(一) 概念
二次灭菌法按设备运行方式可分为间歇式和连续式。
间歇式是指产品第一次灭菌采用管式超高温灭菌机,然后经灌装、封盖后放入间歇式灭菌器内进行第二次灭菌。
连续式是指产品第一次灭菌采用管式或板式超高温灭菌机,第二次灭菌采用连续式灭菌机。该法灭菌处理的产品保存期长,有利于长途储运。

(二) 特点
1、 间歇式二次灭菌法设备简单,投资较低,但产品质量不稳定。
2、 连续式二次灭菌线的特点是投资大,产量高,产品质量稳定。
3、 二次灭菌机是二次灭菌生产线的核心设备,要求其升温、降温快,传热均匀,尽量减小热冲击和热惯性,性能良好,严格执行灭菌规程。

杀菌方法的选择
选择热杀菌方法和条件时应遵循下列基本原则:
(一)应达到相应的热处理目的
1、 以加工为主:
热处理后食品应满足热加工的要求。
2、 以保藏为主要目的:
热处理后的食品应达到相应的杀菌、钝化酶等目的。

(二)应尽量减少热处理造成的食品营养成分的破坏和损失
热处理过程要重视热能在食品中的传递特征与实际效果,满足食品卫生的要求,不应产生有害物质。应根据产品热处理的目的选择优化方法。

热处理的一些优化方法

热处理的种类 优化方法
热 烫 考虑非热损失所造成的营养成分的损失(如沥滤、氧化降解等)。
巴氏杀菌 若食品中无耐热性的酶存在时,尽量采用高温短时工艺。
商业杀菌 对对流传热和无菌包装的产品,在耐热性酶不成为影响工艺的主要因素时,尽量采用高温短时工艺。对传导传热的产品,一般难于采用高温短时工艺。

热能在食品中的传递
在计算热处理的效果时必需知道两方面的信息,一是微生物等食品成分的耐热性参数,另一是食品在热处理中的温度变化过程。

(一)罐头容器内食品的传热
  影响容器内食品传热的因素包括:表面传热系数;食品和容器的物理性质;加热介质(蒸汽)的温度和食品初始温度之间的温度差;容器的大小。
要能准确地评价罐头食品在热处理中的受热程度,必须找出能代表罐头容器内食品温度变化的温度点,通常人们选罐内温度变化最慢的冷点(Cold point)温度,加热时该点的温度最低(此时又称最低加热温度点,Slowest heating point),冷却时该点的温度最高。热处理时,若处于冷点的食品达到热处理的要求,则罐内其它各处的食品也肯定达到或超过要求的热处理程度。

罐头冷点的位置与罐内食品的传热情况有关。
1、传导传热方式的罐头:
由于传热的过程是从罐壁传向罐头的中心处,罐头的冷点在罐内的几何中心。
2、对流传热的罐头:
由于罐内食品发生对流,热的食品上升,冷的食品下降,罐头的冷点将向下移,通常在罐内的中心轴上罐头几何中心之下的某一位置。
3、传导和对流混合传热的罐头:
其冷点在上述两者之间。


(二)评价热穿透的数据
  测定热处理时传热的情况,应以冷点的温度变化为依据,通常测温仪是用铜?康铜为热电偶利用其两点上出现温度差时测定其电位差,再换算成温度的原理。
  在评价热处理的效果(如采用一般法计算杀菌强度F值)时,需要应用热穿透的有关数据,这时应首先画出罐头内部的传热曲线,求出其有关的特性值。

传热曲线

  传热曲线是将测得罐内冷点温度(Tp)随时间的变化画在半对数坐标上所得的曲线。作图时以冷点温度与杀菌锅内加热温度(Th)或冷却温度(Tc)之差(Th-Tp或Tp-Tc )的对数值为纵坐标,以时间为横坐标,得到相应的加热曲线或冷却曲线。为了避免在坐标轴上用温差表示,可将用于标出传热曲线的坐标纸上下倒转180度,纵坐标标出相应的冷点温度值(Tp )。
以加热曲线为例,纵坐标的起点为Th-Tp =1(理论上认为在加热结束时,Tp 可能非常接近Th,但Th-Tp ≠0),相应的Tp 值为Th-1,即纵坐标上最高线标出的温度应比杀菌温度低一度(),第一个对数周期坐标的坐标值间隔为1,第二个对数周期坐标的坐标值间隔为10,这样依次标出其余的温度值。

杀菌条件的计算
食品热杀菌的条件主要是杀菌值和杀菌时间,目前广泛应用的计算方法有三种:改良基本法、公式法和列线图解法。

(一)改良基本法
  1920年比奇洛(Bigelow)首先创立了罐头杀菌理论,提出推算杀菌时间的基本法(The general mathod),又称基本推算法。该方法提出了部分杀菌率的概念,它通过计算包括升温和冷却阶段在内的整个热杀菌过程中的不同温度-时间组合时的致死率,累积求得整个热杀菌过程的致死效果。1923年鲍尔(Ball)根据加热杀菌过程中罐头中心所受的加热效果用积分计算杀菌效果的方法,形成了改良基本法(Improved general method)。该法提高了计算的准确性,成为一种广泛使用的方法。
在杀菌过程中,食品的温度会随着杀菌时间的变化而不断发生变化,当温度超过微生物的致死温度时,微生物就会出现死亡。温度不同,微生物死亡的速率不同。在致死温度停留一段时间就有一定的杀菌效果。可以把整个杀菌过程看成是在不同杀菌温度下停留一段时间所取得的杀菌效果的总和。


(二)公式计算法
  此法是由鲍尔提出,后经美国制罐公司热工学研究组简化,用来计算简单型和转折型传热曲线上杀菌时间和F值。简化虽然会引入一些误差但影响不大。此法已经列入美国FDA的有关规定中,在美国得到普遍应用。
公式法是根据罐头在杀菌过程中罐内容物温度的变化在半对数坐标纸上所绘出的加热曲线,以及杀菌结束冷却水立即进入杀菌锅进行冷却的曲线才能进行推算并找出答案。它的优点是可以在杀菌温度变更时算出杀菌时间,其缺点是计算繁琐、费时,还容易在计算中发生错误,又要求加热曲线必须呈有规则的简单型加热曲线或转折型加热曲线,才能求得较正确的结果。
近几十年来许多学者对这种方法进行了研究,以达到既正确又简单,且应用方便的目的。随着计算机技术的应用,公式法和改良适用法一样准确,但更为快速、简洁。


(三)列线图法
  列线图法是将有关参数制成列线计算图,利用该图计算出杀菌值和杀菌时间。该法适用于Z=10,m+g=76.66的任何简单型加热曲线,快捷方便,但不能用于转折型加热曲线的计算。当有关数据越出线外时,也不能用此法计算。

杀菌条件的确定
确定食品热杀菌条件时,应考虑影响热杀菌的各种因素。食品的热杀菌以杀菌和抑酶为主要目的,应基于微生物和酶的耐热性,并根据实际热处理时的传热情况,选择食品热杀菌条件,以确定达到杀菌和抑酶的最小热处理程度。热杀菌技术的研究动向集中在热杀菌条件的最优化、新型热杀菌方法和设备开发方面。热杀菌条件的最优化就是协调热杀菌的温度时间条件,使热杀菌达到期望的目标,而尽量减少不需要的作用。
热杀菌的方法和工艺与杀菌的设备密切相关,良好的杀菌设备是保证杀菌操作完善的必要条件。目前使用的杀菌设备种类较多,不同的杀菌设备所使用的加热介质和加热的方式、可达到的工艺条件以及自动化的程度不尽相同。杀菌设备除了具有加热、冷却装置外,一般还具有进出料(罐)传动装置、安全装置和自动控制装置等。

相关设备与装置
间歇式 连续式

立式杀菌锅  喷淋连续杀菌机
卧式杀菌锅  静水压式杀菌机
淋水式杀菌锅  水封式连续高压杀菌锅
全水回转式杀菌锅  超高温瞬时杀菌机





罐头食品热杀菌条件的确定
(一)实罐试验
  以满足理论计算的杀菌值(F0)为目标,热杀菌可以有各种不同杀菌温度-时间的组合。
实罐试验的目的就是根据罐头食品质量,生产能力等综合因素选定杀菌条件,使热杀菌既能达到杀菌安全的要求,又能维持其高质量,在经济上也最合理。
(二)实罐接种的杀菌试验
将常见导致罐头腐败的细菌或芽孢定量接种在罐头内,在所选定的杀菌温度中进行不同时间的杀菌,再保温检查其腐败率。
通常采用将耐热性强的腐败菌接种于数量较少的罐头内进行杀菌试验,藉以确证杀菌条件的安全程度。如实罐接种杀菌试验结果与理论计算结果很接近,这对所订杀菌条件的合理性和安全性有了更可靠的保证和高度的信心。
1、试验用微生物
(1) 低酸性食品:梭状产芽孢杆菌(Clostridium sporogenses)PA3679芽孢
(2) pH3.7以下酸性食品:巴氏固氮梭状芽孢杆菌(Clostridium pasteurianum)
或凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)芽孢
(3) 高酸性食品:乳酸菌,酵母
2、实罐接种方法
(1) 对流传热的产品
可接种在罐内任何处。
(2) 传导传热产品
尽可能接种在冷点位置。

4、试验分组
  根据杀菌条件的理论计算,按杀菌时间的长短至少分为5组,其中1组为杀菌时间最短,试样腐败率达到100%;1组为杀菌时间最长,预计可达0%的腐败率;其余3组的杀菌时间将出现不同的腐败率,通常杀菌时间在30~100之间,每隔5分钟为1组,比较理想的是根据F值随温度提高时按对数规律递减情况,F值可按0.5、1.0、2.0、4.0、6.0,确定不同加热时间加以分组。每次试验要控制为5组,否则罐数太多,封罐前后停留时间过长,将影响试验结果。因此试验要求在一天内完成,并用同一材料。
对照组的罐头也应有3~5组,以便核对自然污染微生物的耐热性,同时用来检查核对二重卷边是否良好,罐内净重、沥干重和顶隙度等。还将用6~12罐供测定冷点温度之用。


5、试验记录
  试验时必须对以下内容进行测定并做好记录。
    A.接种微生物菌名和编号;
    B.接种菌液量、接种菌数和接种方法;
    C.各操作时间(如预处理时间、装罐时间、排气、封罐前停留时间等);
    D.热烫温度与时间;
    E.装罐温度;
    F.装罐重量;
    G.内容物粘度(如果它为重要因子);
    H.顶隙度;
    I.盐水或汤汁的浓度;
    J.热排气温度与时间;
    K.封罐和蒸汽喷射条件;
    L.真空度(指真空封罐);
    M.封罐时内容物温度;
    N.杀菌前罐头初温;
    O.杀菌升温时间;
    P.杀菌过程中各阶段的温度和时间;
    Q.杀菌锅上仪表(压力表、水银温度计、温度纪录仪)指示值;
    R.冷却条件。

(三)保温贮藏试验
接种实罐试验后的试样要在恒温下进行保温试验。培养温度依据试验菌的不同而不同:
霉菌:21.1~26.7
嗜温菌和酵母:26.7~32.2
凝结芽孢杆菌:35.0~43.2
嗜热菌:50.0~57.2
保温试验样品应每天观察其容器外观有无变化,当罐头胀罐后即取出,并存放在冰箱中。
保温试验完成后,将罐头在室温下放置冷却过夜,然后观察其容器外观、罐底盖是否膨胀,是否低真空,然后对全部试验罐进行开罐检验,观察其形态、色泽、pH值和粘稠性等,并一一记录其结果。接种肉毒杆菌试样要做毒性试验,也可能有的罐头产毒而不产气。
当发现容器外观和内容物性状与原接种试验菌所应出现的征状有差异时,可能是漏罐污染或自然界污染了耐热性更强的微生物造成,这就要进行腐败原因菌的分离试验。

(四)生产线上实罐试验
接种实罐试验和保温试验结果都正常的罐头加热杀菌条件,就可以进入生产线的实罐试验作最后验证。试样量至少100罐以上,试验时必须对以下内容进行测定并做好记录:
A. 热烫温度与时间;
B. 装罐温度;
C. 装罐量(固形物、汤汁量);
D. 粘稠度(咖喱、浓汤类产品);
E. 顶隙度;
F. 盐水或汤汁的温度;
G. 盐水或汤汁的浓度;
H. 食品的pH值;
I. 食品的水分活性;
J. 封罐机蒸汽喷射条件;
K. 真空度(指封罐机);
L. 封罐时食品的温度;
M. 加热杀菌前食品每克(或每毫升)含微生物的平均数及其波动值,取样次数为5~10次。pH3.7以下的高酸性食品检验乳酸菌和酵母; pH3.7~5.0的酸性食品检验嗜温性需氧菌芽孢数(如果可能的话,嗜温性厌氧菌芽孢数也要检验);pH5.0以上的低酸性食品检验嗜温性需氧菌芽孢数、嗜热性需氧菌芽孢数(如果可能的话,嗜温性厌氧菌芽孢数也要检验),这对于保证杀菌条件的最低极限十分必要。
N. 杀菌前的罐头初温;
O. 杀菌升温时间;
P. 杀菌温度和时间;
Q. 杀菌锅上压力表、水银温度计、温度记录仪的指示值;
R. 杀菌锅内温度分布的均匀性;
S. 罐头杀菌时测点温度(冷点温度)的记录及其F值;
T. 罐头密封性的检查及其结果。

生产线实罐试样也要经历保温试验,希望保温3~6个月,当保温试样开罐后检验结果显示内容物全部正常,即可将此杀菌条件作为生产上使用,如果发现试样中有腐败菌,则要进行原因菌的分离试验。


干热杀菌:
微波采用灼烧或干热空气灭菌,称为干热灭菌。虽然干燥主热空气的穿透力不如湿热蒸汽强,但它使用方便,适用于玻璃器皿和瓷器等物的灭菌,故广泛应用于实验室和生产实践。


杀菌作用的机理
干热是指相对湿度在20%以下的高热。干热消毒灭菌是由空气导热,传热效果较慢。一般繁殖体在干热80-100中经1小时可以杀死,芽胞需160-170经2小时方可杀死。

干热灭菌是利用高温杀死微生物的方法之一。通常采用很高的温度,例如火焰直接加热,或选择160~180的热风处理。

微生物组成的最重要成份是蛋白质、核酸等,当遇到高温时会引起蛋白质和核酸不可逆的变性或凝固,使细胞失去了生理机能,停止生长发育,直至死灭。此外高温还可破坏细胞的其他组成,或者使细胞的脂肪膜受热溶解而形成了极大的孔,导致细胞内含物泄漏而引起死亡,从而达到高温灭菌的效果。

火焰灭菌法
(一) 概念
  火焰灭菌法是通过火焰高温灼烧进行灭菌的方法

(二) 应用领域和特点。
1、 接种操作:
  耐热的接种环、接种铲、接种匙、接种针等,通过火焰灼烧,可彻底灭菌,试管口和玻璃瓶口,通过几次火焰,温度可达200以上,一切微生物和芽孢,可全部杀死,达到无菌程度。
2、 罐头工业
  罐头工业中的火焰杀菌是利用火焰直接加热罐头,是一种常压下的高温短时杀菌。
  杀菌时罐头经预热后在高温火焰(温度达1300以上)上滚过,短时间内达到高温,维持一段较短时间后,经水喷淋冷却。
  罐内食品可不需要汤汁作为对流传热的介质,内容物中固形物含量高。
  由于灭菌时罐内压较高,一般只用于小型金属罐。此法的杀菌温度较难控制(一般以加入后测定罐头辐射出的热量确定。)






热风灭菌法
(一) 概念
   热风灭菌是利用加热的高温空气进行灭菌的方法。

(二) 特点
1、 该灭菌法适用于玻璃器皿、瓷器、不锈钢器皿以及明胶海棉、液体石蜡、各种粉剂、软膏等,不适用于液体材料灭菌。

2、 由于干热空气穿透力差,加之微生物蛋白质在干燥条件下,不易凝固变质,故干热灭菌温度,一般要求掌握在160,维持2小时。

3、 干热烤箱是干热灭菌的常用仪器,它是通过电热丝进行加温和调温的。通电加热后的空气在一定空间不断对流,产生均一效应的热空气直接穿透物体。一般繁殖体在干热80-100中经1小时可以杀死,芽胞、病毒需160-170经2小时方可杀死。

(三) 操作注意事项

1、 干热灭菌温度超过170,包装灭菌用品的纸张或棉花、布类,会被热空气烤焦,甚至有着火燃烧的危险。

2、 操作干热灭菌箱,灭菌后待箱内温度降至50-40以下才能开启柜门,以防炸裂。

主要设备和装置
(一) 设备组成
  干热灭菌的主要设备有干热灭菌柜、隧道灭菌系统。干热灭菌设备一般由下列几个重要部分组成:

1、 加热器
它是干热灭菌设备的主要组成部分,对灭菌效果的好坏影响极大。

2、高效过滤器
用于除去内部空气循环系统中产生的尘埃物质,防止排风倒流的污染。

3、缓冲板、风阀、气流调节器或空气档板
缓冲板或空气档板用于控制干热灭菌器的空气流量;气流调节器用于灭菌器腔室内的正压控制。

4、风机
对干热灭菌器中的气流循环影响很大,保证热风循环的良好状态。

5、传送带(仅适用于连续法)
传送带的速度,在连续传送干热灭菌系统中是十分重要的,其传送速度决定了物料经过灭菌器时所接受的热量以及相应的灭菌效果。 6、运行连锁控制系统
防止灭菌物品在低于灭菌温度的情况下通过灭菌器。

7、温度控制器及记录仪
将温度探测、传感系统的温度读数准确无误地记录清楚。


工艺设备控制的关键因素 :
(一) 干热杀菌适用范围


  可用于能耐受较高温度,却不宜被蒸汽穿透,或者易被湿热破坏的物品的灭菌。

(二) 杀菌工艺效果评价


1、 致死率F0值:
  类似于湿热灭菌系统验证中使用的F0值,是将时间与湿度条件的改变折算成170时的相当时间,同时设定Z值为20即FH值。BP1993年版规定,仅以灭菌为最终目的干热灭菌系统,必须保证其最小的FH值大于17060min。

2、 生物指示剂--微生物残存率
  对于采用干热存活概率法灭菌的系统,验证结果应能证明其灭菌过程保证对耐热微生物的杀灭效果达到认可的低存活概率,一般未被杀灭的概率为10-6。
  对于采用干热过度杀灭法灭菌系统的验证结果,应证明其灭菌过程保证对干热呈高度耐受性的微生物产生大于12个log的递减,取得低于10-12的微生物存活概率。

(三)杀菌设备的控制

1、 加热器
  加热器故障是造成干热灭菌设备灭菌效果下降的主要原因之一,其主要表现为升温速度下降;影响热分布;产生尘埃物质。而造成加热器故障的原因,主要是加热器的长期使用或通过加热器的空气质量较差所致。所以一般应在灭菌器的加热系统配置电流监测器,以及时发现其故障。

2、 高效过滤器
  必须满足干热灭菌工艺用风量的要求,并能承受相应的风压。

3、 缓冲板或空气档板
  用于控制干热灭菌器的空气流量,多安装于进风或排风风管或加热器附近

4、气流调节器
  用于正压控制,可以安装在排风系统中的防止倒流风污染的高效过滤器附近,通过控制排风量控制正压,也可以用气流调节器控制进风和排风风量以保持正压。
一般情况下,干热灭菌器腔室内的压力略高于其相临的非无菌区而略低于其相临的无菌区。

5、风机
  风机的风量应该可以测量,并可调整,必要时可以要求供应商将此项要求增加到其设备标准中,因为风机风量的测量指示值,可以为设备使用过程中检查风机状态提供依据。

6、传送带(仅适用于连续法)
  生产工艺中有必要保存每次灭菌过程的传送速度的记录。同时干热灭菌器的SOP,也应明确规定各种灭菌过程传送带的运行速度范围,此运行速度范围应是经过验证确定的。

7、运行连锁控制系统
  干热灭菌器中连锁控制系统设有:门连锁控制系统;压力传感器;温度传感、控制、停止传送带运行的连锁控制装置等,以保证在任何情况下出现温度低于设计要求时防止灭菌物品在低于灭菌温度的情况下通过灭菌器。

8、温度控制器及记录仪
  在干热灭菌系统中,温度探测、传感、控制、记录系统是整个灭菌过程控制的基础,其控制系统必须能保证灭菌器腔室内灭菌温度可以保持在设定的灭菌温度范围内,其记录系统必须将温度探测、传感系统的温度读数准确无误地记录清楚。


微波的概念和性质:
(一) 概念
微波(microwave)是指波长约1m~10mm的电磁波,常分为米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。
微波的频率(300MHz~300GHz),介于无线电频率(超短波)和远红外线频率(低频端)之间。由于其频率很高,在某些场合也叫超高频电磁波。

(二) 性质
1、波动特性
2、直线传播
3、微波能量具有空间分布性质
4、微波能量以交变的电场和磁场的互相感应的形式传输。

微波应用的范畴和特点
(一) 应用范畴
目前工业上只有915MHz (美国用896MHz)和2450MHz两个频率被广泛应用。

(二) 特点
1、加热效率高,节约能源
2、加热速度快,易控制
3、不同食品成分对微波能有不同的选择吸收性
4、水分调平作用
5、有利于保证产品质量
6、微波加热设备体积较小,占用厂房面积小

发展概况
微波加热用于工业开始于二十世纪七十年代末。由于能源成本的提高,促使人们寻找更有效的工业加热和干燥的方法。微波作为热源,具有加热速度快,能量利用率高的特点,因此微波加热技术和微波炉应用获得迅速发展。

微波加热原理
食品微波处理主要是利用微波的热效应。食品中的水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物等都属于电介质。电介质吸收微波能使介质温度升高,这个过程称介电加热。
(一) 离子极化
溶液中的离子在电场作用下产生离子极化。离子带有电荷从电场获得动能,相互发生碰撞作用,可以将动能转化为热。

(二) 偶极子转向
有些电介质,分子的正负电荷重心不重合,即分子具有偶极距,这种分子称偶极分子(极性分子)。当极性分子受外电场作用时,偶极分子就会产生转距。在高频电场中一秒钟内极性分子要进行上亿次的换向"变极"运动,使分子之间产生强烈振动,引起摩擦发热,使物料温度升高,达到加热目的。

微波对微生物的作用
(一) 微波热效应
1、使微生物快速升温导致菌体蛋白质变性,活体死亡;
2、使微生物生命活动受到严重干扰,无法繁殖;
3、导致细胞膜破裂,使生理活性物质发生变性作用,而失去生理功能;
4、破坏微生物的生存繁殖条件而导致其死亡。

(二) 微波非热效应
1、光化学反应
2、场力效应
3、电磁共振效应
4、影响遗传物质DNA的含量

微波杀菌相关设备和装置
(一)微波能的产生器件
1、 电真空器件
(1) 磁控管
(2) 多腔速调管
(3) 微波三、四极管
(4) 行波管及正交场器件
2、 半导体器件

(二)微波加热设备
1、微波加热系统的组成
2、微波加热器的种类及其结构特点
(1) 种类
驻波场谐振腔加热器(箱型)
行波场波导加热器(波导型)
辐射型加热器
慢波型加热器

电热杀概念和特点
(一)基本概念
  电热杀菌亦称"欧姆杀菌",它利用电极将电流通过物体,由于阻抗损失、介质损耗等的存在,最终使电能转化为热能,使食品内部产生热量而达到杀菌的目的。

(二)技术特点
  使用交流电的频率为50~60Hz,它利用电极将电流直接导入食品,由食品自身的介电性质产生热量,以达到杀菌的目的。
1、 加热通过产品自我传导
2、 应用于产品的是交流电
3、 电穿透的深度无限制
4、 在产品中无大的热梯度
5、 加热由产品的传导性及加热的剩余时间控制
6、 加热杀死微生物

(三)优缺点
1、 优点
(1) 消毒颗粒直径在1寸以上
(2) 对颗粒机械损伤最小
(3) 产品内部颗粒统一加热
(4) 可避免物料受到过度热处理
(5) 能处理含80%以上的固体的物料
(6) 设备污染最小
(7) 减少产品营养色泽和风味的损失

2、 缺点
(1) 过程依靠产品的传导性对产品加热
(2) 不能用于脂肪、油、酒精、骨或冰的处理
(3) 必须仔细控制产品配方以控制电阻
(4) 生产设备的设计必须针对具体产品
(5) 一些食物可能要求热或化学的再处理过程以便改变其传导性
(6) 必须控制产品流速和温度以保证杀死微生物

加工范畴
(一) 加工物料特性
1、电热加热适用性由食品物料的电导率来决定
2、大多数能用泵输送的、溶解有盐类离子且含水量在30%以上的食品都可用电阻加热来杀菌
3、适于高颗粒密度、高粘度的食品物料的杀菌处理
4、最适合无菌包装产品
5、一些脂肪、糖、油、未添加盐的处理水等非离子化的食品不适用该技术

(二) 加工品种
1、中式调理食品
(1) 粥类
(2) 羹类
2、果蔬类制品
(1)番茄果肉
(2)菠萝碎块
(3)草莓果酱
(4)芒果丁/木瓜丁
(5)热带水果块
(6)桃子/杏子/梨子/苹果等果肉制品
(7) 马铃薯/胡萝卜/蘑菇等块状制品
3、 畜禽类制品
(1) 炖牛肉
(2) 焖鸡肉

与常规热杀菌方法的比较
对于含颗粒流体食品的加热杀菌

(一) 常规热杀菌
1、 热传递方式
  采用热交换器进行间接热交换,其过程速率取决于传导、对流或辐射的换热条件。
  间壁式换热情形,热量首先由加热介质(如水蒸汽)通过间壁传递给食品物料中的液体,然后靠液体与固体颗粒之间的对流和传导传给固体颗粒,最后是固体颗粒内部的传导传热,使全部物料达到所要求的杀菌温度。
  热传递速度慢且加热不平衡。
2、 加热效果
  要使固体颗粒内部达到杀菌温度,其周围液体部分必须过热,这势必导致含颗粒食品杀菌后质地软烂、外形改变,影响产品品质。

(二) 電热杀菌
1、 热传递方式
  将流体与颗粒同时施以电流,若两者的导电特性相似,则两者同时快速生热且加热程度相当均匀。
  颗粒加热速率远远高于常规方法。
2、加热效果
  目的产品在加热时没有经历大的温度梯度且液体与颗粒同时被加热,因此加工时间短,产品品质高,能使产品在高温处理后仍保持完好的颗粒形状。
  加热表面不燃烧,加热期间产品不许搅动,液体载体不需过分加热以加热颗粒和颗粒受热均匀。

电热杀菌的作用机理
电热灭菌可将液状食品中的大肠杆菌、酵母菌、芽孢杆菌杀灭,其杀菌机理主要是:

1、 利用电流通过食品时,食品中的极性分子在电极极性的高频变化下,不断地旋转摩擦而产生热量,达到杀死活菌体的作用;

2、 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胞膜的破坏而灭菌。

影响杀菌效果的因素
1、 产品的组成分
2、 产品的耐电性及其随温度的变化情况
3、 产品流速
4、 产品温度
5、 加热周期

相关设备和装置
(一) 电热加热器
(二) 小型电热杀菌生产线

工艺控制的关键因素
1、确定和控制产品具体的耐电性及它随温度的变化
2、产品的流速对产品的加热是关键
3、在欧姆加热器中产热速率和加热周期是主要困素
4、应该由有知识经验的人建立操作程序
5、应该保持严格控制的方面:产品配方、流速、在加热器中的产品温度,以及其它关键控制点

非 热 杀 菌
化学杀菌技术
(一)基本概念
  主要是指在食品中通过添加抑菌剂和防腐剂,从而达到抑菌或杀菌的目的。

(二)工艺特点
1、优点
(1) 易于操作、控制
(2) 杀菌效果好
(3) 成本较低
2、缺点
(1) 在使用中易受水分、温度、pH值和机体环境等因素的影响,作用效果变化较大
(2) 食品中残留的化学试剂多次使用可能使菌体产生抗体
(3) 残留的化学试剂会影响食品的自然风味和质构


生物杀菌
(一) 基本概念
生物杀菌剂是指从植物、动物和微生物代谢产物中提取的物质。生物杀菌通过生物制剂对食品原料或产品中微生物的作用,达到抑菌或杀菌的目的。

(二) 工艺特点
1、 有很强的抑菌和杀菌作用
2、 防治位点多
3、 高效低毒、无残留
4、 药效持久、不易生产抗性
5、 使用安全

化学药剂的杀菌原理

1、 改变细胞膜通透性
  表面活性剂(Surface-active agent)、酚类及醇类可导致胞浆膜结构紊乱并干扰其正常功能,使小分子代谢物质溢出胞外,影响细胞传递活性和能量代谢。甚至引起细胞破裂。
2、导致微生物蛋白变性或凝固
  酸、碱和醇类等有机溶剂可改变蛋白构型而拢乱多肽链的折叠方式,造成蛋白变性。如乙醇、大多数重金属盐、氧化剂、醛类、染料和酸碱等。
3、改变蛋白与核酸功能基团的因子
  作用于细菌胞内酶的功能基(如SH基)而改变或抑制其活性。如某些氧化剂和重金属盐类能与细菌的-SH基结合并使之失去活性。

生物制剂的杀菌原理

1、 抑制细菌细胞壁的合成
2、 影响细菌细胞膜的通透性
3、 抑制菌体蛋白质的合成
4、 抑制细菌核酸合成

常用的化学杀菌剂种类
1、 卤素类杀菌剂
2、 氧化剂类杀菌剂
3、 表面活性剂类杀菌剂
4、 杂环类气体杀菌剂
5、 醇类杀菌剂
6、 洗必太杀菌剂

影响杀菌效果的因素
1、 物料的干净度
2、 杀菌剂的浓度、性质
3、 物料与杀菌剂的作用时间
4、 温度、湿度、pH值
5、 微生物的种类、数量和生活状态
6、 环境因素
7、 化学拮抗物

理想的杀菌剂的特性
1、 具有广普的杀菌效力
2、 不受有机物的影响,穿透力好
3、 无腐蚀性、毒性或刺激性,不伤器物
4、 作用快,且性质稳定
5、 有持续抑菌作用
6、 价格合理

微生物抑制剂
1、 概念
  是根据动物对病原菌入侵时的机体反应产生抗生素而发展起来的一种新型抑菌技术。
2、 作用机理
  MBA是能抑制微生物表面形成可与机体组织产生吸附作用的特殊因子,还能与生物上皮组织中的组织结合位点竞争性结合,通过这种双重作用方式,机体表面的微生物被排斥。
3、种类和用途
(1) 乳酸链球菌素
  可用于罐装食品、植物蛋白食品以及乳、肉制品
(2) 纳他霉素
  可用于乳酪、肉制品、肉汤、西式火腿、广式月饼、糕点表面、果汁原浆表面、易发霉食品、加工器皿表面等的防霉

抗生酶杀菌
1、 概念
  抗微生物酶的主要有效成分是溶菌酶(Lz),它们可抑制格兰氏阳性菌。
2、 作用机理
  破坏细菌的细胞膜。
3、用途
  乳制品、肉制品及果蔬制品

植物天然抗菌素杀菌
1、 植物抗毒素类
2、 酚类
3、 有机酸类
4、 精油类

紫外线杀菌技术概念
紫外线杀菌技术是利用紫外线照射物质,使物体表面的微生物细胞内核蛋白分子构造发生变化而引起死亡。

紫外线照射发展概况
由于紫外线穿透性差,一般情况下紫外照射主要用作食品工厂车间、设备、包装材料的表面以及水杀菌。另外紫外线照射也可以结合其它一些强氧化剂如臭氧、过氧化氢等处理来进行杀菌。近年来紫外线用于透明液体的杀菌获得发展,紫外线照射在果蔬汁中的应用也引起了重视。

2000年11月,美国FDA批准了California Day-Fresh Foods公司和Salcor公司将紫外线用于果蔬汁杀菌的申请,修改了21CFR179食品添加剂法规,允许紫外线照射可以用于果蔬汁饮料产品的消毒,规定紫外线的产生是采用低压汞灯,90%以上的光波长是2537nm,湍流的Reynolds数不低于2200。

紫外线的特性
(一) 波长

1、 长波段(3200~4000nm)
2、 中波段(2750~3200nm)
3、 短波段(1800~2750nm)
  其中,处于240~280nm区段的紫外线杀菌力较强,而最强的波长为250~265nm,多以253.7nm作为紫外线杀菌的波长。

(二) 传播性质

1、 紫外线进行直线传播
2、 紫外光强度与距离的平方成比例减弱
3、 可被不同的表面反射,穿透力弱

紫外线照射杀菌原理
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、酯的化学变化,使细胞质变性,同时空气受紫外线照射后产生微量臭氧,共同杀菌作用,从而导致微生物的死亡。

紫外线杀菌设备和装置
1、 紫外线杀菌灯管(北京达孚医用制品有限公司、北京亚北现代仪器设备科技公司)
2、 紫外线高压汞灯(北京亚明电光源发展公司、中国厦门仪器仪表公司经营部)
3、 紫外线强度检测仪(北京达孚医用制品有限公司)
4、 紫外线反射仪(北京国营科普仪器厂)
5、 紫外线检测器(北京国营科普仪器厂)
6、 单门紫外线消毒箱(北京利达世通贸易有限公司)
7、 双门紫外线消毒箱(北京利达世通贸易有限公司)
8、 紫外线杀菌器(北京市东升玻璃光源厂)
9、 家用紫外线净水器(北京市东升玻璃光源厂)
10、 紫外线杀菌车(北京市东升玻璃光源厂)
11、 紫外线消毒监控仪(中国兵器工业总公司)

紫外线杀菌工艺特点
1、 优点
(1) 操作简便
(2) 系统价格比其他杀菌系统低
2、 缺点
(1) 只能用于透明液体薄膜的表面系统杀菌
(2) 紫外线必须穿透进入产品,接触到要杀灭的微生物体上,且施与足够的能量

紫外线杀菌操作控制
1、 紫外线使微生物失活必需的剂量是由时间和强度来决定
2、 对天然的紫外光、流速、混浊度、产品性质和灯输出需要连续监控
3、 紫外线的杀菌力,随使用时间增加而减退,一般使用时间达到额定时间70%时应更换紫外线灯管,以保证杀菌效果。
4、 紫外线的杀菌作用随菌种不同而不同,杀霉菌的照射量要比杀杆菌大40~ 50倍
5、 紫外线照射通常按相对湿度为60%的基础设计,室内湿度增加时,照射量应相应增加
6、 紫外线灭菌效果与照射的时间长短有关,这需要通过验证来确定照射时间
7、 紫外照射灯的安装形式及高度,应根据实际情况,参考使用说明决定

紫外线杀菌应用范围
1、 空气和物体表面消毒
2、 透明液体的巴氏消毒

紫外线杀菌影响因素
1、 产品的透性
2、 反应器的几何结构和功率
3、 紫外线的波长
4、 产品的流经状态
5、 紫外线照射路径长度

超高静压杀菌技术
概念
食品的超高静压(UHP或HHP)处理技术是指将密封于弹性容器内的食品置于水或其它液体作为传压介质的压力系统中,经100MPa以上的压力处理,以达到杀菌,灭酶和改善食品的功能特性等作用。

超高压处理通常在室温或较低的温度下进行,在一定高压下食品蛋白质变性、淀粉糊化、酶失活,生命停止活动,细菌等微生物被杀死。

超高压杀菌技术发展概况
19世纪末--Tamman采用300MPa的压力来测定固液相的变化现象,开启了高压技术之门,遂被尊称为"超高压之母";Bridgman继续这方面的研究,成就非凡,获得了1946年诺贝尔物理奖,并被尊称为"超高压之父"。而关于高静压在食品保藏中的应用研究最早是由Hite(1899)提出的,但他的工作成果并未受到大量重视。此后的几十年间,绝大多数关于高压对完整细胞作用效果的研究报告,多将重点放在自然高压条件下的微生物身上。

从1895年到1965年,共有29种微生物被选作超高压杀菌的对象菌。直到八十年代中后期,高压处理技术在食品中的应用才开始引人注目。1986年,日本京都大学林力丸教授率先发表了用高静压处理食品的报告,引起日本食品工业界、学术界的高度重视。1990年4月,明治屋公司首创的采用高压代替加热杀菌而生产的果酱(High Pressure Jam)投放市场,制品无需热杀菌即可达到一定的保质期,且由于其具有鲜果的色泽、风味和口感而倍受消费者青睐。目前,日本在该领域的研究仍处于世界领先地位。成套的超高压处理设备业已面市。

从1986年起,日本每年都专门召开有关高压技术应用的学术研讨会。欧洲亦在1992年10月于法国召开首次有关高压技术应用于食品工业的会议,欧共体随即贷款资助高压食品开发的多国联合研究计划。美国食品最高学术权威组织IFT在专题报告中,将高压食品开发列入21世纪美国食品工程的主要研究项目。我国的国家食品工业发展计划也将高压杀菌作为九十年代十六项重点开发技术之一。

压力对微生物的影响
在高压下,会使蛋白质和酶发生变性,微生物细胞核膜被压成许多小碎片和原生质等一起变成糊状,这种不可逆的变化即可造成微生物死亡。

影响微生物对压力抵抗能力的其它因素
1、 微生物种类
2、 细胞形态
3、 食品介质种类和性状
4、 加压温度
5、 加压时间
6、 压力大小
7、 加压模式
8、 压力与其他杀菌技术的协同作用

高压下微生物灭活的动力学
微生物的死亡遵循一级反应动力学

压设备制造商
1、 美国--Flow International Corp. 公司
2、 法国--Alstom公司
3、 日本--Kobelco (Kobe Steel Ltd.)公司
4、 荷兰--Stork Food & Dairy Systems B. V. 公司
5、 瑞典--ABB公司

1、 超高压杀菌机
设备特点 Characteristics

超高压杀菌机的杀菌原理是利用超高压破坏霉菌、细菌的组织从而保持食品鲜度。完全没有加热、添加防腐剂等传统的杀菌方法引起食品营养降低、香味丧失的缺点。

本装置为批量式、加压槽采用连续方式,是一种高效率的大品量生产方式。

超高静压杀菌技术的工艺控制
工艺特点
(一) 优点
1、 处理过程中不加热,食物保持新鲜
2、 处理过程能应用在最终包装的产品
3、 对液体食品过程能作为无菌过程的一部分被应用
4、 酶活力可以停止

(二) 缺点
1、 高压导致蛋白质凝胶化,由于细胞壁破裂,酶活力可能增加
2、 可引起蛋白质凝胶、注释及膨胀
3、 引起食物组织内变化
4、 设备的初装费高
5、 细菌的孢子、霉菌和酵母可能要求不同高压须消灭时间长

操作控制
1、超高压处理要求非常特殊的设备,如桔子汁可能在压力室内批处理,然后无菌灌装预先消毒的包装内。
2、超高压加工必须考虑微生物的种类、产品特性、理想的过程(巴氏杀菌或商业消毒)和产品销售方式。
3、超高压处理对生长的细菌、酵母和霉菌是非常有效,但芽胞对高压不会失活,而要另外加热或其他一些作用以达杀死的高水平。

超高静压杀菌技术的应用

技术优势
1、 能在常温或较低温度下达到杀菌,灭酶的作用,与传统的热处理相比,减少了由于高热处理引起的食品营养成分和色、香、味的损失或劣化
2、 由于传压速度快,均匀,不存在压力梯度,超高压处理不受食品的大小和形状的影响,使得超高压处理过程较为简单
3、 耗能较少,处理过程中只需要在升压阶段以液压式高压泵加压,而恒压和降压阶段则不需要输入能量

应用领域
天然果汁、果酱、饮料、豆奶、酸奶、畜禽肉糜制品、水产品等

脉冲电场(PEF)杀菌技术
概念
脉冲电场杀菌是将食品置于两个电极间产生的瞬间高压电场中,由于高压电脉冲能破坏细菌的细胞膜,改变其通透性,从而杀死细胞。

发展概况
早在1879年Cohn和Mendelsohn就发现溶液中的电场能杀灭细菌。近年来随着电子加工技术的发展,逐步开展了对脉冲电场技术灭菌效果的深入研究。目前正由中试实验向商品化实验过度,该研究主要在美国俄亥俄洲立大学。脉冲电场技术可在低于40的条件下实现对液体物料的灭菌。在连续操作的情况下,能较好的杀灭大肠杆菌、啤酒酵母和金黄色葡萄球菌等。

在食品中杀灭微生物的高强度脉冲电子场已在世界许多国家开始研究。在美国领先的工业公司之一,纯脉冲技术公司,如加里弗尼亚的San Diego已提交资料给FDA以支持他们用PEF对液体及灌制食品进行微生物处理。FDA审查过这份资料以后,决定食品添加剂法规不需要PEF,只要遵守良好的操作规范的要求,用高强度脉冲电子场处理任何食品中未发现有品质的变化。

有关杀菌机理的假说
1、 细胞膜穿孔效应
2、 电磁机制模型
3、 粘弹极性形成模型
4、 电解产物效应
5、 O3效应

杀菌作用的基本原理

1.场的作用
  脉冲电场产生磁场,这种脉冲电场和脉冲磁场交替作用,使细胞膜透性增加,振荡加剧,膜强度减弱,因而膜被破坏,膜内物质容易流出,膜外物质容易渗入,细胞膜的保护作用减弱甚至消失。

2、电离作用
  电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用,因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行;同时,液体介质电离产生O3的强烈氧化作用,能与细胞内物质发生一系列反应。

  通过以上2种作用的联合进行,杀死菌体。

脉冲电场的产生方法
1、 利用LC振荡电路原理
  先用高压电源对一组电容器进行充电,将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连,电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波即加在两个电极上形成高压脉冲电场。

2、 利用特定的高频高压变压器
  得到持续的高压脉冲电场。

设备装置


工艺特点
(一) 优点
1、 消灭大量致病菌和腐败有机体
2、 产品中只有轻微的温度升高
3、 与热处理比较价格较低
4、 产品没有变化,维生素和酶无损失
(二) 缺点
1、 对孢子需要高剂量和长时间
2、 只能用于液体或灌制食品
3、 只能用于货架稳定酸性食品和冰箱食品
4、 必须对每一种具体的产品设计过程

影响杀菌效果的因素
1、 食品特性
2、 电子场峰强度(KV/cm)
3、 脉冲周期(微秒)
4、 脉冲数量
5、 最初温度和最高处理温度
6、 有关微生物种类和微生物接种

工艺参数

1、 杀菌用的高压脉冲电场强度一般为15~100kV/cm
2、 脉冲频率为1~100kHz
3、 放电频率为1~20kHz

脉冲电场杀菌技术的应用
技术特点
1、 杀菌时间短,处理过程中的能量消耗远小于热处理法
2、 由于在常温、常压下进行,处理后的食品与新鲜食品相比在物理性质、化学性质、营养成分上改变很小,风味、滋味无感觉出来的差异。
3、 杀菌效果明显(N/No<10-9),可达到商业无菌的要求
4、 杀菌时间非常短,不足1min,通常是几十微秒便可以完成


振磁杀菌(振动磁场杀菌技术)

基本概念
磁力杀菌采用6000的磁力强度,将食品放在N极与S极之间,经过连续摆动,不需加热,即可达到100%的杀菌效果,对食品的成分和风味无任何影响。

技术特点
1、 不需加热
2、 具有广谱杀菌作用
3、 经处理后的食品,其风味和品质不受影响

应用领域
主要适用于各种饮料、流质食品、调味品及其他各种包装的固体食品


辐照杀菌
食品辐照的意义及其特点
(一) 基本概念
  食品辐照是指利用射线照射食品(包括原材料),延迟新鲜食物某些生理过程(发芽和成熟)的发展,或对食品进行杀虫、消毒、杀菌、防霉等处理,达到延长保藏时间,稳定、提高食品质量目的的操作过程。

(二) 技术特点
1、 可以在常温或低温下进行,处理过程食品温升很小,有利于维持食品的质量;
2、 射线(如γ-射线)的穿透力强,可以在包装下及不解冻情况下辐照食品,杀灭深藏在食品内部的害虫、寄生虫和微生物;
3、 辐照过的食品不会留下任何残留物;
4、 和食品冷冻保藏等方法相比,辐照保藏方法能节约能源;
5、 可以改进某些食品的工艺和质量;
6、 需要较大投资及专门设备来产生辐射线(辐射源)并提供安全防护措施,保证辐射线不泄露;
7、 对不同产品及不同辐照目的要选择控制好合适的辐照剂量,才能获得最佳的经济效应和社会效益。
8、 辐照食品标签上要加以标注。


国内外食品辐照的进展
(一) 国外
1896年--明克(Minck)经实验证实X-射线对原生虫有致死作用。
1921年--斯彻瓦特日(Schwatz)使用X-射线杀死肉中的旋毛虫(Trichinella Spiralis)并获得美国专利。
1930年--乌斯特(Wüst)证实"所有食品包装在密封金属罐中,再用强力伦琴射线照射可杀灭所有细菌",并获得法国专利。
第二次世界大战结束后--随着放射性同位素的大量应用和电子加速器等机械辐射源的问世,促进了射线处理食品的发展。
1953年--艾森豪威尔(Eisehower)促使美国军方深入研究食品辐照。
1957年--美国军方负责,为期5年的辐照食品研究计划启动,投入了大量人力、物力。
1960年--在美国军队开始试用辐照食品。
1963年--在美国军方Natick实验室举行首次辐照食品国际会议。
1965年--加拿大建立起世界最大的马铃薯辐照工厂。
1970年--FAO/IAEA/WHO的专家在日内瓦会议上确立食品辐照领域的国际计划(IFIP)。
1976年--联合国粮农组织认为五种辐照产品(即马铃薯、小麦、鸡肉、木瓜和草莓)是绝对安全的。
1978年--世界用于辐照消毒灭菌的60Co工厂有80家(其中60家用于医疗消毒)。
1980年--FAO/IAEA/WHO的会议认为,受辐照食品平均吸收剂量10千戈瑞(kGy)及以下,没有毒性危害,无必要再进行毒性试验。
1988年--世界用于辐照消毒灭菌的60Co工厂发展到182家,全世界辐照食品产量约50万吨。
1997年以后--WHO进一步废除10 kGy的上限量,国际食品法规委员会(CAC)相继提出辐照食品的通用标准及法规,

(二) 国内
1958年--开始食品辐照研究工作。
七十年代中期--国内多个地区相继进行辐照保藏食品的研究,辐照品种有肉类、水产品、水果、干果、蔬菜、粮食、蛋类等。
八十年代--食品辐照已进入一定规模的生产阶段
九十年代初--我国建成辐照装置近150多台,其中设计装机能量1.11×1016贝可以上的装置超过50座。
1984年~1997年--国家卫生部颁布的食品辐照卫生标准基本覆盖了绝大部份食品。
我国食品辐照不仅用于保藏、防疫、医疗等目的,而且已用于提高产品质量等加工目的。

放射性同位素与辐射
1、 原子
2、 同位素
  一种元素的原子中其中子数(N)并不完全相同,若原子具有同一质子数(Z)而中子数(N)不同就称为同一元素的同位素。
3、 放射性同位素
  不稳定同位素衰变过程中伴有各种辐射线产生,这些不稳定同位素称为放射性同位素。
4、 辐射
  放射性同位素能放射出α、β(β+及β-)和γ射线,其过程称为辐射。
(1) α射线(或称α粒子):是从原子核中射出带正电的高速粒子流(带正电荷原子核);
(2) β射线:是从原子核中射出的高速电子流(或正电子流);
(3) γ射线:是波长非常短(波长1~0.001nm)的电磁波束(或称光子流)
5、 电离辐射
  是指α、β、γ等射线的辐射作用,其结果能使被辐射(辐照)物质产生电离。
6、 α(β或γ)衰变
  是指原子核放射出α粒子(β粒子或光子)。

辐照量单位与剂量测量
(一)放射性强度与放射性比度
1、放射性强度
  又称放射性活度,是度量放射性强弱的物理量。
  曾采用的单位有:
(1) 居里(Curie简写Ci)
  若放射性同位素每秒有3.7×1010次核衰变,则它的放射性强度为1居里(Ci)。
(2) 贝可勒尔(Becqurel,简称贝可Bq)
  1贝可表示放射性同位素每秒有一个原子核衰变。
(3) 克镭当量
  放射γ射线的放射性同位素(即γ辐射源)和1克镭(密封在0.5mm厚铂滤片内)在同样条件下所起的电离作用相等时,其放射性强度就称为1克镭当量。
2、放射性比度
  将一个化合物或元素中的放射性同位素的浓度称为"放射性比度",也用以表示单位数量的物质的放射性强度。

(二)照射量
  照射量(Exposure)是用来度量X射线或γ射线在空气中电离能力的物理量。
  使用的单位有:
(1) 伦琴(Roentgen,简写R)
(2) SI库仑/千克(C·kg-1)

(三)吸收剂量
1、吸收剂量单位
(1) 吸收剂量
  被照射物质所吸收的射线的能量称为吸收剂量,其单位有:
(1) 拉德(rad)
(2) 戈瑞(Gray,简称Gy)。
(2)剂量率
  是指单位质量被照射物质在单位时间内所吸收的能量。
(3)剂量当量
  是用来度量不同类型的辐照所引起的不同的生物学效应,其单位为希(沃特)(Sv)。
(4)剂量当量率
  是指单位时间内的剂量当量,单位为Sv·s-1或Sv·h-1。
2、吸收剂量测量
(1) 国家基准--采用Frickle剂量计(硫酸亚铁剂量计)
(2) 国家传递标准剂量测量体系--丙氨酸/ESR剂量计(属自由基型固体剂量计),硫酸铈-亚铈剂量计,重铬酸钾(银)-高氯酸剂量计,重铬酸银剂量计等
(3)常规剂量计--无色透明或红色有机玻璃片(聚甲基丙烯酸甲酯),三醋酸纤维素,基质为尼龙或PVC的含有隐色染料的辐照显色薄膜等



辐射源与食品辐照装置
(一)辐射源
1、放射性同位素
(1) 钴-60(60Co)辐射源
(2) 铯-137(137Cs)辐射源
2、电子加速器
是用电磁场使电子获得较高能量,将电能转变成射线(高能电子射线,X射线)的装置。
(1)电子射线
  电子射线又称电子流、电子束,其能量越高,穿透能力就越强。
电子加速器的电子密度大,电子束(射线)射程短,穿透能力差,一般适用于食品表层的辐照。
(2)X射线
  加速器产生的高能电子打击在重金属靶子上会产生能量从零到入射电子能量的X射线。

(二)防护设备
  常用于防护设备的材料有:
1、 铅--铅容器可以用来储存辐射源
2、 钢材--容器和设备的结构骨架
3、 铁--用于制作防护门,铁钩和盖板等。
4、 水--将辐射源(如60Co、137Cs等)储存在深井内
5、 混凝土墙--既是建筑结构又是屏蔽物

(三)输送与安全系统
  工业用食品辐照装置是以辐射源为核心,并配有严格的安全防护设施和自动输送、报警系统。所有的运转设备、自动控制、报警与安全系统必须组合得极其严密。

食品辐照的物理学效应
(一) α射线和γ射线与物质的作用
1、 光子
2、 光电子
3、 康普顿散射

(二)电子射线的作用
1、 库仑散射
2、 轫致辐射
3、 契连科夫(Cerenkov)效应

食品辐照的化学效应
(二) 蛋白质和酶
1、 导致某些蛋白质中二硫键、氢键、盐键和醚键等的断裂
2、 促使蛋白质的一级结构发生变化
3、 发生脱氨基作用、脱羧作用和氧化作用
4、 蛋白质水溶液经射线照射会发生辐照交联
5、 多数食品酶对辐射效果有很大的阻力,有助于酶制剂的辐照处理。
(三)糖类
1、 纯态糖类经辐照后发现有明显的降解作用和辐解产物形成
2、 混合物的降解效应通常比单个组分的辐解效应小。
(四)脂类
  主要是辐照诱导自氧化产物和非氧化的辐照产物,因而饱和脂肪酸比较稳定,不饱和脂肪酸容易氧化,出现脱羧、氢化、脱氨等作用。
(五)维生素
1、 脂溶性维生素
(1) 最敏感:维生素A和E
(2) 稳定:维生素D
2、 水溶性维生素
(1)最敏感:维生素B1和C
  维生素辐照损失数量受剂量、温度、氧气存在与食品类型等影响。一般来说,在无氧或低温条件下辐照可减少食品中任何维生素的损失。
(六)食品包装材料
  辐照巴氏灭菌条件下(10~30kGy),所有用于包装食品的薄膜的性质基本上未受到影响,对食品安全也未构成危害。

食品辐照的生物学效应
食品辐照的生物学效应与生物机体内的化学变化有关,不同物质达到各种生物效应所必需的剂量各有不同。
(一)微生物
  辐照保藏主要是直接控制或杀灭食品中的腐败性微生物及致病微生物。
  电离辐射杀灭微生物一般以杀灭90%微生物所需的剂量(Gy)来表示,即残存微生物数下降到原菌数10%时所需用的Gy剂量,并用D10值来表示。
1、细菌
2、酵母与霉菌
3、病毒

(二)虫类
1、昆虫
2、寄生虫

(三)果蔬
1、 抑制呼吸高峰
2、 改变果蔬中的化学成分
3、 影响新鲜蔬菜代谢反应
4、 抑制发芽

食品辐照的应用
根据食品辐照应用的目的和所需剂量进行分类:

辐照在食品上的应用

1、耐藏辐照(Radurization)
  这种辐照处理主要目的是降低食品中腐败微生物及其它生物数量,延长新鲜食品的后熟期及保藏期(如抑制发芽等)。一般剂量在5kGy以下。

2、辐照巴氏杀菌(Radicidaton)
  这种辐照处理使食品中检测不出特定的无芽孢的致病菌(如沙门氏菌)。所使用的辐照剂量范围为5~10kGy。

3、辐照阿氏杀菌(Radappertization)
  所使用的辐照剂量可以将食品中的微生物减少到零或有限个数。经过这种辐照处理后,食品在无再污染条件下可在正常条件下达到一定的贮存期,剂量范围大于10kGy。

食品辐照工艺
(一)食品辐照保藏
1、果蔬类
(1) 目的
防止微生物的腐败作用
控制害虫感染及蔓延
延缓后熟期、防止老化。
(2) 剂量的选定
(3) 与其它保藏手段协同处理
2、粮食类
  主要目的是避免或减少由于昆虫的危害和霉菌活动导致的霉烂变质,即杀虫灭霉。
3、畜、禽肉及水产类
  通常需要与热处理或低温协同作用。
4、香辛料和调味品
  辐照处理既能控制昆虫的侵害,又能减少微生物的数量,保证原料的质量,避免热处理和化学处理等传统方法所带来的不良影响。
5、蛋类
  蛋类辐照主要采用辐照巴氏杀菌剂量,以杀灭沙门氏菌为对象。

(二)辐照改变食品品质
1、 黄豆:减少发芽后的肠内胀气因子
2、 小麦:改善面粉品质
3、 葡萄:出汁率
4、 脱水蔬菜:大大缩短复水时间
5、 白酒:辐照陈化

(三)辐照的其它应用
  食品辐照的另一重要应用是对果蔬的检疫处理。

影响食品辐照效果的因素
(一)辐照剂量
1、 辐照目的
2、 辐照品种
3、 辐照源的强度
4、 食品的辐照物理化学效应
5、 剂量率
6、 安全防护设备

(二)食品接受辐照时的状态
1、 食品种类
2、 食品化学组成分及组织结构
3、 食品生长发育阶段、成熟状况、呼吸代谢的快慢
4、 污染的微生物、虫害等种类与数量

(三)辐照过程环境条件
1、 氧气
2、 温度

(四)辐照与其它保藏方法的协同作用
1、 低温下辐照
2、 添加自由基清除剂
3、 使用辐照增敏剂
4、 与其它保藏方法并用
5、 选择适宜的辐照装置。

辐照食品的安全性
(一) 安全性试验和评价涉及的学科领域
1、 毒理学
2、 营养学
3、 微生物学

(二) 结论
1、 世界卫生组织(WHO)
(1) 辐照不会导致对人类健康有不利影响的食品成分的毒性变化;
(2) 辐照食品不会增加微生物学的危害;
(3) 辐照食品不会导致人们营养供给的损失
2、 联合国粮农组织、国际原子能机构与世界卫生组织联席会议
在正常的辐照剂量下进行辐照的食品是安全的

辐照食品的管理法规
(一) 国际上
1、 1983年,FAO/WHO国际食品法规委员会采纳了"辐照食品的规范通用标准(世界范围标准)"和"食品处理辐照装置运行经验推荐规范"。
2、 1984年,食品辐照国际咨询小组(ICGFI)成立

(二) 国内
1、 GB10252-88辐射加工用60Co装置的辐射防护规定
2、 GB8703-88辐射防护规定
3、 GB14891,1~GB14891,10-94辐照食品标准
4、 1996年,卫生部发布了"辐照食品卫生管理办法"



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