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现代高新灭菌技术及其在食品工业中的应用研究  

2010-04-25 12:48:09|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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食品腐败变质的一个主要原因是腐败微生物活动的结果,是当前食品安全关注的焦点问题之一,不仅造成巨大的经济损失,而且威胁到人们的生命健康。因此,以杀灭微生物为目标的灭菌技术,一直是食品行业共同关注的问题。传统的热力灭菌会不同程度地破坏一些热敏性物料,如食品的营养成分和某些特性(包括口感、色泽和香味等)。为了保持食品的营养和最大限度地维持食品的色、香、味等品质,新型的灭菌技术不断得到开发应用。
     本文分析了超高压灭菌、臭氧灭菌、超声波灭菌、辐照灭菌、脉冲电场灭菌、磁力灭菌等技术的作用原理、优点、缺点和适用对象,介绍了这些技术在不同食品的应用现状,并对灭菌技术的发展趋势进行了展望,旨在为提高食品安全和保持食品营养的研究提供借鉴。
     1超高压灭菌技术(UHP)
     1.1作用原理
     超高压灭菌(UHP)技术,就是在密闭容器内,用水作为介质对软包装食品等物料施以400~600MPa的压力,从而杀死其中几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌,而且不会像高温杀菌那样造成营养成分破坏和风味变化。超高压灭菌的机理是通过破坏菌体蛋白中的非共价键,使蛋白质高级结构破坏,从而导致蛋白质凝固及酶失活。超高压还可造成菌体细胞膜破裂,使菌体内化学组分产生外流等多种细胞损伤,这些因素综合作用导致了微生物死亡。
     1.2作用特点
     超高压技术不仅能杀灭微生物,而且能使淀粉成糊状、蛋白质成胶凝状,获得与加热处理不一样的食品风味〔1〕。超高压技术采用液态介质进行处理,易实现杀菌均匀、瞬时、高效。
     但是,UHP技术对杀灭芽孢效果似乎不太理想,在绿茶茶汤中接种耐热细菌芽孢后,采用室温和400MPa静水高压处理,不能杀灭这些芽孢。另一方面,由于糖和盐对微生物的保护作用,在粘度非常大的高浓度糖溶液中,超高压灭菌效果并不明显。由于处理过程压力很高,食品中压敏性成分会受到不同程度的破坏。其过高的压力使得能耗增加,对设备要求过高。而且,超高压装置需要较高的投入,尚须解决其高成本的问题,不利于工业化推广。
     另外,超高压灭菌一般采用水作为为压力介质,当压力超过600MPa时,水会出现临界冰的现象,因而只能使用油等其他物质作为压力介质。超高压灭菌的效果受多种因素的影响,如微生物种类、细胞形态、温度、时间、压力大小等。
     1.3应用
     目前,国外超高压灭菌已在果蔬、酸奶、果酱、乳制品、水产品、蛋制品等生产中有了一定的应用。在每cm2的肉食上施加大约6t重的压力进行高压灭菌。结果,其味跟原来一样,色泽也比原先更好看。日本明治屋食品公司将草莓、苹果和猕猴桃等果酱经软包装后在400~600MPa、10~30min条件下灭菌,产品的色泽和风味不变,并保持了水果原有的口感,VC的保留率较高。
     高压技术和其它技术相结合,能更有效杀灭微生物,破坏酶,延长货架寿命〔2〕。利用高压CO2和高压技术相结合方法处理胡萝卜汁,使用4.9MPaCO2和300MPa高静水压结合处理,可使需氧菌完全失活,多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果胶甲酯酶残留活性分别低于11.3%、8.3%、35.1%。
     2臭氧灭菌技术
     2.1作用原理
     臭氧是一种强氧化剂,在常温下能自行降解产生大量的自由基,最显著的是氢氧根自由基,因而具有强氧化性。同时,臭氧又是一种良好的灭菌剂〔3〕。需要特别强调的是,臭氧在消毒、灭菌过程中仅产生无毒的氧化物,多余的臭氧最终还原成为氧,不存在残留物,没有任何遗留污染的问题,可直接用于食品的消毒、灭菌。 

     2.2作用特点
     臭氧是一种在室温和冷冻温度下存在的淡紫色的、有特殊鱼腥味的气体,它在水中部分溶解,且随着温度的降低而溶解度增加〔4〕。臭氧灭菌技术安全无毒、无污染。
     2.3应用
     臭氧灭菌技术的应用目前主要有两方面:第一是在空气处理方面的应用;第二为水处理,通过臭氧水对其他食品和食品原料进行灭菌。在美国,臭氧已被批准用于饮用水的处理和作为饮用水工厂处理微生物的消毒剂。在欧洲,臭氧用于食品工业也有近一个世纪的历史。如利用臭氧来延长储藏物的储藏期和对果蔬表面进行消毒,这一切都表明臭氧是一种强有力的消毒剂。美国和日本等国家用臭氧和静电电晕放电产生的离子雾结合处理食品,杀菌速度快、对营养成分无不良影响,可保持食品原有的色、香、味。
     3超声波灭菌技术
     3.1作用原理
     超声波是频率大于20KHz以上的声波,是一种机械振动在媒质中的传播过程。其作用原理是,当超声波强度超过某一空化阀值时,在液体中产生空化现象,即液体中微小的泡核在超声作用下被激活,它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。空化泡绝热收缩及崩溃的瞬间,产生强大冲击波,使细菌或病毒丧失毒力,甚至会使细菌形态结构破裂和溶解,从而起到杀菌作用。
     3.2作用特点
     由于其频率高、波长短、方向性好、功率大、穿透力强,能引起空化作用和一系列的特殊效应,如热学效应、生物效应等。超声波灭菌不仅不会改变食品的色、香、味,而且不会破坏食品的组成成分。如果把超声波和其它非加热灭菌工艺结合起来,比如采用超声-激光或超声-磁化联合杀菌,则效果更佳。
     3.3应用
     超声波灭菌技术已在美、日、欧洲等发达国家和地区获得了普遍应用,在我国,已受到食品行业极大的关注。超声波灭菌适合于果蔬汁饮料、酒类、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品。
     研究表明〔5〕,超声波对酱油累计灭菌时间达到4min时,酱油的指标合格。由于绿茶汤在室温放置5d后会明显的发生褐变,茶汤的透明性大为降低。在采用微波和超声波对茶汤进行灭菌比较后,以超声波灭菌的茶汤颜色变化最少〔6〕、透明性好,茶汤中保留的茶多酚也最多,是绿茶灭菌和保护茶多酚尽量不受损失的一种较好的茶汤处理技术。   
     4辐射灭菌技术
     4.1作用原理
     辐射灭菌主要是利用60Co或137Cs发出的γ-射线,其穿透力强,当穿过生命有机体时,使得机体中的水和其它物质发生电离,从而起到杀虫、杀灭微生物的作用〔7〕。
     4.2作用特点
     辐照杀菌的优点是:温度上升变化小;杀菌效果好;可根据需要调整处理剂量;无有害物残留;可在包装状态下进行;可进行连续、大量处理;能准确进行生产控制,过程管理简单。但是,采用放射线杀菌的方法,无疑对环境和操作人员都提出了更严格的要求。
     4.3应用
     早在20世纪50年代就已开始开发这种非热灭菌技术,由于安全性问题等原因,直到1980年,国际原子能组织(IEAE)、世界粮农组织(FAO)、世界卫生组织(WHO)联合专家委员会提出:"对于辐照食品,在实际平均辐照剂量不超过10kGy范围内,不存在放射辐照安全性问题"。据此,世界各国正朝着食品辐照实用化方向迈进。
     至今,已商业化大规模应用辐照法对马铃薯、大蒜粉、热带水果、香辛料、脱水蔬菜、鸡肉等进行灭菌处理。此外,还有不少营养口服液及粉状全营养制品采用该技术进行灭菌。该技术较适用于固态食品或粘稠状液态食品。 
     5脉冲电场灭菌技术
     5.1作用原理
     脉冲电场灭菌是利用在两个电极间产生的瞬时高压,以脉冲电场作用于食品等物料进行灭菌处理。脉冲电场灭菌技术的主要原理是基于细胞结构和液态食品体系间的电学特性差异而进行。当把液态食品作为电解质置于电场中时,食品中微生物的细胞膜在强电场作用下产生不可修复的穿孔或破裂,使组织细胞受损,导致微生物灭活。
     5.2作用特点
     脉冲电场杀菌比起加热处理、辐射处理等有明显的经济优势。脉冲电场灭菌技术特别适用于液态食品的灭菌处理。其特点是:
     灭菌时间短。脉冲电场作为一种新兴的物理灭菌技术,与其它方法相比,具有灭菌时间短、简单、方便、重复性好、效率高等优点。对食品灭菌的处理时间只需几秒就可达到商业无菌要求。
     灭菌过程能耗低。高压脉冲灭菌技术利用的是电能,能耗低,不易造成污染,符合目前能源利用趋势。能有效保存食品的营养成分,适用于热敏性物质。有效杀灭液体中的微生物。目前,高压脉冲电场技术可在低于40℃条件下实现对液体物料灭菌〔8〕。但是,有效灭菌的脉冲电场强度一般≥20kV/cm,而高压装置输出电压瞬时值有限,故电极间隙一般为数mm,脉冲能量限制了电极面积,所以放电处理室容积<50cm3。
     5.3应用
     目前该技术在国际上正处于实验室研究和发展阶段。例如,研究利用脉冲电场处理橘子汁,发现能在微秒级别时间内有效的杀灭其中的微生物及芽孢,而不破坏其中的维生素、蛋白质等营养成分。但运用该技术应综合考虑场强的大小、杀菌时间、微生物的种类等因素,以确定最佳方案。
     6展望
     随着现代科技的发展,新型的灭菌技术不断涌现,如微波灭菌、等离子体灭菌、光脉冲灭菌、磁力灭菌、半导体光催化灭菌、激光灭菌、电阻加热灭菌等技术,本文未能一一介绍。
     综观以上种种灭菌新技术,可以看出,如何充分保留食品营养成分和原有风味、处理时间短、操作温度低、不产生毒性物质、易实现连续生产、灭菌过程能耗低、过程管理简单、适用范围广等,是食品工业灭菌技术研究和生产应用发展的方向。要大力发展具有这些特点的灭菌技术,必须进一步搞清各种现有灭菌技术的机理,充分发挥其高效、低能耗和保持食品营养成分的优势,同时探索上述技术的联合处理,克服单项技术的缺陷,最大限度保持食物的营养,进行食物的复合灭菌,必将成为未来食品工业的灭菌技术研究和应用的重点。

   


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