當今食品領域幾種殺菌技術及設備應用
2018-10-14 11:48:54
食品加工目的之一是保護與保存食品，殺死微生物，鈍化酶類等。食品腐敗變質的主要原因是某些微生物和菌類的存在，每年因此而造成很大的損失，滅菌是食品加工的必經(jīng)工序。然而傳統(tǒng)的熱力滅菌不能將食品中的微生物全部殺滅，特別是一些耐熱的芽孢桿菌；同時加熱會不同程度破壞食品中的營養(yǎng)成分和食品的天然特性。為了更大限度保持食品的天然色、香、味和一些生理活性成分，滿足現(xiàn)代人的生活要求，新型的滅菌技術應運而生，本文主要介紹了當今世界食品領域的殺菌臭氧發(fā)生器新技術及其在我國的發(fā)展應用現(xiàn)狀。
1、微波殺菌技術
微波是一種高頻電磁波，當它在介質內(nèi)部起作用時，水、蛋白質、脂肪、碳水化合物等極性分子受到交變電場的作用而劇烈振蕩，引起強烈的摩擦而產(chǎn)生熱，這就是微波的介電感應加熱效應。這種熱效應也使得微生物內(nèi)的蛋白質、核酸等分子結構改性或失活；高頻的電場也使其膜電位、極性分子結構發(fā)生改變；這些都對微生物產(chǎn)生破壞作用從而起到殺菌作用。利用微波殺菌，處理時間短，容易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不影響原有的風味和營養(yǎng)成分；并由于其穿透性好的特點，可進行包裝后殺菌。
有報導利用2450MHz的微波處理醬油，可以抑制霉菌的生長及殺滅腸道致病菌。用于啤酒的滅菌，取得良好的效果，且使啤酒風味保持良好。用于處理蛋糕、月餅、切片面包和春卷皮，結果表明，這些食品的保鮮期由原來3d－4d，延長到30d。報導微波殺菌與一般加熱滅菌法相比，在一定的溫度下，微波滅菌縮短了細菌和真菌的死亡時間；以枯草芽抱桿菌為材料，微波法的D100為0.65，而對照巴氏法的則為5.5。在相同條件下微波滅菌的致死溫度比常規(guī)加熱滅菌時的低。國外在60、70年代就開始考慮將微波技術應用到鮮奶、啤酒、餅干、面包、豬、牛肉的加工等實際生產(chǎn)中。到90年代，工藝參數(shù)和優(yōu)化已成為研究的熱門課題。
2、高壓殺菌技術
所謂高壓殺菌是指將食品放人液體介質中，加100MPa－1000MPa的壓力作用一段時間后，如同加熱一樣，殺滅食品中的微生物的過程。高壓滅菌通常認為蛋白質在高壓下立體結構（四級結構）崩潰而發(fā)生變性而使細菌失活，但也有人認為凡是以較弱的結合構成的生物體高分子物質如核酸、多糖類、脂肪等物質或細胞膜都會受到超高壓的影響，尤其通過剪切力而使生物體膜破裂，從而使生物體的生命活動受到影響甚至停止，這就可以達到滅菌、殺蟲和效果。高壓滅菌避免了熱處理而出現(xiàn)的影響食品品質的各種弊端，保持了食品的原有風味、色澤和營養(yǎng)價值。由于是液體介質的瞬間壓縮過程，滅菌均勻，無污染，操作安全，且較加熱法耗能低，減少環(huán)境污染。勵建榮等研究了經(jīng)高壓處理后的果汁和蔬菜汁，試驗證實了高壓處理后能達到殺菌效果，而且Vc損失很少，殘存酶活只有4％，色香味等感官指標不變，其綜合效果優(yōu)于熱力殺菌；動物食品也能達到殺菌效果。目前，國外已將其用于肉、蛋、大豆蛋白、水果、香料、牛奶、果汁、礦泉水、啤酒等物品的加工中。我國在該技術的開發(fā)應用方面僅僅處于實驗室研究階段，尚未有批量生產(chǎn)的報道。
3、高壓脈沖電場殺菌技術
高壓脈沖技術用于食品滅酶滅菌，主要原理是基于細胞結構和液態(tài)食品體系間的電學特性差異。當把液態(tài)食品作為電介質置于電場中時，食品中微生物的細胞膜在強電場作用下被電擊穿，產(chǎn)生不可修復的穿孔或破裂，使細胞組織受損，導致微生物失活。證實在脈沖電場強度為12－40Kv／cm，脈沖時間為20μs－18μs的條件下，可有效地對食品進行滅菌，且以雙矩形波最為有效。鄧元修等利用脈沖高壓殺滅酵母和大腸桿菌，取得良好的實驗結果，且能耗低，對試液溫升小于2℃，因而可有效保存食品的營養(yǎng)成分和天然特征。利用脈沖電場處理大豆，可實現(xiàn)滅酶脫腥，并有效的保留大豆的香氣。該技術是一種常溫下非加熱殺菌的新技術，運用該技術應綜合考慮場強的大小，殺菌時間、食品的pH值、對細菌的種類等因素，以確定最佳方案。目前該技術在國際上正處于實驗室研究和發(fā)展階段，進一步成熟后很有可能彌補傳統(tǒng)殺菌法的不足，給液態(tài)食品工藝帶來一場變革。
4、脈沖強光殺菌技術
脈沖強光殺菌是利用強烈白光閃照的殺菌技術，其系統(tǒng)主要包括動力單元和燈單元，動力單元為惰性氣體燈提供能量，燈便放出只持續(xù)數(shù)百微秒，其波長由紫外光區(qū)域至近紅外光區(qū)域的強光脈沖，其光譜與太陽光相似，但比陽光強幾千倍至數(shù)萬倍。由于只處理食品表面，從而對食品營養(yǎng)成分影響很小，JosephDunn等人研究表明，脈沖強光對多數(shù)微生物有致死作用。周萬龍等研究表明：光脈沖輸人能量為700J，光脈沖寬度小于800us，閃照30次后，對枯草芽泡桿菌、大腸桿菌、酵母都有較強的致死效果。對溶液中淀粉酶、蛋白酶的活性也有明顯的鈍化作用。脈沖寬度小于800μs，其波長由紫外光區(qū)域至紅外光區(qū)，起殺菌作用的波段可能為紫外光區(qū)，其它波段可能有協(xié)同作用；脈沖強光殺菌對菌懸液的電導率影響不大，引起電位的變化，其原因及對微生物形態(tài)結構的影響尚待進一步研究。
常用滅菌法
一些基本概念：
無菌：物體或一定介質中無任何活的微生物。
滅菌：應用物理或化學等方法將物體上或介質中所有微生物授課及其芽胞全部殺死。
消毒：以物理或化學等方法殺滅物體上或介質中的病原微生物。
防腐：用物理或化學等方法抑制微生物的生長，亦稱抑菌。
一、物理滅菌法：
(一)熱力滅菌法：
1、干熱滅菌法：是利用火焰或干熱空氣進行滅菌，大多用于用具及器皿等。
2、濕熱滅菌法：
(1)熱壓滅菌法：用飽和水蒸汽排盡空氣后，在一定溫度和壓力下進行滅菌。水蒸汽壓力與溫度對應如下：
20.594(kpa)-105.7℃，34.3233-108.8℃，41.1879-110.3℃，68.6466-115.5℃，75.1121-116.8℃，96.1052-120.2℃......
(2)流通蒸汽滅菌法和煮沸滅菌法：100℃，適用于不耐高溫的藥劑。
(3)低溫間歇滅菌法：80℃加熱1小時，20～25℃下放置24小時，連續(xù)操作三次以上，適用于不耐熱藥劑，滅菌效果差，須加防腐劑。
(二)濾滅菌法：
1、垂熔玻璃濾器：國際標準為P250～P2，濾過粒子由大到小。P2可濾除大腸桿菌及葡萄球菌。
2、微孔濾膜：我國為醋酸纖維素酯濾膜，或硝酸纖維素酯與醋酸纖維素酯的混合纖維素酯濾膜。特性：耐120℃30分鐘滅菌；無脫屑；不耐堿；不耐有機溶劑；易燃。孔徑5.0mm用于注射液初濾，0.8mm用于精濾，0.45mm可濾去大多數(shù)細菌，0.15mm可濾去熱原。
(三)紫外線滅菌法：波長200～300nm，易穿透潔凈的水和空氣，用于空氣和物體表面滅菌。紫外線燈有效使用期一般為3000小時。紫外線照射時間對微生物殺滅率見表：
照射時間(小時)殺滅率(%)
傷寒桿菌大腸桿菌金色葡萄球菌酵母菌
0.53333.530.619.9
1.042434135.6
1.565585943.8
2.086808269.5
2.510095.596.380
3.0 10010090.6
4.0 99
5.0 100
(四)微波滅菌法：為300～3000兆赫的電磁波。水可強烈吸收微波，使極性分子轉動摩擦而產(chǎn)熱。能穿透物質較深部，滅菌效果好。有望用于注射液的滅菌。
(五)射滅菌法：又稱電離輻射，是用g-射線或b-射線照射殺菌。前者由鈷-60或銫-137發(fā)出，穿透力強；后者由電子加速器產(chǎn)生，帶電荷，穿透力弱，滅菌效果差。對于輻射，無芽胞菌比有芽胞菌敏感得多；無芽胞菌中革蘭氏陰性菌比陽性菌敏感；而病毒敏感性很差。此外，輻射能引起一些藥物pH值、含量、活性等改變，某些制品不宜選用。
二、化學滅菌法：
一般以噴灑(霧)、蒸發(fā)等方法進行滅菌。
(一)環(huán)氧乙烷：無色醚樣臭味氣體，沸點10.8℃，沸點以下為無色透明液體，比重0.882，溶于水。擴散穿透能力強，屬廣譜殺菌劑。用于對熱敏感的藥物、塑料、橡膠、皮革制品、皮料、紙張以及小型玻璃器皿等的滅菌。
(二)過氧乙酸：無色透明液體，有刺激性醋酸臭和味，易揮發(fā)，有腐蝕性。易溶于水、乙醇、乙醚、醋酸?？删徛纸猓眲》纸鈺r會爆炸。但40%以下的溶液則不會。本品廣譜、高效、速效，毒性低，0.5%溶液用于空氣（噴霧30ml/m3）、器械和皮膚消毒，臨用前配制。
(三)其它：
1、苯酚(石炭酸)：3～5%地面、墻壁噴撒。
2、甲酚皂溶液(來蘇爾)：5～100%地面、墻壁噴撒。
3、甲醛溶液(福爾馬林)：20ml/m3加熱蒸發(fā),6～12小時。
4、乳酸：1ml/m3加熱蒸發(fā)0.5～1小時。
5、苯扎溴銨：1/1000～1/2000溶液噴撒地面、墻壁。
6、丙二醇：1ml/m3加熱蒸發(fā)。
三、空氣潔凈技術：可保證產(chǎn)品純度，提高成品率。
(一)潔凈室一般標準：如下表
生產(chǎn)區(qū)分類潔凈級別(級)≥0.5mm粒子(個/升)菌落數(shù)分類舉例
一般生產(chǎn)區(qū)無潔凈度要求的生產(chǎn)、輔助車間
控制區(qū)>100,000或300,000<35,000片劑、膠囊等；粉碎、配料、分裝、包衣原料藥精、烘、包，粉針扎蓋等。
100,000≤3.500≤10瓶子精洗，過濾膜裝配、稱量、濃配等
潔凈區(qū)10,000≤350≤3無菌原料藥結晶、干燥，粉針原料過篩、混粉，稀配、濾過、直接接觸藥品的包裝材料最終處理崗位。
全部或局部100≤3.5≤1大輸液、針劑灌封、分裝、加塞；菌種接種臺
(二)潔凈室管理：潔凈室是提高和保證產(chǎn)口質量的重要設施，必須有嚴格的管理和衛(wèi)生要求。
1、必須使工作人員對潔凈室的重要性和整個安裝系統(tǒng)有廣泛了解；
2、應制定潔凈室管理、使用、滅菌制度；
3、婦女不可用粉、頭發(fā)噴霧劑、指甲油之類的化妝品，以減少污染源；
4、操作人員應盡可能減少講話和室內(nèi)活動；
5、工作服應選用不易產(chǎn)生靜電、不易脫落纖維的滌綸和尼龍織物；
6、定期清洗與滅菌。室內(nèi)保持清潔整齊，定期清潔四壁和設備，保證無塵埃等。
1、微波殺菌技術
微波是一種高頻電磁波，當它在介質內(nèi)部起作用時，水、蛋白質、脂肪、碳水化合物等極性分子受到交變電場的作用而劇烈振蕩，引起強烈的摩擦而產(chǎn)生熱，這就是微波的介電感應加熱效應。這種熱效應也使得微生物內(nèi)的蛋白質、核酸等分子結構改性或失活；高頻的電場也使其膜電位、極性分子結構發(fā)生改變；這些都對微生物產(chǎn)生破壞作用從而起到殺菌作用。利用微波殺菌，處理時間短，容易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不影響原有的風味和營養(yǎng)成分；并由于其穿透性好的特點，可進行包裝后殺菌。
有報導利用2450MHz的微波處理醬油，可以抑制霉菌的生長及殺滅腸道致病菌。用于啤酒的滅菌，取得良好的效果，且使啤酒風味保持良好。用于處理蛋糕、月餅、切片面包和春卷皮，結果表明，這些食品的保鮮期由原來3d－4d，延長到30d。報導微波殺菌與一般加熱滅菌法相比，在一定的溫度下，微波滅菌縮短了細菌和真菌的死亡時間；以枯草芽抱桿菌為材料，微波法的D100為0.65，而對照巴氏法的則為5.5。在相同條件下微波滅菌的致死溫度比常規(guī)加熱滅菌時的低。國外在60、70年代就開始考慮將微波技術應用到鮮奶、啤酒、餅干、面包、豬、牛肉的加工等實際生產(chǎn)中。到90年代，工藝參數(shù)和優(yōu)化已成為研究的熱門課題。
2、高壓殺菌技術
所謂高壓殺菌是指將食品放人液體介質中，加100MPa－1000MPa的壓力作用一段時間后，如同加熱一樣，殺滅食品中的微生物的過程。高壓滅菌通常認為蛋白質在高壓下立體結構（四級結構）崩潰而發(fā)生變性而使細菌失活，但也有人認為凡是以較弱的結合構成的生物體高分子物質如核酸、多糖類、脂肪等物質或細胞膜都會受到超高壓的影響，尤其通過剪切力而使生物體膜破裂，從而使生物體的生命活動受到影響甚至停止，這就可以達到滅菌、殺蟲和效果。高壓滅菌避免了熱處理而出現(xiàn)的影響食品品質的各種弊端，保持了食品的原有風味、色澤和營養(yǎng)價值。由于是液體介質的瞬間壓縮過程，滅菌均勻，無污染，操作安全，且較加熱法耗能低，減少環(huán)境污染。勵建榮等研究了經(jīng)高壓處理后的果汁和蔬菜汁，試驗證實了高壓處理后能達到殺菌效果，而且Vc損失很少，殘存酶活只有4％，色香味等感官指標不變，其綜合效果優(yōu)于熱力殺菌；動物食品也能達到殺菌效果。目前，國外已將其用于肉、蛋、大豆蛋白、水果、香料、牛奶、果汁、礦泉水、啤酒等物品的加工中。我國在該技術的開發(fā)應用方面僅僅處于實驗室研究階段，尚未有批量生產(chǎn)的報道。
3、高壓脈沖電場殺菌技術
高壓脈沖技術用于食品滅酶滅菌，主要原理是基于細胞結構和液態(tài)食品體系間的電學特性差異。當把液態(tài)食品作為電介質置于電場中時，食品中微生物的細胞膜在強電場作用下被電擊穿，產(chǎn)生不可修復的穿孔或破裂，使細胞組織受損，導致微生物失活。證實在脈沖電場強度為12－40Kv／cm，脈沖時間為20μs－18μs的條件下，可有效地對食品進行滅菌，且以雙矩形波最為有效。鄧元修等利用脈沖高壓殺滅酵母和大腸桿菌，取得良好的實驗結果，且能耗低，對試液溫升小于2℃，因而可有效保存食品的營養(yǎng)成分和天然特征。利用脈沖電場處理大豆，可實現(xiàn)滅酶脫腥，并有效的保留大豆的香氣。該技術是一種常溫下非加熱殺菌的新技術，運用該技術應綜合考慮場強的大小，殺菌時間、食品的pH值、對細菌的種類等因素，以確定最佳方案。目前該技術在國際上正處于實驗室研究和發(fā)展階段，進一步成熟后很有可能彌補傳統(tǒng)殺菌法的不足，給液態(tài)食品工藝帶來一場變革。
4、脈沖強光殺菌技術
脈沖強光殺菌是利用強烈白光閃照的殺菌技術，其系統(tǒng)主要包括動力單元和燈單元，動力單元為惰性氣體燈提供能量，燈便放出只持續(xù)數(shù)百微秒，其波長由紫外光區(qū)域至近紅外光區(qū)域的強光脈沖，其光譜與太陽光相似，但比陽光強幾千倍至數(shù)萬倍。由于只處理食品表面，從而對食品營養(yǎng)成分影響很小，JosephDunn等人研究表明，脈沖強光對多數(shù)微生物有致死作用。周萬龍等研究表明：光脈沖輸人能量為700J，光脈沖寬度小于800us，閃照30次后，對枯草芽泡桿菌、大腸桿菌、酵母都有較強的致死效果。對溶液中淀粉酶、蛋白酶的活性也有明顯的鈍化作用。脈沖寬度小于800μs，其波長由紫外光區(qū)域至紅外光區(qū)，起殺菌作用的波段可能為紫外光區(qū)，其它波段可能有協(xié)同作用；脈沖強光殺菌對菌懸液的電導率影響不大，引起電位的變化，其原因及對微生物形態(tài)結構的影響尚待進一步研究。
常用滅菌法
一些基本概念：
無菌：物體或一定介質中無任何活的微生物。
滅菌：應用物理或化學等方法將物體上或介質中所有微生物授課及其芽胞全部殺死。
消毒：以物理或化學等方法殺滅物體上或介質中的病原微生物。
防腐：用物理或化學等方法抑制微生物的生長，亦稱抑菌。
一、物理滅菌法：
(一)熱力滅菌法：
1、干熱滅菌法：是利用火焰或干熱空氣進行滅菌，大多用于用具及器皿等。
2、濕熱滅菌法：
(1)熱壓滅菌法：用飽和水蒸汽排盡空氣后，在一定溫度和壓力下進行滅菌。水蒸汽壓力與溫度對應如下：
20.594(kpa)-105.7℃，34.3233-108.8℃，41.1879-110.3℃，68.6466-115.5℃，75.1121-116.8℃，96.1052-120.2℃......
(2)流通蒸汽滅菌法和煮沸滅菌法：100℃，適用于不耐高溫的藥劑。
(3)低溫間歇滅菌法：80℃加熱1小時，20～25℃下放置24小時，連續(xù)操作三次以上，適用于不耐熱藥劑，滅菌效果差，須加防腐劑。
(二)濾滅菌法：
1、垂熔玻璃濾器：國際標準為P250～P2，濾過粒子由大到小。P2可濾除大腸桿菌及葡萄球菌。
2、微孔濾膜：我國為醋酸纖維素酯濾膜，或硝酸纖維素酯與醋酸纖維素酯的混合纖維素酯濾膜。特性：耐120℃30分鐘滅菌；無脫屑；不耐堿；不耐有機溶劑；易燃。孔徑5.0mm用于注射液初濾，0.8mm用于精濾，0.45mm可濾去大多數(shù)細菌，0.15mm可濾去熱原。
(三)紫外線滅菌法：波長200～300nm，易穿透潔凈的水和空氣，用于空氣和物體表面滅菌。紫外線燈有效使用期一般為3000小時。紫外線照射時間對微生物殺滅率見表：
照射時間(小時)殺滅率(%)
傷寒桿菌大腸桿菌金色葡萄球菌酵母菌
0.53333.530.619.9
1.042434135.6
1.565585943.8
2.086808269.5
2.510095.596.380
3.0 10010090.6
4.0 99
5.0 100
(四)微波滅菌法：為300～3000兆赫的電磁波。水可強烈吸收微波，使極性分子轉動摩擦而產(chǎn)熱。能穿透物質較深部，滅菌效果好。有望用于注射液的滅菌。
(五)射滅菌法：又稱電離輻射，是用g-射線或b-射線照射殺菌。前者由鈷-60或銫-137發(fā)出，穿透力強；后者由電子加速器產(chǎn)生，帶電荷，穿透力弱，滅菌效果差。對于輻射，無芽胞菌比有芽胞菌敏感得多；無芽胞菌中革蘭氏陰性菌比陽性菌敏感；而病毒敏感性很差。此外，輻射能引起一些藥物pH值、含量、活性等改變，某些制品不宜選用。
二、化學滅菌法：
一般以噴灑(霧)、蒸發(fā)等方法進行滅菌。
(一)環(huán)氧乙烷：無色醚樣臭味氣體，沸點10.8℃，沸點以下為無色透明液體，比重0.882，溶于水。擴散穿透能力強，屬廣譜殺菌劑。用于對熱敏感的藥物、塑料、橡膠、皮革制品、皮料、紙張以及小型玻璃器皿等的滅菌。
(二)過氧乙酸：無色透明液體，有刺激性醋酸臭和味，易揮發(fā)，有腐蝕性。易溶于水、乙醇、乙醚、醋酸?？删徛纸猓眲》纸鈺r會爆炸。但40%以下的溶液則不會。本品廣譜、高效、速效，毒性低，0.5%溶液用于空氣（噴霧30ml/m3）、器械和皮膚消毒，臨用前配制。
(三)其它：
1、苯酚(石炭酸)：3～5%地面、墻壁噴撒。
2、甲酚皂溶液(來蘇爾)：5～100%地面、墻壁噴撒。
3、甲醛溶液(福爾馬林)：20ml/m3加熱蒸發(fā),6～12小時。
4、乳酸：1ml/m3加熱蒸發(fā)0.5～1小時。
5、苯扎溴銨：1/1000～1/2000溶液噴撒地面、墻壁。
6、丙二醇：1ml/m3加熱蒸發(fā)。
三、空氣潔凈技術：可保證產(chǎn)品純度，提高成品率。
(一)潔凈室一般標準：如下表
生產(chǎn)區(qū)分類潔凈級別(級)≥0.5mm粒子(個/升)菌落數(shù)分類舉例
一般生產(chǎn)區(qū)無潔凈度要求的生產(chǎn)、輔助車間
控制區(qū)>100,000或300,000<35,000片劑、膠囊等；粉碎、配料、分裝、包衣原料藥精、烘、包，粉針扎蓋等。
100,000≤3.500≤10瓶子精洗，過濾膜裝配、稱量、濃配等
潔凈區(qū)10,000≤350≤3無菌原料藥結晶、干燥，粉針原料過篩、混粉，稀配、濾過、直接接觸藥品的包裝材料最終處理崗位。
全部或局部100≤3.5≤1大輸液、針劑灌封、分裝、加塞；菌種接種臺
(二)潔凈室管理：潔凈室是提高和保證產(chǎn)口質量的重要設施，必須有嚴格的管理和衛(wèi)生要求。
1、必須使工作人員對潔凈室的重要性和整個安裝系統(tǒng)有廣泛了解；
2、應制定潔凈室管理、使用、滅菌制度；
3、婦女不可用粉、頭發(fā)噴霧劑、指甲油之類的化妝品，以減少污染源；
4、操作人員應盡可能減少講話和室內(nèi)活動；
5、工作服應選用不易產(chǎn)生靜電、不易脫落纖維的滌綸和尼龍織物；
6、定期清洗與滅菌。室內(nèi)保持清潔整齊，定期清潔四壁和設備，保證無塵埃等。
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