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食品冷殺菌技術研究進展

    本文綜述了國內外在冷殺菌技術方面的研究進展,主要介紹超高壓殺菌、輻射殺菌、超高壓脈沖電場殺菌、脈沖強光殺菌、磁力殺菌、紫外線殺菌和二氧化鈦光催化殺菌技術的基本原理及其在食品工業中的應用。

    1、超高壓殺菌技術

    1.1:超高壓殺菌技術的原理食品超高壓技術(Ul-tra-HighPressureprocessing,UHP)簡單稱高壓技術(HighPressureProcessing,HPP)或高靜水壓技術(HighHydro-staticPressure,HHP)食品超高壓殺菌,即將包裝好的食品物料放入液體介質(通常是食用油、甘油、油與水的乳液)中,在100~1000MPa壓力下處理一段時間使之達到滅菌要求。其基本原理就是利用壓力對微生物的致死作用,主要通過破壞細胞膜、抑制酶的活性和影響DNA等遺傳物質的復制來實現。

    1.2:超高壓殺菌技術在食品加工中的應用 日本的Meidi-Ya公司于1990年4月生產了第一個高壓食品—果醬,之后又有果味酸奶、果凍、色拉和調味料等面市,日本的Pokka和Wakayama公司用半連續高壓殺菌方法處理橙汁。明治屋食品公司將草莓、獼猴桃、蘋果醬軟包裝后,在室溫下以400~600MPa的壓力處理10~30min,不僅達到了殺菌的目的,而且促進了果實、砂糖、果膠的膠凝過程和糖液向果肉的滲透,保持了果實原有的色澤、風味、具有新鮮水果的口感,維生素C的保留量也大大提高。日本的松本正等人對5種小菜采用塑料袋真空包裝后以300~400MPa的壓力處理,殺死酵母菌,提高了產品的保存性,實現了腌菜向低鹽化方向發展。有人將磨碎的鱈魚肉用塑料袋包裝,在300MPa下處理10min,糊狀的碎魚肉在高壓下凝膠化成魚糕狀,與加熱殺菌的同種魚肉相比,外觀細膩,吃起來富有彈性,有咬頭,味也好。對果汁施以400MPa10min的處理,可保持果汁的天然香味,果汁的質量得到提高。1995年角田伸二指出,日本已就與高壓殺菌相關的技術對乳制品(乳酸飲料)、雞蛋、水產類(貝類)、高粘食品(蜂蜜)等進行了廣泛的研究。王雪青等對獼猴桃醬進行了高壓處理,經高壓處理的獼猴桃醬較傳統熱處理的醬體色澤翠綠,維生素含量高,而且在700MPa的高壓下殺菌,穩定色澤和防止維生素C氧化的作用最佳。Boyton等人將切片芒果真空包裝后,于300MPa和600MPa處理后置于3℃下貯藏,在貯藏期間鮮芒果的風味下降、異味增加,但色澤、質構及其他感官指標基本沒有變化,經9周的貯藏后,微生物指標分別為102CFU/mL和103CFU/mL。壓力處理鮮芒果,風味只輕微降低,異味和甜度略有增加。他們將陽桃用同樣的方法處理,在600MPa和800MPa壓力下處理一段時間后,貯藏在3℃2~4周,將陽桃暴露在空氣中后顏色會加深,800MPa壓力處理的陽桃,能降低褐變。He等人利用高壓進行牡蠣去殼及延長其貨架壽命的研究,結果表明壓力207~310MPa經不同時間處理后,貯藏在4℃以下,27d后,樣品的pH只降低0.5,水分含量略有上升,不僅可減少2~3個對數的微生物的數量,且牡蠣有較高的品質。而手工去殼的牡蠣pH下降了2.2,水分含量輕微下降。

    1.3:高壓技術與其他技術相結合在食品加工中的應用 從目前對高壓技術的研究來看,主要是研究在低溫范圍內的高壓技術及應用高壓技術與其他技術相結合來處理食品。Schlueter等人提出用高壓凍結和高壓解凍的方法來取代現有食品凍結和解凍的方法,生產出高品質的凍藏食品。神田幸忠采用此方法在-18℃200MPa凍結豆腐在常溫下形成的冰晶較普通空氣鼓風凍結法形成的冰晶小得多,此豆腐在常溫下自然解凍也不會出現普遍凍結法所發生的汁液流失和豆腐變形,保持了豆腐原有的感官品質。Fuchigami等人對不同壓力條件下的高壓凍結豆腐的質構和品質進行了研究,結果表明在200~400MPa的高壓下可有效地改善凍結豆腐的質構。研究高壓凍結果蔬時發現,壓力和溫度對凍結果蔬的品質有明顯的影響,這是由于不同壓力和溫度下冰晶的種類和密度不同所造成的。對胡蘿卜和大白菜的研究結果表明在200MPa(液體),340MPa(冰Ⅲ)和400MPa(冰Ⅴ)條件下凍結時對樣品的質地和組織結構沒有什么損害,品質較常壓下-30℃凍結的要好。

    Zhao等人研究了影響高壓解凍牛肉的條件,得出有效的解凍壓力范圍為210~280MPa,最低的有效解凍溫度為(-24±2)℃,且能改善解凍牛肉的品質的結論。有人還比較了高壓解凍和常壓解凍金槍魚背肌和鯉魚肉,發現高壓解凍能更好地保證魚肉的品質。

    相關研究表明高壓技術和其他技術相結合,更能有效地殺滅微生物,破壞酶,延長貨架壽命。Corwin等人把2mmol/L的CO2 充入橙汁,用500MPa的壓力處理,果膠甲酯酶的活性比單獨用500MPa壓力的能更進一步地鈍化,在500~800MPa下,CO2 也同樣能顯著地降低多酚氧化酶的活性。Park等人進一步利用高壓CO2 和高壓技術相結合的方法處理胡蘿卜汁,結果表明4.9MPa二氧化碳和300MPa高靜水壓結合處理可使需氧菌完全失活,多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果膠甲酯酶殘留活性分別低于11.3%、8.3%、35.1%,高靜水壓并不影響胡蘿卜汁的濁度和色澤,但這種結合處理對胡蘿卜汁的品質有些影響Krebbers等人將綠豆用2次脈沖高壓處理,經1個月的貯藏后,與常規保藏方法相比,綠豆的硬度和維生素C保留較好,且能使99%以上的過氧化物酶失活。

    2、輻射殺菌

    輻射(或輻照)殺菌是利用一定劑量的波長極短的電離射線對食品進行殺菌。在食品殺菌中常用的射線有χ-射線、γ-射線和電子射線。電子射線主要由電子加速器中獲得,χ-射線由χ-射線發生器產生,γ-射線主要由放射性同位素獲得,常用的放射線同位素有60Co和137Cs。γ-射線的穿透力很強,適合于完整食品及各種包裝食品的內部殺菌處理,電子射線的穿透力較弱,一般用于小包裝食品或冷凍食品的殺菌,特別適用于對食品的表面殺菌處理。

    2.1:輻射殺菌的機理射線輻射對食品的作用分為初級和次級,初級是微生物細胞間質受高能電子射線照射后發生的電離作用和化學作用,次級是水分經輻射和發生電離作用而產生各種游離基和過氧化氫再與細胞內其它物質作用。這兩種作用會阻礙微生物細胞內的一切活動,從而導致微生物細胞死亡。

    食品輻射殺菌的目的不同,采用的輻射劑量也不同,完全殺菌的輻照劑量為25~50kGy,其目的是殺死除芽孢桿菌以外的所有微生物。消毒殺菌的輻射劑量為1~10kGy,其目的是殺死食品中不產芽孢的病原體和減少微生物污染,延長保藏期?傊,對于不同的微生物,需要控制不同的輻射劑量和電子能量。

    2.2:輻射對食品營養成分的影響 食品在正常推薦的劑量輻照后其營養成分,如蛋白質、糖類、微量元素及礦物質的損失很少,但維生素和脂肪對輻照敏感。維生素經輻照后的損失程度與食品種類、輻照劑量、溫度、氧量及維生素的種類有關,一般來說,脂溶性維生素較水溶性維生素對輻照敏感。用殺菌劑量比較輻照處理與加熱處理食品的水溶性維生素的破壞作用,可以發現兩者幾乎沒有差別,而脂溶性維生素損失較大,尤以維生素E、K損失最大。在水溶性維生素中維生素C損失最大,煙酸損失最小。脂肪經高劑量輻照后,因氧化反應產生的自由基及其衍生物會促進脂肪的氧化而使其發生酸敗變性,導致脂肪的消化吸收率降低。

    2.3:輻照處理對食品色香味和質地的影響

    2.3.1:色澤輻照處理對各種食品色素的影響不同。植物性色素對輻照處理較穩定,動物性色素對輻照敏感。輻照的水解物能導致肌紅蛋白和脂肪的氧化,引起褪色。輻照能加深冷凍禽胸肉穩定的紅色或粉紅色,紅色的加深依據于肉的種類、肌肉的類型、輻照的劑量、包裝材料的不同而不同。根據Nhm等人的報道,經輻照的肉,其還原性增加,產生CO,CO與血紅色素強烈親和,提高了紅色或粉紅色的強度。據相關的研究報道,用低于1%的CO輔以氣調包裝可以保持肉穩定的草莓紅色,紅色保持8周,并延長了其貨架壽命。Kusmider進一步研究指出,包裝時添加低于1%的CO能大大地改善新鮮牛肉末的色澤和風味,在4.5kGy劑量輻照時,CO能降低脂肪氧化,并提供一種穩定的草莓紅顏色。也就是說,用CO包裝并輔以低或中劑量的輻照,能給鮮牛肉末帶來怡人的安全的顏色,且品質損害最小。

    2.3.2:氣味輻照處理一般都會使食品特有的香氣損失,同時也產生令人不愉快的“輻射臭氣味”,尤其是肉類食品。Pratl報道,用24kGy劑量輻照處理生火腿有臭味產生。Nam等人比較了火雞雞胸肉的有氧包裝和真空包裝的輻照效果,實驗指出:輻照時會產生揮發性的異味,伴隨著脂肪的氧化和揮發性硫的生成,有氧包裝的異味較大。有氧包裝的火雞雞胸肉的揮發性物質的形成隨著輻射劑量的增加和貯藏時間的延長而增加。Ahn等人指出,含硫化合物是輻照冷凍豬肉產生異味的根源。蛋白質的輻照水解物在輻照肉產生異味方面起著重要作用。

    2.3.3:質地低劑量輻射處理食品不會對食品質地產生明顯的影響,相反還可以抑制軟化,破壞一些引起果實后熟的有關酶的活性,延緩一些水果的后熟。高劑量輻照處理食品時,都會有不同程度的軟化作用,這種軟化是由食品大分子物質的解聚而引起的。Setsuko等人實驗指出:用具有300kV或低一些的電子輻照干物料的表面能去除污染(如豆子、香辛料、脫水蔬菜和茶葉),不會產生有害作用。用170kV的電壓處理大豆,可減少微生物的數量到不可檢測的水平。用軟電子處理的大豆,其豆乳的膠凝性質比高壓殺菌的豆乳要好,用軟電子殺菌能改善大豆用于加工豆乳和豆腐的品質。Mckenna等人指出,輻照能增加鮭魚的感官嫩度和汁液評分,增加鯰魚片的風味強度。

    2.3.4:輻射殺菌在食品工業中的應用:水產品、肉制品、蛋類、蜂花粉經射線輻照后能較長時間保存。肉類制品經預處理后,真空密封包裝和冷凍,-40℃輻照,對肉制品無不良影響。經輻照完全殺菌的牛肉、雞肉、火腿、香腸、魚蝦在常溫下皆可貯藏較長時間,若在低氧或無氧條件下處理則貯藏時間更長。蛋類輻照殺菌一般用10kGy左右的劑量便可殺滅沙門氏菌,鮮蛋若用80kGy的電子射線照射后,涂上聚乙烯醇塑料薄層,于28℃~30℃貯存一個多月,好蛋率達91.0%~91.3%。蛋液及冰凍蛋液可用β-及γ-射線輻照,滅菌效果良好。蜂花粉用1.0kGy的劑量照射,能有效地殺滅花粉中的微生物,花粉的溫升也不明顯,這對保存花粉的營養成分是十分有好處的。除此之外,輻照還廣泛用于包裝材料和包裝容器的表面殺菌,一般劑量為20~30kGy便可達到殺菌要求。高壓電子束則適用對單層薄膜進行殺菌處理。

    3、超高壓脈沖電場殺菌

    3.1:超高壓脈沖電場殺菌機理超高壓脈沖電場殺菌是采用高壓脈沖器產生的脈沖電場進行殺菌的方法。其基本過程是用瞬時高壓處理放置在兩極間的低溫冷卻食品。其機理基于如下假設:細胞膜穿孔效應、電磁機制模型、粘彈極性形成模型、電解產物效應、臭氧效應等。歸納起來,超高壓脈沖電場殺菌作用主要表現在2個方面:(1)場的作用 脈沖電場產生磁場,細胞膜在脈沖電場和磁場的交替作用下,通透性增加,振蕩加劇,膜強度減弱,從而使膜破壞,膜內物質容易流出,膜外物質容易滲入,細胞膜的保護作用減弱甚至消失。(2)電離作用 電極附近物質電離產生的陰陽離子與膜內生命物質作用,從而阻礙了膜內正常生化反應和新陳代謝過程等的進行。同時,液體介質電離產生臭氧的強烈氧化作用,使細胞內物質發生一系列的反應。通過場和電離的聯合作用,殺滅菌體。

    3.2:高壓電場脈沖的處理效果國內外研究人員使用高壓脈沖電場對培養液中的酵母、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、細菌孢子以及蘋果汁、香蕉汁、菠蘿汁、橙汁、桔汁、桃、牛奶、蛋清液等進行了研究。研究結果顯示抑菌效果可達4~6個對數級,其處理時間極短,最長不超過1s,該處理對食品的感官質量不造成影響,其貨架期一般都可延長4~6周。1997年,陳鍵用22.5kVcm的電場,脈沖50次,使脫脂乳中的99%的大腸桿菌失活。為了提高脈沖的殺菌效果,Iu等人指出,高壓脈沖與中等程度的熱處理相結合或與溶菌酶、乳鏈球菌素等天然抗微生物制劑相結合處理蘋果汁,能有效地減少O157:H7大腸桿菌。Hodgins等人用低能脈沖電場處理蘋果汁,結果表明:用80kV/cm的電場,脈沖20次,pH3.5,44℃,添加100U/mL乳鏈球菌素能減少微生物106CFU/mL,維生素C保留97.5%,果膠甲酯酶的活性減少92.1%,橙汁的貨架壽命得到延長,氣相色譜顯示芳香物質在脈沖前后無顯著差別。Mingyu等人處理香蕉汁時也有相似的結論。高壓脈沖電場對未過濾的蘋果汁、果漿含量高的菠蘿汁、桔汁、天冬甜素液的感官特性沒有影響,桔汁中的維生素C含量不改變,處理過的蘋果汁比新鮮的蘋果汁味道更好。脈沖殺菌與低濃度的殺菌劑如臭氧和H2 O2 結合,殺菌效果將更顯著,有望在食品工業中得到應用。

    4、脈沖強光殺菌

    脈沖強光殺菌是利用脈沖的強烈白光閃照而使惰性氣體燈發出與太陽光譜相近,但強度更強的紫外線至紅外線區域光來抑制食品和包裝材料表面、固體表面、氣體和透明飲料中的微生物的生長繁殖。JuseDunn等的研究表明脈沖強光對多數微生物有致死作用。周萬龍設計的脈沖強光技術對微生物和鈍化酶的效果顯著,其研究結果表明:(1)隨著閃照次數的增加,殘余菌數明顯減少?莶菅挎邨U菌起始濃度2×105個/mL時,輸入190V電壓,閃照間隔為6s,高壓脈沖觸發寬度為20μs,閃照30次后,殘余菌數為0。(2)脈沖強光對微生物致死作用明顯,可進行徹底殺菌。對不同的食品,不同種類的微生物,需要控制不同的條件。光照脈沖還可鈍化液態淀粉酶和蛋白酶,其活力隨閃照次數的增加而降低。

    5、磁力殺菌技術

    磁力殺菌是將食品放在N極和S極之間,用6000的磁力強度連續擺動,不需要加熱,即可達100%的滅菌效果,對食品的成分和風味無任何影響。日本三井公司將食品放在0.6T磁密度的磁場中,在常溫下48h,達100%滅菌效果。磁殺菌可用于飲料、調味品及各種包裝的固體食品的殺菌。目前國內已對水、酸奶等制品進行了磁場殺菌的研究。但是食品中微生物的失活與磁場強度的關系,磁場與食品營養成分變性的關系,磁場能量效率與延長食品貨架期的關系,磁場對食品質量的影響和微生物失活機理等等,目前尚不清楚,還有待于進一步研究與探索。利用磁場殺菌技術要求食品材料有較高的電阻率,一般大于10Ψ•cm,以防材料內部產生渦流效應而導致磁屏蔽。金屬包裝的食品不能用此法來殺菌。因磁力殺菌對包裝材料的要求高,因而限制了其應用范圍。

    6、紫外線殺菌

    紫外線殺菌主要是由于其輻射性能可以破壞有機物的分子結構。微生物受紫外線照射時最容易受影響的是其體內的蛋白質和核酸。尤其是可誘導DNA中的胸腺嘧啶二聚體的形成,從而抑制DNA的復制和細胞分裂,乃至使其受傷甚至死亡。波長250~260nm的紫外線殺菌效果最佳,其殺菌效果比近紫外線(波長300~400nm)要大1000倍以上。不同種類的微生物抗紫外線的能力不一樣,酵母菌和絲狀菌抗紫外線的能力比細菌強,病毒和細菌的抗紫外線的能力基本相同。

    國內外紫外線殺菌的場合主要有食品廠用水的殺菌、液狀食品殺菌、固體表面殺菌、食品包裝材料殺菌及食品加工車間、設備器具、工作臺的殺菌。但在這些場合,對霉菌的殺菌效果較差,常需配合酒精消毒來加強殺菌效果。

    由于紫外照射會破壞有機物分子結構,所以會給某些食品的加工帶來不利的影響,特別是含脂肪和蛋白質豐富的食品經紫外線照射會促使脂肪氧化、產生異臭,蛋白質變性,食品變色等。此外,食品中所含的有益成分如維生素、葉綠素等易受紫外線照射而分解,因此紫外線照射殺菌的應用受到一定程度的限制。

    7、二氧化鈦光催化殺菌

    二氧化鈦光催化以前用于水解水制氫、探討光電化學理論、有機合成、礦化有機物及臨床抗癌實踐。二氧化鈦光催化殺菌時,當光照射到較大聚集體的TiO2 表面時,激發產生光電子和光生空穴對。由于光生電子遷移速度比光生空穴快得多,所以可將光生電子和光生空穴分開。光生空穴有很強的得電子能力,這樣產生的光生電子-空穴對與細胞壁、細胞膜以及細胞內組分作用,導致酶失活。另一方面光生電子-空穴對與水或水中溶解氧發生作用形成氫氧自由基,它們與細胞壁、細胞膜或細胞內物質作用,使細胞功能單元失活。

    目前在食品工業領域中,二氧化鈦光催化殺菌技術僅應用于水的處理,其它方面的應用有待于進一步探索。

    與傳統的殺菌技術相比,以上食品殺菌新技術對食品的營養成分、風味、質地、感官影響較小。但單一的殺菌技術尚存在某一方面的欠缺或不足。因此,為了進一步提高殺菌效率,把對食品的營養成分、風味、感官的有害作用降到最低,利用兩種或兩種以上的殺菌方式串聯或并聯使用或與天然殺菌劑配合使用是今后殺菌技術研究的一個重要方向。

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