食品殺菌與消毒技術(shù)的進(jìn)展

食品加工目的之一是保護(hù)與保存食品，殺死微生物，鈍化酶類等。食品腐敗變質(zhì)的主要原因是某些微生物和酶類的存在，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(shí)加熱會(huì)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生，本文主要介紹了當(dāng)今世界食品領(lǐng)域的殺菌新技術(shù)及其在我國的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀。

1  微波殺菌技術(shù)

1.1 微波殺菌的原理

微波與生物體的相互作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，是生物體受到微波輻射時(shí)吸收微波后 所產(chǎn)生的綜合生物效應(yīng)的結(jié)果。多方面試驗(yàn)結(jié)果表明，微波殺菌不僅具有因生物體吸收微波能量而轉(zhuǎn)換的熱效應(yīng)，而且還存在一種非熱效應(yīng)，這兩種效應(yīng)相互依存，相互加強(qiáng)[1] 。

1.1.1 熱效應(yīng)

熱效應(yīng)是指生物物體吸收微波的能量后，體溫升高，從而發(fā)生各種生物功能變化，目前這方面的研究工作及其應(yīng)用已基本完善。微波作用于食品時(shí)，食品表面和中心同時(shí)吸收微波 能，溫度升高。食品中的微生物細(xì)胞在微波場的作用下，其分子也被極化并作高頻振蕩，產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度升高。溫度的快速升高使其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而失去生物活性，導(dǎo)致 微生物死亡或因受到嚴(yán)重干擾而無法繁殖。

1.1.2 非熱效應(yīng)

非熱效應(yīng)又稱生物效應(yīng)，是在電磁波的作用下，生物體內(nèi)不產(chǎn)生明顯的升溫，卻可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的生物響應(yīng)，使生物體內(nèi)發(fā)生各種生理、生化和功能的變化。微波的作用會(huì)使微生物在其生命化學(xué)過程中所產(chǎn)生的大量電子、離子和其他帶電粒子的生物性排列組合狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變，也就是使微生物的生理活性物質(zhì)發(fā)生變化。同時(shí)電場也會(huì)使細(xì)胞膜附近電荷分布改變，導(dǎo)致膜功能障礙，使細(xì)胞的正常代謝功能受到干擾破壞，使微生物細(xì)胞的生長受到抑制，甚至停止生長或使之死亡。微波還能使微生物細(xì)胞賴以生存的水分活度降低，破壞微生物的生存環(huán)境。另外微波還可以導(dǎo)致細(xì)胞DNA 和 RNA分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵松弛、斷裂和重新組合，誘發(fā)基因突變，染色體畸變，從而中斷細(xì)胞的正常繁殖能力。

1.2微波殺菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用

目前在食品工業(yè)中微波殺菌技術(shù)已得到較廣泛的應(yīng)用，尤其是在美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)發(fā)展較快，殺菌產(chǎn)品涉及食品等諸多領(lǐng)域。瑞士某公司研制了一臺(tái)面包微波殺菌防霉裝置，其頻率為2450 MHz、功率80kW。面包片經(jīng)微波照射1～2min后，溫度由室溫上升到80℃，處理后的面包片保質(zhì)期由原來的3～4天延長到30-60天。意大利有用微波對生面條進(jìn)行殺菌防霉的實(shí)例，設(shè)備頻率2450MHz，功率120kW，工作溫度85℃，保溫處理5-6min，處理過的產(chǎn)品與未處理的相比，口感和風(fēng)味均良好。可見用微波殺滅霉菌是理想的方法之一[2] 。

我國食品工業(yè)微波應(yīng)用技術(shù)始于20世紀(jì)70年代初期，1975年上海兒童食品廠首先成功地應(yīng)用隧道式微波爐（2450 MHz，功率45kW）熱干燥兒童乳兒糕，將烘烤時(shí)間從6～8h，縮短為9 min，同時(shí)解決了產(chǎn)品易破碎、霉變等問題。有人在對醬油的微波實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，正是由于生物效應(yīng)的存在，使得微波幅射能在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)殺滅物料中的微生物。就醬油而言，適量的物料在1.5 kW 微波功率輻射下，65℃、1 min即可殺菌達(dá)標(biāo)，而熱力殺菌則需要80℃、20 min以上。有人以葡萄糖酸——內(nèi)酯酸化后的蘑菇小包裝進(jìn)行微波處理，證實(shí)可達(dá)到商業(yè)滅菌，且具有低溫短時(shí)的特點(diǎn)，對產(chǎn)品中VC等營養(yǎng)成分的保存、產(chǎn)品色澤及形態(tài)的保持極為有利。另外楊紅旗等（1998）在微波與紫外線協(xié)同作用研究中發(fā)現(xiàn) ，采用特殊的控制電路兼容微波良好的穿透性和紫外線的強(qiáng)滅菌性，可達(dá)到增強(qiáng)殺菌效果的目的。南京永青食品高新技術(shù)發(fā)展有限公司經(jīng)多年努力，在低溫肉禽制品保鮮技術(shù)的研究上獲重大突破，其研制成功的低溫肉禽制品微波殺菌綜合保鮮技術(shù)可使被處理的肉禽制品在常溫下保存3-6個(gè)月，且保持制品的色、香、味和組織狀態(tài)不變。著名的南京板鴨就是采用了微波殺菌處理，使保存期延長 7～15天。此外采用微波殺菌的產(chǎn)品有四川泡菜、魚片干、袋裝雪菜肉絲、方便面調(diào)料、快餐飯、豆制品等，均能較好地保證產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量。

2  超高壓殺菌技術(shù)

2.1 超高壓殺菌的原理

超高壓能破壞氫鍵之類弱結(jié)合鍵，使基本物性變異，產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活；還能使菌體內(nèi)成分產(chǎn)生泄漏和細(xì)胞膜破裂等多種菌體損傷。高壓抑菌是由于主要酶類的變性，一般說來1000～3000atm 的壓力引起的酶變性是可逆的，而超過3000atm壓力引起的變性是不可逆的。酶失活的主要原因是酶分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞和活性部位上構(gòu)象的變化，這些效應(yīng)受pH值、底物濃度、酶中脂質(zhì)的性質(zhì)、酶亞單元結(jié)構(gòu)和溫度的影響[3]。

2.2 超高壓殺菌在食品工業(yè)上的應(yīng)用

超高壓殺菌主要是用于食品工業(yè)中的果汁、果醬等液體的殺菌。超高壓處理的新果汁，其顏色、風(fēng)味、營養(yǎng)成分和未經(jīng)超高壓處理的新鮮果汁幾乎無任何差別。日本小川浩史等將柑桔類果汁（pH2.5～3.7）經(jīng)100～600MPa、5～10min加壓滅菌，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：細(xì)菌、酵母菌和霉菌總數(shù)均隨壓力增大而減少，酵母菌、霉菌和無芽孢細(xì)菌可以被完全殺死，但仍有棒桿菌、枯草桿菌等能形成耐熱性強(qiáng)的芽孢而有殘留。但如果加至600MPa再結(jié)合適當(dāng)?shù)牡蜏丶訜幔?/span>47～57℃），則可以完全滅菌[4]。超高壓殺菌后的果汁其風(fēng)味、化學(xué)組成成分均沒有發(fā)現(xiàn)變化。微生物檢驗(yàn)可知，引起酸性果汁飲料腐敗變質(zhì)的主要菌是：酵母菌、霉菌和部分腐敗細(xì)菌，而耐熱性強(qiáng)的芽孢菌在此酸性條件下無法生長繁殖，因此采用超高壓殺菌最為合適，在400MPa下加壓10min，pH值在4以下的果汁即可到達(dá)商業(yè)無菌狀態(tài)，在室溫下放置幾個(gè)月甚至一年半無任何微生物引起的腐敗變質(zhì)現(xiàn)象。

3  高壓脈沖電場殺菌技術(shù)

首先要明確這種殺菌方法是一種非熱殺菌技術(shù)，高壓脈沖電場（High—voltage Pulsed Electric Fields）滅菌技術(shù)因安全無害，具有傳遞均勻、處理時(shí)間短、能耗低等特點(diǎn)，在果汁等液態(tài)食品的加工中已顯示出特有的優(yōu)越性，具有良好的前景。

3.1高壓脈沖電場的原理

Sale和Hamilton（1967）發(fā)現(xiàn)．當(dāng)給細(xì)胞膜加上外加電場，細(xì)胞膜上的內(nèi)外電勢差（TMP）增大，當(dāng)TMP達(dá)到1V左右時(shí)，細(xì)胞膜便失去功能。Zimmermann（1986）提出介電破壞理論，根據(jù)該理論細(xì)胞膜被視為電容，在高壓電脈沖作用下，膜兩側(cè)電位差進(jìn)一步變大，由于電荷相反，它們相互吸引形成擠壓力，當(dāng)TMP達(dá)到1V左右，擠壓力大于膜的恢復(fù)力時(shí)，膜就會(huì)破裂。Tsong（1991）從液態(tài)鑲嵌模型出發(fā)，提出電穿孔理論，該理論認(rèn)為高壓電脈沖會(huì)改變脂肪的分子結(jié)構(gòu)和增大部分蛋白質(zhì)通道的開度，使細(xì)胞膜失去半滲透性質(zhì)，細(xì)胞膨脹而死。

3.2 高壓脈沖電場技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

高壓脈沖電場技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要集中在滅菌、提高果汁出汁率和鈍化酶活性幾方面。Simpson等[5]用高壓脈沖電場技術(shù)對還原蘋果蔬汁進(jìn)行處理，電場強(qiáng)度為50kV/cm，10次脈沖，脈寬為2s，處理溫度45℃，產(chǎn)品的貨架期為28d，處理前后Vc和糖分及感官?zèng)]有變化，而沒有經(jīng)過處理的鮮榨蘋果蔬汁貨架期只有7d。Vega-Mercado等[6]用高壓脈沖電場技術(shù)處理鮮蘋果蔬汁和還原蘋果蔬汁使產(chǎn)品的貨架期在22～25℃貯藏期分別提高到56d和32d，而感官和理化性質(zhì)沒有變化。Vega-Mercado等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高壓脈沖電場對未過濾的蘋果汁、果漿含量高的桔汁、菠蘿汁、天冬甜素溶液的感官特性也沒有影響，桔汁中維生素C的含量也不改變，處理過的蘋果汁比新鮮的蘋果榨汁味道更好。

4  輻射殺菌技術(shù)

4.1 輻射殺菌技術(shù)的原理

電離輻照滅菌是一種高新滅菌技術(shù)，用來殺滅食品中的腐敗菌和病原菌。其原理是采用放射性同位素(∞Co或mCs)發(fā)出的射線[9]，或電子加速器產(chǎn)生的電子束（能量不大于 10MeV），或x射線（能量不大于5MeV）對食品進(jìn)行輻照，殺滅食品中的蟲害，消除食品中的病原微生物及其它腐敗細(xì)菌或抑制某些食品中的生物活性和生理過程，從而達(dá)到食品保藏或保鮮的目的[8]。

4.2 輻射殺菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用

對于不同菌種，控制不同的輻照劑量，不但不會(huì)破壞食品色、香、味，不會(huì)有非食品物質(zhì)殘留，而且殺菌效果明顯，光譜如l0～30萬cd的輻照，能殺滅畜禽肉中沙門氏菌等多種病原菌。所以目前這種殺菌技術(shù)多用于肉制品，水果保鮮及水處理等，如在烤魚片、速溶茶、脫水蔬菜、食用明膠、藕粉等產(chǎn)品的生產(chǎn)中均有大量應(yīng)用實(shí)例[10]。

5  臭氧殺菌技術(shù)

5.1 臭氧的殺菌機(jī)理

臭氧具有極強(qiáng)的氧化功能，在水中的氧化還原電位為2.07V，僅次于氟 (2.87V)，它的氧化能力高于氯（1.36V）、二氧化氯（1.5v）。所以它對細(xì)菌、霉菌、病毒具有強(qiáng)烈的殺滅作用[12] 。其機(jī)理主要有如下兩方面：

1、臭氧很容易同細(xì)菌的細(xì)胞壁中的脂蛋白或細(xì)胞膜中的磷脂質(zhì)、蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞受到破壞 (即所謂的溶菌作用)，細(xì)胞膜的通透性增加，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外流，使其失去活性。

2、臭氧破壞或分解細(xì)胞壁，迅速擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，氧化了細(xì)胞內(nèi)酶或RNA、DNA，從而致死菌原體[7]。

5.2 臭氧殺菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用

近年來國際臭氧技術(shù)得到較快發(fā)展，食品加工與儲(chǔ)藏應(yīng)用臭氧取得良好的效果。1995～1996年間，日本、法國和澳大利亞相繼立法，允許臭氧在食品工業(yè)中廣泛使用。在美國食品加工業(yè)的推動(dòng)下，為成功打開FDA對食品加工業(yè)廣泛使用臭氧的封鎖線[14]， 1996年美國電力研究院 (EPRI)組織了臭氧和食品界的科學(xué)技術(shù)專家委員會(huì)，調(diào)查并估計(jì)臭氧應(yīng)用于食品業(yè)的歷史背景、現(xiàn)狀與前途。他們用一年的時(shí)間對臭氧應(yīng)用于空氣處理；殺蟲；雞蛋、蔬菜水果的儲(chǔ)藏；水產(chǎn)、肉類、家禽加工等37個(gè)食品加工業(yè)進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索，并且摘要引用了大量的論文，總結(jié)、論述和評估了這些文章。EPRI專家委員會(huì)在1997年得出科學(xué)結(jié)論：明確公告臭氧應(yīng)用于食品加工符合GRAS（通用安全標(biāo)準(zhǔn)）。該專家委員會(huì)的報(bào)告發(fā)表在美國科學(xué)雜志上（Graham等，1997），并在FDA備案，成功地得到了FDA的認(rèn)可：任何人都可以在食品加工領(lǐng)域使用臭氧。不言而喻，這對世界各國食品加工業(yè)應(yīng)用臭氧技術(shù)具有舉足輕重的推動(dòng)和影響[11] 。食品加工工業(yè)領(lǐng)域中的臭氧利用技術(shù)有殺菌、脫臭、漂白、脫色以及用作生理活性物質(zhì)等方面，現(xiàn)階段利用較多的就是低含量臭氧的殺菌，脫臭和用作生理活性物質(zhì)。

臭氧在食品殺菌方面的應(yīng)用有原料的清洗殺菌處理，制造過程中制品和制成品的殺菌，加工車間內(nèi)環(huán)境空氣的殺菌等。使用臭氧水對蔬菜類食品進(jìn)行清洗、殺菌，工藝簡單，而且臭氧的濃度可以較低，故使用率高，應(yīng)用范圍廣泛。用得最多的是蔬菜、水果的清洗及保鮮，比如蔥、球形生菜、芹菜、大白菜、包萊、菠菜、豆芽、胡蘿卜、洋蔥、黃瓜等。在英國等國家現(xiàn)在已經(jīng)開始致力于研究臭氧和紫外線結(jié)合殺菌技術(shù)應(yīng)用于 MAP上，已經(jīng)取得了 較好的效果。經(jīng)過此技術(shù)處理的肉制品能夠具有很長時(shí)間的貨架期，而且其殺菌效果要比單一使用臭氧或者紫外線的效果有顯著的提高。在現(xiàn)今的日本和美國等國家，臭氧的殺菌手段已經(jīng)廣泛使用于食品加工的各個(gè)方面[13] 。

6  后記

當(dāng)今食品科學(xué)殺菌消毒技術(shù)發(fā)展迅速，除了以上介紹的五方面高新殺菌（消毒）技術(shù)之外還有很多，例如：遠(yuǎn)紅外照射殺菌技術(shù)、脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)、靜電殺菌技術(shù)、磁力殺菌技術(shù)、抗生酶殺菌技術(shù)、感應(yīng)電子殺菌技術(shù)，限于篇幅就不做一一介紹。

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