本文綜述了國內(nèi)外在冷殺菌技術(shù)方面的研究進(jìn)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(qiáng)光殺菌、磁力殺菌、紫外線殺菌和二氧化鈦光催化殺菌等技術(shù)的基本原理及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

 

 

 

　　食品超高壓技術(shù)（Ul-tra-HighPressureprocessing，UHP）簡單稱高壓技術(shù)（HighPressureProcessing，HPP）或高靜水壓技術(shù)（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(zhì)（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(shí)間使之達(dá)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(xì)胞膜、抑制酶的活性和影響DNA等遺傳物質(zhì)的復(fù)制來實(shí)現(xiàn)。

 

　　二、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(jìn)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(fā)生器產(chǎn)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(qiáng)，適合于完整食品及各種包裝食品的內(nèi)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。

 

　　射線輻射對食品的作用分為初級和次級，初級是微生物細(xì)胞間質(zhì)受高能電子射線照射后發(fā)生的電離作用和化學(xué)作用，次級是水分經(jīng)輻射和發(fā)生電離作用而產(chǎn)生各種游離基和過氧化氫再與細(xì)胞內(nèi)其它物質(zhì)作用。這兩種作用會(huì)阻礙微生物細(xì)胞內(nèi)的一切活動(dòng)，從而導(dǎo)致微生物細(xì)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(chǎn)芽孢的病原體和減少微生物污染，延長保藏期。總之，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(yǎng)成分的影響

 

　　食品在正常推薦的劑量輻照后其營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、糖類、微量元素及礦物質(zhì)的損失很少，但維生素和脂肪對輻照敏感。維生素經(jīng)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(guān)，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(fā)現(xiàn)兩者幾乎沒有差別，而脂溶性維生素?fù)p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(jīng)高劑量輻照后，因氧化反應(yīng)產(chǎn)生的自由基及其衍生物會(huì)促進(jìn)脂肪的氧化而使其發(fā)生酸敗變性，導(dǎo)致脂肪的消化吸收率降低。

 

 

　　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(wěn)定，動(dòng)物性色素對輻照敏感。輻照的水解物能導(dǎo)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(wěn)定的紅色或粉紅色，紅色的加深依據(jù)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。

 

　　三、超高壓脈沖電場殺菌

 

 

　　超高壓脈沖電場殺菌是采用高壓脈沖器產(chǎn)生的脈沖電場進(jìn)行殺菌的方法。其基本過程是用瞬時(shí)高壓處理放置在兩極間的低溫冷卻食品。其機(jī)理基于如下假設(shè)：細(xì)胞膜穿孔效應(yīng)、電磁機(jī)制模型、粘彈極性形成模型、電解產(chǎn)物效應(yīng)、臭氧效應(yīng)等。歸納起來，超高壓脈沖電場殺菌作用主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：

 

　　（1）場的作用。脈沖電場產(chǎn)生磁場，細(xì)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(qiáng)度減弱，從而使膜破壞，膜內(nèi)物質(zhì)容易流出，膜外物質(zhì)容易滲入，細(xì)胞膜的保護(hù)作用減弱甚至消失。

 

　　（2）電離作用。電極附近物質(zhì)電離產(chǎn)生的陰陽離子與膜內(nèi)生命物質(zhì)作用，從而阻礙了膜內(nèi)正常生化反應(yīng)和新陳代謝過程等的進(jìn)行。同時(shí)，液體介質(zhì)電離產(chǎn)生臭氧的強(qiáng)烈氧化作用，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生一系列的反應(yīng)。通過場和電離的聯(lián)合作用，殺滅菌體。

 

　　3.2 高壓電場脈沖的處理效果

 

　　國內(nèi)外研究人員使用高壓脈沖電場對培養(yǎng)液中的酵母、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、細(xì)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(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示抑菌效果可達(dá)4～6個(gè)對數(shù)級，其處理時(shí)間極短，最長不超過1s，該處理對食品的感官質(zhì)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(jié)合或與溶菌酶、乳鏈球菌素等天然抗微生物制劑相結(jié)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(jié)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(zhì)在脈沖前后無顯著差別。Mingyu等人處理香蕉汁時(shí)也有相似的結(jié)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(jié)合，殺菌效果將更顯著，有望在食品工業(yè)中得到應(yīng)用。

 

　　脈沖強(qiáng)光殺菌是利用脈沖的強(qiáng)烈白光閃照而使惰性氣體燈發(fā)出與太陽光譜相近，但強(qiáng)度更強(qiáng)的紫外線至紅外線區(qū)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。

 

　　圖片來源：張軍凱， 包青平 孫志鋒， 孫志棟， 陳權(quán)輝，食品加工新型殺菌技術(shù)研究進(jìn)展
 

 

 

　　磁力殺菌是將食品放在N極和S極之間，用6000的磁力強(qiáng)度連續(xù)擺動(dòng)，不需要加熱，即可達(dá)100%的滅菌效果，對食品的成分和風(fēng)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(dá)100%滅菌效果。磁殺菌可用于飲料、調(diào)味品及各種包裝的固體食品的殺菌。目前國內(nèi)已對水、酸奶等制品進(jìn)行了磁場殺菌的研究。但是食品中微生物的失活與磁場強(qiáng)度的關(guān)系，磁場與食品營養(yǎng)成分變性的關(guān)系，磁場能量效率與延長食品貨架期的關(guān)系，磁場對食品質(zhì)量的影響和微生物失活機(jī)理等等，目前尚不清楚，還有待于進(jìn)一步研究與探索。利用磁場殺菌技術(shù)要求食品材料有較高的電阻率，一般大于10Ψcm，以防材料內(nèi)部產(chǎn)生渦流效應(yīng)而導(dǎo)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(yīng)用范圍。
 

 

 

　　紫外線殺菌主要是由于其輻射性能可以破壞有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。微生物受紫外線照射時(shí)最容易受影響的是其體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸。尤其是可誘導(dǎo)DNA中的胸腺嘧啶二聚體的形成，從而抑制DNA的復(fù)制和細(xì)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(xì)菌強(qiáng)，病毒和細(xì)菌的抗紫外線的能力基本相同。

 

　　國內(nèi)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(shè)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(qiáng)殺菌效果。

 

　　由于紫外照射會(huì)破壞有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)，所以會(huì)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(zhì)豐富的食品經(jīng)紫外線照射會(huì)促使脂肪氧化、產(chǎn)生異臭，蛋白質(zhì)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(yīng)用受到一定程度的限制。

 

　　超聲波殺菌主要利用空化作用，使液體產(chǎn)生瞬間高溫、高壓變化，導(dǎo)致細(xì)菌死亡，病毒失活，抑制酶的活性[2]。超聲波應(yīng)用于肉制品中時(shí)，不僅可以抑制酶活性，還可以破壞肉中的溶酶體和結(jié)締組織，起到嫩化作用。

 

　　八 、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(xué)理論、有機(jī)合成、礦化有機(jī)物及臨床抗癌實(shí)踐。二氧化鈦光催化殺菌時(shí)，當(dāng)光照射到較大聚集體的TiO2 表面時(shí)，激發(fā)產(chǎn)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(qiáng)的得電子能力，這樣產(chǎn)生的光生電子-空穴對與細(xì)胞壁、細(xì)胞膜以及細(xì)胞內(nèi)組分作用，導(dǎo)致酶失活。另一方面光生電子-空穴對與水或水中溶解氧發(fā)生作用形成氫氧自由基，它們與細(xì)胞壁、細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)作用，使細(xì)胞功能單元失活。

 

　　目前在食品工業(yè)領(lǐng)域中，二氧化鈦光催化殺菌技術(shù)僅應(yīng)用于水的處理，其它方面的應(yīng)用有待于進(jìn)一步探索。

 

　　與傳統(tǒng)的殺菌技術(shù)相比，以上食品殺菌新技術(shù)對食品的營養(yǎng)成分、風(fēng)味、質(zhì)地、感官影響較小。但單一的殺菌技術(shù)尚存在某一方面的欠缺或不足。因此，為了進(jìn)一步提高殺菌效率，把對食品的營養(yǎng)成分、風(fēng)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(lián)或并聯(lián)使用或與天然殺菌劑配合使用是今后殺菌技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。

 

 

　　臭氧殺菌指通過臭氧分解產(chǎn)生活潑氧原子和微生物體內(nèi)的生理活性物質(zhì)相互作用，而使細(xì)胞生理機(jī)能受到影響。

 

　　臭氧殺菌是通過臭氧和細(xì)菌細(xì)胞膜脂類的雙鍵反應(yīng)，穿入菌體內(nèi)部，作用于蛋白質(zhì)和脂多糖，使細(xì)胞膜的通透性增加，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)逸出，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡[2]。

 

　　臭氧氧化力極強(qiáng)，僅次于氟，能迅速分解有害物質(zhì)，殺菌能力是氯的600～3 000倍，其分解后迅速的還原成氧氣。利用其性能的臭氧技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家早就得到廣泛應(yīng)用，是殺菌消毒、污水處理、水質(zhì)凈化、食品貯存、醫(yī)療消毒等方面的首選技術(shù)。美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，臭氧可以抑制癌細(xì)胞的生長；日本石川島播麻種工業(yè)公司證明，臭氧水有望成為最佳的果樹殺菌劑，其殺菌效果明顯優(yōu)于次氯酸鈉；中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究證明，臭氧可以有效地殺滅淋球菌，并且對水中的重金屬有分解作用。

 

　　試驗(yàn)證明臭氧水是一種廣譜殺菌劑，它能在極短時(shí)間內(nèi)有效地殺滅大腸桿菌、蠟桿菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、流腦雙球菌等一般病菌以及流感病菌、肝炎病毒等多種微生物。可殺死和氧化魚、肉、瓜果蔬菜、食品表面能產(chǎn)生異變的各種微生物和果蔬脫離母體后繼續(xù)進(jìn)行生命活動(dòng)的微生物，加速成熟乙烯氣體，延長保鮮期。

 

　　十 、膜過濾除菌技術(shù)

 

　　隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種可用于物料分離的膜相繼出現(xiàn)，膜分離技術(shù)已在食品、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。例如生化物質(zhì)的提取、純水的制備、果汁的濃縮等。膜分離過程根據(jù)推動(dòng)力的不同，大體分為兩種。一類是以壓力為推動(dòng)力的膜過程，如超濾、微孔過濾、反滲透；另一種是以電力為推動(dòng)力的膜過程，稱為離子交換，如電滲析。通常膜的孔徑為0.0001—10斗m，而物料中的微生物粒子大小一般在0.5—2恤m，若選用孔徑小于微生物大小的膜，使物料通過膜過濾器進(jìn)行過濾，則菌體粒子被截留，稱之為過濾除菌。

 

　　膜過濾除菌技術(shù)具有耗能少、在常溫下操作、適用于熱敏性物料、工藝適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已廣泛用于食品、生化、制藥、乳品、果汁等的過濾除菌。食品工程中的殺菌技術(shù)還很多，如二氧化氯殺菌技術(shù)、氯氣殺菌技術(shù)、電子滅菌技術(shù)、加熱與加壓并用殺菌技術(shù)、加熱與化學(xué)藥劑并用殺菌技術(shù)、加熱與輻射并用殺菌技術(shù)、靜電殺菌技術(shù)等，這些技術(shù)正在得以研究和應(yīng)用。

 

 

　　目前，對于生鮮肉、新鮮果蔬及鮮切蔬菜等熱敏食品采用的冷藏、氣調(diào)包裝等殺菌保鮮包裝技術(shù)，存在殺菌不徹底及產(chǎn)生二次污染的問題。

 

　　低溫等離子體冷殺菌技術(shù)（CPCS）可以產(chǎn)生多種具有殺菌性能的物質(zhì)，如活性氧（ reactive oxygen species，ＲOS） 、活性氮（ reactive nitrogen species，ＲNS） 、帶電粒子、紫外光子等。不同的殺菌物質(zhì)作用于細(xì)胞的不同部位造成細(xì)胞破壞或者生物體死亡。CPCS 的殺菌機(jī)理可以從對細(xì)胞的蝕刻作用、細(xì)胞膜穿孔與靜電干擾、大分子氧化三個(gè)方面解釋。

 

　　CPCS具有作用時(shí)間短、殺菌溫度低等優(yōu)勢。與目前廣泛采用的熱源殺菌技術(shù)比較，CPCS與氣調(diào)包裝（ modified atmosphere packaging，MAP） 保鮮技術(shù)完美結(jié)合。產(chǎn)生殺菌作用的等離子體來源于包裝內(nèi)部氣體，對包裝產(chǎn)品進(jìn)行殺菌處理不會(huì)產(chǎn)生二次污染、不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)殘留，安全性高； 盡管使用的電壓非常高，但電流微小、殺菌處理過程很短，不會(huì)產(chǎn)生熱量、沒有溫升，且能耗低、操作簡便。因此，CPCS-MAP 技術(shù)是食品冷殺菌保鮮包裝技術(shù)的重要突破[1]

 

　　除上述冷殺菌新技術(shù)外，食品殺菌還有C02殺菌技術(shù)、交變磁場殺菌、半導(dǎo)體光催化殺菌等殺菌技術(shù)，它們都在食品工業(yè)的不同領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用價(jià)值。

 

　　與傳統(tǒng)的食品加熱殺菌比較，冷殺菌能充分保留食品的營養(yǎng)成分和原有風(fēng)味，甚至產(chǎn)生某些令人喜愛的特殊風(fēng)味，而且殺菌徹底，處理時(shí)間短。不產(chǎn)生毒性物質(zhì)。但由于有些技術(shù)還不成熟，實(shí)際應(yīng)用中還受到較大程度的限制。隨著冷殺菌機(jī)理的深入探討和技術(shù)的逐步完善，相信冷殺菌技術(shù)將會(huì)更多地取代現(xiàn)有的食品熱殺菌技術(shù)，人們將享受到品質(zhì)更好、更安全、更新鮮的食品。[3]

  
  參考文獻(xiàn)：

 

　　[1] 章建浩。黃明明。王佳媚。趙見營。低溫等離子體冷殺菌關(guān)鍵技術(shù)裝備研究進(jìn)展。食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)。2018 年7 月第36 卷第4期

 

　　[2] 王賀。 冷殺菌技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（11）：129.

 

　　[3] 百度詞條·中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)

 

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　　來源：微信公眾號——食品研發(fā)與生產(chǎn)

 

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