食品冷杀菌技术研究进展
食品工业中采用的杀菌方法主要有加热杀菌和非加热杀菌两大类。非加热杀菌是指不用热能来杀死微生物，故又称为冷杀菌。传统的热杀菌法虽然能保证食品在微生物方面的安全，但热能会破坏对热敏感的营养成分，影响食品的质构、色泽和风味。冷杀菌技术虽然起步较晚，但由于消费者要求营养、原汁原味的食品的呼声日益高涨，冷杀菌技术受到日益重视并进展很快。本文综述了国内外在冷杀菌技术方面的研究进展，主要介绍超高压杀菌、辐射杀菌、超高压脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌、磁力杀菌、紫外线杀菌和二氧化钛光催化杀菌技术的基本原理及其在食品工业中的应用。超高压杀菌技术简称高压技术(HPP)或高静水压技术(HHP)。食品超高压杀菌，即将包装好的食品物料放入液体介质(通常是食用油、甘油、油与水的乳液)中，在100～1000MPa压力下处理一段时间使之达到灭菌要求。其基本原理就是利用压力对微生物的致死作用，主要通过破坏细胞膜、抑制酶的活性和影响DNA等遗传物质的复制来实现。日本的Meidi-Ya公司于1990年4月生产了第一个高压食品—果酱，之后又有果味酸奶、果冻、色拉和调味料等面市。明治屋食品公司将草莓、猕猴桃、苹果酱软包装后，在室温下以400～600MPa的压力处理10～30min，不仅达到了杀菌的目的，而且促进了果实、砂糖、果胶的胶凝过程和糖液向果肉的渗透，保持了果实原有的色泽、风味、具有新鲜水果的口感，维生素C的保留量也大大提高。日本的松本正等人对5种小菜采用塑料袋真空包装后以300～400MPa的压力处理，杀死酵母菌，提高了产品的保存性，实现了腌菜向低盐化方向发展。1.3.高压技术与其他技术相结合在食品加工中的应用从目前对高压技术的研究来看，主要是研究在低温范围内的高压技术及应用高压技术与其他技术相结合来处理食品。Schlueter等人提出用高压冻结和高压解冻的方法来取代现有食品冻结和解冻的方法，生产出高品质的冻藏食品。神田幸忠采用此方法在-18℃ 200MPa冻结豆腐在常温下形成的冰晶较普通空气鼓风冻结法形成的冰晶小得多，此豆腐在常温下自然解冻也不会出现普遍冻结法所发生的汁液流失和豆腐变形，保持了豆腐原有的感官品质。Zhao等人研究了影响高压解冻牛肉的条件，得出有效的解冻压力范围为210～280MPa，最低的有效解冻温度为(-24±2)℃，且能改善解冻牛肉的品质的结论。有人还比较了高压解冻和常压解冻金枪鱼背肌和鲤鱼肉，发现高压解冻能更好地保证鱼肉的品质。相关研究表明高压技术和其他技术相结合，更能有效地杀灭微生物，破坏酶，延长货架寿命。辐射(或辐照)杀菌是利用一定剂量的波长极短的电离射线对食品进行杀菌。在食品杀菌中常用的射线有χ-射线、γ-射线和电子射线。电子射线主要由电子加速器中获得，χ-射线由χ-射线发生器产生，γ-射线主要由放射性同位素获得，常用的放射线同位素有60Co和137Cs。γ-射线的穿透力很强，适合于完整食品及各种包装食品的内部杀菌处理，电子射线的穿透力较弱，一般用于小包装食品或冷冻食品的杀菌，特别适用于对食品的表面杀菌处理。射线辐射对食品的作用分为初级和次级，初级是微生物细胞间质受高能电子射线照射后发生的电离作用和化学作用，次级是水分经辐射和发生电离作用而产生各种游离基和过氧化氢再与细胞内其它物质作用。这两种作用会阻碍微生物细胞内的一切活动，从而导致微生物细胞死亡。食品辐射杀菌的目的不同，采用的辐射剂量也不同，完全杀菌的辐照剂量为25～50kGy，其目的是杀死除芽孢杆菌以外的所有微生物。消毒杀菌的辐射剂量为1～10kGy，其目的是杀死食品中不产芽孢的病原体和减少微生物污染，延长保藏期。总之，对于不同的微生物，需要控制不同的辐射剂量和电子能量。食品在正常推荐的剂量辐照后其营养成分，如蛋白质、糖类、微量元素及矿物质的损失很少，但维生素和脂肪对辐照敏感。维生素经辐照后的损失程度与食品种类、辐照剂量、温度、氧量及维生素的种类有关，一般来说，脂溶性维生素较水溶性维生素对辐照敏感。用杀菌剂量比较辐照处理与加热处理食品的水溶性维生素的破坏作用，可以发现两者几乎没有差别，而脂溶性维生素损失较大，尤以维生素E、K损失最大。在水溶性维生素中维生素C损失最大，烟酸损失最小。脂肪经高剂量辐照后，因氧化反应产生的自由基及其衍生物会促进脂肪的氧化而使其发生酸败变性，导致脂肪的消化吸收率降低。（1）色泽辐照处理对各种食品色素的影响不同。植物性色素对辐照处理较稳定，动物性色素对辐照敏感。辐照的水解物能导致肌红蛋白和脂肪的氧化，引起褪色。辐照能加深冷冻禽胸肉稳定的红色或粉红色，红色的加深依据于肉的种类、肌肉的类型、辐照的剂量、包装材料的不同而不同。（2）辐照处理一般都会使食品特有的香气损失，同时也产生令人不愉快的“辐射臭气味”，尤其是肉类食品。Pratl报道，用24kGy剂量辐照处理生火腿有臭味产生。Nam等人比较了火鸡鸡胸肉的有氧包装和真空包装的辐照效果，实验指出：辐照时会产生挥发性的异味，伴随着脂肪的氧化和挥发性硫的生成，有氧包装的异味较大。有氧包装的火鸡鸡胸肉的挥发性物质的形成随着辐射剂量的增加和贮藏时间的延长而增加。Ahn等人指出，含硫化合物是辐照冷冻猪肉产生异味的根源。蛋白质的辐照水解物在辐照肉产生异味方面起着重要作用。（3）低剂量辐射处理食品不会对食品质地产生明显的影响，相反还可以抑制软化，破坏一些引起果实后熟的有关酶的活性，延缓一些水果的后熟。高剂量辐照处理食品时，都会有不同程度的软化作用，这种软化是由食品大分子物质的解聚而引起的。（4）辐射杀菌在食品工业中的应用：水产品、肉制品、蛋类、蜂花粉经射线辐照后能较长时间保存。肉类制品经预处理后，真空密封包装和冷冻，-40℃辐照，对肉制品无不良影响。经辐照完全杀菌的牛肉、鸡肉、火腿、香肠、鱼虾在常温下皆可贮藏较长时间，若在低氧或无氧条件下处理则贮藏时间更长。除此之外，辐照还广泛用于包装材料和包装容器的表面杀菌，一般剂量为20～30kGy便可达到杀菌要求。高压电子束则适用对单层薄膜进行杀菌处理。超高压脉冲电场杀菌是采用高压脉冲器产生的脉冲电场进行杀菌的方法。其基本过程是用瞬时高压处理放置在两极间的低温冷却食品。其机理基于如下假设：细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应、臭氧效应等。归纳起来，超高压脉冲电场杀菌作用主要表现在2个方面：脉冲电场产生磁场，细胞膜在脉冲电场和磁场的交替作用下，通透性增加，振荡加剧，膜强度减弱，从而使膜破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。电极附近物质电离产生的阴阳离子与膜内生命物质作用，从而阻碍了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行。同时，液体介质电离产生臭氧的强烈氧化作用，使细胞内物质发生一系列的反应。通过场和电离的联合作用，杀灭菌体。脉冲强光杀菌是利用脉冲的强烈白光闪照而使惰性气体灯发出与太阳光谱相近，但强度更强的紫外线至红外线区域光来抑制食品和包装材料表面、固体表面、气体和透明饮料中的微生物的生长繁殖。JuseDunn等的研究表明脉冲强光对多数微生物有致死作用。周万龙设计的脉冲强光技术对微生物和钝化酶的效果显著，其研究结果表明：随着闪照次数的增加，残余菌数明显减少。枯草芽孢杆菌起始浓度2×105个/mL时，输入190V电压，闪照间隔为6s，高压脉冲触发宽度为20μs，闪照30次后，残余菌数为0。脉冲强光对微生物致死作用明显，可进行彻底杀菌。对不同的食品，不同种类的微生物，需要控制不同的条件。光照脉冲还可钝化液态淀粉酶和蛋白酶，其活力随闪照次数的增加而降低。磁力杀菌是将食品放在N极和S极之间，用6000的磁力强度连续摆动，不需要加热，即可达100%的灭菌效果，对食品的成分和风味无任何影响。磁杀菌可用于饮料、调味品及各种包装的固体食品的杀菌。目前国内已对水、酸奶等制品进行了磁场杀菌的研究。但是食品中微生物的失活与磁场强度的关系，磁场与食品营养成分变性的关系，磁场能量效率与延长食品货架期的关系，磁场对食品质量的影响和微生物失活机理等等，目前尚不清楚，还有待于进一步研究与探索。金属包装的食品不能用此法来杀菌。因磁力杀菌对包装材料的要求高，因而限制了其应用范围。紫外线杀菌主要是由于其辐射性能可以破坏有机物的分子结构。微生物受紫外线照射时最容易受影响的是其体内的蛋白质和核酸。尤其是可诱导DNA中的胸腺嘧啶二聚体的形成，从而抑制DNA的复制和细胞分裂，乃至使其受伤甚至死亡。波长250～260nm的紫外线杀菌效果最佳，其杀菌效果比近紫外线(波长300～400nm)要大1000倍以上。不同种类的微生物抗紫外线的能力不一样，酵母菌和丝状菌抗紫外线的能力比细菌强，病毒和细菌的抗紫外线的能力基本相同。由于紫外照射会破坏有机物分子结构，所以会给某些食品的加工带来不利的影响，特别是含脂肪和蛋白质丰富的食品经紫外线照射会促使脂肪氧化、产生异臭，蛋白质变性，食品变色等。此外，食品中所含的有益成分如维生素、叶绿素等易受紫外线照射而分解，因此紫外线照射杀菌的应用受到一定程度的限制。二氧化钛光催化以前用于水解水制氢、探讨光电化学理论、有机合成、矿化有机物及临床抗癌实践。二氧化钛光催化杀菌时，当光照射到较大聚集体的TiO2 表面时，激发产生光电子和光生空穴对。由于光生电子迁移速度比光生空穴快得多，所以可将光生电子和光生空穴分开。光生空穴有很强的得电子能力，这样产生的光生电子-空穴对与细胞壁、细胞膜以及细胞内组分作用，导致酶失活。另一方面光生电子-空穴对与水或水中溶解氧发生作用形成氢氧自由基，它们与细胞壁、细胞膜或细胞内物质作用，使细胞功能单元失活。目前在食品工业领域中，二氧化钛光催化杀菌技术仅应用于水的处理，其它方面的应用有待于进一步探索。
