食品杀菌技术

1、食品杀菌新技术食品杀菌新技术n微波杀菌技术微波杀菌技术n 高压杀菌技术高压杀菌技术n高压脉冲电场杀菌技术高压脉冲电场杀菌技术 n脉冲强光杀菌技术脉冲强光杀菌技术n辐射杀菌技术辐射杀菌技术n臭氧杀菌技术臭氧杀菌技术n远红外照射杀菌技术远红外照射杀菌技术 n微波是一种高频电磁波，当它在介质内部起作用时，水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等极性分子受到交变电场的作用而剧烈振荡，引起强烈的摩擦而产生热，这就是微波的介电感应加热效应。n热效应也使得微生物内的蛋白质、核酸等分子结构改性或失活；高频的电场也使其膜电位、极性分子结构发生改变 n效果：2450 MHz的微波处理酱油，可以抑制霉菌的生长及杀灭肠道致病菌

2、。用于啤酒的灭菌，取得良好的效果，且使啤酒风味保持良好。用于处理蛋糕、月饼、切片面包和春卷皮，结果表明，这些食品的保鲜期由原来3d4d，延长到30d n 所谓高压杀菌高压杀菌是指将食品放人液体介质中，加100MPa1000MPa的压力作用一段时间后，杀灭食品中的微生物的过程。n原因：高压灭菌通常认为蛋白质在高压下立体结构（四级结构）崩溃而发生变性而使细菌失活，或以较弱结合构成生物体高分子物质如核酸、多糖类、脂肪等物质或细胞膜都会受到超高压的影响，尤其通过剪切力而使生物体膜破裂，从而使生物体的生命活动受到影响甚至停止。n灭菌均匀，无污染，操作安全，且较加热法耗能低，减少环境污染 n国外已将其用于

3、肉、蛋、大豆蛋白、水果、香料、牛奶、果汁、矿泉水、啤酒等物品的加工中 n高压脉冲技术：液态食品作为电介质置于电场中时，食品中微生物的细胞膜在强电场作用下被电击穿，产生不可修复的穿孔或破裂，使细胞组织受损，导致微生物失活 n在脉冲电场强度为 1240 Kvcm，脉冲时间为20s18s的条件下，可有效地对食品进行灭菌，且以双矩形波最为有效 n利用脉冲电场处理大豆，可实现灭酶脱腥，并有效的保留大豆的香气 n运用该技术应综合考虑场强的大小，杀菌时间、食品的pH值、对细菌的种类等因素，以确定最佳方案 n 脉冲强光杀菌：利用强烈白光闪照的杀菌技术n 其系统主要包括动力单元动力单元和灯单元灯单元，动力单元为

4、惰性气体灯提供能量，灯便放出只持续数百微秒，其波长由紫外光区域至近红外光区域的强光脉冲，其光谱与太阳光相似，但比阳光强阳光强几千倍至数万倍。由于只处理食品表面，从而对食品营养成分影响很小。n光脉冲输人能量为700J，光脉冲宽度小于800us ，闪照30次后，对枯草芽泡杆菌、大肠杆菌、酵母都有较强的致死效果 n 辐射杀菌是运用射线、射线或电子高速射线照射食品，引起食品中的生物体产生物理或化学反应，抑制或破坏其新陈代谢和生长发育，甚至使细胞组织死亡从而达到灭菌消毒，延长食品贮存销售时间的目的。n辐射杀菌几乎不产生热量，可保持食品在感官和品质方面的特性，并适合对冷冻状态的食品进行杀菌处理 n辐射法广

5、泛应用于各种调料的消毒 n臭氧杀菌技术臭氧杀菌技术 ： 臭氧是氧的同素异形体，具有极强的氧化能力，在水中的氧还原电位为2.07V，仅次于氟电位2.87V，居第二位，它的氧化能力高于氯（1.36 V）、二氧化氯（1.5V）。n对细菌、霉菌、病毒具有强烈的杀灭性而且在食品的脱臭、脱色等方面也展示了广阔的前景 n臭氧很容易同细菌的细胞壁中的脂蛋白或细胞膜中的磷脂质、蛋白质发生化学反应，从而使细菌的细胞壁和细胞受到破坏（即所谓的溶菌作用）细胞膜的通透性增加，细胞内物质外流，使其失去活性，臭氧破坏或分解细胞壁，迅速扩散到细胞里，氧化了细胞内的酶或DNA、RNA，从而致死病原体 n远红外照射杀菌技术远红外

6、照射杀菌技术 ：远红外射线与传导加热相比，在致死温度以上时菌的生存率显著下降。 n杨瑞金报道将细菌、酵母和霉菌悬浮液装人塑料袋中进行远红外线杀菌，其对照功率分别为6KW、8KW、10KW和12KW。结果表明：照射10Min能使不耐热细菌全部杀死。（能使耐热细菌的数量降低1O5108以上；对于酵母菌采用8KW以上的功率，就足以达到抑制的需求；对于霉菌，8KW以上的照射功率照射10Min就可以将活菌完全杀死） 微波杀菌微波杀菌n微波：n微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米 - 1毫米)，通常是作为信息传递而用于雷达、通讯技术中。而近代应用中又将它扩展为一种新能源，在工农业上用作加

7、热、干燥；在化学工业中催使化学反应；在科研中激发等离子体等。家用微波炉就是微波能应用的一个典型例子。n目前用于工业加热的微波频率为915兆赫和2450兆赫n原理介质材料由极性分子和非极性分子组成，在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向。交变电磁场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出现宏观上的升高 电磁场不能透入金属材料内部而是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波 n微波杀菌原理微生物同时受到微波热效应微波热效应和非热效应非热效应的共同作用 食品中的水分、蛋白质、脂肪和碳水化合物等部属于电介质，是吸收微波的最好介质。这些极性从分子原来的随机分布状态，转

8、变为依照电场的极性排列取向，这一过程促使分子高速运动和相互摩擦，从而产生热量，这种效应称介电感应加热效应。由于水分子的特殊结构，在微波作用下，它是引起食品材料发热的主要成分。 n非热效应1965年，Olsen等人揭示了微波对镰刀霉芽抱的非热效应。他们指出，微生物在微波场中比其他介质更易受微波的作用，因此提出了微波杀菌机理的非热效应理论。 有人发现微波处理106的60ml枯草芽胞杆菌悬浮液，维持悬浮液温度60、80、100，以巴氏灭菌法维持悬浮液60、80、100为对照。通过测定细菌残存菌数与处理时间的关系，研究结果发现，微波灭菌法1000.65min，而巴氏灭菌法100 5.50min，按照食

9、品灭菌理论，腐败菌及其芽胞的耐热性规律可以认为在相同菌种、浓度和温度情况下所得值的差异，只能从它们分别所受处理方法的不同来解释。 n可能是由于在强大的电磁场作用下，细胞壁受到某种机械性损伤而破裂，结构受到破坏，细胞的核酸和蛋白质等渗漏体外，正常代谢出现障碍，从而达到灭菌的效果。nRosen从量子能量的观点得出结论，认为微波的能量是不足以拆开微生物蛋白质分子结构的结合键，他举出射线和微波能量的量子计算结果：以Ehv量子能量方程计算，分别为1.2106ev和1.2105ev，而HoH能级为5.2ev，由此结论，射线能量足以拆开HOH健而微波则不行。 微波装置微波装置n微波加热杀菌装置都有以下共同点

10、：v产生微波的部分，主要由电源和微波管或微波发生微波发生器器，微波导管等；v炉体或炉腔部分炉体或炉腔部分，用可反射微波的材料制成，能产生微波谐振；炉内还有微波搅动或分散搅动或分散装置；v密封门部分密封门部分，可防止微波泄露；v操作控制部分操作控制部分包括安全连锁装置。现在大批量的生产主要是采用输送带式隧道炉；如果数量少时采用分批式微波炉比较方便。 n目前在食品工业中具体使用的微波加热设备驻波场谐振腔驻波场谐振腔型加热器，行波场波导型行波场波导型加热器，辐射型加热器辐射型加热器和慢波型加热器慢波型加热器。 选择微波加热器主要是选择微波频率微波频率和加热加热器形式器形式。微波频率根据被加工的食品体

11、积和厚度；食品的含水量和损耗因素；总产量和成本以及设备体积四个方面来选择。加热器类型的选择则取决于被加热食品的形状，数量和工艺要求。 三、微波杀菌保鲜的特点n 1、时间短、速度快：、时间短、速度快：各种物料的杀菌作用一般在3-5分钟n2 2、低温杀菌保持营养成份和传统风味、低温杀菌保持营养成份和传统风味能在比较低的温度和较短的时间就能获得所需的消毒杀菌效果，常规热力处理的蔬菜保留的维生素C是46-50%，而微波处理是60-90%，常规加热猪肝维生素A保持为58%，而微波加热为84%n3 、节约能源 常规热力杀菌往往在环境及设备上存在热损失，而微波是直接对食品进行作用处理，因而没有额外的热能损耗

12、 4、均匀彻底微波具有穿透作用，对食品进行整体处理时，表面和内部都同时受到作用，所以消毒杀菌均匀、彻底 5、便于控制设备能即开即用，微波功率能从零到额定功率连续可调、传输速度从零开始连续调整。 6、设备简单，工艺先进 微波杀菌设备，不需要锅炉，复杂的管道系统，煤场和运输车辆等，只要具备水、电基本条件即可。 7、改善劳动条件，节省占地面积设备的工作环境温度低、噪音小，极大地改善了劳动条件应用：广泛用于牛肉干、猪肉脯、鱼片、酱囟肉、鸭肉、鸡肉等制品的热化、干燥和杀菌8、选择性加热 微波对不同性质的物料有不同的作用，这一点对干燥作业有利。因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多

13、于含水量较低的部位这就是选择加热的特点。 微波加热存在问题微波加热存在问题 n（一）微波加热不均匀（一）微波加热不均匀 v （1）微波加热的选择性，即使在相同的微波场中，不同的食品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起食品各部分温度上升的差异；（2）微波随有好的穿透性，可是它在实际加热中受反射、穿透、折射、吸收等影响，使被加热物体各部分产生的热能可能产生较大的差异；（3）电场的尖角集中性，有的也称菱角效应（edge effect），微波作为电波的一种，其电场有尖角集中性，这是造成食品微波加热不均匀的主要原因。 总结解决方法：1) 要了解被加热物体的电容特性 在此基础上对加热设备进行合理设计

14、，并对加热程序进行控制。例如采用间歇式方法，使热点集中的热量得以向周围扩散2) 按照半衰深度的大小，将食品分割成适当体积。分割厚度一般为半衰深度的22.5倍。例如半衰厚度大的冰冻食品解冻，可大一些,一般为15cm左右；半衰深度小的食品要分割成6cm以下的小块。 3) 为了克服菱角效应和热点的产生，人们在容器上作了许多改进。例如尽量使用大小合适的圆角容器，环状容器。对有尖角的食品进行整形处理。 4) 因为微波加热很快，自然传热往往来不及使各部分温度均一，所以对于液体食品可采用搅拌的方法，对固体食品要用旋转或翻转的方法使各部分加热温度均匀；对冷冻食品要先解冻后加热，解冻时要使表面和拐角部分尽量保持

15、低温，不要溶解。 5) 为了克服微波加热的局限性，把微波与远红外等加热方法组合在一起的设备，成了当前微波炉开发的新趋势。红外线、光电纤维测温技术和电脑控制也使微波炉的性能得到大大改善。（二）微波加热的特殊效果（二）微波加热的特殊效果 1.升温快、加热时间短，使食品的色香味损失少。尤其是对于一些需要膨化的食品，微波有特殊作用。但是对于某些食品并非优点，如烤红薯，由于微波加热快，淀粉酶来不及把淀粉水解为糖，因此没有慢火烤得甜。微波烤肉虽快，但肉内难以变得软烂。 2.微波由于内外同时加热，所以加热后的食品风味与一般方法不同。对于汤汁食品在用微波煮制时产生对流很少，汤汁不易翻动，这样可以保持其稳定形态

16、，有利于宴会菜的造型。另外微波处理还有一些用加热原理难以说明的特点，微波加热的鸡肉，骨和肉易于分离；微波干燥的面条口感韧性增加等等。相反对于面包食品，由于内外同时升温，表面难以形成均匀漂亮的烤色，甚至有些生的感觉。 3.微波加热的硬化与软化现象，微波加热淀粉类食品时，刚出炉很软，但要马上吃，不然很快会变硬。软化的原因是在微波的作用下，使与淀粉相结合的结合水游离出来软化了整个食品组织。但由于自由水增加，引起蒸发加大，当凉下来时，自由水的一部分又成为结合水，使组织急速失水而硬化。超高压杀菌超高压杀菌 n食品超高压技术（ultrahigh pressure processing 简称UHP）是当前备

17、受各国重视、广泛研究的一项食品高新技术它可简称为高压技术（High pressure processing，HPP）或高静水压技术（High Hydrostatic process，HHP）。n“加压食品”与加热食品同样地是将食品密封于弹性容器或无菌泵系统中，以水或其它流体作为传递压力的媒介物，在高压（100MPa以上,常用400600MPa）下和在常温或较低温度下（一般指在100以下）作用一段时间，以达到加工保藏的目的，而食品味道、风味和营养价值不受或很少受影响的一种加工方法。即以加压取代加热而成。 一、历史一、历史1899年美国化学家Bert Hite首次发现450MPa的高压能延长牛奶的

18、保存期，他和他的同事做了大量研究工作，证实了高压对多种食品及饮料的灭菌效果； 美国的物理学家P.W.Briagman （1914）年就提出了在静水压下卵白变成硬的凝胶状和蛋白质变性的报告。 限于当时的条件如高压加工设备、包装材料、市场对新的加工方法的需求及有关技术等，并没有把这种技术用到食品加工上 美国人Eyring 、Kauzmann，日本的归山、柳本、铃木等先后深入研究蛋白质的高压变性。 n上世纪八十年代，人们重新发现它的价值 n1986年日本京都大学农学博士林立凡教授发表了用高压加工食品的研究报告n1989年在日本高压加工食品用试验机就达到了30台以上 n1991年4月日本明治屋食品公司

19、举世首创的应用高压处理技术制造果酱 二、高压加工食品的原理 高压处理食品是先将食品原料充填到塑料等柔软的容器中，密封后再投入到有数千静水压的高压装置中加压处理。食品领域利用高压处理和加工主要是基于食品的主成分水的压缩效果，即高压对液体的压缩作用，导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化。 n它是利用了帕斯卡定律：加在液体上的压力可以瞬间以同样大小转到系统的各个部分。水在高压下体积只被压缩14%，随之而发生的热量也很少，水系中被包着食品中的蛋白质、淀粉等物质，在静水压下也向自身体积减少的方向变化

20、，即形成生物体高分子立体构造的氢键结合、离子结合、疏水结合等非共有结合发生变化。 n蛋白质、淀粉原来的构造破坏、发生变性，酶失去机能，细菌也被杀死。n蛋白质一次构造的氨基酸的缩氨酸结合，是共有结合在数千高压下其构造不发生变化；同样食品中的维生素、香气成分等低分子化合物也具有共有结合，在高压下不发生变化 n1988年林立凡研究结果发现不只是蛋白质变性，凡是以较弱的结合构成的生物体高分子物质如核酸、多糖、脂肪等物质或细胞膜都会受到高压的影响，于是生物体的生命活动就会受到影响甚至停止，也就是说高压处理可达到杀菌、杀虫、惰化酶的效果 n铃木（1989）曾经以猪肉火腿（腌制肉）加压以探讨一般微生物的消长

21、。 （10保持30分钟） 高压压力 Mpa 微生物存活数量（个/g） 0 5.4104 202 2.7104 303 6.7104 404 300 506 300 607 300 n大森（1991）曾将肉品中常见的腐败菌及食物中毒菌接种在猪肉浆中，在25下加压101607MPa以探讨杀菌可行性n大肠杆菌在202MPa下未见减少，而303MPa以上可达杀菌目的；绿脓菌、沙门氏菌、Campylobacter或Y等在303.0MPa以上就可杀菌；n微球菌、葡萄球菌、肠球菌等在303MPa下都未减少，但达到405MPa以上就开始减少，而607MPa就可杀菌；酵母（Sacchaomyces Cereui

22、siae. Candida Utilis）405MPa以上就有杀菌效果n高压可以引起细胞形状、细胞膜及细胞壁的结构和功能都发生了变化； 啤酒酵母（S.cerevisiae）以405MPa处理后细胞细胞膜膜的结构和细胞质内细胞器细胞质内细胞器完全变形，同时大量的核内物质渗出细胞，当施压至506MPa时，细胞核及其细胞核内物质完全被破坏而无法辨认；Kriss等利用SEM研究了假单孢菌（Pseudomonas spp.）经过30.046.0 MPa压力下作用后，其细胞呈长条状长条状、细胞膜同细胞壁分离、细胞壁加厚细胞壁加厚、细胞膜变得清晰可见、产生无膜构造的细胞壁以及核糖体数目核糖体数目减少等现象。

23、Chong和Cossins发现在高压下，随着细胞膜磷脂细胞膜磷脂分子的横切面的减少，细胞膜的双层结构的体积也随之降低，细胞膜的通透性因此而改变。 n微生物的形态、生化反应、基因作用机制、细胞膜及细胞壁等产生许多变化，如Zobell和Cobert发现大肠杆菌在40.5MPa压力下长度由正常的12变成10100； 高压对酶的影响高压对酶的影响n加热和加压处理同样会使酶和蛋白质失去活性，但它们是两个不同的物理过程。高温会引起共价键的变化，导致蛋白质不可逆变性；而高压则会生成或破坏维持酶的空间结构的非共价键（氢键、离子键、疏水键、双硫键）等，使蛋白质的变性情况更为复杂，有的是可逆性，也有的是不可逆性。

24、n曲霉的葡萄糖糖化酶(-Glucoamlase)及酸性蛋白酶和中性蛋白酶(Protease)、羧基肽酶(Caroxypeptidase)等酶在25、600MPa下加压10分钟只能惰化（不可逆）2060%，尤其是Glucoamylase的抗压最强 nFukuda h和Kungi 报道胰蛋白酶（Trypsin）和羧基肽酶Y（Carboxypeptidase Y）的活性在高压下受到抑制，而嗜热菌蛋白酶（Thermolysin）和纤维素酶（Cellulase）在高压下则被激活。牛肉中蛋白酶中氨肽酶氨肽酶（Amino peptidase）和羧基肽羧基肽酶酶分别在506MPa和405MPa下活性受到抑制，

25、中性蛋中性蛋白酶白酶在405MPa以上压力下受到一定影响，而酸性蛋酸性蛋白酶白酶则几乎不受影响 柑桔果胶酯酶果胶酯酶（PE酶,Pectinesterase）活性随处理压力的提高而惰化，但是高至6000bar仍有部分残存，而过氧化物酶过氧化物酶(Peroxidase)的耐压性则更高，在相同压力下提高处理温度可提高酶活性惰化的比率 1. 多酚氧化酶n在高压处理中，当制品受压时，若压力较低，也有增强酶活力的效果。如切片的马铃薯、苹果和洋梨在加压时，可激活组织中的多酚氧化酶，使苯酚类物质氧化，形成褐变。若加压到400MPa以上，则酶很快失活 2. 果胶酶（Pectinase） nOgawa 等将未经杀

26、菌的鲜榨伊予柑汁与有机酸混匀，在100600MPa压力条件下处理一段时间。随着果汁浓度的增加，其中果胶酯酶受压力钝化的程度降低，但pH值（2.54.5）及有机酸的种类（柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乳酸或醋酸）对压力作用影响不大。尽管在300或400MPa的压力下处理10min后，果汁中的果胶酯酶并未完全失活，但在正常储运条件下失活的酶没有再生。 3. 纤维素酶（Cellulase） nMurao 研究发现纤维素酶的活性随着压力的升高而增强，并在400MPa达到最大值。此时的酶活力是常压下酶活力的1.7倍。300MPa时的酶活力也可达到常压时的1.5倍。 4. 过氧化物酶（Peroxidase） n

27、23、600MPa处理10min，其酶活力只降低了30%，而相同条件下处理的果胶酯酶仅存20%的活力；将缓冲液换成食品基质，则过氧化物酶的耐压性更高n中性环境中，60、600MPa处理10 min，过氧化物酶的残存活力仍高达90%，当pH从7变成9，酶活力减少了50% 5. 蛋白酶（Protease） n胰凝乳蛋白酶与羧肽酶的活性都会被高压所抑制，而嗜热菌蛋白酶在高压条件下活力反而增加 n压力激活的嗜热菌蛋白酶,在200MPa时，该蛋白酶的活性有很大的提高，常压时只部分消化B-乳球蛋白，200MPa时则完全消化；对a-乳球蛋白，两种消化值基本不变。 6. 脂酶（Lipase） n室温、600M

28、pa、10min.的处理可使脂酶的活力降低40%；若升温升压，则700MPa、45处理10Min.就可完全钝化脂酶。 n脂酶的高压失活速率也符合一级反应方程，可表示为：A=A0e(-kt) 7. 溶菌酶（Lysozyme） n能降低细菌芽孢的抗热性，对延长制品的货架期起有效作用。n一般酶类在数千大气压下也不会完全失活。 8. 固定化酶（Immobilized Enzyme） n等将酶固定在水不溶性的载体上进行加压处理，其对压力的敏感性低于溶解态的酶。溶解态的胰蛋白酶钝化温度是50，而固定化后钝化温度升至60。同时稳定性也随之压力升高而增强了。n盘尼西林酰基态酶，在40，300MPa的条件下保温

29、处理两个小时，酶活未见降低n用适当的压力条件提高酶的稳定性 高压处理影响因素高压处理影响因素 n 1. 压力的大小和受压时间 n灭活曲线（inactivation curve）随压力的升高呈对数下降，受压时的温度也可能改变曲线的形状 n大肠杆菌在40或50时受压250MPa 20min,灭活曲线呈一次性线性关系（first order），但当温度低于30时，该曲线的形状就变成对数曲线（膜液态变换）n 2. 种间差异 n 处于指数生长期的细菌比处于静止期细胞对压力反应更为敏感。革兰氏阳性G+的细菌比革兰氏阴性G的细菌对压力更具抗性，孢子对压力的抵抗力则更强，可以在高达1000MPa的压力下生存，

30、病毒对压力也有较强的抵抗力 n3. 与温度的关系 n其中枯草杆菌(B.subtilis)、生芽胞梭状芽胞杆菌(C.sporgenes)等芽胞形成菌是使用芽胞，而孢子形成菌米曲霉(Asp. oryzae)、R. javanicus 则采用其孢子，在100400Mpa、pH7.0, 20及20下处理20min.，发现大部分微生物在200300Mpa都死灭，但是耐热性高的枯草杆菌、生芽胞梭状芽胞杆菌芽胞在20及20都未死灭。 n 4. 与pH的关系 n在受压条件下，培养基的pH值可能发生变化，与此同时，细菌的最适生长pH范围也变得较为狭窄。 npH=7的磷酸盐缓冲溶液在69.1MPa下变为pH=6.

31、6。海水在101.325kPa和1的条件下pH为8.10，在101MPa的压力下，pH则变为7.87。n Marquis 报导粪链球菌（Streptococcus faecalis）在pH9.5常压下生长受到抑制，在40.5MPa当pH8.4时生长受阻；灵杆菌（Serratia marcescenns z）在常压下当pH10.0时生长受到抑制，而在40.5MPa下，当pH9.0时就受到抑制 n 5.培养基蛋白质、碳水化合物和脂类对微生物具有保护作用；强化的培养基因富含可供细菌利用的氨基酸和维生素等营养物质，从而对细菌在高压下具有更好的保护作用。 四、加压食品的特点四、加压食品的特点 1.高压处

32、理技术可以创造新物性的食品素材2.2.高压可并用加热而创新食品加工方法。3.3.可利用为半调理食品加工。如上所述，高压可在保持食品原有风味的条件下进行杀菌，这种食品可简单加热后食用，扩大了半调理食品的用途。4.4.可以保持生鲜食品或发酵食品的风味，但应考虑压力处理可能带来的物性变化。5.5.没有色香味及营养成分之劣变，相反的无法期待由加热产生之着色或香气之发生。6.6.比热加工而言能耗较低。五、展望n1 超高压技术开发的重点 加热和加压的相乘和拮抗效果的利用；高压在食品化学反应方面的特殊效果利用；植物细胞由于加压体积缩小，细胞膜功能消失，成为单纯的半透膜，可利用此特点来提取动植物的精华和制造咸

33、菜等；超高压酒类催陈技术；加压装置成本的降低和高效率生产。 2 目前超高压技术存在的问题 n超高压是基于对食品主成分水的压缩效果，干燥食品、粉状或粒状食品，不能采用超高压处理技术； n高压下食物的体积会缩小，故只能用软材料包装 ；n一些产芽抱的细菌，特别是低酸性食品中的肉毒梭茵，需在70以上加压到600MPa或加压到1000MMPa以上才能杀死；n酶因其分子量和分子结构不同，超高压下活性变化也不一样，故需加压到所有酶失活为止；n超高压装置必须采用耐高压的金属材料和结构；n因反复加减压，高压密封体易损坏，加压容器易发生损伤 ；n实际应用时仍需根据加工的食品设定处理条件 3.加压食品开发课题n（一

34、）加热与加压并用（一）加热与加压并用 1.杀菌：如果温度和压力选用不当往往会降低杀菌效果 2.杀菌与物性的变化：进行食品压力杀菌时常常要顾及食品物性变化（二）产品风味之保存方法（二）产品风味之保存方法 加压产品可以保存原有之风味与色泽，但须注意的是其于食品贮藏过程中亦会受到光、氧、酶、温度等条件影响，且比生鲜状态更易变化 n（三）包装材料 伴随之变形及内容物漏失，避免其它如加热产生之变质问题（四）高压装置的改良 高压装置有处理量少、设备成本高、使用寿命短等缺点 （五）名词术语 为了使食品高压处理技术成为日常使用的技术，需要规定一些与加热法相区别、并适合加压法的名词术语。 （六）法规问题食品杀菌

35、法规、法律都是以加热法为前提制定的，因此如何实验数据证明加压杀菌也适用食品加工，使之符合食品卫生标准规定。 食品电阻加热杀菌技术食品电阻加热杀菌技术 n电阻加热技术(ohmic heating，又称为欧姆加热) n将电流通过食品利用其电阻抗产生热能来加热食品，主要是针对含颗粒流体食品的无菌加工，减少液体和固体颗粒间的加热杀菌程度不均匀，配合机械制造技术发展，新材料出现，新电极零组件，绝缘装置制造技术改善，使得连续式电阻加热系统的技术比较成熟且设备成本降低，而使其成为商业生产可行的技术。 1电阻加热技术的发展 n连续式电阻加热器的开发设计是由英国电气研究发展中心开始研究，80年代取得专利，90年

36、代制造商业型电阻加热系统。 n罐头食品的色香味及营养价值已渐渐无法满足消费者的要求，而无菌包装技术只用于低粘度流质产品如果汁、牛奶、茶、运动钦料等。 n以蒸汽为热源，热煤通过热交换先加热流体，然后由载流液体以对流方式将热能传递给固体颗料，然后颗粒本身再以热传导方式将热能传递到固体中心，所以有热传递速度慢且加热不均匀的问题。n电阻加热技术是以交流电电流通过食物，因食物中所含的盐分或有机酸均为电解质，无论流体或固体电流均可通过。热由食品内部产生，其原理是利用食品本身的导电性，及不良导体产生大的电阻抗特性来产生热能 电阻加热与传统加热的加热速率曲线 2电阻加热技术的原理 n欧姆加热与微波加热不同之处

37、是渗透的深度没有明显的限制，加热范围由被加热物质的导电性和在加热器中停留时间而定。欧姆加热效果是当电流流过导电物质时产生的热效应 n食品能否适合欧姆加热取决于该食品的导电性。在固定电压下，电阻加热的热能产生与食品的导电度成正比，因此食品的导电度在加热中起关键作用。 n大部分可输送的流体食品只要其水分含量超过30且溶有盐类，已具有足够的导电性来使电阻加热。但非离子化的物质如脂肪、油、糖、糖浆或不添加盐类的纯水等因不具导电性，故不适合应用电阻加热。另外，必须配合专利设计的电极设计来提供电流，才能排除食品因电流而产生电化学反应及电极腐蚀的可能性，提高安全性，降低成本，有利于电阻加热在食品商业杀菌的运

38、用。 特点特点n可以生产新鲜的、含固形物的高营养价值的产品；没有热传导界面，因此可以连续加热；可以处理鲜美的食品；污染少；对流体和固体快速均匀加热，具最少热破坏和最短加工时间；生产很安静；维修成本低；启动、停止操作简单，加工控制方便；具有降低前处理、生产制造和包装成本的可能性。 3影响电阻加热技术的因素影响电阻加热技术的因素 n食品的导电度是电阻加热技术的关键因素，任何影响电阻加热的因素均直接影响导电度，而导电度的高低决定电阻加热技术的表现。 n3.1 温度 n食品原料温度愈高，导电度也愈高；加热速率随着食品原料温度上而增大，电压梯度不同，加热速度不一样 n3.2 电解质的浓度 n颗粒食品先浸

39、泡在不同浓度的食盐水溶液中，以提高颗粒电解质含量，再进行电阻加热，结果发现，电解质浓度高的颗粒，其导电性高，使得加热速度更高；颗粒先预热后再电阻加热，会有较高的导电度，其加热速率也增加。 n3.3 食品的组成及颗粒的大小 n食品富含油脂，其导电度与加热速率均容易产生不规则的变化，低温时加热较慢，高温时加热较快，含淀粉质的颗粒，对电阻加热也有影响，主要是淀粉糊化使液体粘度增加。固体颗粒种类不同，大小不一，数量多少也会影响食品的导电度，加热速度也随之变化，其重点在于如何判定冷点，以及冷点受热是否足够商业杀菌。n 4续式电阻加热系统续式电阻加热系统 n连续式电阻加热系统在无菌加工中高温短时杀菌的应用

40、 n一般由四支电极构成一组三个加热段的加热器 n加热管以直立角度安装，使产品流向为向上流动。 n食品由混合桶或缓冲桶进入系统经定量输送泵输送入直立的电阻加热器加热杀菌n品能达到140高温杀菌不沸腾，必须维持足够的背压为4bar的压力运用电阻加热器在无菌加工中的流程 安全条件安全条件n(1)系统的电气设计必须避免造成食品电解作用及因电极解离或食品局部过热烧焦而导致污染食品； (2)有效控制食品的加热速率和其流速； (3)具有无菌环境下充填和密封包装含颗粒流体食品的无菌包装技术； (4)系统设备投资和运转费用可以接受。 5用电阻加热技术的优点用电阻加热技术的优点 n5.1 产品连续生产旦直接加热不

41、需借助热交换表面，与传统热交换方式比较，减少了热交换表现的粘附问题，延长系统运转周期。5.2 快速、均匀加热液体和颗粒，使两者的热破坏和滞留时间的差异减少，能保留较高的产品营养和颗粒完整性，比其它加热方式更具有新鲜、美味的品质。5.3 系统没有机械搅拌部分，产品流速较慢，适合易磨损的产品。5.4 系统可处理较高固液比的产品，使用范围广，投资成本回收快。5.5 配合无菌包装技术可生产具有高档的保健食品。 强度脉冲电子场强度脉冲电子场 n高强度脉冲电子场（PEF）是将食品置于两个电极间进行高压的短时不超过1秒的电击。高压过程要求通过建立一个蓄电器贮存电能，然后释放来实现。 n决定微生物失活是因为电

42、子场而不是产品的电解或欧姆、电阻加热。PEF技术能破坏微生物的细胞壁。整个过程不会导致食品中的化学或物理变化特征发生变化。 nPEF加工过程条件由食品特性决定。对任何一种食品PEF条件由以下各可变参数决定，电子场峰强度（KV/cm）（千伏每厘米），脉冲周期（微秒），脉冲数量，最初温度，最高处理温度，有关微生物种类和微生物数量。 高强度脉冲电子场杀灭微生物的特点 n优点 :v消灭大量致病菌和腐败有机体 v产品中有轻微的温度升高 v可能比较热处理价格低 v产品没有变化，维生素和酶无损失 n缺点：v对孢子需要高剂量和长时间 v只能用于液体或灌制食品 v同时只能用于货架稳定酸性食品和冷藏食品 v必须设

43、计每一种产品的具体过程 灭菌机理灭菌机理 n现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、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，大多数学者倾向于认同电磁场对细胞膜的影响，并以此为基础对抑菌动力学进行探索 细胞膜穿孔效应 n膜的外表面与膜内表面之间具有一定的电势差。当细胞上加一个外加电场、这个电场将使膜内外电势差增大，细胞膜的通透性也随着增加，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增、膜上出现许多小孔，使膜的强度降低 n当所加电场为一脉冲电场时，电压在瞬间剧烈波动，在膜上产生振荡效应。孔的加大和振荡效应的共同作用使细胞发生崩溃，从而达到杀菌目的 电磁机制理论 n电场能量与磁场能

44、量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场起了主要杀菌作用，而电场能向磁场的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。这样的放电装置在放电端使用电容器与电感线圈直接相连、细菌放置在电感线圈内部，受到强磁场(场强687特斯拉，功率16KJ)作用。 粘弹极性形成模型n一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而产生剧烈振荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。 电解产物理论 n在电极点施加电场时，电极附近介质中的电解质电离产生阴离子，这些阴阳离子在强电场作用下极为活跃，穿过在电场作用下通透性提高的细胞膜，

45、与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。 n不足之处是难以解释PH值变化剧烈的条件下，杀菌效果没有什么变化的结果。 臭氧效应理论n臭氧效应理论认为在电场作用下液体介质电解产生臭氧，在低浓度下臭氧已能有效杀灭细菌。 处理系统设计处理系统设计 n高压脉冲处理系统设计的关键是脉冲发生器和处理腔的设计。n美、法等国建立起了一批可商业化应用的设备。n但是这些设备少则数万美元，多则数十万美元价格非常昂贵，从而限制了这一技术的工业化应用。 2. .1脉冲发生器脉冲发生器 n具有最佳处理效果的脉冲发生器的设计、制造是当前高压脉冲杀菌技术工业化应用的最大障碍。 n高压脉冲处理系统的脉冲可以采用方波、指

46、数波、交变波等三种形式 n方波脉冲发生电路价格过于昂贵，以此为基础的处理系统尚不适于在规模工业化应用。相对来讲指数脉冲发生电路价格比较便宜适合于工业化应用。n传统高压脉冲发生器价格高昂n磁压缩脉冲发生器是传统脉冲发生器的良好替代品 n将电能以磁能的形式储藏起来，然后突然释放，从而形成指数脉冲。这种脉冲发生器消除了传统高压脉冲发生器对高速开关和触发电路的要求，并且电源也可以改用交流电源，从而消除了传统直流电源中整流的耗费。 2.2处理腔设计处理腔设计 n静态分批式处理腔规模小、考虑影响因素较少，不适于大规模工业化应用。n连续式处理腔，主要有平行盘式、线圈绕柱式、柱柱式、柱盘式、同心轴式。其中，平

47、行盘式和同心轴式处理腔结构被广泛报道。 3. HPEF 杀菌效果的影响因素杀菌效果的影响因素nHPEF 设备参数n电场强度：是影响杀菌效果最重要的因素之一。 在达到穿透膜电位的临界值后, 继续增加电场强度, 对象菌存活率明显下降n处理时间：杀菌时间是各次放电释放的脉冲时间的总和。随着杀菌时间的延长，对象菌存活率开始急剧下降、然后平缓，逐渐变平，最后增加杀菌时间亦无多大作用。 n处理时的温度：随着处理温度上升(在2460范同内)，杀菌效果有所提高，其提高的程度一般在10倍以内。 n 脉冲频率：提高脉冲频率，杀菌效果上升。食品性质食品性质n食品电阻由于介质的电导率提高，脉冲频率上升、因而脉冲的宽度

48、下降。这样，电容器放电时、脉冲数目不变，即杀菌脉冲时间下降，从而杀菌效果相应下降。介质电导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数、如空气导电、则无脉冲产生。n食品pH pH下降，杀菌效率提高微生物特性微生物特性n对象菌的种类：对象菌的种类：不同菌种对电场的承受力有很大的不同。无芽孢细菌较有芽孢细菌更易被杀灭，格兰氏阴性菌较阳性菌易于被杀灭。在其它条件均相同的情况下用电场灭菌，霉菌、乳酸茵、大肠杆菌、酵母茵等不同菌种的存活率由高到低排列。 n对象菌的生理状态对数期的菌体比稳定期和衰退期的菌体更易杀灭。Gaskova报道对数期酵母细胞致死率比稳定期的高30%。这是因为对数期菌体中大部分处于分裂阶段,细胞

49、膜对电场的作用很敏感。 n菌数量菌数量 n对菌数低的样品与菌数高的样品加以同样强度、同样时间的脉冲，前者菌数下降的对数值比后者要多得多。 4 处理效果 n国内外研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、各类格兰式阴性菌、格兰式阳性菌、细菌袍子，以及苹果汁、香蕉汁、菠萝汁、牛奶、蛋清液等进行了大量研究，并取得了良好的结果。研究结果表明抑菌效果可达到46个对数周期，其处理时间一般在几个微秒到几个毫秒，最长不超过1秒，该处理没有对食品的感官质量造成影响，其货架期一般都可延长46周。 n高压脉冲电场杀菌主要是利用食品的非热物理性质，温升小(一般在50以下)、耗能低。一个35千伏的处理系统每处理1毫升液

50、体食品只需20J的能量，而对超高温瞬时灭菌热处理系统来说却至少需要100J以上的能量。国内邓元修等实验证明高压脉冲电场对酵母和大肠杆菌的杀灭耗能只有1860l05Jm32。据国外资料报道，一个脉冲处理系统的操作费用据估计只有大约0.40.8美分，并且物料流率可达1000Lh。超声波杀菌技术超声波杀菌技术 n一、超声波及其特性声波是机械振动能量的一种传播形式。振动频率在1.6104Hz的声波称为超声波，它是不为人耳所听见的一种声波。声波及其所带的能量的传递是基于介质；粒子（原子、分子或弹性单元系统）相对于平衡位置的来回振动。 声波具有下列性质：n1超声波能够传递很强的能量超声波的作用主要是对超声

51、场的障碍物施加交变的压力（声压）。超声场中某一点在某时间所具有的压力p1与没有超声波存在时的静压力p0之差称为声压p，单位为Pa。当有声波传播时，在传播介质中形成的压缩区内，压力将增高；而在稀疏区内压力则降低。声压与声速c和振动频率成正比 声强与质点振动位移振幅的平方成正比，与质点振动的角频率平方成正比，也与质点振动速度的平方成正比，或与声压的平方成正比。 2超声波通过不同介质时会在界面上发生波速突变 n决定于两种介质的特性阻抗，介质的特性阻抗值越大，超声波通过界面是能量的反射率越高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入到液体或固体的情况下，反射率都接近100。这表明若把超声波辐射

52、到某一玻璃化学反应器内的液体中时，那么声波能量将在容器内表面全部被反射，不会投射到容器外边的空气中。n往往要求超声波在两种声特性阻抗不同的介质间传播时，或者在同一介质中传播但用薄板之类的物件分开时，传播时的声能损耗为最小。 当超声辐射到薄板上时，部分能量被反射，部分能量透过它。当薄板的厚度与声波波长之比满足下列两种条件时，超声能的穿透性最好，即能量的损失最小：（1）n / 2（n1，2，3），即薄板厚度是半波长的整数倍，可与超声波发生谐振。（2），这时薄板厚度已经不影响超声波从一个介质传入另一介质。上述条件对在液体中建立所谓的声窗口有很大意义，窗口可以得到最大的机声机声比，即可以保证最大限度地

53、传递超声能量。当需要提高窗口膜片的“强度”和“刚度”时，膜片也应该取满足上述条件的谐振厚度。n此外，空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质以消除空气及因它而引起的衰减。 3散射现象 n当声波在弹性介质中传播遇上障碍时，将发生散射和绕射，一般说来，每一个障碍物，都成为二次声源，使散射声波向各个方向传播。n散射现象与声波频率有关，一般说来，频率增高，散射增强，但对散射现象影响最大的是障碍物（散射元）的尺寸，数量及它的声阻抗。 4超声振动在介质中传播时，它的强度会超声振动在介质中传播时，它的强度会随传播距离的

54、增加而衰减随传播距离的增加而衰减n衰减的第一个原因是影响超声波的几何因素所引起的波的反射、折射、绕射和散射，这是介质的非均匀性，具有反射面和介质中具有异物等 n第二个原因是介质吸收其能量。这是因为所以三种介质（气体、液体和固体）的振动质点之间均存在内摩擦（粘滞性相互作用），其结果是把部分机械能转变为热能，介质获得一定的温升。 n即声波频率f的提高将导致衰减系数a的迅速增加，从而使声波能量随传播距离的增加而衰减更甚。声波的吸收基本上由内摩擦和热传导所决定，通常是很小的，但在两交界面处，当声强足够高时可使材料发热，这种热效应在超声焊接方面有很大用途。n在超声波传播过程中，一般将离声源距离Lr2/

55、以内的区域称为近场区，r为声源半径，为声波波长。当xL时，即进入远场区。在远场区内，轴线上的声强周期起伏。远场区声束开始发散，声场发散使声波能量向更大的空间扩展，因此在给定方向上单位面积内的能量减小，这是造成声波衰减的另一个因素。5波的叠加原理波的叠加原理 n两个频率相同、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的声波叠加时，则会使空间某些质点的振动始终加强，而另一些质点的振动始终减弱或完全抵消，这种现象就称为波的干涉现象 二、杀菌原理二、杀菌原理 n（一）热效应机制 n1超声振动能量在通过介质中不断地被介质吸收，部分振动能被转变为热能。2由于超声波的振动，使介质质点产生强烈的高频振荡，介质间相互摩

56、擦而发热。3在不同组织的分界部分由于组织分层介质声阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间相对运动，产生摩擦而形成热，此时在与驻波引起分子间相对运动，产生摩擦而形成热。（二）机械效应（二）机械效应 n当超声波在介质中传播时，将引起传播空间内介质质点的振动，使它们具有交变的速度、加速度、位移、声压、压力、张力、切应力（弹性的或粘滞的）、膨胀、压缩等 n由于介质质点在超声波作用下的振动加速度与振动频率的平方成正比，虽然振动质点的位移和速度不大，由于频率很高，故振动加速度却相当大，有时超过重力加速度的数万倍 n当超声介质是不均匀的分层介质时，各层介质声阻抗不同将使传播的声波产生反射、形成驻波，驻波的

57、波腹、波节造成压力、张力和加速度的变化。由于不同介质质点的质量不同，则压力变化引起的振动速度有差异，使得介质质点间的相对运动所造成的压力变化，是引起超声机械效应的另一原因。 （三）空化效应（三）空化效应 n超声空化是指激活气泡或空穴的各种动力学表现。当超声波在液体中传播时，液体中的微小气泡（或空穴），在声场的作用下被激活，它表现为这些气泡（空化核）的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。空化泡收缩及崩溃瞬间，泡内可呈现5000以上的高温和几百到上千个大气压的高压，温度变化率高到109K/s，逐渐导致产生自由基及声致发光、次谐波、噪声等现象，并伴随有强大的冲击波（对均相液体介质）或时速达40

58、0km的射流（对非均相介质），会产生一系列物理、化学或生物效应。 （四）化学效应（四）化学效应 n超声波还引起化学作用，促进化学作用，尤其是氧化还原、聚合、电化学及其它过程。n例如在溶有氮的水中，经超声波处理后就产生硝酸。n超声对高分子物质有分解作用，超声在有机体内能引起分子产生高振动速度，高速振动分子间产生摩擦力，此力能使聚合的高分子遭到破坏，起到解聚的作用。可使淀粉变为糊精，糖原还原。 （五）弥散效应（五）弥散效应 n超声能量可以强化和加速渗透通过薄膜、筛网、过滤器、半透膜等的扩散过程，强化搅拌过程，会减薄固液分界面有效厚度从而提高扩散速度。超声能使药物更易进入微生物体内。将消毒药物与超声

59、合并使用，可提高细菌对药物的敏感性，增强药物的杀菌作用，这就是药物的透入疗法的原理。 （六）声流效应（六）声流效应 n发生在超声场中的宏观和微观稳定的液体涡流称为声流。在空化泡振荡时，在固体（或微粒）表面附近会形成这种特殊的声流；当超声射入不同声阻抗的介质截面上，动量发生变化，所产生的辐射压力也会引起声流。在声流的作用下，液体介质也会出现一些特殊的物理、化学和生物效应。例如会引起生物组织分子的移动或转动，当这种运动的幅度足够大时，会引起组织的损伤甚至撕裂。 （七）毛细效应（七）毛细效应 n在转动介质的稀疏相内，液体的沸点降低，水分穿过孔隙和毛细孔的过程加剧，结果加快了低温下粉末状材料及多孔材料

60、的干燥过程。这些效应促使液体或液态金属更快、更好地渗透到多孔材料和其它非均质材料中。在超声能量的作用下，能大大提高毛细管内液体上升的速度与水平。声致毛细效应在包含有多孔介质的声化学反应中可能具有至关重要的意义。 （八）触变效应（八）触变效应 n超声波的作用还会引起生物组织结合状态的改变，如引起粘滞性降低，造成血浆变稀，血球沉淀等。这种效应称为触变效应。当声强过高时，触变效应是不可逆变化，会使组织造成损伤。 三、超声波杀菌技术三、超声波杀菌技术 n（一）超声杀菌效果 n超声杀菌的机理是基于超声生物、物理和化学效应。研究发现在含有空气或其它气体的液体中，在超声辐射下，主要由于空化的强烈机械作用能有