食品非热加工

1、食品非热加工课程读书报告食品非热加工是一门新兴食品加工技术，包括超高压、高压脉冲电场、高压 二氧化碳、电离辐射、脉冲磁场等方法，主要应用于食品的杀菌与钝酶。与热力 杀菌相比，非热加工对食品特别是热敏性食品的色、香、味、功能性及营养成分 等具有很好的保护作用，能够在很大程度上保证产品原有的新鲜度、确保产品的 质量。近年来，随着消费意识和消费水平的提高，消费者对食品的新鲜度、营养、 安全和功能的要求越来越高，极大地推动国际上对食品非热加工技术的研究与发 展。目前，一些非热加工技术如超高压、高压二氧化碳等在美国、日本、法国等 发达国家已经得到了产业应用。同时，随着研究的不断深入，非热加工技术的应 用

2、范围得到了拓宽，可用于食品功能成分的提取、食品大分子的改性等方面。通 过对食品非热加工课程资料的学习，以下介绍几种食品非热加工技术。一、高压脉冲电场：高压脉冲电场(pulsed electric fields，PEF)是一种非热处理技术，具有处理 时间短，温升小，能耗低和杀菌效果明显等特点，成为近几年来国内外研究的热 点之一。早在1967年，英国学者就发现25kV/cm直流脉冲能有效致死营养细 菌和酵母菌。20世纪80年代后期以来，美国、日本等发达国家研究比较活跃， 并制造了成套的技术设备近几年来，在我国国内已有几所大学和研究机构设计了 自己的高压脉冲装置，并进行了相关研究，如吉林大学、华南理

3、工大学和江南大 学等。研究的内容主要涉及高压脉冲杀菌装置的设计，高压脉冲电场动力设备、 放电电路的设计，高压脉冲电场对微生物、酶的影响和功能物质的提取等方面。1、PEF技术的加工原理关于高压脉冲电场的作用机理，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。1.1细胞膜穿孔效应细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它带有一定的电荷，具有一定的 通透性和强度，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，此时，细胞膜的通透性也随着增加， 当电场强度增大到

4、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。此外当所加电场为脉冲电场时，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。1.2 电磁机制模型电磁机制理论是建立在电极释放的电磁能量互相转化基础上。电磁理论认为 电场能量与磁场能量是相互转换的，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（磁场强6.87特斯拉，功率16kJ）作用。1.3粘弹极性形成模型粘弹极性形成

5、模型认为，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。1.4电解产物效应电解产物理论指出在电极施加电场时，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，与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。但其不足之处 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。1.5臭氧效应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。2 PEF技

6、术处理的影响因素2.1处理菌的种类1）对象菌的种类：不同菌种对电场的承受力不同。食品加工中，相同条件 下用电场灭菌，不同菌种存活率由高到低为：霉菌、乳酸菌、大肠杆菌、酵母菌。 特别需要指出的是，对象菌所处的生长周期也对杀菌效果也有一定的影响，处于 对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感。2）菌落数量：在同样强度、同样时间的脉冲下菌落数高的样品比菌落数低 的样品菌落数下降的对数值比后者要多得多。2.2电场参数的影响1）脉冲电场强度：在高压脉冲电场杀菌过程中，脉冲电场的强度是一个导 致微生物失活的主要参数，增加电场强度、对象菌存活率明显下降。因为细胞膜 两侧的感应电动势与电场强度成正比，

7、更高的电场强度能杀灭更多的细菌。2）脉冲数目：在电场强度和杀菌温度固定的条件下，细菌的存活率随所施 加的脉冲数目增加而减少。3）脉冲的波形：通常所用的脉冲波形包括：按指数衰减的波形、方波波形、 振荡波形、双极性波形。在所有波形中，振荡波杀灭微生物的效率是最低的；方 波的效率比指数波的效率高；双极性脉冲波形对大肠杆菌的致死率比单极性波形 高。4）脉冲频率：若提高脉冲频率，则杀菌效果上升。原因是频率提高后，对 应于每一次电容器放电来说，具有更多的脉冲数目，因而指数衰减曲线的下降得 到减缓，从而保证了更长的杀菌处理时间。5）处理时间：是各次放电时间的总和。随着杀菌时间的延长，对象菌存活 率开始急剧下

8、降，然后平缓，逐渐变平，最后增加杀菌时间亦无多大作用。2.3处理样品的影响1）液体食品温度：随着处理温度上升（在2460C范围内），杀菌效果会有 所提高，其提高的程度一般在10倍以内。液体食品适中的温度有利于杀灭微生 物。2）溶液pH值：多数微生物的最佳生长环境的pH 值位于6.67.5之间， 加入HCl或NaOH 等可调节溶液的pH值，使其偏离最佳生长区，在采用脉 冲电场杀菌时，当微生物的细胞膜穿孔形成后，细胞周围的介质渗入细胞，使其 体内酸碱平衡受到破坏，从而能促使其失活，较明显地提高杀菌效果。3）介质电导率：介质电导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数，介质的电 导率提高，脉冲频率亦上升，因

9、而脉冲的宽度下降。这样，电容器放电时，脉冲 数目不变，即杀菌总时间下降，从而杀菌效果相应下降。3 处理效果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50C以 下）、耗能低。一个35千伏的处理系统每处理1毫升液体食品只需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1.8-6.0 x105 J/。二振荡磁场磁场影响物质移动方向，改变微生物生长和繁殖。磁场的作用是促进DNA 合成，把生物分子和生物膜的方向转成平行或垂直与磁场方向，并能通过改变穿 过质膜的离子的移动，改变细胞繁殖率。毒性

10、细胞放入振荡磁场后，数目大大减 少，实际应用是癌症的治疗。磁场即磁体可以磁化周围物质的区域。如果粒子沿三个正交轴x y z方向的 磁化率相同，则可以说此粒子具有各向同性磁化率。反之，粒子x y z方向磁化 率不同，称此粒子具有各向异性磁化率。碳原子显示各向同性磁化率，而以单键、 双键或三键结合的两个碳原子具有各向异性磁化率。一般情况下，磁场分为静态 场和振荡场。它们可以是匀强磁场也可以是非匀强磁场。在匀强磁场中，电磁线 圈环绕区域内的磁场强度B恒相同，而非匀强磁场中，B不相同：随着距离线圈 中心的增加而减小。非匀强磁场对置于场中的抗磁物体和顺磁物体有一种加速力 的作用，而匀强磁场则没有加速里的

11、作用。静态磁场由一个恒定的强度B，并且 磁场方向保持不变。以脉冲形式施加的振荡磁场，每一个脉冲的充电形式发生变 化，每次脉冲产生的场强，随时间的推移会减小到约为初始强度的10%。2.1 磁场对微生物的作用20世纪早期，人们通过对细胞质流的观察，明确了静态或振荡磁场对活有 机体的影响。藻类细胞的细胞质流动速率受阻碍或激发取决于外加磁场方向。极 低频磁场，如地磁场，对微生物移动起定向作用。Moore 发表了关于 0.015T 频率 0.3Hz 振荡磁场对 pseadomonas Aeruginosa、 halobacterium Candida albicans菌生长的最大激励效应和0.03T静态

12、磁场最大抑 制效应的研究结果。他指出，细胞繁殖抑制原理是细胞分裂率降低，而不是钝化 微生物。这一点正好与Geremcser等人的研究结果相反。细胞置于磁场中时，其 生物形态内有变化，而且磁场对细胞的“遗传装置”一比如：改变变种频率一也没 有明显影响，虽然“遗传装置”的变化还未完全研究明白。培养基放于磁场的过程 中，温度增加0.1 C。2.2磁场对组织和膜的作用生物膜固有的各向异性结构，使其在磁场中表现出很强的方向性。细胞膜平 行或垂直于外加磁场的方向性，取决于生物分子综合各向异性。改变穿过质膜的 离子流量，就会变换细胞分裂速率。试验人员用约为100T的静态磁场增减穿过 细薄膜的离子量。用一个最

13、高磁通密度为5.4mT，极低频72Hz的振荡磁场加到 草履虫细胞上24小时，Pawnmutant、野生类、paranoic mutant分别比标准试样 中的增加4.7%，8.5%，16.8%。以地磁场下生长的种菌作标准试样。为了确定草 履虫细胞分裂对穿过膜的离子量的要求条件，他们利用心脏组织中一种叫做 “verapamil”的控制Ca通道的物质，来阻塞质膜的Ca2+通道verapamil”加入 到培养基中时，磁化的和非磁化的草履虫细胞分裂速率相同。Dihel等人声明当 微生物置于磁场中时，质膜是一个很重要的改变点。2.3磁场对毒性细胞的作用Costa和Hofmann发现1-50T,5-1000

14、kHz的高强度磁场会减少活体动物组织 中毒性细胞的浓度。一般情况下，把动物或动物体上毒性细胞的携带部分放于磁 场中，根据肿瘤的类型，处理1-1000个脉冲，每个治疗期10个脉冲，时间是100 微秒。振荡磁场把毒性细胞数目减小到自然抗肿瘤机制足以抵抗的剩余毒性细胞 极限浓度以下。与未处理的肿瘤比较，处理后的肿瘤尺寸减小。体组织置于磁场 中时，没有热量产生。由于外加磁场的作用，正常的组织也会有一定损伤，但损 伤量比起照射处理毒性细胞的损伤小的多。而且，比起离子照射来，磁场对自然 免疫系统的损害小的多，所以恢复和再生健康组织需要的时间较小。2.4磁场与酶反应Rabinovitch等人和Maling等

15、人研究了静态磁场对三种酶基系统的影响：1）（RNA）核糖核酸酶和细胞色素“C”琥珀酸还原酶，置于最高4.8T的磁场 中5-6分钟。2）核糖核酸酶，辣根过氧化物酶-二茴香碱酪氨酸酶-L-酪氨酸以及醛缩酶 -FEP（果糖1，6二磷酸）系统置于8.5T-17T的磁场种，2-20分钟。3）胰蛋白酶-L-苯甲酰DL-精氨酸p-硝基苯胺（BAPA）系统置于22T磁场 中9分钟,胰蛋白酶在加入BAPA系统实施酶活性之前，先要在20.8T的磁场中“预 处理“65-220分钟磁场对上述酶的反应率影响不明显。置于4C、2T磁场中的tris 中的羧基歧化酶在PH8.0的缓冲溶液中活性减小。启动磁场时，酶作为试样进行

16、 试验；关闭磁场，其活性立即减小，。磁场激活效应主要是由氢键增加及相应的 酶多肽主链螺旋性提高造成的。螺旋性和氢键的增加使蛋白质稳定而不容易变 性，这样一来，酶对钝化的敏感性降低。2.5磁场抑制微生物的机理有A.ICR和IRR模型，此外还有一此其他理论，磁场在食品保鲜中的应用 很多。用磁场技术对食品进行保鲜，最重要的一点要求是大电阻率一高于1025 欧姆-厘米（ohms-cm）。很多食品电阻率都在这个范围内。例如：桔子汁电阻率 是300ohms-cm。外加磁场的强度是被磁化食品厚度和电阻率的函数。较小电阻 率、较大厚度的食品用的磁场强度较高。用磁场进行保鲜的食品系统为：（a）带 strptoc

17、occus thermophilus 的牛奶（b）带 saccharomyces 的酸牛奶（c）带 saccharomyces的桔子汁（d）带细胞孢子的TrownN ServeTN滚筒的面团。2.6磁场保鲜食品步骤如下把食品封入一个塑料袋中。在温度为0C-50C时，放入频率为5500kHz 的OMF中，处理1100个脉冲，整个放置时间约为25ps-10ms。食品放置于 磁场中的时间等于脉冲数乘以单个脉冲周期。每个脉冲周期包含10次振荡。振 荡10次后，大幅度衰减的磁场对食品影响就可以忽略了。金属包装物不可以用 到磁场中。OMF或SMF对微生物的钝化效应，有潜力用来钝化食品微生物。OMF钝 化微

18、生物，技术上的优点包括：（a）营养和感官特性的最小热变性（b）完全处理所 需能量减小（c）有潜力处理简便包装膜中的食品，避免加工后在污染。但是，人 们还没能清楚了解磁场对微生物起抑制、激励磁作用的基本原理。报道出的钝化 的微生物数仅限于2个对数周期。要想使OMF技术商业化，需要更有效、更抑 制的钝化效果。三、光脉冲3.1光脉冲灭菌装置概要是一种食品冷保鲜方法，其利用广谱“白”光的密集、短周期脉冲进行处理的。 这种光脉冲技术主要用于包装材料表面、包装和加工设备、食品、医疗器械以及 其他物质表面杀菌或用来减少微生物数目。光脉冲的使用，可以减少甚至不再需 要化学灭菌剂和保鲜剂。光豚作能量发生装置屯源

19、打f免史电容器屯源打f免史电容器图3光脉冲灭菌装置处理流程图3是光脉冲灭菌装置的处理流程图。灭菌装置由电源和灯管两大部分组 成，由于供给电灯的电源必须是高压大电流的能量，故把通常的交流电变换为高 压的直流电，并通过大容量的电容器积蓄能量而起作用。积蓄的电能经控制回路， 在极短的时间送入封有惰性气体的灯管内。强电流通过这些气体时，在几百微秒 间发出强烈的闪光。灭菌时可以调节发光的间隙和选择符合灭菌工艺的处理速 度。3.2光脉冲的光学特征光脉冲的光谱具有200-1000nm的波长，在波长450nm左右区域是与太阳 光极相似的白色光。可是太阳光由于大气的过滤效果，紫外线部分几乎全被吸收。 而光脉冲则

20、含有200-300nm的紫外线部分和比太阳光强9万倍的能量。尽管输 出功率极大，但由于光脉冲一次闪光只有几百微秒，因此总能量较低，消耗的电 能也不大。3.3光脉冲的灭菌效果光脉冲的光谱中含有紫外线区域，它占总能量的25%。而在光脉冲的灭菌 效应中，紫外线也起着很大的作用，不过即使从光脉冲的光谱中除去300nm以 下的紫外线部分，仍然具有灭菌效果，这是可见光和红外线的灭菌作用。试验方 法是把108个/m的微生物悬浮液顺次按10倍稀释，然后点滴在固体培养基表 面皿上（每滴25um），干燥后用0.7J/cm2的能量照射1s以内，再在35C放置 培养24h，观察各个稀释度微生物生长情况。对于黑曲霉的孢

21、子，光脉冲的灭菌 效果比紫外线灭菌还要好。3.4光脉冲的应用范围由于光脉冲是通过光照射灭菌，因此不能杀灭那些不透明的食品潜伏的微生 物。即使是表面附着的微生物，灭菌效果也受到物品表面形状的影响。那些表面 看起来平滑的食品，用电子显微镜观察也有许多微小的洞穴或凹凸不平，这些洞 穴和凹凸的背面会挡住光线的照射而达不到灭菌的目的。因此，光脉冲只可作为 那些内部经热处理灭菌而只是在光滑的表面存在微生物的食品的灭菌，以延长其 保质期，如面包、饼食和鱼糕等食品。当然，用透明材料包装的食品也可用光脉 冲灭菌。此外，空气、水和许多液体食品都可用光脉冲灭菌，然后进行无菌包装； 对于生理盐水、葡萄糖液、眼药水等许

22、多医药产品，由于其透光性好，也可用光 脉冲进行高标准的灭菌四、食品辐射食品辐射保藏是一种利用原子能射线的辐射能量对食品及其他加工产品进 行杀菌、杀虫、抑制发芽、延迟后熟等处理，借以延长食品保藏期的技术。目前 辐照保藏的食品种类还不是十分普遍，主要应用在以下几个方面。香辛料杀菌， 包括汤料包杀菌；抑制马铃薯、洋葱等发芽：干制品，如核桃等杀虫；药 材、药物杀菌杀虫；其他物品辐照用途，如材料改性、育种、木制文物、档案 资料等。4.1、食品辐射保藏原理食品经带电或不带电的射线照射会发生一系列辐射效应，主要有物理学效 应、化学效应及生物学效应、保藏食品主要是利用它的生物学变化，辐射处理可 以杀灭危害食品

23、的微生物和昆虫，以及改变其新陈代谢.改进食品品质是利用辐 射处理发生的分解、聚合反应等引起的食品的物理和化学性质的变化。接受射线 的能量和电荷的作用方式都符合射线与物质相互作用的一般规律。当它们接受X 射线和Y射线的能量，且射线能量较低时，形成光电子。如果射线的光子与被照 射物的电子发生弹性碰撞，当光子的能量略大于电子在原子中的结合能时，则形 成康普顿电子。当射线的光子能量较高时，作用后形成电子对.组成食品、微生 物及昆虫的物质接受带电粒子的作用时有以下几种形式；发生改变方向的库仑散 射，使原子或分子发生电离或激发，发生韧致辐射，发生电子俘获、正负电子湮 没.。食品的构成复杂，粮食又是植物的种

24、子、茎或根，具有生物体的特征.然而 组成食品和其他生物有机体的主要化学物质是水、蛋白质，脂肪分子和碳水化合 物分子。水分子在射线作用下，产生水合电子，H+，OH-，H+，OH-，H2, H2O2 等。由于水分子形成的某些产物具有高度的活性，会导致鲜活食品和微生物等生 物细胞的理活性物质钝化。蛋白质是一切生物体中最重要的组成物质之一，在机 体的生命活动中起着关键的作用。射线照射到食品等的蛋白质分子，很容易使它 的二硫键、氢键、盐键及醚键断裂，发生脱氨，放出二氧化碳，发生硫氢基氧化、 交联、降解等变化，破坏了蛋白质的二级、三级结构，改变其物理性质，如使其 电导率增大，粘度升高，表面张力发生改变等。

25、食品的脂肪和脂肪酸被射线照射 时会发生氧化，出现脱叛、氢化、脱氢等作用，产生氢、烃类及不饱和化合物， 同时放出二氧化碳。碳水化合物是食品所含的一大类物质，糖、淀粉、纤维素、 果胶等皆属此类。一般说来，它们对射线是相当稳定的，只有在大剂量照射下才 引起氧化和分解。综上所述，射线照射食品时，它将能量和电荷传递给食品、食 品上的微生物及昆虫，使其分子、原子发生一系列变化。这些变化对休眠或僵死 状态的食品来说，影响和作用是比较小的。因为发生变化的原子、分子只是食品 分子的极少数，加上除鲜活食品外，食品已不存在生命活动，故发生变化的原子、 分子几乎不影响或只轻微地影响食品的新陈代谢。鲜活食品的新陈代谢也

26、处在缓 慢的阶段，辐射对其产生的影响是进一步延缓了它们后熟进程，这正符合保藏食 品的需要。但是，对食品上的微生物和昆虫则不然，它们的新陈代谢、生长发育、 生殖遗传等生命活动都处于正常状态下，水、蛋白质等分子的微小变化，就可能 导致生物酶的失活及生理生化反应的延缓或停止，新陈代谢的中断，生命受到威 胁甚至死亡。因此，用射线照射食品能杀虫、灭菌防腐、抑制食品的新陈代谢和 生长发育，保住或改进食品的品质，达到保藏食品的目的。4.2辐射在食品保藏中的应用食品辐射保藏，就是用y射线、x射线或电子束等照射食品杀死食品中的害 虫、微生物，或抑制某些生理过程，从而达到延长保藏时间，或促使某些化学变 化，提高食品的品质。其主要应用如下：1）杀菌有不完全杀菌、杀灭食况，中致病性细菌、和彻底性杀菌三种，不完个性杀 菌（辐射选择性杀菌）用于延长肉类、禽类、鱼贝类、水果和蔬菜等贮藏期，适宜 剂量为0.1-0.3兆拉德。杀灭食棍:中致病性细菌（辐照针对性杀菌）一般用于杀灭 肉类和蛋制品中的沙门氏菌，适宜剂量为0.5-0.8兆拉德。彻底性杀菌（辐照