第5章-食品加工原理

食品科学概论原金海博士TELenzhuyuan@126.com第五章食品加工原理

“食品加工”是制造业的一个分支，是从动物、蔬菜或海产品的原料开始，利用劳动力、机器、能量及科学知识，把它们转变成半成品或可直接食用的产品。食品加工的主要目的：一是要获得或维持产品中微生物的安全性，二是延长食品的货架寿命。主要内容1.Introduction5.1热保藏及加工5.2低温保藏及加工5.3食品的脱水和浓缩5.4食品加工中的生物技术5.5食品加工中的新技术5.1热保藏及加工热保藏的原理经工业化热保藏处理过的食品并非是真正无菌的。为了达到食品安全和所需要的货架期，往往只需要杀灭食品中的致病菌，并将微生物总数控制到适当度。热保藏程度灭菌灭菌是指将食品中所有微生物破坏。至少需要在121℃下保持15分钟。多数食品并不适合灭菌操作。商业无菌商业无菌的杀菌程度是使所有的病原性微生物、产生毒素的微生物以及其他可能在正常的存储条件下繁殖并导致食品腐败的微生物完全被破坏。一般在100℃下保持15分钟。商业无菌处理过的产品货架寿命一般在2年以上。巴氏杀菌巴氏杀菌是一种相对低能量的热处理方式，主要有两个目的：破坏所有的可能在特定的食品中繁殖的病原性微生物。通过减少腐败性微生物的数量来延长食品的货架寿命。多数经过巴氏杀菌的食品需要放在冰箱内保藏。热烫热烫是温和的热处理方式，通常适用于水果和蔬菜，其主要目的是使引起食品变质的酶失活。此外，热烫还会增强大部分水果和蔬菜的色泽。热处理方式的选择：杀死所处理食品中大多数最耐热的病原体和腐败菌所需要的时间-温度组合。食品的热传递性和包装材料的热传递性。温和及强烈的热处理方式的比较比较温和强烈目的杀灭病菌，减少菌落数杀死所有细菌或商业无菌优点最低程度地减少对食品风味、质构和营养质量的破坏。延长货架寿命，不需要使用其他保藏方法。缺点货架寿命较短，必须用其他保藏方法。食品被过度烹煮，其质构、风味和营养质量发生很大变化。举例巴氏杀菌、热烫灭菌、商业无菌微生物的耐热性热力致死曲线热力致死速率曲线若以纵坐标为物料单位值内细胞数或芽孢数的对数值，以横坐标为热处理时间，可得到一直线——热力致死速率曲线。直线斜率实际反映了细菌的死亡速率。D值：在一定的处理环境中和在一定的热力致死温度条件下某细菌数群中每杀死90%原有残存活菌数时所需要的时间。D值越大，细菌的死亡速率越慢，即该菌的耐热性越强。一定温度下残存菌数杀死菌数灭菌时间10%90%第1分钟×90%=9%0.1%0.9%第3分钟1%9%第2分钟×90%=0.9%×90%=0.09%

细菌热力致死速率曲线计算公式：lga：初始活菌数的对数lgb：杀菌过程结束时残存活菌数的对数例：

80℃热处理时，原始菌数为1.0×104，热处理6分钟后残存的活菌数是1.0×102，求该菌D值。即D80=3.0min热力致死时间曲线以热处理温度为横坐标，以热处理时间为纵坐标（对数值），就得到一条直线，即热力致死时间曲线。Z值：直线横过一个对数循环所需要改变的温度数（℃）。Z值越大，因温度上升而取得的杀菌效果就越小。安全限值低酸性食品（pH值＞4.6）：主要以肉毒梭状芽孢杆菌这种高度耐热微生物为杀灭对象，相应找到操作温度下的D值，加热时间不低于12D。酸性食品（pH值＜4.6）：在100℃或更低温度下保温几分钟就可达到安全目的。接种装灌试验对根据数学公式计算得到的结果进行检验。温度-时间组合多种加热时间和温度组合能产生同样的破坏效应。这些数据表明达到相同的杀菌效果，温度越高杀菌所用的时间越短。长时间比高温更影响食品的性质，所以多用高温杀菌来缩短热处理时间。破坏肉毒梭状芽孢杆菌的温度-时间组合127℃保温0.78分钟121℃保温2.78分钟118℃保温5.27分钟116℃保温10分钟104℃保温150分钟100℃保温330分钟热保藏的方式热保藏加工可以分为两大类：先包装再加热先加热再包装先包装再加热方式静止式杀菌在静止式杀菌过程中，灌装食品始终保持静止状态，操作温度不高于121℃。静止杀菌需要时间较长，会导致部分食品品质的损失。搅动式杀菌加热过程中持续晃动食品，可缩短加热时间（是静止杀菌的10%~20%），减少食品受热粘壁，保持食品的营养和感官品质。回转式杀菌锅先加热后灌装方式间歇式低温长时巴氏杀菌将流体食品泵入蒸汽加热的夹套锅，使其温度升至指定温度，保持一定的时间后再泵入板式热交换器中冷却。夹套锅连续高温短时杀菌将流体食品泵入板式热交换器，经热交换达到杀菌温度。板式热交换器后设置一段保温管，保温管末端有一个精确地温度感应装置和转向阀，一旦流体温度下降，转向阀会把这段流体送回换热器重新加热。板式热交换器无菌包装无菌包装是指食品在装罐前先经连续式灭菌或商业灭菌，然后在无菌环境中装入已预先杀过菌的包装容器中密封。采用灌装前热处理的方式必须配套使用无菌包装。热装罐将经杀菌且任处于高温的酸性食品在清洁的（不一定无菌）环境中装入清洁的（不一定无菌）容器中。该方法是利用高温食品本身的热量所产生的杀菌作用使包装容器达到商业无菌。食品组分的保护作用食品组分的直接保护作用脂肪、油、高浓度的糖、淀粉和蛋白质对微生物有相当的保护作用。食品组分的导热性能食品材料导热性能的差异也会间接地影响其对微生物的保护作用。包装容器容器的大小和类型对杀菌过程也会产生影响。5.2低温保藏和加工低温保藏的原理冷却与冷藏冷藏是将食品温度降低到接近冻点而不冻结的一种食品保藏方法，冷藏温度一般为-2~16℃。在所有的食品保藏方法中，冷藏是最为温和的，它对食品口味、质构、营养价值几乎没有什么负面影响。从原料的收获、屠宰刀运输、库存、出售和最终消费前的全过程都需要进行冷藏。冻藏冻藏是采用缓冻或速冻方法将食品冻结，而后再在能保持食品冻结状态的温度下储藏得保藏方法。常用的冻藏温度为-12～-23℃，以-18℃最常见。起始冻结点溶液的一个基本性质是当溶质浓度增加时冰点下降。因此，溶液中盐、糖、矿物质或蛋白质的含量越高，体系的冰点越低，冻结所需的时间越长。随着冻结的进行，溶质浓度不断提高，所以完全冻结需要极低的温度。冻结曲线从图中可以看出，随着冷却的进行，牛肉首先从起始温度下降达到过冷，这时，晶核的存在或是搅拌的作用会诱使体系水分结晶析出，结晶释放的熔化潜热使牛肉的温度回升至冻点温度。冻结过程中食品的变化浓度效应溶液相中溶质的沉淀会影响食品的质构，产生沙感，正如乳糖含量过高的冰激凌冻结时乳糖结晶一样。溶液相中溶质浓度过高时由于盐析效应导致蛋白质变性。酸性溶液的冻结浓缩使pH值降低至蛋白质的等电点，引起蛋白质的凝结。胶态悬浮体与体系中阴离子和阳离子浓度之间存在着微妙的平衡关系，其中一些粒子的浓度对保持胶体稳定是至关重要的，这些平衡被打破导致胶态悬浮体系失稳。溶液中气体的浓度过饱和，导致气体从溶液中逃逸，冰冻啤酒或苏打水都存在这个问题。细胞外液中并结晶析出和临近冰晶处的溶液被浓缩时，胞内水会通过细胞膜向高浓度区扩散，以维持渗透压平衡，因而会导致食品组织失水。冰晶形成对食品的危害破坏生物细胞。导致乳状液的破乳。如：黄油这种油包水食品体系，冻结时分散相水滴各自结晶且结成的冰晶刺破界面相互融合，继而穿透整个油相形成冰晶体，解冻后就会在黄油内形成水囊和脱水。导致泡沫结构的塌陷。如：在冰激凌中，大的冰晶会刺穿体系中的泡沫，从而导致冰激凌体积缩小。导致凝胶结构的破坏。如：布丁冻结时大冰晶的存在会导致水从乳化体系中分离出来。冻结速度快速冻结是提高食品质量所必须的。冻结速度的提高一方面有利于形成小冰晶，另一方面会削弱浓度效应。终点温度的选择终点温度的选择一般要综合考虑食品质构的变化、酶或非酶化反应、微生物的变化以及冻结费用等因素，通常选择在-18℃。（P136表5-3）解冻解冻速度较低也会对食品质量产生影响。增强了浓缩效应带来的危害。损耗肉汁等食品中所含的水分。反复的冻结—解冻对食品的保藏是非常不利的。食品解冻的方法：空气解冻法水或盐水解冻法在冰块中的解冻法在加热金属面上解冻法冷藏工艺的控制低温控制冷柜、冷藏室和冷库应合理设计，具有足够的制冷能力和良好的绝热性能，以确保冷藏空间的温度维持在选定温度±1℃的范围。空气调节气调保藏是人工调节储藏环境中氧气及二氧化碳的比例，以减缓新鲜制品的生理作用和生化反应速度，从而达到延长货架期的目的。空气循环和湿度空气循环冷藏过程中需要借助恰当的空气循环将食品表面的热量向制冷中心和制冷面转移。湿度空气湿度过高会导致冷藏食品表面水分凝结，并可能会导致霉菌在食品表面的生长；过分干燥的空气则会引起食品失水。食品的最佳相对湿度都与其水分含量及水分散失的难易程度有关。大多数食品在80%~95%之间。影响冻结速度的因素食品组分的影响含脂肪或气体较多的食品，其冻结速度较慢。由于水转化成冰时导热系数发生变化，在冷却和冻结过程中，其降温速度并非恒定。食品的物理结构影响冻结速度，O/W型乳状液的导热系数高于具有相同化学组成的W/O型乳状液。非组分的影响非组分因素对制冻体系的影响遵循以下五点通用法则：食品与制冷介质之间的温度差越大，冻结速度越快。块片状食品的厚度越薄或食品外包装材料的热导率越大，冻结速度越快。制冷空气的流速或制冷剂循环速度越快，冻结速度越大。食品与制冷介质之间的接触越紧密，冻结速度越大。制冷效率越高或制冷剂热容越大，冻结速度越快食品冷藏中的主要变化食品水分的蒸发和干耗后熟作用肉的成熟冷害寒冷收缩串味和移臭脂肪的氧化其他变化5.3食品的脱水和浓缩食品的脱水食品脱水的最主要的目的是保藏，同时也可以减少食品的质量和体积。脱水过程中的传热和传质食品脱水过程主要包括了热能进入物料和水分逸出物料两个步骤，但这两个过程的最佳操作条件并不总是一致。比如：用两块加热平板紧压食品会使加热体和受热体紧密接触，有利于热量从食品上、下表面同时向内部传递，但同时紧密接触阻碍了水分的逸出。如果只用一块加热板从底部加热，让水分从上部逸出，情况会更好。表面积为了提高传热和传质速率，脱水前食品总是被切成小块或薄片。这种方法从两个方面提高干燥速度：被处理的食品表面积越大，与加热介质接触的表面就越多，供水分逸出的表面也越多。粒度越小或者越薄，热从食品表面传递到中心的距离就越短，水分从食品内部迁移到表面以逸出的距离也越短。温度加热介质与所处理食品之间的温差越大，热量传入食品的速率也就越大。以空气为加热介质时，干燥空气越热，达到饱和前所容纳的水分就越多，越有利于脱水。空气流动速度高速流动的空气能带走干燥过程中食品表面的水蒸气，防止水蒸气在食品表面形成饱和气氛。如：在刮风天晒衣服更容易干。湿度平衡相对湿度：在给定的温度下，若环境所具有的某一湿度使得处于其中的食品既不会向周围环境释放体系中的水分，也不会从周围环境中吸取水分，该湿度即为平衡相对湿度。作为干燥介质的空气，本身的干燥度（湿度）也决定了食品干燥可达到的水分含量下限。大气压和真空度水的沸点与气压成正比关系。在恒定的温度下，气压越低，水沸腾的速度就越快。因此，在热真空室中的食品脱水温度较低且速度更快。水分蒸发当水从物体表面蒸发时会使表面变冷，因此干燥过程中被干燥的食品块或液珠的温度会下降。所以，仅凭脱水时的热处理并不能实现脱水食品的无菌化。时间食品脱水操作中必须兼顾干燥速度和食品质量。和低温长时干燥方式相比，高温短时干燥过程对食品的破坏比较小。典型干燥曲线干燥过程水分含量变化曲线干燥率曲线食品温度曲线食品性质对脱水的影响成分取向溶质浓度食品脱水过程存在浓缩效应。随着干燥的进行，溶质浓度不断上升，导致干燥速度降低。结合水食品中的游离水最容易迁移并最先蒸发，比较难脱去的是进入凝胶内部的结合水及化学键合水。细胞结构当组织存活时，水分被细胞壁和细胞膜保持在细胞内，不会外露或渗出。动植物死后，水分比较容易从细胞内渗出。当组织被热烫或煎烤时就更易渗出细胞。疏松度食物结构疏松度的增加一般有利于改善传质效果，从而提高干燥速度。但多孔海绵状结构是优良的绝缘体并且会降低热向食物内部的传递速度。物性的变化收缩表面硬化干燥时，如果表面温度很高，而食品干燥不均衡，就会在食品内部的绝大部分水分还来不及迁移到表面时在表面快速形成一层硬壳。因而食品干燥速度急剧下降。热塑性即食品受热变软，如：糖。化学变化在食品脱水的过程中，食品体系还会发生许多化学变化。这些化学变化会对干燥产品以及复水产物的最终质量如色泽、风味、质地、粘性、调制速度、营养价值和储藏性等产生影响。主要的化学变化有：酶促褐变、焦糖化反应和美拉德反应。食品的浓缩浓缩是实现保藏的一种方式，但只限于一部分食品。如浓缩牛奶、浓缩果汁、浓缩蜂蜜等。浓缩的原理平衡浓缩利用两相在分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法。如：蒸发浓缩是利用溶剂和溶质挥发度的差异达到分离目的。非平衡浓缩利用固体半透膜来分离溶质与溶剂的过程，两相被膜隔开。美式浓缩咖啡浓缩过程中食品的变化伴随着浓缩时的水分蒸发，当水分含量低于糖溶液浓度上限时就会有糖结晶出来。浓缩加工会使溶液中蛋白质共存的盐和矿物质浓度过高，容易引起蛋白质变性和从溶液中析出。一般浓缩温度在100℃或稍高时，可以杀死大多数微生物，但不能实现完全无菌化。真空浓缩时，许多细菌不仅在低温下存活，还能进行繁殖。浓缩牛肉南瓜粉5.4食品加工中的生物技术现代生物技术主要包括发酵工程、基因工程、酶工程和细胞工程。生物技术在食品工业中作用表现在四个方面：食品原料和微生物的改良。生产各种功能食品有效成分、新型食品和食品添加剂。可直接应用于食品生产过程中物质的转化。工业化生产预定的食品或食品的功能成分。发酵工程发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。发酵工程由三部分组成：上游工程：包括优良种株的选育，最适发酵条件的确定，营养物的准备等。中游工程：主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术。

发酵作用当微生物消耗有机物作为自身的部分代谢过程时，就出现发酵作用。发酵作用是鼓励微生物在食品中繁殖和代谢活动的，但发酵作用仅鼓励代谢活动和最终产物是人们所期望的那些微生物进行繁殖。发酵作用是一种最古老的食品保藏方式，食品发酵的某些最终产物，尤其是酸和醇，能抑制常见的致病微生物。发酵食品发酵食品是食品原料（包括自身的酶）经微生物作用所产生的一系列酶所催化的生物、化学反应的产物。如：啤酒、酱油、面包、醋等。发酵过程涉及的微生物种类繁多，主要介绍三种酵母葡萄糖经过酵母发酵产生乙醇和二氧化碳，是葡萄酒、啤酒及面包生产的基础。乳酸菌乳糖经乳酸菌发酵产生乳酸。乳酸菌发酵可生产：泡菜、香肠、酸奶油、干酪等食品。醋酸菌乙醇在有氧条件下经醋酸菌进一步发酵生成醋酸，这是生产醋的机制。发酵食品的控制因素酸作为食品天然组分的酸或者由发酵型微生物产生的酸都能产生抑制作用。含酸食品处在一种保藏状态，但是，如果有氧存在、表面霉菌生长和酸被进一步发酵，那么酸的防腐能力就会丧失。如：生乳的自然发酵过程。乙醇乙醇的防腐效果取决于其浓度。天然葡萄酒一般含9%~13%（体积分数）的乙醇，这个乙醇浓度对于完全防腐是不够的，因此必须经受温和的巴氏杀菌处理，或者添加乙醇，将浓度提高到20%。发酵剂用于发酵产品生产的细菌以及其他微生物的培养物。当发酵剂接种到处理过程的原料中，在一定条件下繁殖，其代谢产物使发酵乳制品具有一定酸度、滋味、香味和变稠等特性。温度温度对于各种微生物的发酵作用具有重要的意义，特别是一些混合发酵作用，如：泡菜的发酵过程。氧氧是控制发酵的重要因素。根据不同微生物的需要，可以通过在食品加工中提供或除去氧来控制微生物的生长与发酵。盐乳酸菌产生的酸和加入的盐能强烈地抑制分解蛋白质菌和其他腐败菌。基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。改善食品品质采用转基因的方法，生产具有合理营养价值的食品，让人们只需吃较少的食品就可以满足营养需求。提高产量改善工艺生产食品疫苗通过将致病微生物的有关蛋白（抗原）基因，通过转基因技术导入植物受体中，得以表达，制得可抵抗相关疾病的食品疫苗。酶工程酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。

5.5食品加工中的新技术微波加热微波的性质微波是含有辐射能的电磁波，它处于无线电波和红外辐射之间。目前经批准应用于食品中的微波频率只有2450MHz和915MHz。微波被金属反射，但能通过空气、玻璃、纸和塑料等材料，能被食品成分所吸收。微波加热与传统加热的区别传统加热中，食品从表面向里传递热量，各层依次被加热，产生由外向内逐步升高的温度梯度。微波加热时，热量不是从表面向内传导，而代之以快速产生并很均匀地遍布物