《食品工程技术原理》第五章-食品杀菌技术

第五章、食品的杀菌技术5.1概述5.2新型超高温杀菌技术（重点）5.3欧姆加热法超高温杀菌5.4超高压杀菌技术5.5脉冲强光杀菌技术5.6超声波杀菌技术5.7磁场杀菌技术5.8高压脉冲电场杀菌技术5.9感应电子杀菌技术5.1概述杀菌可分为热杀菌和非热(冷)杀菌。热杀菌是食品工业常用的灭菌方法，但热处理对食品的色、香、味及营养成分影响颇大。冷杀菌有利于保持食品中功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及营养成分。热杀菌热灭菌是食品工业常用的方法，有巴氏灭菌法、高温短时灭菌法和超高温瞬时灭菌法。巴氏灭菌法（Pasteurization）：通常在100℃以下的一种较温和的热杀菌形式，达到同样的巴氏杀菌效果，可以有不同的温度时间组合；高温短时灭菌（HTST）：100℃左右，保持数分钟；超高温瞬时灭菌（UltraHighTemperaturetreated，UHT）：135-150℃，几秒或几十秒。常见热杀菌装置非热杀菌非热杀菌技术主要包括物理杀菌和化学杀菌。非热物理杀菌是采用物理手段（如电磁波、压力、光照等）进行杀菌，化学杀菌则是通过化学试剂来达到杀菌的作用。化学杀菌（杀菌剂、抑菌剂等）物理杀菌（辐照、紫外线、脉冲电场、振荡磁场、超声波、脉冲光、脉冲x射线等）加热杀菌在食品工业中占有极为重要的地位。一方面，以杀灭对象菌（有害微生物）为目标来研究加热杀菌的条件与程度。另一方面，从食品品质（色、香、味）等方面考虑保持食品应有的品质。理想的加热杀菌效果：在热力对食品品质的影响程度限制在最小限度的条件下迅速而有效地杀灭存在于食品物料中的有害微生物，达到产品指标的要求。5.2新型超高温杀菌技术超高温杀菌技术（UltraHighTemperature，简称UHT杀菌法）是利用热交换器或直接蒸汽加热，使食品在135-150℃下保持几秒或几十秒（常为2-8s）加热杀菌后，迅速冷却的杀菌方法。该方法杀菌效率高，食品的物理化学变化较小。实际应用中常常与无菌包装技术联系，可使食品在常温下长期保存。一、概念UHT杀菌是1949年随着斯托克装置的出现而问世，其后国际上出现了多种类型的超高温灭菌装置。在1957-1965年间，通过大量的基础理论研究和细菌学研究后，才用于生产。20世纪60年代初，无菌灌装技术获得成功，与UHT技术相结合，从而发展了灭菌乳生产工艺。20世纪80年代后，UHT技术得到了更大的发展，其应用范围不仅仅限于液体产品，目前已可应用于固液混合产品和固体粉状产品等。杀菌装置也有很大的发展，进一步促进了UHT技术的发展。二、发展历史三、基本原理微生物对高温的敏感性远大于多数食品成分对高温的敏感性，故超高温杀菌能在很短时间内有效杀死微生物，并较好地保持食品原有的品质。

按照微生物的一般致死原理，当微生物在高于其耐受温度的热环境中时，必然受到致命的伤害，且这种伤害随着受热时间的延长而加剧，直至死亡。大量实验证明，微生物的热致死率是加热温度和受热时间的函数。高温对微生物的影响温度℃对微生物的影响121蒸汽在15—20分钟内杀死所有微生物包括芽孢116蒸汽在30—40分钟内杀死所有微生物包括芽孢110蒸汽在60—80分钟内杀死所有微生物包括芽孢100海平面的纯水沸腾温度；很快杀死营养细胞，但不包括芽孢82-93杀死细菌、酵母和霉菌的生长细胞66-82嗜热菌生长60-77牛奶30分钟巴氏杀菌，杀死所有主要致病菌（芽孢菌除外）D值又称为指数递减时间，是指在一定热力致死温度条件下，杀死某菌群微生物总数的90%所需时间，也就是在对数坐标中c的数值每跨过一个对数坐标值所对应的时间(min)。

热力致死速率曲线Z值是指在热致死时间曲线中，使热致死时间降低一个对数周期(即热致死时间降低10倍)所需要升高的摄氏温度数。F值为在指定致死温度下杀死具有特定Z值的一定数量微生物所需要的分钟数。一般可用121℃时热力致死时间表示。热力致死时间曲线四、UHT杀菌食品的类型及其装置和效果1微生物的加热杀菌食品中微生物的热杀菌方法有干热和湿热两种不同杀菌方式。一般湿热杀菌效果优于干热杀菌。其原因主要有：①蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。②温热灭菌过程中蒸气放出大量潜热，加速提高温度。③湿热的穿透力比干热大，使深部也能达到灭菌温度，故湿热比干热效果好。

直接加热：将蒸汽直接喷入食品中（蒸汽喷入式）和将食品喷入蒸汽中（喷入式）两种加热食品方法。间接加热：有板式加热和管式加热以及刮板式加热装置。板式装置是加热介质和食品通过隔板间隙时，相互进行热交换。管式装置是罐中的蒸汽或热水对罐内盘管中流过的食品进行热交换的加热装置。刮板式UHT杀菌装置一般用于高黏性食品和含有固形物的流动食品的加热杀菌。2流动性食品UHT杀菌装置和杀菌效果

在世界各国有多种无菌包装食品上市，如常温下长期存放的灭菌乳、果汁饮料、葡萄酒、番茄沙司等。这些流动性食品在无菌包装食品中占有很大比例，它们一般被分为低黏性和高黏性两类食品，在UHT杀菌中，二者的杀菌装置和工艺有所不同。原奶接受净乳初次杀菌65℃/15秒冷却至4℃储罐冷藏(4℃,<24小时)原奶处理1）低黏性食品UHT杀菌装置与杀菌效果以牛奶为代表。预杀菌/巴氏杀菌工段鲜奶预热(68℃)脱气标准化均质(150bar)巴氏杀菌机(72-85℃/10-20秒)能源再生/冷却储罐冷藏(4℃,<24小时)预杀菌奶预杀菌奶预热至75℃均质75℃(180-250bar/50bar)超高温灭菌(135-150℃,数秒)能源再生/冷却(20℃)无菌罐无菌灌装超高温及无菌灌装工段2）高黏性食品UHT杀菌装置与杀菌效果

高黏性食品的UHT杀菌装置一般采用间接加热的表面刮板式设备和直接加热的蒸汽直接喷射式杀菌设备。对于像番茄酱、牛奶沙司这类的产品，为了防止加热引起的焦糊问题，通常采用表面刮板式UHT杀菌装置。表面刮板式热交换器的断面图加热介质（蒸汽，冷水）保温材料食品旋转轴传热面

刮板刀

随着高黏性食品无菌包装的发展，世界各国更注重开发可长时间、连续杀菌的新装置。代表性的是吴羽式UHT装置，该装置中对高黏性食品UHT杀菌起关键作用的部位，其蒸汽混合基本结构如图所示。吴羽式UHT装置中蒸汽混合结构断面图蒸汽高温流体

多孔板流体其整个工艺过程是，在设备关键部位将蒸汽喷入高黏性食品中进行混合，使物料瞬时升到杀菌温度（100～150℃），且加热均匀，然后在真空系统蒸发除去多余水分，再瞬时冷却至所要求的温度。该装置与以前的UHT杀菌装置比，最大优点是能应用于此前因加热焦糊、变色、风味损失而无法进行UHT杀菌加工的食品，使这类高黏性食品在不影响品质的情况下可连续进行UHT杀菌。5.3欧姆加热杀菌技术定义：以加热为主要目的，电流直接通过食品使食品内部产生热量而杀菌的技术。特征：采用欧姆加热作为杀菌热源，对于颗粒物料，很好地克服瞬间加热不均、加热较慢的缺点。目前，英国APVBaker公司已制造出工业化规模的欧姆加热设备，可使高温瞬时技术推广应用于含颗粒（粒径高达25mm）食品的加工。欧姆加热(ohm-heating)是将电能转变成热能，亦称电阻加热(resistanceheating)、焦耳加热(Jouleheating)、电力加热(electroheating)等，是电流在一对电极之间流过连续流动的食品，食品内部产生热量，达到灭菌的目的。欧姆加热处理器（静态结构）原理图一、欧姆加热的原理此时将食品视为具有一定电阻的导体，在电流的作用下产生焦耳效应，产生热量的大小用焦耳定律描述。

欧姆加热技术与传统热杀菌技术在热量产生和传递方面有着本质的区别。

对于粒径小于15mm的食品，常规热杀菌方法是采用管式或刮板式换热器进行间接热交换，其热传递速率取决于传导、对流或辐射的换热条件。

欧姆加热，是利用食品本身所具有的电不良传导性所产生的电阻来加热食品，使食品不分液体、固体均可受热一致，并可获得比常规方法更快的颗粒加热速率。因而可缩短含大颗粒固体食品的杀菌时间，得到高品质产品，同时更能保持食品颗粒的完整性，是目前用来加工含颗粒食品最为有效的杀菌技术之一。二、欧姆加热杀菌优点

欧姆加热是体积加热方式，液体和其中的固体几乎同时加热，加热更加迅速。在传统加热中，固体受热依靠传导液体的热量，因此当固体中心的温度达到灭菌温度时，液体和固体的表面已经过热，降低产品的质量。（1）欧姆加热是快速的体积加热(2)

流动接近塞状流,形成均匀的温度场(3)

没有传热面,固体表面不会结成硬块,也不会结垢(4)特别适合加热含有大颗粒的食物(直径<25mm)和高粘度、热敏性、导热系数低的食品(5)可处理固形物含量高达(50-80)%的物料，传统加热中、固体靠液体传导热量，故必须有足够的液体来加热固体，欧姆加热则没有这个问题。(6)欧姆加热是电加热，虽然电能较贵，但其转化率较高（90%），其他能量的转化率只有(45-50)%，故加热1t产品的能耗与用蒸汽加热是差不多的。(7)对产品的机械损伤小，产品颗粒非常完整。与传统的巴氏杀菌相比，欧姆加热对牛奶的杀菌效果更好：巴氏杀菌处理后牛奶菌落总数和大肠菌群残留率分别为15.76％和4.80％，欧姆加热处理后的牛奶菌落总数的大肠菌群残留率均可达到0。从牛奶的营养成分损失情况来看，欧姆加热与巴氏杀菌相比也有一定的优势：巴氏杀菌处理后牛奶中蛋白质和乳糖的损失率分别为1.74％和4.15％，而欧姆加热处理后牛奶中蛋白质和乳糖的损失率分别为1.40％和3.73％。仪表控制板电源产品出口欧姆加热器机械操作仪表化泵泵控制电力输出控制电力总电源一条生产线的欧姆加热器和电源配置

它由三个基本组件构成，即加热器、电源装置和标准仪表板。加热器最简单的结构有3个电极罩和两根串联连接的加热管。在加热条件范围更广时，需要更大的电源装置，因此有必要增加更多的加热区段。两组加热段串联的单根欧姆加热器三、连续作业的欧姆加热装置5.4超高压杀菌技术定义：指将密封于弹性容器内的食品置于水或其它液体作为传压介质的压力系统中，经100MPa以上的压力处理，以达到杀菌，灭酶和改善食品的功能特性等作用。超高压处理通常在室温或较低的温度下进行，在一定高压下食品蛋白质变性、淀粉糊化、酶失活、生命停止活动，细菌等微生物被杀死。而在超高压作用下，蛋白质等生物高分子物质及色素、维生素、香气成分等低分子化合物的共价键却不发生变化，从而使超高压处理过的食品仍然保持其原有的营养价值、色泽和天然风味。与传统的热处理相比，超高压处理具有无可比拟的优点：首先，它能在常温或较低温度下达到杀菌、灭酶的作用，与传统的热处理相比，减少了由于高热处理引起的食品营养成分和色、香、味的损失或劣化；其次，由于传压速度快、均匀、不存在压力梯度，超高压处理不受食品的大小和形状的影响，使得超高压处理过程较为简单；此外，这一技术耗能也较少，处理过程中只需在升压阶段以液压式高压泵加压，而恒压和降压阶段则不需要输入。一、超高压杀菌的优点从国内外的现状和趋势看，有关超高压处理技术的研究和应用集中在两方面：（一）以达到食品保藏为目的，研究超高压的杀菌、灭酶作用。（二）以修饰、改变食品有关特性为宗旨，研究超高压对食品理化性质的影响。超高压杀菌的图示1高压对微生物的影响①超高压作用下，微生物形态的变化；②超高压对微生物新陈代谢的影响；③高压达到一定程度会发生不可逆变化。二、超高压杀菌的原理2环境因素对高压杀菌的影响①加压时间②加压温度：温度越高杀菌效果越好。③物料的化学组成：一般来说，盐或蛋白质的浓度越高，营养成分越丰富，细菌对高压的耐性越大。

常压液态物料经高压泵连续增压，再由调压器迅速卸压，并控制其最高工作压力，可以认为对物料实现了瞬时的增压与泄压，即形成瞬变的高压。实验报道，采用瞬变高压结合中温的处理方式，可以有效杀灭液体食品中的微生物。并且借助于高压泵形成的连续高压射流，使得高压杀菌过程得以连续运行，将为高压加工技术的实际应用创造极为有利的条件。三、瞬变高压与中温协同杀菌技术5.5脉冲强光杀菌技术脉冲强光杀菌技术是近年来才开发的新型冷杀菌技术，是用连续的宽带光谱短而强的脉冲，抑制食品和包装材料表面、透明饮料、固体表面和气体中的微生物。这种技术采用强烈白光闪照的方法进行灭菌，它主要由一个动力单元和一个惰性气体灯单元组成。

动力单元是用来提供高电压高电流脉冲的部件，为惰性气体灯提供所需的能量；惰性气体灯能发出波长由紫外线区域至近红外线区域的光线，其光谱与到达地球的太阳光谱相近，但强度却比太阳光强数千倍至数十万倍。同时因脉冲光的波长较长，不会发生小分子电离，其灭菌效果明显比非脉冲或连续波长的传统UV照射好。特点主要应用于表面杀菌；处理后食品内部无明显升温；杀菌时间极短，不到1s。目前其杀菌机理尚不完全清楚，主要认为有UV引起的核酸结构变化，强光造成的热效应引起细胞破裂，以及对蛋白质、酶的结构也会带来破坏等。5.6超声波杀菌技术一、超声波及其特性二、超声波与物质的相互作用三、超声波杀菌效果四、影响超声波杀菌效果的因素一、超声波及其特性物体振动时会发出声音，将每秒钟振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20,000赫兹。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。二、超声波与物质的相互作用当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列超声效应，主要包括以下4种：机械效应：超声波在介质中传播时，会引起介质质点的振动，使质点具有交变的速度、加速度、位移、声压、张力、切应力、膨胀、压缩等。各方向力学因素的叠加，足以造成介质极大的机械效应，甚至破坏介质。

空化作用：超声波作用于液体时可产生大量小气泡，气泡内为液体蒸气或溶于液体的某种气体，甚至可能是真空。

因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大、突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生冲击波或射流。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。化学效应：超声波可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢，溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。如各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。热效应：由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。三、超声波杀菌效果超声对细菌的破坏作用主要是强烈的机械震荡作用，使细胞破裂、死亡；超声波作用于液体物料，产生空化效应，空化泡剧烈收缩和崩溃的瞬间，泡内会产生几百兆帕的高压、强大的冲击波及数千度的高温，对微生物会产生粉碎和杀灭作用；加热和氧化作用。在超声波作用各种细菌时发现，在细菌死亡的同时，发生了细菌的自溶，即形态结构也受到破坏，以致作用后不仅培养物中的菌落数目减小，而且在形态上保留原状的细菌也减少。（一）声强的影响

为了在液体介质中产生空化效应（这是杀菌的主要动力），声强必须大于一定的空化阈值。研究表明，杀菌所用声强最低也要大于1W/cm2。四、影响超声波杀菌效果的因素声强越大越好吗？并不是声强越大越好：首先，声强越大衰减越严重，能量消耗越多；其次，当声强超过某一定界限时，空化效应反而减弱，杀菌效果会下降。可见，为获得满意的超声杀菌效果，没有必要无限制的追求提高声强，一般情况杀菌声强宜于取在1～6W/cm2的范围内。（二）频率的影响频率越高，越容易获得较大的声压和声强。另一方面，随着超声波在液体中传播，液体中微小核泡激活，由震荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程所表现的空化效应也越强，从而超声波对微生物细胞繁殖能力的破坏性也就越明显，宏观上表现出来的微生物灭菌效果就越好。但频率越高，声波的传播衰减也越大，为了获得同样的杀菌效果，高频声波需要付出较大的能量消耗。因此，目前用于超声杀菌的频率多选在20-50kHz。（三）杀菌时间的影响

随着杀菌时间（超声辐照时间）的增加，杀菌效果大致成正比增加，但进一步增加杀菌时间，杀菌效果并没有明显增加，而趋于一个饱和值。因此一般的杀菌时间都在10min内。（四）超声波形的影响

超声杀菌可取连续波和脉冲波两种波形。连续波工作时，声能在整个杀菌过程中不断连续作用，而脉冲是间断作用的，可防止介质的显著热效应，这对于热敏感食品的杀菌是有利的。5.7磁场杀菌技术静止的强磁场（StaticMagneticField，SMF）和振荡磁场（OscillatingMagneticField，OMF）能有效的抑制某些微生物和细菌的生长，当达到一定的磁场剂量时，能发挥出很好的消毒杀菌功效。一、磁场杀菌原理磁场在杀菌过程中会产生各种电磁效应，主要有感应电流效应、洛伦兹力效