9种非热物理杀菌技术汇总

现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2023/9/28 9:01:53 关注：329 评论： 我要投稿

  与热杀菌技术和化学杀菌相比，非热物理杀菌技术更符合天然健康食品加工理念，具有显著优点：①利用物理手段进行杀菌，无需要添加化学物质，能够有效防止化学残留引发的人体健康危害；②杀菌条件易于控制，不易受外界环境的干扰；③不易使菌体产生耐受性；④在低温或常温下达到杀菌目的，能够很好地保留食品的风味，且能改善食品质构，如超高压杀菌可提高肉制品的嫩度。
  一、紫外线杀菌技术
  紫外线杀菌是利用大多数微生物受短波紫外线（shortwaveultraviolet，UVC）（200～275 nm）照射时，会使脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）键断裂而抑制其复制和细胞分裂，从而导致微生物细胞的死亡，达到杀菌消毒的效果。尤其在波长为253.7 nm时紫外线的杀菌作用最强。
  紫外线杀菌具有操作简单、无残留毒性、价格低廉等优点。常温、常湿条件下各种细菌所需UVC照射量见表1。然而，由于紫外线的穿透能力较差，目前主要适用于食品生产场所、食品表面及包装材料的杀菌，对液体食品的杀菌还不够高效，但是可以通过以下两种方法提高杀菌效果：①使液态食品形成极薄的液态薄膜，以增加紫外线透过率；②使液态食品以湍流状态通过紫外光，以增加紫外线的辐射均匀性。
  表1 常温、常湿条件下各种细菌所需短波紫外线照射量

  二、辐射杀菌技术
  辐射杀菌是利用高能射线（γ 射线、电子射线）照射进行杀菌。微生物受照射后，吸收能量，引起分子或原子电离激发，产生一系列物理、化学和生物学变化而导致微生物死亡，达到杀菌消毒的效果。
  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，特别适用于食品的表面杀菌处理。与化学药剂处理相比，目前世界各国普遍使用低剂量辐射处理土豆和葱头，以实现抑制发芽的休眠效果，成本低且效果好。
  然而，辐射杀菌需要较大投资和专门设备来产生辐射线，且受高剂量辐射的食品可能会发生不良的感官变化，60Co-γ辐射泄露会引起白血病，需对食品加工人员做好防护措施，故进一步增加了生产成本。因此，辐射杀菌更适合于附加值较高的食品杀菌。
  三、微波杀菌技术
  微波杀菌是利用波长约0.01～1.00 m的电磁波杀灭细菌繁殖体、真菌、病毒和细菌芽孢，达到杀菌消毒的效果。杀菌机理有热效应和非热效应（生物效应）两种，热效应是指极速升温致使蛋白质变性和破坏生理功能，从而杀灭微生物。
  生物效应是指微生物体内不产生明显的升温，但其与微波产生强烈的生物响应而发生各种生理、生化和功能的变化，导致细菌的死亡。
  微波杀菌是当代新技术，具有杀菌时间短、速度快、保留产品天然品质效果好，可表面和内部同时消杀，设备简单、易控制、节约能源等诸多显著优点。
  与巴氏杀菌相比，软包装三文鱼片的杀菌时间大幅缩短，且目标微生物的致死效果提高。瑞典卡洛里公司将微波面包杀菌机用于1 993 kg/h面包片的生产线，面包片温度由20 ℃上升至80 ℃，时间仅需1～2 min，处理后面包片保鲜期由3～4 d延长到30～60 d。
  韩林娜等将圆柱腔式微波杀菌机用于袋装鲜牛奶杀菌，处理后鲜奶风味纯正，营养素没有被破坏，鲜奶品质明显优于巴氏杀菌法。然而，微波杀菌技术目前仍主要是实验室阶段的应用研究，真正用于工业生产的还很少，这是由于微波生物效应杀菌理论存在争议，潜在不确定因素有待研究，以及由于微波场的不均匀性，可导致微生物失活不完全，总体杀菌效果有待提高。
  四、超声杀菌技术
  超声波是指频率高于20 kHz的机械波，具有方向性强、穿透性强及在液体中引起空化的强烈机械作用等特点。超声波杀菌是通过在液体中产生的局部瞬间温度与压力变化，破坏细胞壁，使细菌死亡，达到杀菌消毒的效果。
  然而，超声单独使用存在杀菌效果有限、处理量较小和必须与被处理液体接触等问题。与加热等其他杀菌方法连用，可以有效缩短杀菌处理时间，提高杀菌效果，且在杀灭微生物的同时能够最大限度地保留食品中的营养成分。
  蓝莓汁超声预处理的杀菌率可达到64%，与低温配合杀菌可以极大限度的保留蓝莓汁的品质。CARAVEO O等使用高强度超声处理牛半腱肌并于4 ℃下观察贮藏期微生物的生长情况，发现超声可有效抑制牛半腱肌贮藏过程中大肠菌群和嗜冷菌等微生物的生物膜污染，较大程度保持牛肉品质特性的同时，显著抑制了微生物的繁殖，并没有出现明显的腐败现象。
  表2 超声联合杀菌实例

  五、超高压杀菌技术
  超高压（ultra high pressure，UHP）杀菌技术是采用100MPa以上的压力处理食品，达到杀菌、灭酶和改善食品功能特性的目的。UHP的杀菌原理是超高压的环境下，分子中的氢键、硫氢键、水化结构等发生变化或破坏，从而引起蛋白质变性、酶失活，最终导致微生物死亡。由于UHP是在常温或较低温度下灭菌，从而保证了食品的营养成分和感官特性不被改变，使得UHP成为冷杀菌技术中商业化应用较为成功的一种杀菌技术。
  陈伟等设计的UHP设备制得的乳制品可以很好地保存原奶中的营养和风味，且保质期高达120 d。然而，UHP杀菌对设备密封性和强度均有较高要求，存在设备投资成本高和设备耗材寿命短等不足。
  六、高压脉冲电场杀菌技术
  高压脉冲电场（highintensitypulsedelectricfields，PEF）杀菌技术是利用两电极间产生瞬间短时高压（15～100 kV/cm），以脉冲频率为1～100 kHz的脉冲电场作用，达到杀菌消毒的效果。在常温下、几十毫秒内完成食品杀菌处理，电崩解理论和电穿孔理论是普遍认可的PEF灭菌机制。
  PEF处理后食品各项指标变化小，适合热敏性食品杀菌，主要适用于液体和半固体食品的加工和保存。PEF处理每吨液态食品杀菌仅需能耗约为0.5～2.0 kW·h，杀菌成本低、效果显著，是目前食品杀菌中先进的技术手段之一，在食品杀菌领域前景广阔。
  脉冲频率30.5 kHz、占空比2.3%、处理时间7 min、电场强度45 kV/cm，此条件下PEF对调理牛肉中微生物致死率达到了87.33%，调理牛肉的货架期延长了2 d，且其感官品质无显著降低。温和热协同PEF对哈密瓜汁的杀菌效果与巴氏杀菌一致，且果汁的理化指标基本无影响。
  七、微滤除菌技术
  微滤（microfiltration，MF）是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的过程，达到杀菌消毒的效果。MF具有孔径均一、绝对过滤的特点。MF除菌技术可用于液体食品除菌和分离微米及亚微米级的细小悬浮物、污染物等。工业中常采用的错流MF操作模式，以有效减弱膜的污染对膜通量的影响。
  MF通常在常温下进行，特别适用热敏感物质的除菌，能够有效保持产品的色香味和营养成分。另外，膜过滤能耗较低、操作简单易实现自动化控制。MF除菌被广泛应用在酒类、果汁饮料、牛奶的生产中。青梅酒经0.5 μm的无机陶瓷膜MF处理，可以除去酒中的残余微生物，并使成品酒获得较高的透明度，同时不会显著影响酒中的有机酸含量。
  牛奶经MF过滤处理，微生物去除效果好，保质期延长，且对乳品理化性质影响较小。值得说明的是膜材质采用无机陶瓷膜的MF系统易于清洗，消毒方法简单彻底，在乳品工业中有着广阔的应用前景。
  八、高密度CO2杀菌技术
  高密度CO2（ dense phase carbon dioxide，DPCD）杀菌是一种新型的非热杀菌技术，在常温或低温且小于100MPa的压力下，利用CO2分子效应，钝化微生物及酶活性，达到杀菌消毒的效果。杀菌机制主要包括降低食物的pH、CO2分子和碳酸氢盐离子的抑制作用、对细胞的物理性破坏、改变细胞膜结构和钝化孢子活性等。
  由于CO2在液体中的扩散速率较快，DPCD主要用于液体食品杀菌。南霞等研究发现，随着DPCD处理压力增大，苹果浆中菌落总数降低，在压力为25 MPa时，苹果浆中菌落总数降低89.1%，电子鼻分析结果显示，5～20 MPa处理对苹果浆的风味没有显著性影响。
  使用DPCD处理苦瓜，随着处理压力提高，鲜切苦瓜中菌落总数显著降低，在6 MPa处理后，其菌落总数降低5.8 lg（CFU/g），同时对鲜切苦瓜的细胞结构影响最小，并能降低其苦味。
  国内外DPCD研究已经取得了长足进展，但是依然存在如下问需要解决，以此逐步推广DPCD在食品加工业领域中的工业化应用：①DPCD对于不同微生物的杀灭效果不同，需要进一步研究杀菌机理与杀菌效果关系。②研发新型设备、优化工艺条件，降低生产投资费用。
  九、低温等离子体杀菌技术
  等离子体是由各种带电粒子组成的电离气体。带电粒子具有较高的能量，可以激发某种化学反应，产生多种具有杀菌性能的活性物质，如活性氧簇（reactive oxygenspecies，ROS）、活性氮、紫外（ultra violet，UV）光子等，达到杀菌消毒的效果。低温等离子被广泛用作一种新型高效的冷杀菌技术。
  5 kV，70 L/min空气流速条件下处理5 min，低温等离子体能够将梨汁的全部大肠杆菌杀灭，且梨汁多酚和维生素C的含量分别比巴氏杀菌高26.5%和20.6%，较好地保持了梨汁色泽。对杀菌工艺、杀菌机理、食品品质等方面的进一步研究，以及研发用于生产的新型自动化低温等离子体杀菌设备是进一步促进等离子体用于食品杀菌的未来研究的重点。
  来源：摘自王潇栋，孔阳芷，张艳玲，等. 杀菌技术的作用机制及在食品领域中的应用[J]. 中国酿造，2022，41（2）：1-8.