食品熱殺菌影響因素的研究討論

 

摘要：本文主要介紹在食品熱殺菌過程中，微生物的耐熱性和食品熱加工方式對殺菌效果的影響，通過各類影響因素的探討以選擇合適的熱殺菌工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：熱加工 食品成分   加工方式

 

1.前言

食品的殺菌方法有多種，物理的如熱處理、微波、輻射、過濾等，化學(xué)的如各種防腐劑和抑菌劑，生物的如各種微生物或能產(chǎn)生抗生素的微生物。雖然殺菌方法有多種多樣，并且還在不斷地發(fā)展，但熱處理殺菌是食品工業(yè)最有效、最經(jīng)濟(jì)、最簡便、因而也是使用最廣泛的殺菌方法，同時也成為用其它殺菌方法時評價(jià)殺菌效果的基本參照。

熱殺菌的主要目的是殺滅在食品正常的保質(zhì)期內(nèi)可導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的微生物。一般認(rèn)為，達(dá)到殺菌要求的熱處理強(qiáng)度足以鈍化食品中的酶活性。同時，熱處理當(dāng)然也造成食品的色香味、質(zhì)構(gòu)及營養(yǎng)成分等質(zhì)量因素的不良變化。因此，熱殺菌處理的最高境界是既達(dá)到殺菌及鈍化酶活性的要求，又盡可能使食品的質(zhì)量因素少發(fā)生變化。

要制定出既達(dá)到殺菌的要求，又可以使食品的質(zhì)量因素變化最少的合理的殺菌工藝參數(shù)（溫度和時間），就必須研究微生物的耐熱性，以及熱量在食品中的傳遞情況。

 

2.微生物的耐熱性

2.1影響生物耐熱性的因素

2.1.1污染微生物的種類

各種微生物的耐熱性各有不同，一般而言，霉菌和酵母的耐熱性都比較低，在50-60℃條件下就可以殺滅；而有一部分的細(xì)菌卻很耐熱，尤其是有些細(xì)菌可以在不適宜生長的條件下形成非常耐熱的芽孢。顯然，食品在殺菌前，其中可能污染有各種各類的微生物。微生物的種類及數(shù)量取決于原料的狀況（來源及儲運(yùn)過程）、工廠的環(huán)境衛(wèi)生、車間衛(wèi)生、機(jī)器設(shè)備和工器具的衛(wèi)生、生產(chǎn)操作工藝條件、操作人員個人衛(wèi)生等因素。

2.1.2污染微生物的數(shù)量

微生物的耐熱性，與一定容積中所存在的微生物的數(shù)量有關(guān)。微生物量越多，全部殺滅所需的時間就越長。

2.2熱處理的殺菌溫度

在微生物生長溫度以上的溫度，就可以導(dǎo)致微生物的死亡。顯然，微生物的種類不同，其最低熱致死溫度也不同。對于規(guī)定種類、規(guī)定數(shù)量的微生物，選擇了某一個溫度后，微生物的死亡就取決于在這個溫度下維持的時間。

2.3食品成分對熱殺菌的影響

2.3.1pH值的影響

    酸堿度對微生物的繁殖及酶活性影響很大，對熱敏感性的影響也很顯著。酸堿能夠促使蛋白質(zhì)的熱變性，細(xì)胞的表層構(gòu)造、機(jī)能以及細(xì)胞的代謝系統(tǒng)都受其影響，因此是影響殺菌效果的最顯著因子。不同酸度食品需要的殺菌條件有很大差異。

根據(jù)微生物對酸性環(huán)境的敏感性，可把罐頭食品分為四類：即低酸食品(pH＞5.3)、中酸食品(PH值4.5-5.3)、酸性食品(PH值3.7-4.5)和高酸食品(pH＜3.7)。一般把PH值4.6作為酸性食品和低酸食品的分界線，pH值高于4.6、水分活度大于0.85的食品為低酸食品。PH值低于4.6時，肉毒桿菌的生長受到抑制，因此，酸性食品可以采用沸水或100℃以下溫度殺菌，而低酸罐頭食品必須采用加壓高溫殺菌，以確保肉毒桿菌全部被殺死。

細(xì)菌芽孢和營養(yǎng)體在微酸性至中性范圍內(nèi)的耐熱性最強(qiáng)，過酸或過堿都有削弱其耐熱性的趨勢。無論在什么溫度下，D值都隨pH值的降低而降低；越是低溫加熱，D值下降幅度越大。在相同的PH值條件下，微生物耐熱性因溶質(zhì)種類不同而發(fā)生根大變化(圖1、圖2)。

 

 

2.3.2水份活度的影響

水分活度是影響微生物耐熱性的另—個重要因素。在110℃下對凝結(jié)芽孢桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌、E型肉毒梭茵、枯草芽孢桿菌等微生物芽孢的耐熱性反應(yīng)的比較，顯示在Aw＝0.2-0.4范圍內(nèi)芽孢具有最強(qiáng)的耐熱性，Aw大于0.4時，D值顯著下降，A w＝1.0時為最低。

    微生物耐熱性因不同的菌種而有差異。凝結(jié)芽孢桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌芽孢的耐熱性

隨Aw提高而下降的顯著性不高，Aw＝1.0時比Aw＝0時的D值大，而E型肉毒梭菌在高濕度下的熱敏感性極強(qiáng)。

 

 

 

2.3.3溶質(zhì)的影響

溶質(zhì)對微生物的耐熱性也有顯著影響，嗜熱脂肪芽孢桿菌的芽孢在NaCl、LiCl、葡萄糖、甘油溶液和氣相調(diào)濕條件下的耐熱性如圖3所示。微生物隨其細(xì)胞水分受到束縛而不易受熱力損傷，但無論在固相或液相條件下，一旦超過某一臨界值，其敏感性反而會增強(qiáng)，但因菌種、芽孢的形成條件和溶質(zhì)等因素而有所變化。

2.3.4糖的影響

糖類對微生物耐熱性有一定影響。高濃度糖液能夠吸收細(xì)菌細(xì)胞的水分，致使細(xì)胞原生質(zhì)脫水，影響了蛋白質(zhì)凝固速度，從而增強(qiáng)了芽孢的耐熱性能。糖的濃度越高，殺滅芽孢所需的時間越長，低濃度糖對芽孢耐熱性的影響很小。如酵母在100℃、43.8％糖液中的致死時間為6min，在66.9％糖液中為28min。牛奶中金黃色葡萄球菌的D60℃＝5.34min，而牛奶加57%蔗糖時D60℃＝42.53min，如果蔗糖濃度低于14％則幾乎無影響。添加物種類對微生物耐熱性同樣有很大影響。

2.3.5脂肪的影響

脂肪含量高時會增強(qiáng)細(xì)菌的耐熱性。細(xì)菌在脂肪介質(zhì)中時，水分滲人困難，并且脂肪是不良導(dǎo)體，阻礙了熱量的傳導(dǎo)，造成細(xì)胞蛋白質(zhì)凝固受阻。大腸桿菌和沙門氏菌在水中被加熱到60－65℃時即可死亡，而在油中需加熱到100℃、30min，109℃時需l0min才能殺死。蠟狀芽孢桿菌的芽孢在磷酸緩沖液中，D100℃＝8min，在脂類物質(zhì)中，D100℃＝7—30min。脂類物質(zhì)不同時差異很大(圖4)。但在脂類物質(zhì)中加入微量的水，就能明顯促進(jìn)微生物受熱死亡的速度。

 

 

圖4 Bacillusceus在脂類物質(zhì)中的耐熱性（121℃）

1－大豆油；2－橄欖油；3－液態(tài)石蠟磷酸緩沖溶液中的D值

 

微生物在油和水的界面上，有些可以從水相過渡到油相中，有些會停留在界面上，此時在水中加入油酸鈉等脂肪酸鹽，則大部分微生物能移動到油相中，若在高濃度鹽水中進(jìn)行攪拌，則幾乎所有的細(xì)菌都能移動到油相中。檸檬酸鹽和亞硝酸鹽會使細(xì)菌停留在油相外側(cè)。

2.3.6蛋白質(zhì)的影響

蛋白質(zhì)及其相關(guān)物質(zhì)對微生物具有保護(hù)作用，但作用機(jī)制尚不十分清楚。有資料顯示，明膠、血清等能增強(qiáng)芽孢的耐熱性，蛋白陳、肉膏等對產(chǎn)氣莢膜梭菌芽孢、大腸埃希氏茵有保護(hù)作用。

2.3.7鹽類的影響

    鹽類對微生物耐熱性的影響隨鹽的種類、濃度及菌種等因素而有相當(dāng)大的差異。鹽類對微生物產(chǎn)生的作用包括：不同濃度鹽類可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的平衡，從而減少一些重要成分在加熱過程中向胞外泄漏；能夠透過胞壁的鹽類對細(xì)胞內(nèi)的pH值有影響‘NaCl、KCl之類的鹽對蛋白質(zhì)的水合作用影響效果明顯，因此，對酶及其他重要蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；二價(jià)陽離子與蛋白質(zhì)結(jié)合生成穩(wěn)定的復(fù)合體而有助于耐熱性的增強(qiáng)；一定濃度鹽類的存在使水分活度降低，從而使細(xì)胞的耐熱性增強(qiáng)。

    食鹽是鹽類中最重要的一種，關(guān)于它對微生物耐熱性的影響已有較多報(bào)道，其影響效果因菌種、鹽濃度及其他環(huán)境條件而有變化。在低濃度下食鹽對細(xì)胞有保護(hù)作用，高濃度(5％以上)則使其耐熱性減弱，當(dāng)濃度加大到10％左右，對細(xì)胞耐熱性的影響度又減小。

2.3.8植物殺菌素的影響

一些高等植物的液汁和分泌的揮發(fā)性物質(zhì)對微生物有抑制和殺菌作用，這種具有抑制和殺菌作用的物質(zhì)稱植物殺菌素，某些罐頭食品在殺菌前加入適量的富有植物殺菌素的蔬菜或調(diào)料如蔥、辣椒、胡椒、丁香、蒜、胡蘿卜等，可以促使微生物在殺菌時死亡。

 

 

3食品熱殺菌方式的影響

熱加工的作用效果不僅與熱加工的產(chǎn)品有關(guān)，而且還與熱加工的方式有關(guān)。也就是說，滿足同一熱加工目的的不同熱加工方式所產(chǎn)生的處理效果可能會有差異。以液態(tài)食品殺菌為例，低溫長時和高溫短時殺菌可以達(dá)到同樣的效果（巴氏殺菌），但是兩種殺菌方法對食品中的酶和食品成分的破壞效果可能不同。殺菌溫度的提高雖然會加快微生物、酶和食品成分的破壞率，但三者的破壞速率增加并不一樣，其中微生物的破壞速率在高溫下較大。因此采用高溫短時的殺菌方法對食品成分的保存較為有利。此外，熱加工處理過程還需要考慮熱的傳遞速率及其效果，合理選擇實(shí)際行之有效的溫度及時間條件。

選擇熱殺菌方式和條件時應(yīng)遵循下列基本原則，首先，熱加工應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的食品殺菌要求，以貯藏為主要目的。其次，應(yīng)盡量減少熱處理造成的食品營養(yǎng)成分的破壞和損失。熱加工過程不應(yīng)產(chǎn)生有害物質(zhì)，滿足食品衛(wèi)生的要求，對不同類型的食品應(yīng)選擇相應(yīng)合適的熱加工方式。

 

3.1商業(yè)無菌

商業(yè)無菌是一種較強(qiáng)烈的熱處理形式，通常是將食品加熱到較高的溫度并維持一段時間以達(dá)到殺死所有致病菌、腐敗菌和絕大部分微生物，使殺菌后的食品符合貨架期的要求。

從食品安全和人類健康的角度，食品分成酸性（≤4.6）和低酸性（＞4.6）兩類即可。這是根據(jù)肉毒梭狀芽孢桿菌的生長習(xí)性來決定的。在包裝容器中密封的低酸性食品給肉毒桿菌提供了一個生長和產(chǎn)毒的理想環(huán)境。肉毒桿菌在生長的過程中會產(chǎn)生致命的肉毒素。因?yàn)槿舛緱U菌對人類的健康危害極大，所以罐頭生產(chǎn)者一定要保證殺滅該菌。試驗(yàn)證明，肉毒桿菌在pH≤4.8時就不會生長（也就不會產(chǎn)生毒素），在pH≤4.6時，其芽孢受到強(qiáng)烈的抑制，所以，pH4.6被確定為低酸性食品和酸性食品的分界線。另外，科學(xué)研究還證明，肉毒桿菌在干燥的環(huán)境中也無法生長。所以，以肉毒桿菌為對象菌的低酸性食品被劃定為pH＞4.6、aw＞0.85。因而所有pH值大于4.6的食品都必須接受基于肉毒桿菌耐熱性所要求的最低熱處理量。

在pH≤4.6的酸性條件下，肉毒桿菌不能生長，其它多種產(chǎn)芽孢細(xì)菌、酵母及霉菌則可能造成食品的敗壞。一般而言，這些微生物的耐熱性遠(yuǎn)低于肉毒桿菌，因次不需要如此高強(qiáng)度的熱處理過程。

有些低酸性食品物料因?yàn)楦泄倨焚|(zhì)的需要，不宜進(jìn)行高強(qiáng)度的加熱，這時可以采取加入酸或酸性食品的辦法使整罐產(chǎn)品的最終平衡pH值在4.6以下，這類產(chǎn)品稱為“酸化食品”。酸化食品就可以按照酸性食品的殺菌要求來進(jìn)行處理。

 

在殺菌中熱量的傳導(dǎo)介質(zhì)一般采用水和蒸汽兩種方式，而蒸汽的運(yùn)用最普遍。

實(shí)罐在殺菌器中的熱傳導(dǎo)過程，主要是罐壁與傳熱介質(zhì)的接觸而升溫，靠對流和傳導(dǎo)的作用進(jìn)行，由罐頭的外壁傳到內(nèi)壁則通過導(dǎo)熱方式，而罐內(nèi)壁到內(nèi)容物中心最冷的部位傳熱方式則取決于內(nèi)容物的性質(zhì)和裝罐的情況，因此，罐頭中心達(dá)到殺菌的溫度需有一個過程，也受許多因素的影響。

3.1.1影響熱傳導(dǎo)的因素

3.1.1.1罐藏容器的性質(zhì)

加熱殺菌時，熱量從罐外向罐內(nèi)食品傳遞，罐藏容器的熱阻力自然要影響傳熱速度。玻璃罐的導(dǎo)熱率比馬口鐵罐慢得多，因此，玻璃罐頭殺菌的時間比馬口鐵要長一些。

 

3.1.1.2罐型大小

罐型的大小不同，影響罐中心溫度升高的速度，罐型越大，傳熱到中心所需時間越長，殺菌所需的時間就比小型罐長；罐型越小，傳熱越快，殺菌時間要短些。

 

3.1.1.3罐內(nèi)食品的性質(zhì)

與熱傳導(dǎo)有關(guān)的食品物理特性主要是形狀、大小、濃度、粘度、密度等，食品的這些性質(zhì)不同，傳熱的方式就不同，傳熱速度自然也不同。

熱的傳遞有傳導(dǎo)，對流和輻射三種，罐頭加熱時的傳遞方式主要是傳導(dǎo)和對流兩種方式。傳熱的方式不同，罐內(nèi)熱交換速度最慢一點(diǎn)的位置就不同，傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱時的傳熱情況及其傳熱最慢點(diǎn)（常稱為冷點(diǎn)）的位置示意圖見圖5

 

 

 

  

 

圖5 傳導(dǎo)和對流時罐頭冷點(diǎn)的位置

 

 

 

a． 流體食品：粘度和濃度不大，加熱殺菌時產(chǎn)生對流，傳熱速度快。如：果汁、肉湯、清湯類罐頭。

b． 半流體食品：濃度大、粘度高，流動性很差，殺菌時很難產(chǎn)生對流，主要靠傳導(dǎo)傳熱，如：番茄醬、果醬等罐頭。

c． 固體食品：這類食品呈固態(tài)或高粘度狀態(tài)，加熱殺菌時不可能形成對流，主要靠傳導(dǎo)傳熱，傳熱速度很慢，如：紅燒類，糜狀類、果醬類罐頭等。

d． 流體和固體混裝的食品：這類罐頭食品中既有流體又有固體，傳熱情況較為復(fù)雜，這類罐頭加熱殺菌時傳導(dǎo)和對流同時存在。如：糖水水果罐頭，清漬類蔬菜罐頭等。一般來說，顆粒、條形、小塊形食品在殺菌時罐內(nèi)液體容易流動，以對流為主，傳熱速度比大粒、大塊形的快；片層狀食品的傳熱比豎條裝食品的慢。

此外，食品中能形成膠體性質(zhì)的成分，在熱處理中有阻礙熱傳導(dǎo)的作用。試驗(yàn)證明淀粉在溶液中對熱傳導(dǎo)的阻礙濃度而增加，食品中溶出粘膠性的物質(zhì)對熱的傳導(dǎo)也有影響。

3.1.1.4罐內(nèi)食品的初溫

罐內(nèi)食品的初溫是指殺菌開始時，也即殺菌鍋開始加熱升溫時食品的溫度。罐內(nèi)食品初溫較高，就可以很快達(dá)到殺菌的溫度因此，提高罐內(nèi)食品的初溫可使殺菌獲得較好的效果，特別是對于傳導(dǎo)傳熱型的罐頭（這類罐頭升溫較慢）來說更為重要。因此，在排氣封罐后要立即進(jìn)行殺菌，切勿拖延時間，降低罐內(nèi)的溫度會影響殺菌效果。

3.1.1.5殺菌鍋的形式和罐頭在殺菌鍋中的位置

我國罐頭廠目前多采用靜止式殺菌鍋，即罐頭在殺菌時靜止置于鍋內(nèi)。靜止式殺菌鍋又分為立式和臥式兩類。立式殺菌傳熱介質(zhì)流動較臥式殺菌鍋相對均勻。殺菌鍋內(nèi)各部位的罐頭由于傳熱介質(zhì)的流動情況下不同而傳熱效果相差較大。尤其是遠(yuǎn)離蒸汽進(jìn)口的罐頭，傳熱較慢。

如果殺菌鍋內(nèi)的空氣沒有排除干凈，存在空氣團(tuán)，那么處于空氣團(tuán)內(nèi)的罐頭，傳熱效果就更差。所以，靜止式殺菌鍋必須充分排凈其中的空氣，使鍋內(nèi)溫度分布均勻，以保證各位置上罐頭的殺菌效果。除了靜止式殺菌鍋外，有的還使用回轉(zhuǎn)式或旋轉(zhuǎn)式殺菌鍋。這類殺菌鍋由于罐頭在殺菌過程中處于不斷轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，罐內(nèi)食品易形成攪拌和對流，故傳熱效果較靜止式殺菌要好得多。

 

3.4結(jié)論

   熱力殺菌主要使包裝的食品不含致病的微生物，在正常貯藏和銷售過程中，食品也不能含有能繁殖的非致病性微生物。影響殺菌效果的因素很多，如食品的種類和成分，內(nèi)容物的多少，初菌數(shù)及種類，殺菌鍋的形式及操作過程等等，任何一個環(huán)節(jié)忽視了，產(chǎn)品就不能達(dá)到商業(yè)無菌的要求。