食品热杀菌影响因素的研究讨论

 

摘要：本文主要介绍在食品热杀菌过程中，微生物的耐热性和食品热加工方式对杀菌效果的影响，通过各类影响因素的探讨以选择合适的热杀菌工艺参数。

关键词：热加工 食品成分   加工方式

 

1.前言

食品的杀菌方法有多种，物理的如热处理、微波、辐射、过滤等，化学的如各种防腐剂和抑菌剂，生物的如各种微生物或能产生抗生素的微生物。虽然杀菌方法有多种多样，并且还在不断地发展，但热处理杀菌是食品工业最有效、最经济、最简便、因而也是使用最广泛的杀菌方法，同时也成为用其它杀菌方法时评价杀菌效果的基本参照。

热杀菌的主要目的是杀灭在食品正常的保质期内可导致食品腐败变质的微生物。一般认为，达到杀菌要求的热处理强度足以钝化食品中的酶活性。同时，热处理当然也造成食品的色香味、质构及营养成分等质量因素的不良变化。因此，热杀菌处理的最高境界是既达到杀菌及钝化酶活性的要求，又尽可能使食品的质量因素少发生变化。

要制定出既达到杀菌的要求，又可以使食品的质量因素变化最少的合理的杀菌工艺参数（温度和时间），就必须研究微生物的耐热性，以及热量在食品中的传递情况。

 

2.微生物的耐热性

2.1影响生物耐热性的因素

2.1.1污染微生物的种类

各种微生物的耐热性各有不同，一般而言，霉菌和酵母的耐热性都比较低，在50-60℃条件下就可以杀灭；而有一部分的细菌却很耐热，尤其是有些细菌可以在不适宜生长的条件下形成非常耐热的芽孢。显然，食品在杀菌前，其中可能污染有各种各类的微生物。微生物的种类及数量取决于原料的状况（来源及储运过程）、工厂的环境卫生、车间卫生、机器设备和工器具的卫生、生产操作工艺条件、操作人员个人卫生等因素。

2.1.2污染微生物的数量

微生物的耐热性，与一定容积中所存在的微生物的数量有关。微生物量越多，全部杀灭所需的时间就越长。

2.2热处理的杀菌温度

在微生物生长温度以上的温度，就可以导致微生物的死亡。显然，微生物的种类不同，其最低热致死温度也不同。对于规定种类、规定数量的微生物，选择了某一个温度后，微生物的死亡就取决于在这个温度下维持的时间。

2.3食品成分对热杀菌的影响

2.3.1pH值的影响

    酸碱度对微生物的繁殖及酶活性影响很大，对热敏感性的影响也很显著。酸碱能够促使蛋白质的热变性，细胞的表层构造、机能以及细胞的代谢系统都受其影响，因此是影响杀菌效果的最显著因子。不同酸度食品需要的杀菌条件有很大差异。

根据微生物对酸性环境的敏感性，可把罐头食品分为四类：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作为酸性食品和低酸食品的分界线，pH值高于4.6、水分活度大于0.85的食品为低酸食品。PH值低于4.6时，肉毒杆菌的生长受到抑制，因此，酸性食品可以采用沸水或100℃以下温度杀菌，而低酸罐头食品必须采用加压高温杀菌，以确保肉毒杆菌全部被杀死。

细菌芽孢和营养体在微酸性至中性范围内的耐热性最强，过酸或过碱都有削弱其耐热性的趋势。无论在什么温度下，D值都随pH值的降低而降低；越是低温加热，D值下降幅度越大。在相同的PH值条件下，微生物耐热性因溶质种类不同而发生根大变化(图1、图2)。

 

 

2.3.2水份活度的影响

水分活度是影响微生物耐热性的另—个重要因素。在110℃下对凝结芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、E型肉毒梭茵、枯草芽孢杆菌等微生物芽孢的耐热性反应的比较，显示在Aw＝0.2-0.4范围内芽孢具有最强的耐热性，Aw大于0.4时，D值显著下降，A w＝1.0时为最低。

    微生物耐热性因不同的菌种而有差异。凝结芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的耐热性

随Aw提高而下降的显著性不高，Aw＝1.0时比Aw＝0时的D值大，而E型肉毒梭菌在高湿度下的热敏感性极强。

 

 

 

2.3.3溶质的影响

溶质对微生物的耐热性也有显著影响，嗜热脂肪芽孢杆菌的芽孢在NaCl、LiCl、葡萄糖、甘油溶液和气相调湿条件下的耐热性如图3所示。微生物随其细胞水分受到束缚而不易受热力损伤，但无论在固相或液相条件下，一旦超过某一临界值，其敏感性反而会增强，但因菌种、芽孢的形成条件和溶质等因素而有所变化。

2.3.4糖的影响

糖类对微生物耐热性有一定影响。高浓度糖液能够吸收细菌细胞的水分，致使细胞原生质脱水，影响了蛋白质凝固速度，从而增强了芽孢的耐热性能。糖的浓度越高，杀灭芽孢所需的时间越长，低浓度糖对芽孢耐热性的影响很小。如酵母在100℃、43.8％糖液中的致死时间为6min，在66.9％糖液中为28min。牛奶中金黄色葡萄球菌的D60℃＝5.34min，而牛奶加57%蔗糖时D60℃＝42.53min，如果蔗糖浓度低于14％则几乎无影响。添加物种类对微生物耐热性同样有很大影响。

2.3.5脂肪的影响

脂肪含量高时会增强细菌的耐热性。细菌在脂肪介质中时，水分渗人困难，并且脂肪是不良导体，阻碍了热量的传导，造成细胞蛋白质凝固受阻。大肠杆菌和沙门氏菌在水中被加热到60－65℃时即可死亡，而在油中需加热到100℃、30min，109℃时需l0min才能杀死。蜡状芽孢杆菌的芽孢在磷酸缓冲液中，D100℃＝8min，在脂类物质中，D100℃＝7—30min。脂类物质不同时差异很大(图4)。但在脂类物质中加入微量的水，就能明显促进微生物受热死亡的速度。

 

 

图4 Bacillusceus在脂类物质中的耐热性（121℃）

1－大豆油；2－橄榄油；3－液态石蜡磷酸缓冲溶液中的D值

 

微生物在油和水的界面上，有些可以从水相过渡到油相中，有些会停留在界面上，此时在水中加入油酸钠等脂肪酸盐，则大部分微生物能移动到油相中，若在高浓度盐水中进行搅拌，则几乎所有的细菌都能移动到油相中。柠檬酸盐和亚硝酸盐会使细菌停留在油相外侧。

2.3.6蛋白质的影响

蛋白质及其相关物质对微生物具有保护作用，但作用机制尚不十分清楚。有资料显示，明胶、血清等能增强芽孢的耐热性，蛋白陈、肉膏等对产气荚膜梭菌芽孢、大肠埃希氏茵有保护作用。

2.3.7盐类的影响

    盐类对微生物耐热性的影响随盐的种类、浓度及菌种等因素而有相当大的差异。盐类对微生物产生的作用包括：不同浓度盐类可以调节细胞内外渗透压的平衡，从而减少一些重要成分在加热过程中向胞外泄漏；能够透过胞壁的盐类对细胞内的pH值有影响‘NaCl、KCl之类的盐对蛋白质的水合作用影响效果明显，因此，对酶及其他重要蛋白质的稳定性产生影响；二价阳离子与蛋白质结合生成稳定的复合体而有助于耐热性的增强；一定浓度盐类的存在使水分活度降低，从而使细胞的耐热性增强。

    食盐是盐类中最重要的一种，关于它对微生物耐热性的影响已有较多报道，其影响效果因菌种、盐浓度及其他环境条件而有变化。在低浓度下食盐对细胞有保护作用，高浓度(5％以上)则使其耐热性减弱，当浓度加大到10％左右，对细胞耐热性的影响度又减小。

2.3.8植物杀菌素的影响

一些高等植物的液汁和分泌的挥发性物质对微生物有抑制和杀菌作用，这种具有抑制和杀菌作用的物质称植物杀菌素，某些罐头食品在杀菌前加入适量的富有植物杀菌素的蔬菜或调料如葱、辣椒、胡椒、丁香、蒜、胡萝卜等，可以促使微生物在杀菌时死亡。

 

 

3食品热杀菌方式的影响

热加工的作用效果不仅与热加工的产品有关，而且还与热加工的方式有关。也就是说，满足同一热加工目的的不同热加工方式所产生的处理效果可能会有差异。以液态食品杀菌为例，低温长时和高温短时杀菌可以达到同样的效果（巴氏杀菌），但是两种杀菌方法对食品中的酶和食品成分的破坏效果可能不同。杀菌温度的提高虽然会加快微生物、酶和食品成分的破坏率，但三者的破坏速率增加并不一样，其中微生物的破坏速率在高温下较大。因此采用高温短时的杀菌方法对食品成分的保存较为有利。此外，热加工处理过程还需要考虑热的传递速率及其效果，合理选择实际行之有效的温度及时间条件。

选择热杀菌方式和条件时应遵循下列基本原则，首先，热加工应达到相应的食品杀菌要求，以贮藏为主要目的。其次，应尽量减少热处理造成的食品营养成分的破坏和损失。热加工过程不应产生有害物质，满足食品卫生的要求，对不同类型的食品应选择相应合适的热加工方式。

 

3.1商业无菌

商业无菌是一种较强烈的热处理形式，通常是将食品加热到较高的温度并维持一段时间以达到杀死所有致病菌、腐败菌和绝大部分微生物，使杀菌后的食品符合货架期的要求。

从食品安全和人类健康的角度，食品分成酸性（≤4.6）和低酸性（＞4.6）两类即可。这是根据肉毒梭状芽孢杆菌的生长习性来决定的。在包装容器中密封的低酸性食品给肉毒杆菌提供了一个生长和产毒的理想环境。肉毒杆菌在生长的过程中会产生致命的肉毒素。因为肉毒杆菌对人类的健康危害极大，所以罐头生产者一定要保证杀灭该菌。试验证明，肉毒杆菌在pH≤4.8时就不会生长（也就不会产生毒素），在pH≤4.6时，其芽孢受到强烈的抑制，所以，pH4.6被确定为低酸性食品和酸性食品的分界线。另外，科学研究还证明，肉毒杆菌在干燥的环境中也无法生长。所以，以肉毒杆菌为对象菌的低酸性食品被划定为pH＞4.6、aw＞0.85。因而所有pH值大于4.6的食品都必须接受基于肉毒杆菌耐热性所要求的最低热处理量。

在pH≤4.6的酸性条件下，肉毒杆菌不能生长，其它多种产芽孢细菌、酵母及霉菌则可能造成食品的败坏。一般而言，这些微生物的耐热性远低于肉毒杆菌，因次不需要如此高强度的热处理过程。

有些低酸性食品物料因为感官品质的需要，不宜进行高强度的加热，这时可以采取加入酸或酸性食品的办法使整罐产品的最终平衡pH值在4.6以下，这类产品称为“酸化食品”。酸化食品就可以按照酸性食品的杀菌要求来进行处理。

 

在杀菌中热量的传导介质一般采用水和蒸汽两种方式，而蒸汽的运用最普遍。

实罐在杀菌器中的热传导过程，主要是罐壁与传热介质的接触而升温，靠对流和传导的作用进行，由罐头的外壁传到内壁则通过导热方式，而罐内壁到内容物中心最冷的部位传热方式则取决于内容物的性质和装罐的情况，因此，罐头中心达到杀菌的温度需有一个过程，也受许多因素的影响。

3.1.1影响热传导的因素

3.1.1.1罐藏容器的性质

加热杀菌时，热量从罐外向罐内食品传递，罐藏容器的热阻力自然要影响传热速度。玻璃罐的导热率比马口铁罐慢得多，因此，玻璃罐头杀菌的时间比马口铁要长一些。

 

3.1.1.2罐型大小

罐型的大小不同，影响罐中心温度升高的速度，罐型越大，传热到中心所需时间越长，杀菌所需的时间就比小型罐长；罐型越小，传热越快，杀菌时间要短些。

 

3.1.1.3罐内食品的性质

与热传导有关的食品物理特性主要是形状、大小、浓度、粘度、密度等，食品的这些性质不同，传热的方式就不同，传热速度自然也不同。

热的传递有传导，对流和辐射三种，罐头加热时的传递方式主要是传导和对流两种方式。传热的方式不同，罐内热交换速度最慢一点的位置就不同，传导传热和对流传热时的传热情况及其传热最慢点（常称为冷点）的位置示意图见图5

 

 

 

  

 

图5 传导和对流时罐头冷点的位置

 

 

 

a． 流体食品：粘度和浓度不大，加热杀菌时产生对流，传热速度快。如：果汁、肉汤、清汤类罐头。

b． 半流体食品：浓度大、粘度高，流动性很差，杀菌时很难产生对流，主要靠传导传热，如：番茄酱、果酱等罐头。

c． 固体食品：这类食品呈固态或高粘度状态，加热杀菌时不可能形成对流，主要靠传导传热，传热速度很慢，如：红烧类，糜状类、果酱类罐头等。

d． 流体和固体混装的食品：这类罐头食品中既有流体又有固体，传热情况较为复杂，这类罐头加热杀菌时传导和对流同时存在。如：糖水水果罐头，清渍类蔬菜罐头等。一般来说，颗粒、条形、小块形食品在杀菌时罐内液体容易流动，以对流为主，传热速度比大粒、大块形的快；片层状食品的传热比竖条装食品的慢。

此外，食品中能形成胶体性质的成分，在热处理中有阻碍热传导的作用。试验证明淀粉在溶液中对热传导的阻碍浓度而增加，食品中溶出粘胶性的物质对热的传导也有影响。

3.1.1.4罐内食品的初温

罐内食品的初温是指杀菌开始时，也即杀菌锅开始加热升温时食品的温度。罐内食品初温较高，就可以很快达到杀菌的温度因此，提高罐内食品的初温可使杀菌获得较好的效果，特别是对于传导传热型的罐头（这类罐头升温较慢）来说更为重要。因此，在排气封罐后要立即进行杀菌，切勿拖延时间，降低罐内的温度会影响杀菌效果。

3.1.1.5杀菌锅的形式和罐头在杀菌锅中的位置

我国罐头厂目前多采用静止式杀菌锅，即罐头在杀菌时静止置于锅内。静止式杀菌锅又分为立式和卧式两类。立式杀菌传热介质流动较卧式杀菌锅相对均匀。杀菌锅内各部位的罐头由于传热介质的流动情况下不同而传热效果相差较大。尤其是远离蒸汽进口的罐头，传热较慢。

如果杀菌锅内的空气没有排除干净，存在空气团，那么处于空气团内的罐头，传热效果就更差。所以，静止式杀菌锅必须充分排净其中的空气，使锅内温度分布均匀，以保证各位置上罐头的杀菌效果。除了静止式杀菌锅外，有的还使用回转式或旋转式杀菌锅。这类杀菌锅由于罐头在杀菌过程中处于不断转动的状态，罐内食品易形成搅拌和对流，故传热效果较静止式杀菌要好得多。

 

3.4结论

   热力杀菌主要使包装的食品不含致病的微生物，在正常贮藏和销售过程中，食品也不能含有能繁殖的非致病性微生物。影响杀菌效果的因素很多，如食品的种类和成分，内容物的多少，初菌数及种类，杀菌锅的形式及操作过程等等，任何一个环节忽视了，产品就不能达到商业无菌的要求。