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。

關鍵詞：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，化學的如各種防腐劑和抑菌劑，生物的如各種微生物或能產生抗生素的微生物。雖然殺菌方法有多種多樣，并且還在不斷地發展，但熱處理殺菌是食品工業最有效、最經濟、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期內可導致食品腐敗變質的微生物。一般認為，達到殺菌要求的熱處理強度足以鈍化食品中的酶活性。同時，熱處理當然也造成食品的色香味、質構及營養成分等質量因素的不良變化。因此，熱殺菌處理的最高境界是既達到殺菌及鈍化酶活性的要求，又盡可能使食品的質量因素少發生變化。

要制定出既達到殺菌的要求，又可以使食品的質量因素變化最少的合理的殺菌工藝參數（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；而有一部分的細菌卻很耐熱，尤其是有些細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。微生物的種類及數量取決于原料的狀況（來源及儲運過程）、工廠的環境衛生、車間衛生、機器設備和工器具的衛生、生產操作工藝條件、操作人員個人衛生等因素。

2.1.2污染微生物的數量

微生物的耐熱性，與一定容積中所存在的微生物的數量有關。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。對于規定種類、規定數量的微生物，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的熱變性，細胞的表層構造、機能以及細胞的代謝系統都受其影響，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。

根據微生物對酸性環境的敏感性，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。

細菌芽孢和營養體在微酸性至中性范圍內的耐熱性最強，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種類不同而發生根大變化(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的比較，顯示在Aw＝0.2-0.4范圍內芽孢具有最強的耐熱性，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。

 

 

 

2.3.3溶質的影響

溶質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、甘油溶液和氣相調濕條件下的耐熱性如圖3所示。微生物隨其細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，但因菌種、芽孢的形成條件和溶質等因素而有所變化。

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菌細胞的水分，致使細胞原生質脫水，影響了蛋白質凝固速度，從而增強了芽孢的耐熱性能。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細菌的耐熱性。細菌在脂肪介質中時，水分滲人困難，并且脂肪是不良導體，阻礙了熱量的傳導，造成細胞蛋白質凝固受阻。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，在脂類物質中，D100℃＝7—30min。脂類物質不同時差異很大(圖4)。但在脂類物質中加入微量的水，就能明顯促進微生物受熱死亡的速度。

 

 

圖4 Bacillusceus在脂類物質中的耐熱性（121℃）

1－大豆油；2－橄欖油；3－液態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行攪拌，則幾乎所有的細菌都能移動到油相中。檸檬酸鹽和亞硝酸鹽會使細菌停留在油相外側。

2.3.6蛋白質的影響

蛋白質及其相關物質對微生物具有保護作用，但作用機制尚不十分清楚。有資料顯示，明膠、血清等能增強芽孢的耐熱性，蛋白陳、肉膏等對產氣莢膜梭菌芽孢、大腸埃希氏茵有保護作用。

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大的差異。鹽類對微生物產生的作用包括：不同濃度鹽類可以調節細胞內外滲透壓的平衡，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胞內的pH值有影響‘NaCl、KCl之類的鹽對蛋白質的水合作用影響效果明顯，因此，對酶及其他重要蛋白質的穩定性產生影響；二價陽離子與蛋白質結合生成穩定的復合體而有助于耐熱性的增強；一定濃度鹽類的存在使水分活度降低，從而使細胞的耐熱性增強。

    食鹽是鹽類中最重要的一種，關于它對微生物耐熱性的影響已有較多報道，其影響效果因菌種、鹽濃度及其他環境條件而有變化。在低濃度下食鹽對細胞有保護作用，高濃度(5％以上)則使其耐熱性減弱，當濃度加大到10％左右，對細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性物質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品有關，而且還與熱加工的方式有關。也就是說，滿足同一熱加工目的的不同熱加工方式所產生的處理效果可能會有差異。以液態食品殺菌為例，低溫長時和高溫短時殺菌可以達到同樣的效果（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遵循下列基本原則，首先，熱加工應達到相應的食品殺菌要求，以貯藏為主要目的。其次，應盡量減少熱處理造成的食品營養成分的破壞和損失。熱加工過程不應產生有害物質，滿足食品衛生的要求，對不同類型的食品應選擇相應合適的熱加工方式。

 

3.1商業無菌

商業無菌是一種較強烈的熱處理形式，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。這是根據肉毒梭狀芽孢桿菌的生長習性來決定的。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毒的理想環境。肉毒桿菌在生長的過程中會產生致命的肉毒素。因為肉毒桿菌對人類的健康危害極大，所以罐頭生產者一定要保證殺滅該菌。試驗證明，肉毒桿菌在pH≤4.8時就不會生長（也就不會產生毒素），在pH≤4.6時，其芽孢受到強烈的抑制，所以，pH4.6被確定為低酸性食品和酸性食品的分界線。另外，科學研究還證明，肉毒桿菌在干燥的環境中也無法生長。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，其它多種產芽孢細菌、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低于肉毒桿菌，因次不需要如此高強度的熱處理過程。

有些低酸性食品物料因為感官品質的需要，不宜進行高強度的加熱，這時可以采取加入酸或酸性食品的辦法使整罐產品的最終平衡pH值在4.6以下，這類產品稱為“酸化食品”。酸化食品就可以按照酸性食品的殺菌要求來進行處理。

 

在殺菌中熱量的傳導介質一般采用水和蒸汽兩種方式，而蒸汽的運用最普遍。

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

3.1.1影響熱傳導的因素

3.1.1.1罐藏容器的性質

加熱殺菌時，熱量從罐外向罐內食品傳遞，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罐內食品的性質

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

 

 

 

  

 

圖5 傳導和對流時罐頭冷點的位置

 

 

 

a． 流體食品：粘度和濃度不大，加熱殺菌時產生對流，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，殺菌時很難產生對流，主要靠傳導傳熱，如：番茄醬、果醬等罐頭。

c． 固體食品：這類食品呈固態或高粘度狀態，加熱殺菌時不可能形成對流，主要靠傳導傳熱，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，傳熱情況較為復雜，這類罐頭加熱殺菌時傳導和對流同時存在。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的成分，在熱處理中有阻礙熱傳導的作用。試驗證明淀粉在溶液中對熱傳導的阻礙濃度而增加，食品中溶出粘膠性的物質對熱的傳導也有影響。

3.1.1.4罐內食品的初溫

罐內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。罐內食品初溫較高，就可以很快達到殺菌的溫度因此，提高罐內食品的初溫可使殺菌獲得較好的效果，特別是對于傳導傳熱型的罐頭（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行殺菌，切勿拖延時間，降低罐內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。靜止式殺菌鍋又分為立式和臥式兩類。立式殺菌傳熱介質流動較臥式殺菌鍋相對均勻。殺菌鍋內各部位的罐頭由于傳熱介質的流動情況下不同而傳熱效果相差較大。尤其是遠離蒸汽進口的罐頭，傳熱較慢。

如果殺菌鍋內的空氣沒有排除干凈，存在空氣團，那么處于空氣團內的罐頭，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，有的還使用回轉式或旋轉式殺菌鍋。這類殺菌鍋由于罐頭在殺菌過程中處于不斷轉動的狀態，罐內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，內容物的多少，初菌數及種類，殺菌鍋的形式及操作過程等等，任何一個環節忽視了，產品就不能達到商業無菌的要求。