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探究射流破碎冷杀菌技术

探究射流破碎冷杀菌技术

杀菌是实现食品长期保藏必不可少的技术手段。尽管热杀菌可有效地杀灭食品中的有害微生物,但附带产生了对食品营养、风味、色泽的劣化。

出于对食品最小加工的追求,非热杀菌技术研究与日俱增。IFT(Institute of Food Technology)于1998年成立专门的非热加工分会(NPD,Non-thermal Processing Division)以促进非热杀菌技术的研究和应用。目前,非热杀菌技术主要研究方向有:高静压杀菌技术(Cheftel ,1995;Huang,1999;Patterson,2000)、脉冲电场杀菌技术(Góngora-Nieto,2002;Alvarez,2003)、脉冲磁场杀菌技术(Swanson,1995)、紫外杀菌技术(Bintsis,2000)、辐照杀菌技术(Dickson,2001)、强光闪照技术(Dunn 北京快乐8,2002;Marquenie,2003)、超声波杀菌技术(Earnshaw,1995;Earnshaw,1998)以及以微滤或离心为主要手段的除菌技术(Wamsler,1996)等等。

射流破碎冷杀菌技术进展

超高压射流破碎技术作为一种潜在的可替代液态食品热杀菌的杀菌方法,从1990年开始受到研究人员的关注。目前的研究多集中于揭示现象、探讨应用方面的研究,分散于牛奶、果汁、微生物等领域。

超高压射流破碎杀菌是使液态食品在高压作用下,以高速射流形式瞬间通过阀孔狭隙,微生物受到挤压、摩擦、剪切、空穴、震荡以及膨爆等多重动力作用,导致细胞破碎或损伤从而失去活性。

Popper和Knorr(1990)首先尝试了高压射流钝化微生物的概念。试验中选用APV Gaulin Micron Lab 40试验型高压均质机,以Escherichia coli,Streptococcus lactis和Bacillus subtilis分别作为革兰氏阴性菌和两种不同胞壁酸残基结构革兰氏阳性菌的代表,发现在100MPa时经多次处理即可使三种菌的初始菌数分别减少到0.1%、0.1%和10%。Toledo等人(2000)开发了一种高压喉释(High-Pressure Throttling)设备,以Pseudomonas putida与Lactobacillus sake分别作为牛奶腐败菌中革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌代表,实验发现,最大压力310MPa的超高压动力可使液体培养基中的P. putida由初始菌数108cfu/ml下降到10-1倍稀释液中菌落数为0,L. sake则要比D85℃致死数值降低几个数量级。通过两种不同设计方式杀菌设备的比较,装备1(以HYDROPAC P60-03CXS为增压装置)可以降低液体培养基中L. sake达4个对数单位,而装备2(以Microfluidics IP40-05SP为增压装置)则降低8个对数单位以上。子囊菌属酵母(Zygosaccharomyces bailii)具有坚硬的壳质细胞壁(Brock and Madigan, 1991),采用超高压动力处理可降低Z. bailii培养液中初始菌数2.6个对数单位(Toledo et al. 2000)。杜军等人(2002)利用NCJJ-0.005/150射流破碎机,在微生物细胞破碎试验中,采用150MPa压力2次处理,使Saccharomyces cerevisiae悬液细胞(初始菌数108cfu/ml)全部破碎致死,动力作用对Bacillus subitlis的致死率可达5-7个对数单位。采用200MPa的高压均质(含两个同步交迭增压装置),处理Lactobacilli磷酸盐缓冲悬液(初始菌数107cfu/ml),可以使其完全钝化(Lima, 2004)。

在应用研究方面,Clark等人(1993)利用高压均质机APV Gaulin model 30CD对没有进行巴氏杀菌的鲜榨柑橘汁进行了处理,105MPa(15000psi)处理压力下,可降低微生物存活率达99%。Campos等人(2003)在灭菌(121℃/15min)后的柑橘汁中分别引入Lactobacillus Plantarum和Saccharomyces Cerevisiae,初始菌数分别达1.2×107cfu/ml和2.9×105cfu/ml,高压均质处理后,发现250MPa可以使其存活率分别降低7.1和5.6个对数单位,达到了很好的钝化效果。Lima等人(2004)对接种L. brevis的Pilsen啤酒进行了高压均质处理,发现150MPa可以降低初始菌数107cfu/ml达3个对数单位,200MPa可以使其完全钝化。对于牛奶中微生物的钝化处理表明,310MPa处理可以降低菌类存活率达2.5-4个对数单位(Toledo,2000)。

超高压动力作用能够很好的保留食品的风味。Clark等人(1993)利用高压均质机处理的鲜榨柑橘汁,在4℃左右保留很好的风味达40天之久。Toledo(Mermelstein,1999)利用自制的超高压动力杀菌装备处理的柑橘汁在冷藏条件下存放了6个月仍然没有腐败(有一些絮状物沉淀),对柑橘汁、葡萄汁和苹果汁的感官评定分析表明,超高压动力处理样品与未经处理样品在风味上没有差别;一些热敏性的果汁如芒果汁、桃子汁经过超高压动力处理之后在冷藏条件下可以保存一年,不失其新鲜风味。

总之,超高压射流破碎杀菌技术不仅能够很好地钝化食品中的微生物,延长货架期,同时由于其杀菌可在常温下进行,可以最大程度的保留食品中的营养与风味;此外,超高压射流破碎杀菌技术可实现对液态物料连续杀菌,符合工业化生产的需要,作为一种连续非热杀菌方法具有广阔的应用前景。

灭菌机理及实用性探索

◆射流破碎灭菌机理研究

为了论证超高压射流破碎方法杀灭液态食品中有害微生物的可能性与可行性,我们对微生物经射流破碎后的生物形态及生物活性进行了试验探索。

1997年开始,张绍英等利用NCJJ系列射流破碎机对酵母和枯草芽孢杆菌进行了处理,试验发现在150MPa处理压力下,射流破碎可使酵母和枯草芽孢杆菌细胞结构的整体性产生明显的改变,150MPa下处理3次可将酵母细胞全部破碎致死。(见图1)

在随后杜军等(2002)的试验中发现,射流破碎杀菌过程中微生物细胞存在着多种隐性损伤致死的现象,并且,隐性损伤致死在较低的处理压力(20MPa)下即可产生。这种现象的发现,证明了使微生物致死并不一定要采用很高的动力强度。通过丁文波等(2004,2005)的进一步研究,证明了隐性损伤致死现象的普遍性,并在简单的统计学意义上对隐性致死的现象进行了归纳和分类,初步确定了细胞隐性致死的存在形式。检测、分析表明,射流破碎处理可使微生物细胞产生除破碎之外的诸如细胞质地疏松、质壁分离、胞内气室、细胞壁变薄等多种隐性损伤形式(图2),其中的部分隐性损伤形式及其联合作用有可能导致微生物的死亡。

隐性损伤致死现象的发现,使机理研究由单纯的从流体动力学和细胞结构力学角度考察细胞破碎来实现动力杀菌,拓展到关注受损细胞的物理形态变化、细胞活性以及动力有效作用形式之间的有机联系,从而为动力杀菌机理的研究开辟了一个新的途径。

2004年开始,对微生物细胞动力损伤致死的机理研究进入了新的阶段和深的层次。丁玉振等在研究中开始关注处理后微生物亚细胞结构的多重变化信息,以确定受损形式及程度对细胞活性及繁殖能力的影响规律,并从更微观的层次揭示微生物动力致死机理。

◆射流破碎杀菌技术实用性探索

在进行微生物动力致死机理研究的同时,为了探索射流破碎对液态食品的杀菌效果,我们以几种营养、风味及外观品质易受热劣化的液态食品为研究对象,试验考察了射流破碎作为这些产品非热杀菌手段的可行性。

杜军等(2002)利用NCJJ系列射流破碎机对鲜牛奶(杂菌总数8.9×104cfu/ml,大肠菌群菌落数2.8×104mpn/ml)进行了射流破碎处理(最大处理压力150MPa),处理后牛奶中的杂菌总数最大可以降低3个对数单位,大肠菌群菌落数低于10mpn/100ml。上述2项指标已接近我国消毒牛乳国家标准中对杂菌总数和大肠菌群的限量要求,即杂菌总数≤30000cfu/ml,大肠菌群(近似数)≤90mpn/100ml(GB5408.1-1999)。初步证明了射流破碎作为一种牛奶非热杀菌手段的可行性(结果见图3)。

为尝试解决热杀菌对西瓜清汁等热敏性物质质量的影响问题,李菁等(2005)选取了5种常见微生物作为代表,采用射流破碎技术对西瓜清汁进行非热杀菌试验。在阀孔直径为60μm,进料温度为20℃,处理压力为140MPa、处理次数为6次的试验条件下,表现了较好的的杂菌杀灭效果。西瓜清汁中微生物杀死率可达到97.64~99.99%,接近于《果、蔬汁饮料卫生标准——GB19297-2003》中限定的相关微生物指标。

试验中比较了射流破碎杀菌、巴氏杀菌及超滤除菌对西瓜清汁风味、色泽等品质的影响(见图4)。结果表明,射流破碎杀菌较其它杀(除)菌方法能够更好的保留西瓜清汁原有特征风味和色泽。

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总结:超高压射流破碎杀菌技术能够有效的钝化微生物,延长食品的货架寿命,能够最大程度地保留食品中的营养与风味;并且可实现对液态物料的连续杀菌,符合工业化生产的需求。因此,超高压动力杀菌作为一种连续非热杀菌方法,具有广阔的应用前景。

但是,作为一门新兴的非热杀菌技术,超高压射流破碎杀菌技术尚不尽人意。比如,Toledo(2000)发现,高强度动力作用处理之后的牛奶具有胶凝趋势;Guerzoni(1999)利用高压均质处理后的牛奶制作乳制品,发现奶酪得率增加。这些现象说明,高强动力作用在一定程度上改变了牛奶中蛋白的结构及物性。因此,进一步揭示超高压射流破碎对微生物及生物高分子物质的影响机理,加速该项技术的实用化研究,是目前亟待开展的工作。

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