食品殺菌技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

Sada Morihiro

（日本機械學(xué)會 產(chǎn)業(yè)化學(xué)機械和食品安全委員會，日本 999001）

人與猿猴等動物最大的區(qū)別之一，就是人會使用火?，F(xiàn)代人（H.sapiens）的祖先尼安德特人（H.neanderthalensis）和北京猿人（H.erectus）已經(jīng)滅絕了，但他們是會使用火的。人類通過使用火烹制食物，使食物的可食性變高，而且調(diào)理時的加熱能夠殺滅細菌，有助于提高食物的保存性。因此，時至今日，以加熱殺菌技術(shù)為中心的殺菌技術(shù)能夠賦予食品保存性，同時提高了食品的安全性。

本文綜述了食品的殺菌技術(shù)，同時匯總了新的殺菌技術(shù)及課題，對現(xiàn)在商業(yè)利用最多的殺菌技術(shù)——加熱殺菌進行了分類說明。非加熱殺菌技術(shù)被譽為“夢的技術(shù)”，要真正實現(xiàn)，還需要跨越比較高的門檻。

1 加熱殺菌技術(shù)

微生物是具有細胞構(gòu)造的生命體，加熱會使它的蛋白質(zhì)變性、直至死亡，利用該原理的殺菌技術(shù)就是加熱殺菌技術(shù)。一般地，通過65～80℃的加熱就能殺滅微生物的營養(yǎng)細胞，該溫度范圍也是通常的加熱調(diào)理范圍。

因此，通常進行調(diào)理操作的結(jié)果是食材沒有附著細菌，發(fā)揮了殺菌效果。然而，為了調(diào)理進行的加熱并不能稱其為殺菌操作。盡管調(diào)理操作發(fā)揮了殺菌效果，但殺菌條件是不受控制的。所謂的殺菌，是為了防止二次污染對殺菌條件進行了必要管理的過程。

有一些微生物能形成耐熱性芽孢，對芽孢的滅菌必須采取100℃以上的高溫。這些微生物一般稱為耐熱菌，對耐熱菌的殺菌，必須采取殺菌釜等高溫殺菌裝置。

1.1 殺菌的用語

在食品領(lǐng)域，一般使用“殺菌”這樣的用語，但在衛(wèi)生學(xué)中僅僅使用“消毒”、“滅菌”，根本沒有“殺菌”這樣的叫法。前者是殺滅耐熱性差、對健康危險性高的微生物的意思，后者是對生存的微生物全部殺滅的意思。

那么，殺菌的含義到底是什么呢？在很多場合，殺菌不僅是消毒的意思，它還是與滅菌近似的操作。它不是使全部的對象微生物滅絕，而是使它們的數(shù)量“有意義（明顯）”減少的意思。

應(yīng)該注意“有意義”的含義。微生物數(shù)量是以指數(shù)形式表示，它是以菌落數(shù)的測定方法為基礎(chǔ)的。假設(shè)處理前后的細菌數(shù)是2倍的差異，則屬于誤差范圍，不能稱之為有明顯差異。有時也能見到“細菌數(shù)減半”的說法，這也不能稱之為殺菌。殺菌效果指的是菌落數(shù)差異必須是102以上的減少，否則不能稱之為有明顯差異。

在食品加工中也使用“滅菌”這樣的詞語，這時滅菌的意思并不是使所有的微生物滅絕，而是對成為食品衛(wèi)生對象的微生物進行商業(yè)滅菌的意思。某些微生物即使在深海熱水礦床那樣特殊的環(huán)境中也能生存，這些細菌用普通的加熱方式很難將其殺滅，而且，這些在通常環(huán)境中不能生存的細菌也不會成為食品衛(wèi)生的對象。

在耐熱菌中，還有在常溫以上的高溫環(huán)境中能夠生存的微生物，代表性的例子是Geobacillus stearothemophilus（嗜熱脂肪芽孢桿菌），它在60～65℃生存。這種高溫微生物在一般的日常環(huán)境中不能生存，通常不作為衛(wèi)生對策的對象。

然而，日本有飲料的溫藏販賣機，罐裝咖啡等飲料長時間保存在60℃以上的溫度，這種場合高溫微生物的殺菌是一個問題。

2 液體的殺菌技術(shù)

對配管等密閉管路中流動液體的殺菌，一般采用連續(xù)式的殺菌裝置。這種殺菌裝置主要是由加熱器、滯留管及冷卻器構(gòu)成。加熱器和冷卻器屬于熱交換器，其中使用最多的是板式換熱器和管式換熱器。除此以外，液體和蒸汽直接接觸的injection殺菌、infusion殺菌也在近年來投入使用。

這種與蒸汽直接接觸的加熱方式，會有凝縮的水帶入食品中。通過使用真空閃蒸的冷卻方法，把蒸汽帶入的同樣數(shù)量水分蒸發(fā)掉，那么就使制品在殺菌前后的水分量不發(fā)生變化

2.1 均一加熱性

液體殺菌的課題是對流體各部位的均一加熱性。因此，必須確保殺菌器、滯留管及冷卻器內(nèi)流體流速的均一性，如果在液體中有混合性的東西，就會產(chǎn)生流速分布。在層流中，液體的最大速度是平均速度的2倍。因此，使用能使流體成為亂流的構(gòu)造非常必要。例如，利用完美設(shè)計螺旋溝的波紋管。

2.2 洗凈性與保養(yǎng)性

衛(wèi)生設(shè)備要求具有洗凈性。如果設(shè)備內(nèi)有殘渣滯留，存在洗凈的死角，就會阻礙生產(chǎn)后的設(shè)備洗凈。金屬部件和密封材料的結(jié)合面，就是影響衛(wèi)生設(shè)備洗凈性的重要因素，能排除密封部分洗凈死角構(gòu)造的設(shè)備是衛(wèi)生設(shè)備的首選。

對于飲料制造設(shè)備，柑橘系果汁的香氣成分往往成為香氣轉(zhuǎn)移的原因。因為果汁香氣成分的浸透，作為密封材料的橡膠會發(fā)生著香，更準確地說是香氣成分的有機溶劑對橡膠產(chǎn)生了溶解現(xiàn)象。因此，現(xiàn)在出現(xiàn)了這樣的傾向：在衛(wèi)生設(shè)備與液體接觸的部分采用四氟乙烯樹脂（特氟龍?）進行密封填充，以及采用比板式換熱器密封少的管式換熱器。

2.3 無菌技術(shù)

如果是液體食品，采用連續(xù)式的高溫高壓殺菌和無菌充填包裝組合是賦予高溫流通性的食品制造技術(shù)。用于此目的的設(shè)備，要求比一般的衛(wèi)生設(shè)備具有更高的洗凈性和殺菌性，同時，還要有確保設(shè)備洗凈和伴隨整個食品制造過程中食材殺菌性的檢驗技術(shù)，這種技術(shù)在以乳業(yè)為首的飲料領(lǐng)域得到了廣泛使用。

3 固體的殺菌技術(shù)

固體不同于液體，難以用泵和配管輸送。即使在與沙司一起用配管輸送的場合，固體粒子的尺寸也是受限制的?，F(xiàn)在，固體食品的殺菌多采用以非耐熱菌為對象的熱水殺菌和以耐熱菌為對象的殺菌釜殺菌方式。

3.1 固體殺菌的課題

固體殺菌最重要的課題是均一殺菌性。固體內(nèi)部不會引起混合，因而，熱傳遞是專門的傳導(dǎo)。通過傳導(dǎo)傳熱升溫所需要的時間由食材的熱傳導(dǎo)率和物體的尺寸決定。特別是對有很大差異的各種食材混合在一起的咖喱，通過傳導(dǎo)傳熱的均一加熱性是一個難題。

3.2 熱水殺菌

用熱水加熱是包裝好的固形物的一種殺菌方法。由于設(shè)備簡單，常常為小規(guī)模的食品工廠使用。然而，單單用熱水加熱并不好，均一加熱才重要。把包裝好的食品投入裝滿熱水的釜中，每個包裝的加熱時間很容易產(chǎn)生偏差。要進行均勻的熱水殺菌，必須使用設(shè)置了傳送帶的熱水槽。

在用熱水殺菌之際，包裝時多采用真空包裝。食材與包裝材料之間沒有空氣，二者密切接觸，提高了熱傳導(dǎo)性。那種認為真空包裝是為了防止微生物增殖的想法是錯誤的。

3.3 蒸餾殺菌

蒸餾殺菌作為保存食物的方法是罐頭制造最開始使用的高溫高壓殺菌法，特別是對危害性高的耐熱性肉毒桿菌（Clostridium bothlinum），這是必要的殺菌條件。

3.3.1 蒸餾殺菌的殺菌價

蒸餾殺菌的殺菌強度（殺菌價、殺菌值）的評價尺度用F0值。F0值根據(jù)下式算出：

T是每次測定時殺菌對象物的品溫，z值是殺菌強度達到10倍時所需的溫差，該值隨微生物而變，耐熱性肉毒桿菌為10.0℃，枯草桿菌為7.6℃。一般情況下，F(xiàn)0值的計算使用z=10。

蒸餾殺菌必要的殺菌價，法令上的規(guī)定是：耐熱性肉毒桿菌的F0值≥4，在實際工作中，F(xiàn)0值根據(jù)成為殺菌對象的微生物和它的初菌數(shù)、食品的熱劣化容許值而變。一般地，由枯草桿菌引起的腐敗問題很多，其F0值是比較寬的范圍8～12。但是，嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillus stearothemophilus）需要采取高溫耐熱菌的滅菌手段，這時，殺菌價無論如何也是不夠的，需要采取其他的對策。

3.3.2 蒸餾殺菌的加熱方式

初期的蒸餾殺菌釜是在層層堆積罐頭的密閉容器中吹入蒸汽殺菌的，但這種殺菌方式會受到殺菌釜內(nèi)部殘留空氣的影響，容易產(chǎn)生加熱不均勻，現(xiàn)在已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴h(huán)式。即使是這種方式，加入熱水和排出熱水仍需要一定的時間，在殺菌釜內(nèi)還是會產(chǎn)生殺菌價偏差，F(xiàn)0值不可避免地出現(xiàn)2～4的差別。近年來，能減少殺菌釜內(nèi)溫度差的熱水噴淋殺菌方式成為主流。

由于蒸汽殺菌釜的均一加熱性高，一部分食品不滿100℃的熱水殺菌也采用蒸餾殺菌釜。

4 新的加熱殺菌技術(shù)

加熱殺菌是殺菌機理的主體，取代了過去的加熱手段——飽和水蒸氣和熱水的新殺菌方式已經(jīng)實用化。以下將對此做一綜述。

4.1 微波殺菌

這是用電磁波中的微波作為加熱源的方式，與家用電磁爐的加熱原理相同。水分子具有H-O-H的構(gòu)造，兩個H并不是在一直線上，而是呈104o的夾角。分子構(gòu)造是由H一側(cè)帶正電，O一側(cè)帶負電的雙極子構(gòu)成。在電場中，水分子會朝向電場方向。在交流電場中，水分子反復(fù)旋轉(zhuǎn)，由于摩擦而發(fā)熱。

使用微波加熱的方法，會受到使用頻率的限制。一般地，當2045MHz微波頻率接近水的固有振動數(shù)時，容易被水吸收。在微波的照射下，物質(zhì)吸收微波后變熱，而且只有吸收部分的微波減弱，即：固體表面比固體內(nèi)部更容易被加熱，而且物體的角就像是天線，更容易集中微波，更容易集中熱。

光通過含水的食材時，微波會產(chǎn)生折射，特別是近似球形物體的中心部位會聚集微波，產(chǎn)生與從外部傳導(dǎo)相反的內(nèi)部加熱傾向。由此看來，微波加熱也是不均勻的加熱。一般地，為了防止微波泄露，微波加熱通常在密閉容器內(nèi)進行，由于密閉容器的空間有限，要使被加熱物體受到均勻電磁場的作用，就必須設(shè)計能使被加熱物均勻吸收微波的機構(gòu)。為防止二次污染，對包裝好的面包殺菌就采用了微波殺菌。

4.2 Joule加熱

含有食鹽的食材屬于導(dǎo)電性物質(zhì)。在食材中直接通電，產(chǎn)生的Joule加熱作為熱源。這種方法又稱作歐姆加熱、通電加熱。然而，由于食材的導(dǎo)電率不同，均勻加熱有難度。因此，現(xiàn)實生活中，對于咖喱這樣的含固體成分的食品，Joule加熱應(yīng)用存在難度。目前這種加熱方式主要用于純果汁和果醬類等均質(zhì)液體的殺菌。

Joule加熱的電源一般是20kHz的高頻電源，這是基于防止通電產(chǎn)生的電極腐蝕考慮的。電極腐蝕的原理與電鍍相同，它是通過高速交換電極，達到防止電極金屬離子化的目的。

井上孝司發(fā)明的通電加熱法，具有超過加熱方式的殺菌效果。它是利用高電場產(chǎn)生電穿孔效應(yīng)，導(dǎo)致菌體細胞膜破裂，細胞內(nèi)容物滲漏，造成細胞死亡，進而引起菌體死亡。在通電加熱法中，1個細胞可產(chǎn)生1V以上的電位差。

含有菌體的生物細胞是含有電解質(zhì)的封閉體系。因此，由于電場在細胞內(nèi)產(chǎn)生了極化電流，與電容器特點一樣，高頻會產(chǎn)生電導(dǎo)度升高的阻抗。電場一旦超過一定界限，就會造成絕緣破壞，這與電子產(chǎn)品中電容器破壞的原理是一樣的。

通電加熱技術(shù)對于耐熱性好酸性菌（Thermo Acidophillic Bacilli：簡稱TAB）的殺菌效果明顯，可用于檸檬等果汁及果汁飲料的殺菌。

4.3 常壓過熱水蒸汽

常壓過熱水蒸氣是指在大氣壓下將100℃的飽和水蒸氣加熱到100℃以上的氣體。這種常壓過熱水蒸氣是干蒸氣，期待它不同于濕飽和水蒸氣的加熱效果能在各種情況下得到應(yīng)用。其中的1個應(yīng)用事例是用于殺滅附著在蔬菜和鮮活魚表面的細菌。

常壓過熱水蒸氣是常壓加熱水蒸氣的派生品，人們正在嘗試利用常壓過熱水蒸汽。常壓過熱水蒸汽是分散著微小水滴的流體。過熱水蒸氣的特點是通過凝縮傳熱機構(gòu)快速加熱，然而，大氣中的空氣（氮氣和氧氣）是非凝縮性氣體，因此，阻礙了水蒸氣分子的移動。

從常壓過熱水蒸汽所含水滴中排除阻礙水蒸氣移動的非凝縮性氣體，是促進加熱的有效方法。

5 非加熱殺菌技術(shù)

殺菌所采取的加熱同時也是加熱食材的過程，這就像是加熱烹飪。然而，象沙拉和刺身類食材，必須是原汁原味、未經(jīng)任何加工才有價值。比方說“刺身罐頭”就是食品加工的理想狀態(tài)。而現(xiàn)實問題是，根據(jù)非加熱殺菌技術(shù)的效果和法規(guī)限制，能夠利用非加熱殺菌技術(shù)的領(lǐng)域是有限的。

5.1 藥劑殺菌

食品衛(wèi)生法對食品中添加的殺菌劑（殺菌材料）是有所限制的。其中，次氯酸離子作為殺菌成分時，可用于制作沙拉的未加工蔬菜和腌制品原料加工的過程。使用的殺菌劑是次氯酸鈉等氯系藥劑。此外，經(jīng)過pH調(diào)整的酸性次氯酸水等藥劑也可用于上述原料的殺菌。

5.2 高壓殺菌

研究者嘗試利用高壓破壞微生物細胞達到殺菌目的。然而，高壓殺菌并非只注重殺菌效果。高壓處理過程中的壓力具有變性效果，目前正在嘗試開發(fā)與高壓靜菌作用相結(jié)合的新型食品加工技術(shù)。

5.3 放射線殺菌

很可能終極的殺菌技術(shù)是利用γ射線殺菌。該項技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療器械和醫(yī)藥品、包裝材料領(lǐng)域推廣使用。過去，這些領(lǐng)域曾經(jīng)是用環(huán)氧乙烷殺菌的。

歐美等國在香辛料等難以殺菌的食材中使用γ射線殺菌，日本的食品衛(wèi)生法中命令禁止使用γ射線殺菌，因此，這項技術(shù)不可能用于日本的食品殺菌。

5.4 Soft electron殺菌技術(shù)

2002年軟性電子殺菌技術(shù)引起人們的極大關(guān)注。國際農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)研究中心、日新電機株式會社等已經(jīng)著手研究軟性電子殺菌技術(shù)。此外，在由日本商社主辦的研討會上也對該項技術(shù)作了介紹。

軟性電子是低能量水平的電子射線，具有與CRT電子射線一樣釋放熱電子射線的構(gòu)造。由于軟性電子使用的是300keV以下的低能量電子射線，因此，不會穿透到固體內(nèi)部，只對帶殼物質(zhì)和種子的表面有殺菌效果。

雖然軟性電子是熱電子射線，但300keV電子射線并不會變成釋放銫137和碘131的β射線（電子射線），能量也不會有所變化。另外，β射線本身對物體的穿透力較弱。

但是，除了上述報道以外，以后再沒有關(guān)于軟性電子殺菌技術(shù)的報道。

5.5 其它的非加熱殺菌

紫外線雖然有殺菌效果，但對于液體殺菌，為了便于紫外線穿透，需要被殺菌的對象必須具有透明度。因此，紫外線殺菌常用于清水的殺菌。

此外，食品行業(yè)還嘗試過光脈沖殺菌，但應(yīng)用該技術(shù)的門檻很高。