基于冰晶誘變機理的冷壓協(xié)同殺菌設(shè)備優(yōu)化與試驗研究

◎ 劉冬梅，婁敏鋒

（杭州職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310018）

超高壓殺菌作為非熱殺菌技術(shù)，其“快速、均勻、保質(zhì)”的殺菌優(yōu)勢使其應用于多種食品生產(chǎn)，但其殺菌能力受殺菌對象的影響較大[1]。為此，研究熱點開始轉(zhuǎn)向高壓與溫度協(xié)同殺菌工藝，針對高壓與熱協(xié)同殺菌效應及其殺菌機理的研究成果近年來發(fā)展很快。然而，實驗證明，冷壓協(xié)同殺菌技術(shù)可以獲得更優(yōu)的殺菌效果和食品品質(zhì)，但目前關(guān)于高壓-低溫協(xié)同殺菌機理研究尚未有報道，冷壓協(xié)同殺菌技術(shù)的殺菌效應、殺菌機理尚需進一步探明。冷壓協(xié)同殺菌技術(shù)研究必須建立在可靠的冷壓協(xié)同殺菌實驗設(shè)備上，但受限于設(shè)備安全與制造成本等多方面因素，國內(nèi)尚未有成熟的冷壓協(xié)同殺菌設(shè)備。

為此本文分析了不同食品微生物菌種的冷壓協(xié)同殺菌效能（含冰晶相變曲線的修正），研究了“冷壓協(xié)同誘變冰晶形態(tài)致微生物滅活”的冷壓協(xié)同殺菌機理，并基于壓力與低溫的耦合效應和溫度調(diào)控機制，以5L HPP 600 MPa型超高壓設(shè)備為原型完成冷壓協(xié)同殺菌設(shè)備的優(yōu)化試驗。

1 冰晶誘變殺菌機理研究

對于壓力和熱處理協(xié)同（簡稱熱壓協(xié)同）殺菌技術(shù)，較為公認的基本機理是微生物分子吸收能量產(chǎn)生分子震動破壞了微生物細胞膜。但冷壓協(xié)同殺菌工藝技術(shù)中，冷處理本身并不施加能量，也并沒有顯著的殺菌作用，但冷壓協(xié)同（-20 ℃）的殺菌效果明顯優(yōu)于單一的超高壓殺菌及熱壓協(xié)同的殺菌效果，如圖1所示。以現(xiàn)有的研究結(jié)果無法準確解釋冷壓協(xié)同殺菌的機理。因此，分析冷壓協(xié)同作用時樣品中冰晶形態(tài)的變化原理，利用“冷壓協(xié)同誘變冰晶形態(tài)致微生物細滅活”來解釋冷壓協(xié)同殺菌技術(shù)的機理更為合適。

圖1 不同殺菌方式對微生物的影響圖

當壓力從常壓升高到210 MPa時，水的常規(guī)相變溫度將從0 ℃下降到約-21 ℃。在不同壓力和溫度下，水的固態(tài)形態(tài)也不同，在實驗室常規(guī)可實現(xiàn)的冷卻和壓力環(huán)境下，至少包含冰Ⅰ、冰Ⅱ、冰Ⅲ和冰Ⅴ4種不同的形態(tài)。由于四種冰晶的密度各有不同，當樣品在穿越兩種形態(tài)時，其冰晶的體積會發(fā)生改變，從而派生出較強的剪切力。研究發(fā)現(xiàn)，緩沖液中的大腸桿菌在僅受冷處理時，其細胞形態(tài)沒有明顯的變化，而當受到冷壓協(xié)同處理時，其細胞形態(tài)會發(fā)生明顯的變化，且能明顯觀察到細胞膜受破壞的現(xiàn)象。同樣是在250 MPa的壓力下，協(xié)同-30 ℃的冷處理由于冰晶穿越形態(tài)的情況（穿越冰Ⅲ-冰Ⅱ-冰Ⅰ）與協(xié)同-20 ℃的冷處理不同（穿越冰Ⅲ-冰Ⅰ），大腸桿菌細胞膜受破壞的程度也不同，這是樣品在穿越不同的冰晶形態(tài)時，由于受到不同的剪切力從而導致微生物滅活影響不同，印證了“冷壓協(xié)同誘變冰晶形態(tài)致微生物細滅活”作為冷壓協(xié)同殺菌機理的觀點[2-3]。

2 冷壓協(xié)同殺菌設(shè)備優(yōu)化

以5L HPP 600MPa型超高壓設(shè)備為原型，搭建了適用于熱壓協(xié)同的殺菌實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)中可測定樣品溫度的傳感器最多可以接5個，即最多可以同時測量高壓腔體內(nèi)5個樣品或1個樣品上的5個點的實時溫度。

2.1 高壓密封性優(yōu)化

現(xiàn)有熱壓協(xié)同殺菌試驗系統(tǒng)在反復加減壓過程中其密封圈等配件極易損壞，造成高壓密封性能下降，影響試驗效果。本文擬采用一種特殊的組合設(shè)計方式：由壓帽螺母、密封螺栓和多組熱電偶絲組成。熱電偶從密封螺栓中心的空洞穿過，調(diào)整合適的長度后，通過焊接將熱電偶與密封螺栓連接并密封。此處的密封焊接是密封系統(tǒng)的關(guān)鍵。密封焊接后，套上壓帽螺母后，將熱電偶絲穿過超高壓設(shè)備下堵頭預留的孔洞，利用壓帽將整個螺母與下堵頭實現(xiàn)緊閉的密封。

2.2 低溫保溫裝置優(yōu)化

在常溫常壓下，純水的冰點（熔點）溫度為0 ℃，加壓狀態(tài)下，當壓力＜210 MPa時，冰的相變溫度隨壓力升高而下降，最低可達-21 ℃；當壓力≥210 MPa時，相變溫度隨壓力升高而升高。如果在高壓容器及樣品容器中裝入一定的冰（細碎的冰）進行高壓實驗，由于冰溶化時需要吸收大量的熱，因而使樣品容器中的水和樣品溫度下降。如果冰的含量足夠多，則溫度會停留在相變點溫度，如果冰量不夠，則全部溶化后達到穩(wěn)定溫度。這樣控制冰的含量就可以調(diào)控溫度，從而可以較方便地實現(xiàn)在低溫下進行高壓殺菌[4]。據(jù)此原理設(shè)計低溫保溫容器，如圖2所示。

圖2 樣品低溫保溫容器示意圖

3 殺菌設(shè)備試驗

為檢驗冷壓協(xié)同食品殺菌設(shè)備的殺菌效果，設(shè)計試驗以檢驗冷壓協(xié)同殺菌前后微生物群落總數(shù)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、群落組成變化等內(nèi)容，驗證設(shè)備殺菌的可靠性。

微生物接種：選擇大腸桿菌和梭狀芽孢桿菌為主要微生物研究對象，實驗時將微生物接種到中性緩沖液、經(jīng)商業(yè)滅菌的牛奶（pH＞4.5）和果汁（pH＜4.5）中，使微生物濃度達到107~108CFU·g-1；

微生物結(jié)構(gòu)：采用TEM透射電鏡觀察拍攝處理前后微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，采用PCR-DGGE變性梯度凝膠電泳檢測微生物群落組成變化。

處理結(jié)果如圖3所示，圖中可以看出，優(yōu)化后的試驗設(shè)備的冷壓協(xié)同殺菌效果明顯，達到設(shè)計要求。

圖3 未處理和冷壓協(xié)同處理后的大腸桿菌形態(tài)對比圖

4 結(jié)語

冷壓協(xié)同殺菌技術(shù)[5]在食品商業(yè)殺菌領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫陌l(fā)展前景和顯著的應用價值，但相關(guān)殺菌設(shè)備的研發(fā)尚未開展，本文充分研究了冰晶誘變冷壓協(xié)同殺菌機理、殺菌效應等，以應用于壓力與熱處理協(xié)同殺菌的5L HPP 600 MPa 型超高壓設(shè)備為原型進行優(yōu)化改造并測試其相應的殺菌效能，取得了顯著效果。為行業(yè)實現(xiàn)低成本開發(fā)冷壓協(xié)同殺菌設(shè)備，規(guī)?；瘧美鋲簠f(xié)同殺菌技術(shù)提供了實驗依據(jù)。