殺菌是實現(xiàn)食品長期保藏*的技術(shù)手段。盡管熱殺菌可有效地殺滅食品中的有害微生物,但附帶產(chǎn)生了對食品營養(yǎng)、風味、色澤的劣化。
出于對食品zui小加工的追求,非熱殺菌技術(shù)研究與日俱增。IFT(InstituteofFoodTechnology)于1998年成立專門的非熱加工分會(NPD,Non-thermalProcessingDivision)以促進非熱殺菌技術(shù)的研究和應用。目前,非熱殺菌技術(shù)主要研究方向有:高靜壓殺菌技術(shù)(Chef,1995;Huang,1999;Patterson,2000)、脈沖電場殺菌技術(shù)(Góngora-Nieto,2002;Alvarez,2003)、脈沖磁場殺菌技術(shù)(Swanson,1995)、紫外殺菌技術(shù)(Bintsis,2000)、輻照殺菌技術(shù)(Dickson,2001)、強光閃照技術(shù)(Dunn,2002;Marquenie,2003)、超聲波殺菌技術(shù)(Earnshaw,1995;Earnshaw,1998)以及以微濾或離心為主要手段的除菌技術(shù)(Wamsler,1996)等等。
射流破碎冷殺菌技術(shù)進展
超高壓射流破碎技術(shù)作為一種潛在的可替代液態(tài)食品熱殺菌的殺菌方法,從1990年開始受到研究人員的關(guān)注。目前的研究多集中于揭示現(xiàn)象、探討應用方面的研究,分散于牛奶、果汁、微生物等領(lǐng)域。
超高壓射流破碎殺菌是使液態(tài)食品在高壓作用下,以高速射流形式瞬間通過閥孔狹隙,微生物受到擠壓、摩擦、剪切、空穴、震蕩以及膨爆等多重動力作用,導致細胞破碎或損傷從而失去活性。
Popper和Knorr(1990)首先嘗試了高壓射流鈍化微生物的概念。試驗中選用APVGaulinMicronLab40試驗型高壓
均質(zhì)機,以Escherichiacoli,Streptococcuslactis和Bacillussubtilis分別作為革蘭氏陰性菌和兩種不同胞壁酸殘基結(jié)構(gòu)革蘭氏陽性菌的代表,發(fā)現(xiàn)在100MPa時經(jīng)多次處理即可使三種菌的初始菌數(shù)分別減少到0.1%、0.1%和10%。Toledo等人(2000)開發(fā)了一種高壓喉釋(High-PressureThrottling)設備,以Pseudomonasputida與Lactobacillussake分別作為牛奶*菌中革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌代表,實驗發(fā)現(xiàn),zui大壓力310MPa的超高壓動力可使液體培養(yǎng)基中的P.putida由初始菌數(shù)108cfu/ml下降到10-1倍稀釋液中菌落數(shù)為0,L.sake則要比D85℃致死數(shù)值降低幾個數(shù)量級。通過兩種不同設計方式
殺菌設備的比較,裝備1(以HYDROPACP60-03CXS為增壓裝置)可以降低液體培養(yǎng)基中L.sake達4個對數(shù)單位,而裝備2(以MicrofluidicsIP40-05SP為增壓裝置)則降低8個對數(shù)單位以上。子囊菌屬酵母(Zygosaccharomycesbailii)具有堅硬的殼質(zhì)細胞壁(BrockandMadigan,1991),采用超高壓動力處理可降低Z.bailii培養(yǎng)液中初始菌數(shù)2.6個對數(shù)單位(Toledoetal.2000)。杜軍等人(2002)利用NCJJ-0.005/150射流
破碎機,在微生物細胞破碎試驗中,采用150MPa壓力2次處理,使Saccharomycescerevisiae懸液細胞(初始菌數(shù)108cfu/ml)全部破碎致死,動力作用對Bacillussubitlis的致死率可達5-7個對數(shù)單位。采用200MPa的高壓均質(zhì)(含兩個同步交迭增壓裝置),處理Lactobacilli磷酸鹽緩沖懸液(初始菌數(shù)107cfu/ml),可以使其*鈍化(Lima,2004)。
在應用研究方面,Clark等人(1993)利用高壓均質(zhì)機APVGaulinmodel30CD對沒有進行巴氏殺菌的鮮榨柑橘汁進行了處理,105MPa(15000psi)處理壓力下,可降低微生物存活率達99%。Campos等人(2003)在滅菌(121℃/15min)后的柑橘汁中分別引入LactobacillusPlantarum和SaccharomycesCerevisiae,初始菌數(shù)分別達1.2×107cfu/ml和2.9×105cfu/ml,高壓均質(zhì)處理后,發(fā)現(xiàn)250MPa可以使其存活率分別降低7.1和5.6個對數(shù)單位,達到了很好的鈍化效果。Lima等人(2004)對接種L.brevis的Pilsen啤酒進行了高壓均質(zhì)處理,發(fā)現(xiàn)150MPa可以降低初始菌數(shù)107cfu/ml達3個對數(shù)單位,200MPa可以使其*鈍化。對于牛奶中微生物的鈍化處理表明,310MPa處理可以降低菌類存活率達2.5-4個對數(shù)單位(Toledo,2000)。
超高壓動力作用能夠很好的保留食品的風味。Clark等人(1993)利用高壓均質(zhì)機處理的鮮榨柑橘汁,在4℃左右保留很好的風味達40天之久。Toledo(Mermelstein,1999)利用自制的超高壓動力殺菌裝備處理的柑橘汁在冷藏條件下存放了6個月仍然沒有*(有一些絮狀物沉淀),對柑橘汁、葡萄汁和蘋果汁的感官評定分析表明,超高壓動力處理樣品與未經(jīng)處理樣品在風味上沒有差別;一些熱敏性的果汁如芒果汁、桃子汁經(jīng)過超高壓動力處理之后在冷藏條件下可以保存一年,不失其新鮮風味。
總之,超高壓射流破碎殺菌技術(shù)不僅能夠很好地鈍化食品中的微生物,延長貨架期,同時由于其殺菌可在常溫下進行,可以zui大程度的保留食品中的營養(yǎng)與風味;此外,超高壓射流破碎殺菌技術(shù)可實現(xiàn)對液態(tài)物料連續(xù)殺菌,符合工業(yè)化生產(chǎn)的需要,作為一種連續(xù)非熱殺菌方法具有廣闊的應用前景。
滅菌機理及實用性探索
◆射流破碎滅菌機理研究
為了論證超高壓射流破碎方法殺滅液態(tài)食品中有害微生物的可能性與可行性,我們對微生物經(jīng)射流破碎后的生物形態(tài)及生物活性進行了試驗探索。
1997年開始,張紹英等利用NCJJ系列射流破碎機對酵母和枯草芽孢桿菌進行了處理,試驗發(fā)現(xiàn)在150MPa處理壓力下,射流破碎可使酵母和枯草芽孢桿菌細胞結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生明顯的改變,150MPa下處理3次可將酵母細胞全部破碎致死。(見圖1)
在隨后杜軍等(2002)的試驗中發(fā)現(xiàn),射流破碎殺菌過程中微生物細胞存在著多種隱性損傷致死的現(xiàn)象,并且,隱性損傷致死在較低的處理壓力(20MPa)下即可產(chǎn)生。這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),證明了使微生物致死并不一定要采用很高的動力強度。通過丁文波等(2004,2005)的進一步研究,證明了隱性損傷致死現(xiàn)象的普遍性,并在簡單的統(tǒng)計學意義上對隱性致死的現(xiàn)象進行了歸納和分類,初步確定了細胞隱性致死的存在形式。檢測、分析表明,射流破碎處理可使微生物細胞產(chǎn)生除破碎之外的諸如細胞質(zhì)地疏松、質(zhì)壁分離、胞內(nèi)氣室、細胞壁變薄等多種隱性損傷形式(圖2),其中的部分隱性損傷形式及其聯(lián)合作用有可能導致微生物的死亡。
隱性損傷致死現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),使機理研究由單純的從流體動力學和細胞結(jié)構(gòu)力學角度考察細胞破碎來實現(xiàn)動力殺菌,拓展到關(guān)注受損細胞的物理形態(tài)變化、細胞活性以及動力有效作用形式之間的有機,從而為動力殺菌機理的研究開辟了一個新的途徑。
2004年開始,對微生物細胞動力損傷致死的機理研究進入了新的階段和深的層次。丁玉振等在研究中開始關(guān)注處理后微生物亞細胞結(jié)構(gòu)的多重變化信息,以確定受損形式及程度對細胞活性及繁殖能力的影響規(guī)律,并從更微觀的層次揭示微生物動力致死機理。
◆射流破碎殺菌技術(shù)實用性探索
在進行微生物動力致死機理研究的同時,為了探索射流破碎對液態(tài)食品的殺菌效果,我們以幾種營養(yǎng)、風味及外觀品質(zhì)易受熱劣化的液態(tài)食品為研究對象,試驗考察了射流破碎作為這些產(chǎn)品非熱殺菌手段的可行性。
杜軍等(2002)利用NCJJ系列射流破碎機對鮮牛奶(雜菌總數(shù)8.9×104cfu/ml,大腸菌群菌落數(shù)2.8×104mpn/ml)進行了射流破碎處理(zui大處理壓力150MPa),處理后牛奶中的雜菌總數(shù)zui大可以降低3個對數(shù)單位,大腸菌群菌落數(shù)低于10mpn/100ml。上述2項指標已接近我國消毒牛乳國家標準中對雜菌總數(shù)和大腸菌群的*,即雜菌總數(shù)≤30000cfu/ml,大腸菌群(近似數(shù))≤90mpn/100ml(GB5408.1-1999)。初步證明了射流破碎作為一種牛奶非熱殺菌手段的可行性(結(jié)果見圖3)。
為嘗試解決熱殺菌對西瓜清汁等熱敏性物質(zhì)質(zhì)量的影響問題,李菁等(2005)選取了5種常見微生物作為代表,采用射流破碎技術(shù)對西瓜清汁進行非熱殺菌試驗。在閥孔直徑為60μm,進料溫度為20℃,處理壓力為140MPa、處理次數(shù)為6次的試驗條件下,表現(xiàn)了較好的的雜菌殺滅效果。西瓜清汁中微生物殺死率可達到97.64~99.99%(表1),接近于《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準——GB19297-2003》中限定的相關(guān)微生物指標。
試驗中比較了射流破碎殺菌、巴氏殺菌及超濾除菌對西瓜清汁風味、色澤等品質(zhì)的影響(見圖4)。結(jié)果表明,射流破碎殺菌較其它殺(除)菌方法能夠更好的保留西瓜清汁原有特征風味和色澤。
總結(jié):超高壓射流破碎殺菌技術(shù)能夠有效的鈍化微生物,延長食品的貨架壽命,能夠zui大程度地保留食品中的營養(yǎng)與風味;并且可實現(xiàn)對液態(tài)物料的連續(xù)殺菌,符合工業(yè)化生產(chǎn)的需求。因此,超高壓動力殺菌作為一種連續(xù)非熱殺菌方法,具有廣闊的應用前景。
但是,作為一門新興的非熱殺菌技術(shù),超高壓射流破碎殺菌技術(shù)尚不盡人意。比如,Toledo(2000)發(fā)現(xiàn),高強度動力作用處理之后的牛奶具有膠凝趨勢;Guerzoni(1999)利用高壓均質(zhì)處理后的牛奶制作乳制品,發(fā)現(xiàn)奶酪得率增加。這些現(xiàn)象說明,高強動力作用在一定程度上改變了牛奶中蛋白的結(jié)構(gòu)及物性。因此,進一步揭示超高壓射流破碎對微生物及生物高分子物質(zhì)的影響機理,加速該項技術(shù)的實用化研究,是目前亟待開展的工作。