微生物控制的新技术

微生物控制的新技术

食品工业界在继续发展现有控制微生物控制方法的同时，正研究新技术以保证食品的微生物安全，同时也为消费者提供稍需加工或不需加工的高质量食品。这些年，辐照、高强度电子场、脉冲光、紫外线、高压加工和臭氧已作为消灭微生物的非加热方法。然而，在商业上运用这些技术仅在最近几年。尽管这些新技术以及其它方法看起来能达到预期结果，但通常也受到限制而不能应用于实际生产。因此在现有食品加工中采用上述新技术时，必须理解每个方法的优点、缺点和由那些要求。

一、辐照

·伽玛射线

·加速电子

·辐射消毒（灭菌）

·针对性的辐射杀菌

·有选择的辐射杀菌

辐照是消灭微生物的一种方法，通常是用来描述一个产品暴露在离子射线下的常用术语。

1．伽玛射线和加速电子射线

我们可能熟悉的一些普通形式的离子射线有Ｘ－射线，微波和紫外线，这些射线都已在食品中应用，但这部分我们将集中讨论两种其它形式的射线，伽玛射线和加速电子射线。这两种射线在消灭和减少食品中的微生物方面有着实际应用实例。

美国FDA已批准对猪肉、牛肉、禽肉、羊肉、香料、调味品进行辐照，也可以用于水果、蔬菜和谷物。有关食品辐照的要求在21CFR PART179可以查到。

每种技术都有自已的术语，辐照也不例外。KILOGRAY是个用于食品加工业中描述辐照量值的术语。

影响微生物抵抗辐照的一些因素包括：

·细菌的数量

·细菌的类型

·细菌的年龄

·氧气的存在与否

·食品的特征

数量是主要的，存在的微生物越多，就需越多的射线消灭它们。

一般而言：

·芽胞比繁殖体对辐照更有抵抗性。

·革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对辐照更有抵抗性。

·酵母比霉菌对辐照更有抵抗性。

·微生物在生长期时对辐照更敏感。

·生物体对辐照的敏感性在无氧时更大。

·高蛋白食物和干燥食品能对微生物抵抗辐照提供更多的保护作用。

辐照过程必须科学地设计以保证用最少量的射线最理想的减少微生物。

2．辐射消毒（灭菌）

辐射消毒（灭菌）类似商业无菌。食品暴露在30～40千戈瑞之间的射线水平下被认为是商业无菌消毒。

暴露在2.5～10千戈瑞辐照水平将消除大部分食物的所有病原菌的繁殖体。这种辐照水平称为针对性辐射杀菌，类似于巴氏杀菌。

暴露在0.75～2.5千戈瑞辐照水平将消灭大部分食物中的腐败性微生物。这个过程称为有选择的辐射杀菌。

钴60或铯137

食品的商业辐射通常取决于伽玛射线和加速电子。伽玛射线辐照是用钴60或铯137作为射线源来进行的。

用钴60为辐照源的设备适合大批量产品的辐照，提供伽玛射线的钴棒，约有一支铅笔大，贮存在深约30英尺的去离子水的防护池的中心。钴辐照用10英尺厚的混凝土墙，且用一个系统复杂的锁和其他安全措施以保护员工们及防止其他外界射线进来。自外运来的食品，送到周围暴露放射源料的固定位置。对暴露的食品射击线量值由对伽玛射线源暴露的单位部分的存放时间而定。

用铯为伽玛源的设备可以是小型的，含自我保护装置，而不需要外部防护。伽玛源的防护用钢作单元部分而

组成的，这个单元被用来设计以处理一盘食品。当食品放在地上封闭的辐照源的房间里，带有铯的板会从地下室移上来在要处理食品的周围。

伽玛射线的优点在于伽玛射线事实上可以穿透所有材料并且能完成对厚的食品的辐照。

认可的辐照机构必须建立科学的伽玛射线辐照程序。这是FDA法规的要求，21CFR PART139----食品生产、加工和处理的辐照。应严格按照确定的程序进行，且应仔细监控。关键控制点包括辐照暴露的时间，辐照源的定位和产品装运方式，钴60随时间衰变，要确定产品暴露时间必须计算这种辐照源衰变期。最后，必须正确处理对射线敏感的可见指示器具和剂量仪器，并作为公司质量保证计划的一部分。

伽玛射线系统也有不足之处。辐照不能直接用于存放在特定区域的已包装好的食品。这些系统设计用作连续操作且无法关掉辐照源。伽玛射线系统很贵且有辐照源的处理，安全和有关环境的问题。

3．电子束设备

用于电子束的设备通常不如伽玛射线设备应用广泛，他们适合处理单个的或小批量产品的辐照。电子束的优点是辐照能直接射向食品的具体区域----象种X射线仪-----以具体部位为目标。这种方法暴露在射线敏感区域的射线最少。当不用时，可以关掉电子束，且不存在处理有关危害废物的问题。

然而，象伽玛辐照过程一样，认可的辐照机构也必须确定电子束处理程序。必须确定关键处理参数并加以控制。这包括发射速度，电子束特征和产品装运方式。对关键控制的要求与伽玛辐照相似。

用电子束也有一些不足之处，穿透厚的产品受限，使该过程对许多类型的食品不适合。

一些食品由于会改变风味、结构或其他质量特征，既不能暴露在伽玛射线，也不能在电子束下。所需的营养成分的丢失也是个问题，尤其是维生素B1对射线非常敏感。辐照能导致射线副产品的产生，称为射线性化合物。这些副产品被认为是食品添加剂，必须评估其是否安全。

最后，食品使用辐照要求被辐照的食品通过标签或其它适当地标识说明经过辐照。

辐照杀死微生物的优缺点

优点缺点

对所有类型微生物都有效可能比其他现有技术更昂贵

可能对一些热敏感食品损坏较少可能引起食品的变化且必须被认可在产品上作食品添

加剂

将延长产品的货架期伽玛射线设备可能引起安全及环境问题

伽玛射线能穿透厚的材料，能处理大包装产品电子束不能穿透厚的产品必须克服公众对辐照的认识

二、高强度脉冲光

·由惰性气体灯产生的快速强光

·百万分之一秒

·通过近红外光谱的紫外

·海平面日光强度的20000倍

高强度脉冲光涉及应用光的快速、强烈、放大后的闪光。脉冲光是运用工程技术产生的，通过在能量储存器中相对长时间（几分之一秒）的贮存而在短时间内（百万分之一或千分之一秒）的释放而积累电子能量得到多级能量的光。贮存的能量脉动惰性气体灯以产生强烈的闪光只持续几百微秒。根据产品选择灯的数量，闪光的形状及闪光的周期。脉冲光包含从紫外的200nm到近红外的1nm的波长，是海平面日光强度的20000倍，大多数脉冲光属可见光范围。由于脉冲光的波长太长，不能发生小分子的离子化。

其抗微生物的效果比非脉冲或连续波常规的紫外辐照明显要强。脉冲光用来消除细菌的繁殖体、细菌的芽胞、真菌分生孢子和其它生物，具有相同效果。这使脉冲光技术适用于细菌污染的食品和水的处理。脉冲光和穿透性紫外线一样，能穿透食品和包装材料。这使处理透明食品，例如水及通过透明包装材料的食品成为可能。另外，破坏微生物的脉冲光可使那些能导致食品变质的酶失活。

脉冲光处理的强度是根据积分通量或单位面积的光能量，焦尔（J）/cm2来测量。1焦尔少于1/4卡路里，4焦尔的能量能使1克的水温度升高1℃。0.5J/cm2的一次闪光已经表明能消灭每平方厘米中105个细菌的繁殖体、细菌芽胞、真菌分生孢子。已证明每次1J/cm2闪光的多脉冲可使细菌减少107～109。

由纯脉冲技术公司，如加里福尼亚州的SanDiego将他们的脉冲光技术（纯光）向FDA提供资料，将脉冲光为辐照源用于食品添加剂生产，加工和处理。脉冲光的使用在21CFR PART 179.14中有说明，并且在以下条件允许应用脉冲光：

(a）射线源由设计好的氙灯组成发射多级射线，波长为200到1100nm，且脉冲周期不长于2毫秒（千分之一秒）；

(b)用来控制表面微生物；

(c)脉冲光处理的食品应在达到预期技术效果下经最低处理；

(d)总的累积处理量应不超过12.0J/cm２。

根据提供给FDA食品添加剂申请资料，表明在具体条件下的应用脉冲光不会引起食品或被处理的微生物发生有害的化学变化。处理的食品不会导致营养价值的显著减少。

高压脉冲光消灭微生物的优缺点

优点缺点

对所有类型微生物都有影响只能用于表面处理。光穿透才有效

能通过透明包装材料处理产品必须在光源处保护员工

在处理产品中不会升温设备最初投资可能高

不仅能用于处理产品而且可以处理加工用水设备操作必须密切监控以确保应用正确的处理

能用于表面处理大量种类产品

抑制酶活力

为了确保达到理想的杀菌效果，在生产期间必须监控灯光（FLUENCE）与灯束（CURRENT），用硅光电二极管以测量闪光灯打开时光的紫外线强度来监控灯光。输出减少表明灯已快结束它的使用寿命。每次闪光时监控灯束。如果比预先设置电流高或低的显著偏离可能意味着灯或电容的问题。正常设计的系统用来监控设备的操作，如检出异常，应中断操作。

三、高强度脉冲电子场

·应用于食品的高电压

·应用在短时电击中的电压

·在冰点或室温中处理食品

·最适合于灌注食品

·破坏微生物的细胞壁

高强度脉冲电子场（PEF）：包含应用将食品置于两个电极间高压的短时电击。高压要求过程通过建立一个蓄电器贮存电能，然后释放来实现。在入口周围或冷库存温度下进行处理，不超过1秒，且因为食物加热而失去的能量最少。这个过程更适合于灌制食品。决定微生物失活是因为电子场而不是产品的电解或欧姆、电阻加热。

目前研究表明PEF技术能破坏微生物的细胞壁。整个过程不会导致食品中的化学或物理变化特征发生变化。加工过程条件由食品特性决定。对任何一种食品PEF条件由以下各可变参数决定，其包括电子场峰强度（KV/cm）（千伏每厘米），脉冲周期（微秒），脉冲数量，最初温度，最高处理温度，有关微生物种类和微生物接种。在处理中加工温度的增加看来能加大微生物的死亡。

PEF对生长的致病菌和腐败的有机体最有效，但消灭孢子要求用高电压长时间处理。研究表明PEF有助于延长对罐制的货架寿命稳定的酸性巴氏杀菌食品和要求用巴氏杀菌的冰箱食品的货架期。

在食品中杀灭微生物的高强度脉冲电子场已在世界许多国家开始研究。在美国领先的工业公司之一，纯脉冲技术公司，如加里弗尼亚的San Diego已提交资料给FDA以支持他们用PEF对液体及灌制食品进行微生物处理。FDA审查过这份资料以后，决定食品添加剂法规不需要PEF，只要遵守良好的操作规范的要求。用高强度脉冲电子场处理任何食品中未发现有品质的变化。

食品浓缩苹果汁新鲜苹果汁生的脱脂牛奶搅碎的蛋绿豆汤电子场（KV/cm）50 50 40 35 35

脉冲同期 2 2 2 2 2

脉冲数量10 16 20 10 32 最初温度（℃）8.5 8.5 10.0 8.5 22.0

最高处理温度（℃45 45 50 45 53

贮存温度（℃）22--25 4--6 4—6 4--6 4--6

货架寿命（天）28 21 14 28 10

从1995年12月食品技术用高强度脉冲电子场进行巴氏杀菌。

在食品中运用高强度电子场杀灭微生物，还需要经过对不同产品做进一步的研究。应考虑有关微生物种类、原料带菌情况、待处理产品的特性、产品的储存运输处理条件和最佳消费状态多方面因素。建立在科学研究基础上的具体实施条件将是整个过程的关键因素。

高强度脉冲电子场杀灭微生物的优缺点

优点缺点

消灭大量致病菌和腐败有机体对孢子需要高剂量和长时间

产品中有轻微的温度升高只能用于液体或灌制食品

与热处理比较可能价格较低同时只能用于货架稳定酸性食品和冰箱食品

产品没有变化，维生素和酶无损失必须对每一种具体的产品设计过程

四、紫外线

·空气和表面消毒

·液体的巴氏消毒

紫外线是一些食品在巴氏消毒水平上的另一种过程，许多年来把紫外线用作空气和表面消毒。

根据波长可基本分为三种形式的紫外线：长波、中波和短波。所有紫外线波长都比可见光短且不能被人看见。紫外光是于253.7nm范围内的紫外灯产生的。

为了使紫外线杀死细菌和其他微生物，他们必须接触到微生物体上，且每种微生物体必须吸收足够数量的能量以被杀死。使微生物失活必需的剂量是由时间和强度来决定。

近来，用紫外线进行巴氏消毒透明液体的过程已经发展了。这个过程包括灌输液体薄膜在预定的速率下通过紫外光，在这个过程中发现显著地减少了液体的生物运载量。

对天然的紫外光、流速、混浊度、产品性质和灯输出需要连续监控。

对其他系统有一些要求：紫外光必须穿透进入产品。这就是为什么该过程被限制用于透明液体。

紫外光杀菌的优缺点

优点缺点

系统价格比其他低只能用于透明液体薄膜的表面面统

五、高压加工

·置于压力为65-80磅下的食品

·在软包装内食品

·无菌包装的灌制可能产生压力

·改变结构和细胞壁的通透性

早在19世纪未和20世纪初美国人像Hitt（1899）和Bridgman（1914）就对保鲜食品的压力过程进行了研究，直到1985年前后才引起食品、制药和生物工业的关注。高压加工（ＨＰＰ）近来在食品灌装和生物技术工业上引起人们极大的关注。在HHP技术的应用方面，日本处于领先地位，并生产出果酱、果冻、水果汁和酸乳酪。

食物的高压加工要求65-80磅的压力。它要求非常特殊的设备。如果食物被包装软或半软包装内，放在装满水的容器内于高压下１－２０分钟的时间。一些食品如桔子汁可能在压力室内批处理，然后无菌灌装预先消毒的包装内。

高压过程可能引起食品的一些变化包括组织内部的变化，高压导致蛋白质凝胶化、由于细胞壁破裂，酶活动可能增强，高压加工本身对食品腐败有机体没有影响。整个水果或蔬菜可能通过机械压缩而变形，形成难以描述的水果和蔬菜，如果汁、果酱、果丁、果片和混合食品。

高压杀死微生物的优缺点

优点缺点

处理过程中不加热，食物保持新鲜酶活力可能增加

过程能应用在最终包装的产品可引起蛋白质凝胶、注释及膨胀

对液体食品过程能作为无菌过程的一部分被应用引起食物组织内变化

酶活力可以停止设备的初装费高额

细菌孢子霉菌和酵母可能要求不同高压须消灭时间长微生物对高压敏感。高压加工必须考虑微生物的种类、产品特性、理想的过程（巴氏杀菌或商业消毒）和产

品销售方式。杀灭微生物主要是由结构变化和细胞壁破裂而引起的。

研究表明在65-80磅的高压加工对生长的细菌、酵母和霉菌是非常有效，且产品的水分活度接近于１。但芽胞对高压不会失活，而要另外加热或其他一些作用以达杀死的高水平。

六、欧姆加热

·加热通过产品自我传导

·应用于产品的交流电

·穿透的深度无限制

·在产品中无大的热梯度

·由产品的传导性及加热的剩余时间控制的加热

·加热杀死微生物

欧姆加热和无菌微粒处理继续使用测试热处理致死微生物体的方法的时间，同时用加热产品的新方法和过程决定以保证热处理传递给产品。

通常用的微波加热，电能转化成热能。然而不象微波加热穿透的深度是完全无限制且加热的程度由通过产品的电传导的空间一致性及产品在加热皿中的抗热时间控制。由于大多数实际的目的产品在加热时没有经历大的温度梯度且液体与颗粒同时被加热。

欧姆加热最适合无菌包装产品。用于处理和包装其它灭菌产品的设备能用作处理欧姆加热产品。欧姆无菌系统与其它任何一种无菌系统主要不同是加热的方法。

由于欧姆加热运用食品的耐力及商业电流以加热食物有好于通常加热系统的优点，包括：加热表面不燃烧，加热期间产品不许搅动，液体载体不需过分加热以加热颗粒和颗粒受热均匀。

欧姆加热依靠产品电传导。但欧姆加热将不能直接加热脂肪，油、酒精、骨或晶体结构如冰。

欧姆加热用于热杀死微生物的控制与其他热处理过程相似。然而在设计欧姆加热过程时，许多方面必须引起重视，产品具体的耐电性及它随温度的变化必须在过程的商业应用期间被决定和控制。产品的流速对产品的加热是关键，在欧姆加热器中产的速成率和加热周期是主要的困素。如果产品在加热器中变化状态（从液体到固体或液体到气体）产品中可能产生弧光。由于这些原因对大多数应用必须数设计考虑具体产品成功的杀灭微生物的食品欧姆过程要求在欧姆过程上的严格控制。应该由有知识经验的人建立操作程序，应该保持严格的控制在：产品配方、流速、在试管中的产品温度和发现对过程是关键的其它任何因素。

然而欧姆加热对那些希望生产高体积、高价值、低酸、货架稳定的包含颗粒的产品，及生产只要求巴氏杀菌过程的酸性和冷藏食品应提供承诺。

欧姆加热的优缺点

优点缺点

消毒颗粒直径在1寸以上过程依靠产品的传导性对产品加热

对颗粒机械损伤最小不能用于脂肪、油、酒精、骨或冰

颗粒的统一加热产品配方必须仔细控制以控制电阻

避免运载流的过分处理生产设备设计用于具体产品

能处理80%以上的固体对颗粒低酸货架移是食品的处理难于设计和记录

设备污染最小在产品加热中天热传移至表面一些食物可能要求热或化学的再处理过程开始或改变传导性

减少营养色泽和风味的损失必须控制产品流速和温度以保证杀死微生物

七、臭氧

·杀菌剂

·加工和处理

臭氧作为杀菌剂的使用并不新鲜了。在加工水中用臭氧杀死微生物，例如蔬菜加工者。这种处理允许加工水重复使用而不是倒掉。在美国和其他国家这种方法处理饮用水也有多年。臭氧另一个优点，不象氯，在处理的水中无毒性残留。

臭氧也用在封闭区域中的表面处理，如冰箱。它可以减少或消灭包括冰箱表面和内部存放产品表面的霉菌。臭氧作为氯的替代物有潜在的用途。这是更强的消毒剂，能杀死大量不同的微生物体，潜在用途之一是消毒新鲜的水果和蔬菜。臭氧用来消毒新鲜水果和蔬菜尚未被FDA认可。

由臭氧杀死微生物

优点缺点能用于杀灭水中致病菌未被FDA认可水中无毒性残留

对大范围的生物体有效

能用于冰箱和内存放产品的表面消毒剂