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食品的非加热灭菌过程文献综述
随着人们生活水平的提高，人们对食品的质量及安全性越来越重视，要求营养、原汁原味、具有更长的货架期和新鲜的口味，防腐剂和其他化学添加剂尽可能少用。长期以来，食品工业对食品的灭菌广泛采用加热灭菌法，这一方法虽然效率高、效果好，但是会破坏食品中的热敏性成分，影响食品的风味，不适合于那些重视风味的食品的灭菌。因此，近年来其它的灭菌方法迅速发展起来。

1 臭氧灭菌技术
1.1 作用原理
臭氧是一种强氧化剂，在常温下能自行降解产生大量的自由基，最显著的是氢氧根自由基，因而具有强氧化性。同时，臭氧又是一种良好的灭菌剂［3］。需要特别强调的是，臭氧在消毒、灭菌过程中仅产生无毒的氧化物，多余的臭氧最终还原成为氧，不存在残留物，没有任何遗留污染的问题，可直接用于食品的消毒、灭菌。
1.2 作用特点
臭氧是一种在室温和冷冻温度下存在的淡紫色的、有特殊鱼腥味的气体，它在水中部分溶解，且随着温度的降低而溶解度增加［4］。臭氧灭菌技术安全无毒、无污染。
1.3 应用
臭氧灭菌技术的应用目前主要有两方面：第一是在空气处理方面的应用；第二为水处理，通过臭氧水对其他食品和食品原料进行灭菌。在美国，臭氧已被批准用于饮用水的处理和作为饮用水工厂处理微生物的消毒剂。在欧洲，臭氧用于食品工业也有近一个世纪的历史。如利用臭氧来延长储藏物的储藏期和对果蔬表面进行消毒，这一切都表明臭氧是一种强有力的消毒剂。美国和日本等国家用臭氧和静电电晕放电产生的离子雾结合处理食品，杀菌速度快、对营养成分无不良影响，可保持食品原有的色、香、味。
2 超声波灭菌技术
2.1 作用原理
超声波指的是频率在20kHz及以上的声波,常见超声波设备使用频率20kHz到10MHz ,功率超声波( power ultrasound)使用更低的频率(20～100kHz) ,它有能力引起空穴,因超声波频率在2.5MHz以上时空穴现象不能发生,所以使用的超声波频率必须在2.5MHz以下。在超声波处理过程中,当声波接触到液体介质时产生纵波,从而产生交替压缩和膨胀的区域,这些压力改变的区域引起空穴现象的发生和在介质中形成气泡,这些气泡在膨胀过程中有更大的表面积,这增加了气体的扩散,引起气泡的膨胀,超声波能量不足以保持气泡的气相,因此,快速的压缩发生了,压缩的分子激烈碰撞,产生冲击波,这些冲击波产生非常高的温度和压力,可达到5500℃和50000KPa ,这内爆导致的压力改变是超声波杀菌的主要原因,这热区域可以杀死一些细菌,但是作用的范围有限。
超声波经常和压力、热处理和前两者联合使用,从而出现了热超声波(热+ 超声波) 、压力超声波(压力+超声波) 以及压热超声波(热和压力+ 超声波) 等技术,这些技术能提高杀菌率。Ordonez在这个领域做了前期工作,他使用20kHz， 160W 的超声波和温度范围为5℃到62℃的联合使用,发现其比二者单独使用具有更好的效果,且处理时间短,耗能少,McClemengts也认为使用超声波进行微生物灭菌时和其它灭菌技术联合使用效果更佳,如和热处理,极端pH或者氯化作用等。
2.2 作用特点
由于其频率高、波长短、方向性好、功率大、穿透力强，能引起空化作用和一系列的特殊效应，如热学效应、生物效应等。超声波灭菌不仅不会改变食品的色、香、味，而且不会破坏食品的组成成分。如果把超声波和其它非加热灭菌工艺结合起来，比如采用超声—激光或超声—磁化联合杀菌，则效果更佳。
2.3 应用
超声波灭菌技术已在美、日、欧洲等发达国家和地区获得了普遍应用，在我国，已受到食品行业极大的关注。超声波灭菌适合于果蔬汁饮料、酒类、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品。研究表明［5 ］，超声波对酱油累计灭菌时间达到4min时，酱油的指标合格。由于绿茶汤在室温放置5d后会明显的发生褐变，茶汤的透明性大为降低。在采用微波和超声波对茶汤进行灭菌比较后，以超声波灭菌的茶汤颜色变化最少［6］、透明性好，茶汤中保留的茶多酚也最多，是绿茶灭菌和保护茶多酚尽量不受损失的一种较好的茶汤处理技术。
3 辐射灭菌技术
3.1 作用原理
辐射灭菌主要是利用60Co或137Cs发出的γ-射线，其穿透力强，当穿过生命有机体时，使得机体中的水和其它物质发生电离，从而起到杀虫、杀灭微生物的作用［7］。
3.2 作用特点
辐照杀菌的优点是：温度上升变化小；杀菌效果好；可根据需要调整处理剂量；无有害物残留；可在包装状态下进行；可进行连续、大量处理；能准确进行生产控制，过程管理简单。但是，采用放射线杀菌的方法，无疑对环境和操作人员都提出了更严格的要求。
3.3 应用
早在20世纪50年代就已开始开发这种非热灭菌技术，由于安全性问题等原因，直到1980年，国际原子能组织（IEAE）、世界粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）联合专家委员会提出：“对于辐照食品，在实际平均辐照剂量不超过10kGy范围内，不存在放射辐照安全性问题”。据此，世界各国正朝着食品辐照实用化方向迈进。至今，已商业化大规模应用辐照法对马铃薯、大蒜粉、热带水果、香辛料、脱水蔬菜、鸡肉等进行灭菌处理。此外，还有不少营养口服液及粉状全营养制品采用该技术进行灭菌。该技术较适用于固态食品或粘稠状液态食品。
4、亚、超临界二氧化碳微气泡连续灭菌
4.1 作用原理
加压二氧化碳的灭菌机理主要是：能抽出微生物细胞内或细胞膜的功能性物质，使微生物细胞受到损伤；由于进入微生物细胞内的二氧化碳电离，使细胞质的H+离子浓度增大，pH值下降；微生物细胞内的某些酶由于浸透在二氧化碳中而失活；溶解于微生物细胞内的二氧化碳在急速减压时，体积膨胀而使细胞破裂。
4.2 作用特点
亚临界或超临界状态的加压二氧化碳用于灭菌，可缩短灭菌的时间和降低灭菌的温度。另外，由于加压二氧化碳能抑制热敏性成分的分解、抽提脂溶性物质和使酶失活，因而在食品工业和生物工程上受到普遍的关注。
5 脉冲电场灭菌技术
5.1 作用原理
高压脉冲电场的获得有两种方法：一种是利用特定的高频高压变压器来得到持续的高压脉冲电场。因为变压时高频使变压器内部的电磁场的能量难以转化，高压又使磁芯发生涡流，用这种原理制作大型设备将会有很多困难。另一种是利用LC振荡电路的原理，先用高压电源对一组电容器进行充电，将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连，电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波加在两个电极上，形成高压脉冲电场。利用自动控制装置对LC振荡电路进行连续的充电与放电，可以在几十毫秒内完成杀菌处理。所以，一般采用LC振荡电路。杀菌用的高压脉冲电场一般的强度为15～100kV/cm,脉冲频率为1～100kHz，放电频率为1～20Hz。每次建立电场过程中能量都会消耗一部分到极板间的介质中，所产生的电场为呈指数规律衰减的高频振荡波。电场电压强度、场强与极板间的距离有关；极板的电导率与振荡波指数衰减速率、波形有关[14]；极板面积与介质中的电场均匀度有关；极板电导率与脉冲波的宽度有关。20世纪60年代，学者Sale 和Hamilton率先进行了高压电脉冲灭菌效果的研究。他们认为电场强度和作用时间是影响电灭菌效果的两个最主要因素，并通过实验证明了产生灭菌作用的既非电解产物也非热力学的原因。
高压电脉冲（HEFP）处理能破坏细菌的细胞膜，改变其通透视。Zimmermann (1974)等人认为这可能是电场处理导致了电介质破坏。使用高压电场将细胞膜极化穿孔的过程叫电极化。每个细胞内外都有一自然电位差，外加电场时使得这一膜内外位差(称为穿透膜电位简称TMP)增大。当TMP高于-1V(生物细胞膜自然电位差)时，细胞破裂就发生了。这种破裂导致了细胞膜结构紊乱、极的形成和通透性的提高。通透性的改变可能是可逆的，也可能是不可逆的，这主要取决于电场强度E 、脉冲宽度和脉冲次数(即处理时间)。受到电场处理后，细胞膜等离子体变的能透过小分子，渗入导致细胞膜膨胀，最后细胞膜破裂。细胞的失活性机制[10]生物体都有自我愈合的能力。如果细胞能将形成的极自我缝合，那这种破裂是可逆的；如果外加电场(E=Ec)存在时间再长一点，或者超过了临界电场强度(E＞Ec)，大量大尺寸的极就会形成，细胞膜的机能就会破坏，此时的破裂就不可逆了。对通透性改变可逆的情况的研究表明：对于特定处理，不同细胞种类在存活力、生长速度等方面有不同反应，这主要是由于不同细胞有不同膜组织、不同膜特性(比如表面特性或弹性等)的缘故。
5.2 作用特点
脉冲电场杀菌比起加热处理、辐射处理等有明显的经济优势。脉冲电场灭菌技术特别适用于液态食品的灭菌处理。其特点是：灭菌时间短。脉冲电场作为一种新兴的物理灭菌技术，与其它方法相比，具有灭菌时间短、简单、方便、重复性好、效率高等优点。对食品灭菌的处理时间只需几秒就可达到商业无菌要求。灭菌过程能耗低。高压脉冲灭菌技术利用的是电能，能耗低，不易造成污染，符合目前能源利用趋势。能有效保存食品的营养成分，适用于热敏性物质。有效杀灭液体中的微生物。目前，高压脉冲电场技术可在低于40℃条件下实现对液体物料灭菌［8 ］。但是，有效灭菌的脉冲电场强度一般≥20kV/cm，而高压装置输出电压瞬时值有限，故电极间隙一般为数mm，脉冲能量限制了电极面积，所以放电处理室容积<50cm3。
5.3 应用
目前该技术在国际上正处于实验室研究和发展阶段。例如，研究利用脉冲电场处理橘子汁，发现能在微秒级别时间内有效的杀灭其中的微生物及芽孢，而不破坏其中的维生素、蛋白质等营养成分。但运用该技术应综合考虑场强的大小、杀菌时间、微生物的种类等因素，以确定最佳方案。
6、光脉冲灭菌技术
6.1 作用原理
灭菌装置由电源和灯管两大部分组成，由于供给电灯的电源必须是高压大电流的能量，故把通常的交流电变换为高压的直流电，并通过大容量的电容器积蓄能量而起作用。积蓄的电能经控制回路，在极短的时间送入封有惰性气体的灯管内。强电流通过这些气体时，在几百微秒间发出强烈的闪光。灭菌时可以调节发光的间隙和选择符合灭菌工艺的处理速度。光脉冲的光谱具有200～1000nm的波长，在波长450nm左右区域是与太阳光极相似的白色光。可是太阳光由于大气的过滤效果，紫外线部分几乎全被吸收。而光脉冲则含有200～300nm的紫外线部分和比太阳光强9万倍的能量。尽管输出功率极大，但由于光脉冲一次闪光只有几百微秒，因此总能量较低，消耗的电能也不大。
6.2 作用特点
光脉冲的光谱中含有紫外线区域，它占总能量的25％。而在光脉冲的灭菌效应中，紫外线也起着很大的作用，不过即使从光脉冲的光谱中除去300nm以下的紫外线部分，仍然具有灭菌效果，这是可见光和红外线的灭菌作用。试验方法是把108个/Ml的微生物悬浮液顺次按10倍稀释，然后点滴在固体培养基表面皿上（每滴25um），干燥后用0.7J/㎝2的能量照射1s以内，再在35℃放置培养24h，观察各个稀释度微生物生长情况。对于黑曲霉的孢子，光脉冲的灭菌效果比紫外线灭菌还要好。
6.3 应用
由于光脉冲是通过光照射灭菌，因此不能杀灭那些不透明的食品潜伏的微生物。即使是表面附着的微生物，灭菌效果也受到物品表面形状的影响。那些表面看起来平滑的食品，用电子显微镜观察也有许多微小的洞穴或凹凸不平，这些洞穴和凹凸的背面会挡住光线的照射而达不到灭菌的目的。因此，光脉冲只可作为那些内部经热处理灭菌而只是在光滑的表面存在微生物的食品的灭菌，以延长其保质期，如面包、饼食和鱼糕等食品。当然，用透明材料包装的食品也可用光脉冲灭菌。此外，空气、水和许多液体食品都可用光脉冲灭菌，然后进行无菌包装；对于生理盐水、葡萄糖液、眼药水等许多医药产品，由于其透光性好，也可用光脉冲进行高标准的灭菌。
7 超高压灭菌技术（UHP）
7.1 作用原理
（1）食品超高压杀菌。
是将食品物料密封于弹性材料或置于无菌压力系统中(常以水或其他流体介质作为传递压力的媒介物)，在1O0MPa～1000MPa压力下作用一段时间后，使之达到灭菌要求，其基本原理是利用了压力对微生物的致死作用：高压导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化，加压的细胞膜常表现出通透性的变化。在核蛋白体中，钾和钠的流出随压力升高（超过400MPa）而呈线性下降，压力引起的细胞膜功能劣化会导致氨基酸摄取受抑制。在食品工业上，利用高压灭菌技术使食品得以安全长期保存。超高压灭菌技术可分为两类：超高压静态灭菌与超高压动态灭菌 前者是指将食品置于超高压处理室中，以水或其他液体为加压介质，当升压结束后，在设定的最高点处静态保持一定的时问，使维持微生物生命活动的蛋白质等高分子物质变性失活，从而起到灭菌的目的。由于超高压容器造价昂贵，此种灭菌技术适合小批量固体或液体食品饮料生产。而后者是指直接将食品加压到预定的压力点，然后通过瞬态卸压或梯度减压等连续性作业方式，使加压渗透到微生物体内的水或其他物质膨化致使菌体破碎，从而达到快速、高效的灭菌效果，该灭菌技术只适合液体食品，而且容易实现产业化。
高压处理病原微生物的杀灭结果见表1。
表1 高压处理对病原微生物的杀灭作用
微生物名称
加压条件
结果
压力MPa
时间min
温度℃
大肠杆菌
200
20
-20
杀菌
大肠杆菌
400
10
25
杀菌
大肠杆菌
290
10
25
大部分死灭
大肠杆菌
600
840
20～25
杀菌
大肠杆菌
300
30
40
杀菌
金黄色葡萄球菌
280
10
25
大部分死灭
金黄色葡萄球菌
400
45
——
大部分死灭
金黄色葡萄球菌
600
10
25
杀菌
伤寒沙门氏菌
408～544
10
——
死灭
伤寒沙门氏菌
600
840
——
杀菌
鼠伤寒沙门氏菌
300
10
25
杀菌
超高压灭菌技术最适合对果汁饮料、浓缩果汁和果酱等液体的灭菌。超高压处理的果汁，其颜色、风味、营养成分与未经超高压处理的新鲜果汁几乎无任何差异。微生物检验可知，引起酸性果汁饮料腐败变质的主要菌类有：酵母菌、霉菌和部分腐败细菌，而耐热性强的芽孢菌在此酸性条件下无法生长繁殖，因此采用超高压灭菌最为合适。在400MPa下加压10min，pH值在4以下的果汁即可到达商业无菌状态，在室温下放置几个月甚至1年亦无任何微生物引起的腐败变质现象。
（2）影响高压灭菌的主要因素
(1)压力 一般压力越高，加压时间越长，灭菌效果越好，但应用中压力和加压时间有一定的使用上限，所以有必要进一步研究微生物的耐压性影响因素。试验表明，对肉制品中的腐败菌和致病菌，在25℃温度下进行高压处理，大肠杆菌在200MPa时数量并未减少，随压力的增大大肠杆菌的数量减少速度加快，在300MPa以上的超高压下能全部杀灭。
(2)温度 受压时的温度对灭菌效果有明显影响，沙门氏菌在温度为20℃、200MPa的压力下仍有少量菌存活，当温度为一20℃，在相同的压力LF则全部杀死 ，280MPa压力和20℃温度下的灭菌效果与230MPa、温度为40℃或150MPa、温度为50℃的灭菌效果相同。因此采用单纯加压方式处理不是一个有效的途径，而宜采用温度和压力共同处理，这样会产生协同增效的作用。
(3)pH值 pH值是影响微生物在受压条件下生存的主要闪素之一。pH值的影响在常温域加压时影响不明显，而在低温域加压时有明显影响：在低pH值和高pH值环境下，都有助于杀死微生物。
(4)食品成分和添加物 23℃温度时经340MPa高压处理生乳60 min，可使乳中的单细胞增生李斯特氏菌的致死越达1×106cfu/mL：实验表明在磷酸盐缓冲液中进行高压处理，对单细胞李斯特氏菌的杀灭作用更加显著。
(5)加压装置 直接加压和间接加压灭菌效果的差异因加压方法、加温方法和压力容器的类型不同而不同，这些影响是因为升压时温度变化幅度不同而引起的。
7.2 作用特点
(1) 超高压灭菌与传统灭菌技术的比较
在当今的食品加工领域，虽然热加工技术是食品加工的核心技术，是一种自古以来根据经验而确定的加工技术，特别是近130多年的研究和发展，已经确立了雄厚的科学理论基础和成熟的加工技术基础。当前的食品加工、食品卫生法规、食品加工设备设计都是以热处理技术为基础的。但是食品在进行热处理时由于受到高温的影响会产生许多缺陷，归结起来主要有以下几个方面：①加热处理使食品化学成分发生重大变化，甚至产生有害成分；②加热处理破坏食品原有天然风味和颜色，甚至产生异味；③加热处理严重损害食品的营养价值，造成食物资源的浪费；④热处理所带来的高能耗和环境污染问题。
与传统的热加工技术相比，超高压灭菌技术具有如下优点：①超高压加工可以在保持食品原有风味条件下杀菌，这种食品可再经简单加热后食用，从而扩大半调理食品的用途；②压力加工可以使食品加工过程多样化，能开发各种新食品及工艺；③超高压的处理过程是一个纯物理的过程，对食品中的风味物质、色素等各种小分子物质的天然结构及水解物质均无影响，加压既可以达到杀菌的目的，又能保持原有的新鲜风味；④超高压能实现速冻的效果；⑤经超高压处理的食品无“回生”现象，菌效果良好，便于长期保存；⑥超高压能瞬间以同样大小向各个方向传递，瞬间传递到食品的中心，节约能源；⑦超高压食品的加工过程是一个纯物理过程，瞬间加压、作用均匀、操作安全、耗能低。
高压与传统的化学处理食品(即添加防腐剂)比较，优点在于：①不需向食品中加入化学物质，克服了化学试剂与微生物细胞内物质作用生成的产物对人体产生的不良影响，也避免了食物中残留的化学试剂对人体的负面作用，保证了食用的安全。②化学试剂使用频繁，会使菌体产生抗性，杀菌效果减弱，而超高压灭菌为一次性杀菌，对菌体作用效果明显。③超高压杀菌条件易于控制，外界环境的影响较小；而化学试剂杀菌易受水分、温度、pH值、有机环境等的影响，作用效果变化幅度较大。④超高压杀菌能更好地保持食品的自然风味，甚至改善食品的高分子物质的构象，如作用于肉类和水产品，提高了肉制品的嫩度和风味；作用于原料乳，有利于干酪的成熟和干酪的最终风味，还可使干酪的产量增加。而化学试剂没有这种作用。综上所述，高压技术在杀菌方面的优点是无化学添加剂；压力作用迅速均匀；在常温或低温下进行，口味和风味得以保持；营养损失小，工艺简化，节约能源，无“三废”污染。
(2)存在的问题
①在食品工业中推广这项新技术的最大障碍是超高压容器的价格问题，以及连续化生产问题。②在室温下高压很难杀死耐热性芽孢菌，但加热和加压并用有可能杀死这些菌。③超高压加工食品的酶促变质一直是一个亟待解决的关键问题。研究发现，超高压虽然有钝化酶的作用，但效果不如热加工法，有时采用很高的压力也不能使一些耐压酶(如过氧化酶、多酚氧化酶等)完全失活，从而导致加工食品在贮藏过程中产生酶促变质 较低压力下，有时还会出现酶活性上升的现象，使食品变质更快。
7.3 应用
目前，国外超高压灭菌已在果蔬、酸奶、果酱、乳制品、水产品、蛋制品等生产中有了一定的应用。在每cm2的肉食上施加大约6t重的压力进行高压灭菌。结果，其味跟原来一样，色泽也比原先更好看。日本明治屋食品公司将草莓、苹果和猕猴桃等果酱经软包装后在400～600MPa、10～30min条件下灭菌，产品的色泽和风味不变，并保持了水果原有的口感，VC的保留率较高。
8 展望
随着现代科技的发展，新型的灭菌技术不断涌现，如微波灭菌、等离子体灭菌、磁力灭菌、半导体光催化灭菌、激光灭菌、电阻加热灭菌等技术，本文未能一一介绍。综观以上种种灭菌新技术，可以看出，如何充分保留食品营养成分和原有风味、处理时间短、操作温度低、不产生毒性物质、易实现连续生产、灭菌过程能耗低、过程管理简单、适用范围广等，是食品工业灭菌技术研究和生产应用发展的方向。要大力发展具有这些特点的灭菌技术，必须进一步搞清各种现有灭菌技术的机理，充分发挥其高效、低能耗和保持食品营养成分的优势，同时探索上述技术的联合处理，克服单项技术的缺陷，最大限度保持食物的营养，进行食物的复合灭菌，必将成为未来食品工业的灭菌技术研究和应用的重点。
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