高密度二氧化碳殺菌技術在食品加工中的應用研究
摘 要：高密度二氧化碳殺菌技術( Dense Phase Carbon Dioxide,簡稱DPCD)是近年來發展起來的一項新型非熱力加工殺菌技術,它具有很多以往殺菌技術沒有具有的優點,如殺菌溫度低、無污染、營養損失少等.因此開展高密度二氧化碳對微生物致死效果及致死機理的研究是非常有意義的. 關鍵詞：高密度二氧化碳；殺菌；非熱力殺菌
0 引言 二氧化碳在高密度狀態下是一種良好的溶劑,高密度二氧化碳能萃取出微生物細胞內、細胞膜和細胞壁上的功能性物質,使微生物細胞受到破壞,從而使微生物失去活性而死亡.目前研究主要集中在對食品中常見微生物殺滅效果及其機理研究,并建立了一些相關的殺菌模型.關于高密度二氧化碳對食品中內源酶鈍化作用研究相對較少,但已經發現DPCD能有效的降低多種酶活性,并認為酶活性的降低與酶二級結構中的α螺旋結構變化有關.
1 高密度二氧化碳殺菌的優點 DPCD是指在100MPa以下壓力、在常溫或較低的溫度下,通過化學作用、機械作用和其他未知原理的作用殺死微生物,同時使食品中的酶、蛋白質等生物大分子變性達到滅菌保鮮目的.同樣食品的天然味道、風味和營養價值不受或很少受影響、低能耗、無毒素產生的一種加工方法. 通過熱力殺菌的食品不僅會導致營養物質的損失,還會導致食品色澤暗淡、風味逸散、產生難聞的煮熟氣味,難以讓消費接受.解決這一問題是國內外食品科技界非常關注的課題. 由于熱力殺菌存在難以克服弊端以及食品保鮮加工的迫切需要,“冷殺菌”( 又稱非熱力殺菌) 技術得到飛速發展.現有“冷殺菌”技術包括超高壓、DPCD、高壓脈沖電場、高強度脈沖磁場、超聲波、放射線、紫外、臭氧技術等1 0 余種,其他“冷殺菌”技術還在不斷涌現.在上述“冷殺菌”技術中,超高壓殺菌技術比DPCD提出早,研究時間長,研究也相對透徹,成果更為豐富.所以,超高壓殺菌作為“冷殺菌”技術首先被美國食品藥品管理局(FDA,2000年)批準工業化應用,而且被FDA評價為：能夠有效殺滅微生物芽孢,食品質量甚至超過冷凍保鮮食品的一種食品保鮮加工技術
[1]. 與DPCD相比超高壓殺菌存在缺陷.超高壓食品加工技術是指利用100MPa以上壓力,在常溫或較低的溫度下,使食品中的酶、蛋白質、核糖核酸和淀粉等生物大分子改變活性、變性或糊化,以機械殺滅微生物為主要形式,而食品的天然味道、風味和營養價值不受或很少受影響、低能耗、無毒素產生的一種滅菌保鮮加工方法. DPCD相與超高壓殺菌兩種方法相比,殺菌原理不盡相同,但加工產品的品質同樣優良,均為典型的“冷殺菌”.最大的差別是工作壓力相差巨大,超高壓有效殺菌壓力一般在400MPa至1000MPa.DPCD有效殺菌壓力在3MPa至70MPa.此外,與超高壓殺菌相比,成本低、節約能源、安全無毒、節省空間、連續生產、無噪音等優點更為明顯. 超高壓設備的制造成本與其容器額定工作壓力成幾何級數增長關系,每增加100MPa設備成本增加一倍.設備額定壓力越高,運行成本越高.相比之下,高密度二氧化碳殺菌設備成本遠遠低于“超高壓殺菌”,工業化投資成本大大降低.技術成熟后,將是最有希望大規模工業化應用的" 冷殺菌" 技術[2]. 2 高密度二氧化碳殺菌的應用
1.1 果蔬汁的殺菌 David Del Pozo－ Insfran 等
［3］研究了DPCD 在加工的葡萄汁微生物穩態、植物化學物質的保留以及感官上的作用.經過巴氏熱殺菌處理過的葡萄汁,花色苷、多酚和抗氧化物會減少10%～30% ,高密度二氧化碳處理則不會發生變化,即使是在貯藏結束時,仍然比巴氏熱殺菌保留了更多的含量.對未經處理樣品與DPCD 和巴氏熱殺菌處理的比較發現,兩者之間包括顏色、氣味、風味和總體感官等,都存在很大的差異.同樣的實驗,Gurbuz Gune等
［4］也發現DPCD可以降低葡萄汁中的酵母菌的活性,且隨著濃度和壓力的增大,活性降低的就越大,處理過程中也不會發生風味的降低.經過五周的貯藏,相對于巴氏熱殺菌,DPCD 處理的樣品更能保存植物化學成分 郭鳴鳴等
［5］研究了新鮮荔枝汁37℃ 自然培養12h 和37℃自然培養24h 經DPCD 處理前后細菌總數、霉菌與酵母菌總數的變化,實驗結果顯示,經DPCD 處理后細菌總數降低了4到6個數量級,霉菌和酵母菌完全被殺滅.對殺菌前后的荔枝汁中天然微生物的菌落形態進行觀察顯示,殺菌前后荔枝汁中微生物的菌落形態有明顯的差別,DPCD 處理后優勢菌基本被殺滅. 1.2 肉制品的殺菌 閆文杰等
［6］利用DPCD對豬肉進行了處理,對經過DPCD處理后的豬肉在貯藏過程中的品質和理化性質進行了分析.結果表明,DPCD處理對冷卻豬肉在貯藏過程中的pH、a*值和揮發性鹽基氮值有顯著影響,但對L*值、保水性、肌原纖維小片化指數值、硫代巴比妥酸值、羰基值沒有顯著影響; DPCD處理壓力越高,對冷卻豬理化性質的影響越有利,但對顏色和持水性的影響就越不利,其中,冷卻豬肉經21MPa、50℃的DPCD 處理30min后,a*值顯著降低( P＜0.01),肉變成灰白色.Choi等
［7］研究也發現鮮肉經過DPCD處理變成灰白色,亮度增加.
1.3 蛋制品的殺菌 傳統液蛋產品的殺菌方式通常采用巴氏殺菌.該法對殺滅食源性致病菌非常有效,但同時也會降低熱敏感產品的營養價值,影響產品的感觀品質.液蛋是一種含有熱敏蛋白的產品,加熱易凝固,采用非熱殺菌技術來代替傳統的熱處理技術,既能殺滅產品中的微生物,尤其是致病微生物,確保產品安全,延長產品貨架期,又能夠保持產品良好的感觀特性和營養價值. 鄭海濤等
[8]采用DPCD處理雞蛋全蛋液,研究不同溫度和壓力條件下對大腸桿菌和沙門氏菌的殺滅效果.結果表明,殺菌效果隨著溫度升高、壓力的增加而提高; 處理條件為:15MPa、35℃、15min,大腸桿菌和沙門氏菌數量分別降低了3.07和1.89個對數值.因此,DPCD對蛋品進行殺菌同樣具有良好的效果. 王洪芳
[9]等研究了不同溫度、壓力和時間條件下,DPCD處理對蛋清液中沙門氏菌和大腸桿菌的殺菌效果,并對DPCD處理蛋清液中大腸桿菌的殺菌動力學進行了分析.結果表明,在15 MPa,45 ℃下DPCD 處理60 min,沙門氏菌和大腸桿菌分別降低了4.46 和5.57個對數值,其中大腸桿菌對DPCD 處理較沙門氏菌敏感.30 MPa,45 ℃,DPCD 處理30 min,可以完全殺滅蛋清液中的大腸桿菌. 1.4 乳制品的殺菌 廖紅梅
[10]等研究了20 MPa、37℃條件下DPCD 對牛初乳的殺菌效果.并探討了經過處理后牛初乳粒度、黏度、色澤、pH 值等的變化.結果表明在20 MPa、37℃的DPCD 處理30 min 以上條件能較好地殺滅牛初乳中的細菌,同時牛初乳發生了色澤變亮、粒度增大、黏度和pH值均降低等變化. 鐘葵等
[11]對DPCD處理牛奶殺菌效果進行了動力學分析,考慮殺菌壓力和處理時間,隨著壓力和時間的增加,DPCD對牛奶中菌落總數的殺菌效果顯著增強(P＜0.05) ,處理溫度對處理效果也有協同效應.在50℃、30MPa 和70min 時,牛奶中菌落總數的殘存率最大降低了5.082個數量級.這些數據能較好的用Weibull模型來擬合,菌落總數的失活曲線,隨著壓力增加和溫度升高,模型動力學參數比例因子和形狀因子呈現規律化變化.
3 結論展望 DPCD的應用研究已經廣泛開展,但是DPCD的工業應用尚有一系列問題亟待解決.首先,應加強大容積工業化裝置的研制,這是DPCD工業化應用的關鍵; 其次,應進一步加強裝置的設計以及元器件的系統的研制,進行DPCD處理過程中的各項動力學分析; 第三,應加強處理室的多樣化設計.目前DPCD處理并非對所有的食品都適用,大部分只適用于液體食品,限制了該技術在食品工業中的應用.此外由于對DPCD研究的時間較短,許多方面的積累還處于初級階段,需要進行更深層次的機理研究.
