冷殺菌技術/紫外殺菌原理及應用

常壓殺菌、水分活度、低酸性食品、商業無菌、速凍、超高壓殺菌、最大冰晶生成帶、熱力殺菌D值、F值、Z值、冷凍食品、腌制、過冷點、罐頭、HTST、UHT

利用蛋白質(如蛋白和乳清)製備的生物塑料抗菌性能顯著，這種生物塑料可用於醫療領域(例如縫線、藥物、輸送導管和癒合敷料等)，還可以用作食品包裝。近日，一位主要研究生物塑料抗菌性的博士生Alex Jones研發出了抗菌生物塑料的新型配方，有望達到100%殺菌率。

竭盡全力降低傳統塑料產品的石油用量是研究人員的目標之一，而另一目標就是找到可完全降解的生物塑料。清蛋白甘油混合生物塑料則同時滿足了這兩個標準。

研究人員測試了3種用於替代常規塑料的非傳統的生物塑料材料—蛋白、乳清及大豆蛋白，發現可降低污染造成的風險。例如，當蛋白(蛋清中的蛋白質)與傳統增塑劑混合時，可顯示出很強的的抗菌性。「實驗發現，此塑料上不會有細菌生長。」Alex Jones說。「細菌無法在這種塑料上存活。」

「如果你把它放在一個垃圾填埋場，這種純蛋白質會發生分解。」他說，「如果你把它埋在土裡，這些塑料將會在一到兩個月消失。」「該研究接下來將深入分析這種以蛋白為基礎的生物塑料在生物醫學和食品包裝領域的應用潛力，以期能殺死細菌或阻止其蔓延，達至100%抗菌的效果。

由於考慮到消費安全及消費者心理的需求，現代的食品加工工藝與技術要求最大限度地保留食品的色、香、味及其營養成分。然而，傳統的食品熱力殺菌方法已經遠遠不能滿足這種要求。近年來國內外研究出一些新型的冷殺菌技術，如超高壓殺菌、超高壓脈衝電場殺菌、脈衝強光殺菌、放射線殺菌、紫外殺菌等冷殺菌技術引起了食品科學研究工作者的高度關注。

冷殺菌是指在殺菌過程中食品溫度不升高或升高很低的一種安全、高效殺菌方法。冷殺菌不僅有利於保持食品功能成分的生理活性，且還有利於保持色、香、味及營養成分。

1超高壓殺菌

超高壓殺茵是將食品物料以某種方式包裝以後，放入液體介質中，在100～l 000 MPa壓力下作用一段時間後，使之達到滅茵要求。其基本原理是壓力對微生物的致死作用，主要是通過破壞其細胞壁，使蛋白質凝固，抑制酶的活性和DNA等遺傳物質的複製等來實現。

一般而言，壓力越高殺菌效果越好。但在相同壓力下延長受壓時間並不一定能提高滅菌效果。在400～600 MPa的壓力下，可以殺死細菌、酵母菌、黴菌，避免了一般高溫殺菌帶來的不良變化，超高壓冷殺菌技術的先進性是高壓、常溫滅菌，採用該項技術對食品進行處理後，不但具備高效殺菌性，而且能完好保留食品中的營養成分，食品口感佳，色澤天然，安全性高，保質期長，這是傳統高溫熱力殺菌方法所不具有的優點。

目前，超高壓滅菌已在國外果蔬、酸奶、果醬、乳製品、水產品、蛋製品、高粘食品等生產中得到應用。

2超高壓脈衝電場殺菌

用高壓脈衝產生的脈衝電場進行殺菌。脈衝產生的電場和磁場的交替作用，使細胞膜透性增加，膜強度減弱，最終膜被破裂，膜內物質外流，膜外物質深入，細胞體死亡。電磁場產生電離作用，阻斷了細胞膜的正常生物化學反應和新陳代謝，使細菌體內物質發生變化。該技術避免了加熱引起的蛋白質變性和維生素被破壞等一系列現象。

3強磁脈衝殺菌

該技術採用強脈衝磁場的生物效應進行殺菌，在輸液管外面，套裝有螺旋興線圈，磁脈衝發生器在線圈內產生（2～10）T的磁場強度。當液體物料通過該段輸液管時，其中的細菌即被殺死。

該技術具有以下特點：殺菌時間短且效率高。殺菌效果好且溫升小，能做到既能殺菌，又能保持食品原有的風味、滋味、色香、品質和組分（維生素、氨基酸等）不變，不污染產品，無噪音，適用範圍廣泛。

4脈衝強光殺菌

脈衝強光殺菌是採用脈衝的強烈白光閃照方法進行滅菌。通過惰性氣體發出與太陽光譜相反，但強度更強的紫外線至紅外線區進行殺菌。使用高強度白光的極短脈衝，殺死食品表面的微生物。該高強度的白光類似陽光，但僅以幾分之一秒鐘的速度反射出來，比陽光更強能迅速殺死細菌。脈衝強光下使微生物致死作用明顯，可進行徹底殺菌。在操作時對不同的食品、不同的菌種，需控制不同的光照強度與時間。可用於延長以透明物料包裝的食品的保鮮期[4]。

5微波殺菌

微波是頻率從300 MHz～300 GMHz的電磁波。微波與物料直接相互作用，將超高頻電磁波轉化為熱能的過程。微波殺菌是微波熱效應和生物效應共同作用的結果。微波對細菌膜斷面的電位分布影響細胞周圍電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營養不良，不能正常新陳代謝，生長發育受阻礙死亡。

從生化角度分析，細菌正常生長和繁殖的核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）是若干氫鍵緊密連接而成的捲曲大分子，微波導致氫鍵鬆弛、斷裂和重組，從而誘發遺傳基因或染色體畸變，甚至斷裂。微波殺菌正是利用電磁場效應和生物效應起到對微生物的殺滅作用。

採用微波裝置在殺菌溫度、殺菌時間、產品品質保持、產品保質期及節能方面都有明顯的優勢。德國內斯公司研製的微波室系統，加熱溫度為72～85 ℃，時間為1~8 min、殺菌效果十分理想，特別適用於已包裝的麵包、果醬、香腸、鍋餅、點心以及貯藏中殺滅蟲、卵等。微波處理的食品保質期達6個月以上[5]。

6放射線殺菌

放射線同位素放出的射線通常有α、β、γ3種射線，用於食品內部殺菌只有γ射線。γ射線是一種波長極短的電磁波，對物體有較強的穿透力，微生物的細胞質在一定強度γ射線下，沒有一種結構不受影響，因而產生變異或死亡。微生物代謝的核酸代謝環節能被射線抑制，蛋白質因照射作用而發生變性，其繁殖機能受到最大損害。射線照射不會引起溫度上升。一般抗熱力大的細菌，對放射線的抵抗力也較大。

7紫外線殺菌

日光能殺滅細菌，主要是紫外線的作用，殺菌原理是微生物分子受激發後處於不穩定的狀態，從而破壞分子間特有的化學鍵導致細菌死亡。微生物對於不同波長的紫外線的敏感性不同，紫外線對不同微生物照射致死量也不同，革蘭氏陰性無芽孢桿菌對紫外線最敏感。殺死革蘭氏陽性球菌的紫外線照射量需增大5～10倍。但紫外線穿透力弱，所以比較適用於對空氣、水、薄層流體製品及包裝容器表面的殺菌[6,7]。

8臭氧殺菌

臭氧氧化力極強，僅次於氟，能迅速分解有害物質，殺菌能力是氯的600～3 000倍，其分解後迅速的還原成氧氣。利用其性能的臭氧技術在歐美、日本等發達國家早就得到廣泛應用，是殺菌消毒、污水處理、水質凈化、食品貯存、醫療消毒等方面的首選技術。美國華盛頓大學醫學研究人員發現，臭氧可以抑制癌細胞的生長；日本石川島播麻種工業公司證明，臭氧水有望成為最佳的果樹殺菌劑，其殺菌效果明顯優於次氯酸鈉；中國醫學科學院研究證明，臭氧可以有效地殺滅淋球菌，並且對水中的重金屬有分解作用。

試驗證明臭氧水是一種廣譜殺菌劑，它能在極短時間內有效地殺滅大腸桿菌、蠟桿菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、流腦雙球菌等一般病菌以及流感病菌、肝炎病毒等多種微生物[8]。可殺死和氧化魚、肉、瓜果蔬菜、食品表面能產生異變的各種微生物和果蔬脫離母體後繼續進行生命活動的微生物，加速成熟乙烯氣體，延長保鮮期。

冷殺菌技術作為一種新型的殺菌技術，已逐漸在食品工業中得到廣泛地運用。它不僅克服了傳統熱力殺菌的不足之處，還能最大限度地保持食品原有的品質以滿足消費者需求，使得冷殺菌技術的應用及研究在該科研領域受到密切關注，在食品加工過程中採用冷殺菌技術成為必然的趨勢。

認識紫外線

波長在100～400nm的電磁輻射稱為紫外(UV)輻射或紫外線。從實際應用的角度可分為3個區域:

真空紫外線(UVD):波長100～200nm;

短波紫外線(UVC):波長200～280nm;

中波紫外線(UVB):波長280～320nm;

長波紫外線(UVA):波長320～400nm。

太陽輻射的紫外光通過地球大氣層時,UVC完全被臭氧層吸收,UVB也有很大的衰減,UVA幾乎不受影響,所以環境中的紫外線波長在290～400nm。工業應用的紫外線殺菌是紫外線波長在240~280nm範圍。其中，254nm的紫外線很容易被生物吸收（嚴格來說253.7納米），殺菌效果最好。而185nm 的紫外線與空氣作用可產生有強氧化作用的臭氧，也能有效殺滅細菌。

紫外殺菌的原理

紫外線具有殺菌消毒作用主要是因為紫外輻射對微生物的核酸產生光化學危害，當微生物被紫外線照射時，細胞的核酸生物活性因吸收紫外線而改變，從而引起菌體內蛋白質和酶的合成障礙，導致結構發生變異，使微生物死亡。研究表明，紫外線能有效殺滅水中常見細菌、病菌、黴菌、孢子甚至原生動物。在食品工業中，主要用於生產用水、固體表面、包裝材料、食品加工車間、設備器具、工作台的殺菌及對污水的處理，但對黴菌和細菌芽孢的殺菌效果較差，常需配合消毒方式來加強殺菌效果。

圖2.紫外殺菌原理圖

紫外線殺菌所需劑量多以輻射強度(μW/cm2)與時間(S)的乘積表示。一般認為劑量越大,殺菌效果愈好。而紫外燈輻射強度受多種因素的影響,常見的影響因素有電壓、溫度、濕度以及紫外燈與受照物之間的距離等。

紫外殺菌技術在食品工業中的應用

在食品工業中,紫外線殺菌主要用於三個領域:表面殺菌、空氣殺菌和液體殺菌。

1. 表面殺菌

紫外常用於包裝材料(容器、包裝紙或瓶蓋)的消毒:在包裝材料運輸通道上用適宜的紫外燈照射可起到殺菌作用。紫外消毒要求材料表面乾淨無垢,否則這些臟物會吸收紫外線而對微生物起到保護作用。

2. 空氣殺菌

在食品加工中處理易被微生物污染的物料時,建議對工作場所的空氣進行處理:層流空氣通過過濾器除去>0.1μm的粒子,然後用UV輻射殺滅殘存的活的微生物。

3. 液體殺菌

用UVC處理是殺滅水中大部分微生物和減少環境污染的有效方法之一。已被用於飲用水、污水和游泳池水的消毒處理,UV和臭氧聯合使用有非常強的氧化作用可將水中有機物含量降到極低的水平。

常見的紫外殺菌工具—紫外燈

1. 安裝

紫外光的強度隨著光源距離的平方而降低,由於穿透能力很弱,所以必須靠近被處理的物質。因此,紫外光對於大的開放區域的空氣消毒是無效的,它只適用於局部或用於區域消毒。紫外線滅菌效果與照射時間和距離有關,時間長而距離近者效果好。一般工作人員高度大多在1.8m以下,紫外燈的安裝應該離地1.8-2m左右,以略高於工作人員的頭頂較好。

目前,由殺菌率來精確計算生產車間所需的紫外線燈數還比較困難,因為涉及到房間的換氣次數,生產車間的高度、地面材料、牆壁房頂的反射效率,以及車間的工作人員數量等等,一般生產車間內紫外燈照射強度不低於70μW/cm2，為了確保燈管有足夠的數量,根據目前使用的經驗,一般可以每7～10m2安裝一支30W的殺菌燈。

2. 使用

一般根據習慣,車間的紫外線燈是在上班前提前半小時到一小時或下班後由值班人員打開,上班時工作人員應在關閉紫外線燈的情況下洗手更衣進入車間,如果光線不足時,可開啟日光燈進行工作。所以,在電源設計時紫外線燈和日光燈的開關要分開電路,最好用不同顏色或標識來區分電源開關。現在,不少企業安裝的紫外燈開關往往和日光燈的開關一起,安置在安裝有燈管房間內。這種電源開關的安置方式是不對的。

3.其它注意事項

3.1 紫外殺菌燈燈管表面的污垢會影響紫外線的穿透力，從而影響殺菌效果。要保持燈管的清潔,至少每周用95%的乙醇擦拭1次。

3.2目前國產紫外燈的有效壽命一般為1000~3000h，而進口的低壓高能燈管使用時間可達8000～12000h，中壓燈管可達5000～6000h。所以，紫外燈的壽命是有限的,因此,必須建立記錄和監測制度。

3.3 但由於紫外線的穿透能力差,紫外燈不能添加加防護裝置，可以通過玻璃管控的制度進行異物管理。

參考資料

[1]高國菊,王曉坤.不同檢測方法對紫外線燈輻射強度檢測結果比較[J].中國消毒學雜質,2007, 24(2):167.

[2]覃潔,羅秀梅.食品企業在使用紫外燈時應注意的問題[J].廣西輕工業,2008,3:11-12.

[3]李影球,周光宏,徐幸蓮.四種非熱殺菌技術在肉類中的應用[J].食品工業科技，2013，17：354-359.

[4]丁有生.紫外殺菌燈技術與應用的發展[J].燈與照明,2015,39(2)：1-4.

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