高密度二氧化碳杀菌技术在食品加工中的应用研究
摘 要：高密度二氧化碳杀菌技术( Dense Phase Carbon Dioxide,简称DPCD)是近年来发展起来的一项新型非热力加工杀菌技术,它具有很多以往杀菌技术没有具有的优点,如杀菌温度低、无污染、营养损失少等.因此开展高密度二氧化碳对微生物致死效果及致死机理的研究是非常有意义的. 关键词：高密度二氧化碳；杀菌；非热力杀菌
0 引言 二氧化碳在高密度状态下是一种良好的溶剂,高密度二氧化碳能萃取出微生物细胞内、细胞膜和细胞壁上的功能性物质,使微生物细胞受到破坏,从而使微生物失去活性而死亡.目前研究主要集中在对食品中常见微生物杀灭效果及其机理研究,并建立了一些相关的杀菌模型.关于高密度二氧化碳对食品中内源酶钝化作用研究相对较少,但已经发现DPCD能有效的降低多种酶活性,并认为酶活性的降低与酶二级结构中的α螺旋结构变化有关.
1 高密度二氧化碳杀菌的优点 DPCD是指在100MPa以下压力、在常温或较低的温度下,通过化学作用、机械作用和其他未知原理的作用杀死微生物,同时使食品中的酶、蛋白质等生物大分子变性达到灭菌保鲜目的.同样食品的天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响、低能耗、无毒素产生的一种加工方法. 通过热力杀菌的食品不仅会导致营养物质的损失,还会导致食品色泽暗淡、风味逸散、产生难闻的煮熟气味,难以让消费接受.解决这一问题是国内外食品科技界非常关注的课题. 由于热力杀菌存在难以克服弊端以及食品保鲜加工的迫切需要,“冷杀菌”( 又称非热力杀菌) 技术得到飞速发展.现有“冷杀菌”技术包括超高压、DPCD、高压脉冲电场、高强度脉冲磁场、超声波、放射线、紫外、臭氧技术等1 0 余种,其他“冷杀菌”技术还在不断涌现.在上述“冷杀菌”技术中,超高压杀菌技术比DPCD提出早,研究时间长,研究也相对透彻,成果更为丰富.所以,超高压杀菌作为“冷杀菌”技术首先被美国食品药品管理局(FDA,2000年)批准工业化应用,而且被FDA评价为：能够有效杀灭微生物芽孢,食品质量甚至超过冷冻保鲜食品的一种食品保鲜加工技术
[1]. 与DPCD相比超高压杀菌存在缺陷.超高压食品加工技术是指利用100MPa以上压力,在常温或较低的温度下,使食品中的酶、蛋白质、核糖核酸和淀粉等生物大分子改变活性、变性或糊化,以机械杀灭微生物为主要形式,而食品的天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响、低能耗、无毒素产生的一种灭菌保鲜加工方法. DPCD相与超高压杀菌两种方法相比,杀菌原理不尽相同,但加工产品的品质同样优良,均为典型的“冷杀菌”.最大的差别是工作压力相差巨大,超高压有效杀菌压力一般在400MPa至1000MPa.DPCD有效杀菌压力在3MPa至70MPa.此外,与超高压杀菌相比,成本低、节约能源、安全无毒、节省空间、连续生产、无噪音等优点更为明显. 超高压设备的制造成本与其容器额定工作压力成几何级数增长关系,每增加100MPa设备成本增加一倍.设备额定压力越高,运行成本越高.相比之下,高密度二氧化碳杀菌设备成本远远低于“超高压杀菌”,工业化投资成本大大降低.技术成熟后,将是最有希望大规模工业化应用的" 冷杀菌" 技术[2]. 2 高密度二氧化碳杀菌的应用
1.1 果蔬汁的杀菌 David Del Pozo－ Insfran 等
［3］研究了DPCD 在加工的葡萄汁微生物稳态、植物化学物质的保留以及感官上的作用.经过巴氏热杀菌处理过的葡萄汁,花色苷、多酚和抗氧化物会减少10%～30% ,高密度二氧化碳处理则不会发生变化,即使是在贮藏结束时,仍然比巴氏热杀菌保留了更多的含量.对未经处理样品与DPCD 和巴氏热杀菌处理的比较发现,两者之间包括颜色、气味、风味和总体感官等,都存在很大的差异.同样的实验,Gurbuz Gune等
［4］也发现DPCD可以降低葡萄汁中的酵母菌的活性,且随着浓度和压力的增大,活性降低的就越大,处理过程中也不会发生风味的降低.经过五周的贮藏,相对于巴氏热杀菌,DPCD 处理的样品更能保存植物化学成分 郭鸣鸣等
［5］研究了新鲜荔枝汁37℃ 自然培养12h 和37℃自然培养24h 经DPCD 处理前后细菌总数、霉菌与酵母菌总数的变化,实验结果显示,经DPCD 处理后细菌总数降低了4到6个数量级,霉菌和酵母菌完全被杀灭.对杀菌前后的荔枝汁中天然微生物的菌落形态进行观察显示,杀菌前后荔枝汁中微生物的菌落形态有明显的差别,DPCD 处理后优势菌基本被杀灭. 1.2 肉制品的杀菌 闫文杰等
［6］利用DPCD对猪肉进行了处理,对经过DPCD处理后的猪肉在贮藏过程中的品质和理化性质进行了分析.结果表明,DPCD处理对冷却猪肉在贮藏过程中的pH、a*值和挥发性盐基氮值有显著影响,但对L*值、保水性、肌原纤维小片化指数值、硫代巴比妥酸值、羰基值没有显著影响; DPCD处理压力越高,对冷却猪理化性质的影响越有利,但对颜色和持水性的影响就越不利,其中,冷却猪肉经21MPa、50℃的DPCD 处理30min后,a*值显著降低( P＜0.01),肉变成灰白色.Choi等
［7］研究也发现鲜肉经过DPCD处理变成灰白色,亮度增加.
1.3 蛋制品的杀菌 传统液蛋产品的杀菌方式通常采用巴氏杀菌.该法对杀灭食源性致病菌非常有效,但同时也会降低热敏感产品的营养价值,影响产品的感观品质.液蛋是一种含有热敏蛋白的产品,加热易凝固,采用非热杀菌技术来代替传统的热处理技术,既能杀灭产品中的微生物,尤其是致病微生物,确保产品安全,延长产品货架期,又能够保持产品良好的感观特性和营养价值. 郑海涛等
[8]采用DPCD处理鸡蛋全蛋液,研究不同温度和压力条件下对大肠杆菌和沙门氏菌的杀灭效果.结果表明,杀菌效果随着温度升高、压力的增加而提高; 处理条件为:15MPa、35℃、15min,大肠杆菌和沙门氏菌数量分别降低了3.07和1.89个对数值.因此,DPCD对蛋品进行杀菌同样具有良好的效果. 王洪芳
[9]等研究了不同温度、压力和时间条件下,DPCD处理对蛋清液中沙门氏菌和大肠杆菌的杀菌效果,并对DPCD处理蛋清液中大肠杆菌的杀菌动力学进行了分析.结果表明,在15 MPa,45 ℃下DPCD 处理60 min,沙门氏菌和大肠杆菌分别降低了4.46 和5.57个对数值,其中大肠杆菌对DPCD 处理较沙门氏菌敏感.30 MPa,45 ℃,DPCD 处理30 min,可以完全杀灭蛋清液中的大肠杆菌. 1.4 乳制品的杀菌 廖红梅
[10]等研究了20 MPa、37℃条件下DPCD 对牛初乳的杀菌效果.并探讨了经过处理后牛初乳粒度、黏度、色泽、pH 值等的变化.结果表明在20 MPa、37℃的DPCD 处理30 min 以上条件能较好地杀灭牛初乳中的细菌,同时牛初乳发生了色泽变亮、粒度增大、黏度和pH值均降低等变化. 钟葵等
[11]对DPCD处理牛奶杀菌效果进行了动力学分析,考虑杀菌压力和处理时间,随着压力和时间的增加,DPCD对牛奶中菌落总数的杀菌效果显著增强(P＜0.05) ,处理温度对处理效果也有协同效应.在50℃、30MPa 和70min 时,牛奶中菌落总数的残存率最大降低了5.082个数量级.这些数据能较好的用Weibull模型来拟合,菌落总数的失活曲线,随着压力增加和温度升高,模型动力学参数比例因子和形状因子呈现规律化变化.
3 结论展望 DPCD的应用研究已经广泛开展,但是DPCD的工业应用尚有一系列问题亟待解决.首先,应加强大容积工业化装置的研制,这是DPCD工业化应用的关键; 其次,应进一步加强装置的设计以及元器件的系统的研制,进行DPCD处理过程中的各项动力学分析; 第三,应加强处理室的多样化设计.目前DPCD处理并非对所有的食品都适用,大部分只适用于液体食品,限制了该技术在食品工业中的应用.此外由于对DPCD研究的时间较短,许多方面的积累还处于初级阶段,需要进行更深层次的机理研究.
