食品杀菌技术的现状及未来发展趋势

Sada Morihiro

（日本机械学会 产业化学机械和食品安全委员会，日本 999001）

人与猿猴等动物最大的区别之一，就是人会使用火。现代人（H.sapiens）的祖先尼安德特人（H.neanderthalensis）和北京猿人（H.erectus）已经灭绝了，但他们是会使用火的。人类通过使用火烹制食物，使食物的可食性变高，而且调理时的加热能够杀灭细菌，有助于提高食物的保存性。因此，时至今日，以加热杀菌技术为中心的杀菌技术能够赋予食品保存性，同时提高了食品的安全性。

本文综述了食品的杀菌技术，同时汇总了新的杀菌技术及课题，对现在商业利用最多的杀菌技术——加热杀菌进行了分类说明。非加热杀菌技术被誉为“梦的技术”，要真正实现，还需要跨越比较高的门槛。

1 加热杀菌技术

微生物是具有细胞构造的生命体，加热会使它的蛋白质变性、直至死亡，利用该原理的杀菌技术就是加热杀菌技术。一般地，通过65～80℃的加热就能杀灭微生物的营养细胞，该温度范围也是通常的加热调理范围。

因此，通常进行调理操作的结果是食材没有附着细菌，发挥了杀菌效果。然而，为了调理进行的加热并不能称其为杀菌操作。尽管调理操作发挥了杀菌效果，但杀菌条件是不受控制的。所谓的杀菌，是为了防止二次污染对杀菌条件进行了必要管理的过程。

有一些微生物能形成耐热性芽孢，对芽孢的灭菌必须采取100℃以上的高温。这些微生物一般称为耐热菌，对耐热菌的杀菌，必须采取杀菌釜等高温杀菌装置。

1.1 杀菌的用语

在食品领域，一般使用“杀菌”这样的用语，但在卫生学中仅仅使用“消毒”、“灭菌”，根本没有“杀菌”这样的叫法。前者是杀灭耐热性差、对健康危险性高的微生物的意思，后者是对生存的微生物全部杀灭的意思。

那么，杀菌的含义到底是什么呢？在很多场合，杀菌不仅是消毒的意思，它还是与灭菌近似的操作。它不是使全部的对象微生物灭绝，而是使它们的数量“有意义（明显）”减少的意思。

应该注意“有意义”的含义。微生物数量是以指数形式表示，它是以菌落数的测定方法为基础的。假设处理前后的细菌数是2倍的差异，则属于误差范围，不能称之为有明显差异。有时也能见到“细菌数减半”的说法，这也不能称之为杀菌。杀菌效果指的是菌落数差异必须是102以上的减少，否则不能称之为有明显差异。

在食品加工中也使用“灭菌”这样的词语，这时灭菌的意思并不是使所有的微生物灭绝，而是对成为食品卫生对象的微生物进行商业灭菌的意思。某些微生物即使在深海热水矿床那样特殊的环境中也能生存，这些细菌用普通的加热方式很难将其杀灭，而且，这些在通常环境中不能生存的细菌也不会成为食品卫生的对象。

在耐热菌中，还有在常温以上的高温环境中能够生存的微生物，代表性的例子是Geobacillus stearothemophilus（嗜热脂肪芽孢杆菌），它在60～65℃生存。这种高温微生物在一般的日常环境中不能生存，通常不作为卫生对策的对象。

然而，日本有饮料的温藏贩卖机，罐装咖啡等饮料长时间保存在60℃以上的温度，这种场合高温微生物的杀菌是一个问题。

2 液体的杀菌技术

对配管等密闭管路中流动液体的杀菌，一般采用连续式的杀菌装置。这种杀菌装置主要是由加热器、滞留管及冷却器构成。加热器和冷却器属于热交换器，其中使用最多的是板式换热器和管式换热器。除此以外，液体和蒸汽直接接触的injection杀菌、infusion杀菌也在近年来投入使用。

这种与蒸汽直接接触的加热方式，会有凝缩的水带入食品中。通过使用真空闪蒸的冷却方法，把蒸汽带入的同样数量水分蒸发掉，那么就使制品在杀菌前后的水分量不发生变化

2.1 均一加热性

液体杀菌的课题是对流体各部位的均一加热性。因此，必须确保杀菌器、滞留管及冷却器内流体流速的均一性，如果在液体中有混合性的东西，就会产生流速分布。在层流中，液体的最大速度是平均速度的2倍。因此，使用能使流体成为乱流的构造非常必要。例如，利用完美设计螺旋沟的波纹管。

2.2 洗净性与保养性

卫生设备要求具有洗净性。如果设备内有残渣滞留，存在洗净的死角，就会阻碍生产后的设备洗净。金属部件和密封材料的结合面，就是影响卫生设备洗净性的重要因素，能排除密封部分洗净死角构造的设备是卫生设备的首选。

对于饮料制造设备，柑橘系果汁的香气成分往往成为香气转移的原因。因为果汁香气成分的浸透，作为密封材料的橡胶会发生着香，更准确地说是香气成分的有机溶剂对橡胶产生了溶解现象。因此，现在出现了这样的倾向：在卫生设备与液体接触的部分采用四氟乙烯树脂（特氟龙®）进行密封填充，以及采用比板式换热器密封少的管式换热器。

2.3 无菌技术

如果是液体食品，采用连续式的高温高压杀菌和无菌充填包装组合是赋予高温流通性的食品制造技术。用于此目的的设备，要求比一般的卫生设备具有更高的洗净性和杀菌性，同时，还要有确保设备洗净和伴随整个食品制造过程中食材杀菌性的检验技术，这种技术在以乳业为首的饮料领域得到了广泛使用。

3 固体的杀菌技术

固体不同于液体，难以用泵和配管输送。即使在与沙司一起用配管输送的场合，固体粒子的尺寸也是受限制的。现在，固体食品的杀菌多采用以非耐热菌为对象的热水杀菌和以耐热菌为对象的杀菌釜杀菌方式。

3.1 固体杀菌的课题

固体杀菌最重要的课题是均一杀菌性。固体内部不会引起混合，因而，热传递是专门的传导。通过传导传热升温所需要的时间由食材的热传导率和物体的尺寸决定。特别是对有很大差异的各种食材混合在一起的咖喱，通过传导传热的均一加热性是一个难题。

3.2 热水杀菌

用热水加热是包装好的固形物的一种杀菌方法。由于设备简单，常常为小规模的食品工厂使用。然而，单单用热水加热并不好，均一加热才重要。把包装好的食品投入装满热水的釜中，每个包装的加热时间很容易产生偏差。要进行均匀的热水杀菌，必须使用设置了传送带的热水槽。

在用热水杀菌之际，包装时多采用真空包装。食材与包装材料之间没有空气，二者密切接触，提高了热传导性。那种认为真空包装是为了防止微生物增殖的想法是错误的。

3.3 蒸馏杀菌

蒸馏杀菌作为保存食物的方法是罐头制造最开始使用的高温高压杀菌法，特别是对危害性高的耐热性肉毒杆菌（Clostridium bothlinum），这是必要的杀菌条件。

3.3.1 蒸馏杀菌的杀菌价

蒸馏杀菌的杀菌强度（杀菌价、杀菌值）的评价尺度用F0值。F0值根据下式算出：

T是每次测定时杀菌对象物的品温，z值是杀菌强度达到10倍时所需的温差，该值随微生物而变，耐热性肉毒杆菌为10.0℃，枯草杆菌为7.6℃。一般情况下，F0值的计算使用z=10。

蒸馏杀菌必要的杀菌价，法令上的规定是：耐热性肉毒杆菌的F0值≥4，在实际工作中，F0值根据成为杀菌对象的微生物和它的初菌数、食品的热劣化容许值而变。一般地，由枯草杆菌引起的腐败问题很多，其F0值是比较宽的范围8～12。但是，嗜热脂肪地芽孢杆菌（Geobacillus stearothemophilus）需要采取高温耐热菌的灭菌手段，这时，杀菌价无论如何也是不够的，需要采取其他的对策。

3.3.2 蒸馏杀菌的加热方式

初期的蒸馏杀菌釜是在层层堆积罐头的密闭容器中吹入蒸汽杀菌的，但这种杀菌方式会受到杀菌釜内部残留空气的影响，容易产生加热不均匀，现在已逐渐转变为热水循环式。即使是这种方式，加入热水和排出热水仍需要一定的时间，在杀菌釜内还是会产生杀菌价偏差，F0值不可避免地出现2～4的差别。近年来，能减少杀菌釜内温度差的热水喷淋杀菌方式成为主流。

由于蒸汽杀菌釜的均一加热性高，一部分食品不满100℃的热水杀菌也采用蒸馏杀菌釜。

4 新的加热杀菌技术

加热杀菌是杀菌机理的主体，取代了过去的加热手段——饱和水蒸气和热水的新杀菌方式已经实用化。以下将对此做一综述。

4.1 微波杀菌

这是用电磁波中的微波作为加热源的方式，与家用电磁炉的加热原理相同。水分子具有H-O-H的构造，两个H并不是在一直线上，而是呈104o的夹角。分子构造是由H一侧带正电，O一侧带负电的双极子构成。在电场中，水分子会朝向电场方向。在交流电场中，水分子反复旋转，由于摩擦而发热。

使用微波加热的方法，会受到使用频率的限制。一般地，当2045MHz微波频率接近水的固有振动数时，容易被水吸收。在微波的照射下，物质吸收微波后变热，而且只有吸收部分的微波减弱，即：固体表面比固体内部更容易被加热，而且物体的角就像是天线，更容易集中微波，更容易集中热。

光通过含水的食材时，微波会产生折射，特别是近似球形物体的中心部位会聚集微波，产生与从外部传导相反的内部加热倾向。由此看来，微波加热也是不均匀的加热。一般地，为了防止微波泄露，微波加热通常在密闭容器内进行，由于密闭容器的空间有限，要使被加热物体受到均匀电磁场的作用，就必须设计能使被加热物均匀吸收微波的机构。为防止二次污染，对包装好的面包杀菌就采用了微波杀菌。

4.2 Joule加热

含有食盐的食材属于导电性物质。在食材中直接通电，产生的Joule加热作为热源。这种方法又称作欧姆加热、通电加热。然而，由于食材的导电率不同，均匀加热有难度。因此，现实生活中，对于咖喱这样的含固体成分的食品，Joule加热应用存在难度。目前这种加热方式主要用于纯果汁和果酱类等均质液体的杀菌。

Joule加热的电源一般是20kHz的高频电源，这是基于防止通电产生的电极腐蚀考虑的。电极腐蚀的原理与电镀相同，它是通过高速交换电极，达到防止电极金属离子化的目的。

井上孝司发明的通电加热法，具有超过加热方式的杀菌效果。它是利用高电场产生电穿孔效应，导致菌体细胞膜破裂，细胞内容物渗漏，造成细胞死亡，进而引起菌体死亡。在通电加热法中，1个细胞可产生1V以上的电位差。

含有菌体的生物细胞是含有电解质的封闭体系。因此，由于电场在细胞内产生了极化电流，与电容器特点一样，高频会产生电导度升高的阻抗。电场一旦超过一定界限，就会造成绝缘破坏，这与电子产品中电容器破坏的原理是一样的。

通电加热技术对于耐热性好酸性菌（Thermo Acidophillic Bacilli：简称TAB）的杀菌效果明显，可用于柠檬等果汁及果汁饮料的杀菌。

4.3 常压过热水蒸汽

常压过热水蒸气是指在大气压下将100℃的饱和水蒸气加热到100℃以上的气体。这种常压过热水蒸气是干蒸气，期待它不同于湿饱和水蒸气的加热效果能在各种情况下得到应用。其中的1个应用事例是用于杀灭附着在蔬菜和鲜活鱼表面的细菌。

常压过热水蒸气是常压加热水蒸气的派生品，人们正在尝试利用常压过热水蒸汽。常压过热水蒸汽是分散着微小水滴的流体。过热水蒸气的特点是通过凝缩传热机构快速加热，然而，大气中的空气（氮气和氧气）是非凝缩性气体，因此，阻碍了水蒸气分子的移动。

从常压过热水蒸汽所含水滴中排除阻碍水蒸气移动的非凝缩性气体，是促进加热的有效方法。

5 非加热杀菌技术

杀菌所采取的加热同时也是加热食材的过程，这就像是加热烹饪。然而，象沙拉和刺身类食材，必须是原汁原味、未经任何加工才有价值。比方说“刺身罐头”就是食品加工的理想状态。而现实问题是，根据非加热杀菌技术的效果和法规限制，能够利用非加热杀菌技术的领域是有限的。

5.1 药剂杀菌

食品卫生法对食品中添加的杀菌剂（杀菌材料）是有所限制的。其中，次氯酸离子作为杀菌成分时，可用于制作沙拉的未加工蔬菜和腌制品原料加工的过程。使用的杀菌剂是次氯酸钠等氯系药剂。此外，经过pH调整的酸性次氯酸水等药剂也可用于上述原料的杀菌。

5.2 高压杀菌

研究者尝试利用高压破坏微生物细胞达到杀菌目的。然而，高压杀菌并非只注重杀菌效果。高压处理过程中的压力具有变性效果，目前正在尝试开发与高压静菌作用相结合的新型食品加工技术。

5.3 放射线杀菌

很可能终极的杀菌技术是利用γ射线杀菌。该项技术已经在医疗器械和医药品、包装材料领域推广使用。过去，这些领域曾经是用环氧乙烷杀菌的。

欧美等国在香辛料等难以杀菌的食材中使用γ射线杀菌，日本的食品卫生法中命令禁止使用γ射线杀菌，因此，这项技术不可能用于日本的食品杀菌。

5.4 Soft electron杀菌技术

2002年软性电子杀菌技术引起人们的极大关注。国际农林水产业研究中心、日新电机株式会社等已经着手研究软性电子杀菌技术。此外，在由日本商社主办的研讨会上也对该项技术作了介绍。

软性电子是低能量水平的电子射线，具有与CRT电子射线一样释放热电子射线的构造。由于软性电子使用的是300keV以下的低能量电子射线，因此，不会穿透到固体内部，只对带壳物质和种子的表面有杀菌效果。

虽然软性电子是热电子射线，但300keV电子射线并不会变成释放铯137和碘131的β射线（电子射线），能量也不会有所变化。另外，β射线本身对物体的穿透力较弱。

但是，除了上述报道以外，以后再没有关于软性电子杀菌技术的报道。

5.5 其它的非加热杀菌

紫外线虽然有杀菌效果，但对于液体杀菌，为了便于紫外线穿透，需要被杀菌的对象必须具有透明度。因此，紫外线杀菌常用于清水的杀菌。

此外，食品行业还尝试过光脉冲杀菌，但应用该技术的门槛很高。