基于冰晶诱变机理的冷压协同杀菌设备优化与试验研究

◎ 刘冬梅，娄敏锋

（杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018）

超高压杀菌作为非热杀菌技术，其“快速、均匀、保质”的杀菌优势使其应用于多种食品生产，但其杀菌能力受杀菌对象的影响较大[1]。为此，研究热点开始转向高压与温度协同杀菌工艺，针对高压与热协同杀菌效应及其杀菌机理的研究成果近年来发展很快。然而，实验证明，冷压协同杀菌技术可以获得更优的杀菌效果和食品品质，但目前关于高压-低温协同杀菌机理研究尚未有报道，冷压协同杀菌技术的杀菌效应、杀菌机理尚需进一步探明。冷压协同杀菌技术研究必须建立在可靠的冷压协同杀菌实验设备上，但受限于设备安全与制造成本等多方面因素，国内尚未有成熟的冷压协同杀菌设备。

为此本文分析了不同食品微生物菌种的冷压协同杀菌效能（含冰晶相变曲线的修正），研究了“冷压协同诱变冰晶形态致微生物灭活”的冷压协同杀菌机理，并基于压力与低温的耦合效应和温度调控机制，以5L HPP 600 MPa型超高压设备为原型完成冷压协同杀菌设备的优化试验。

1 冰晶诱变杀菌机理研究

对于压力和热处理协同（简称热压协同）杀菌技术，较为公认的基本机理是微生物分子吸收能量产生分子震动破坏了微生物细胞膜。但冷压协同杀菌工艺技术中，冷处理本身并不施加能量，也并没有显著的杀菌作用，但冷压协同（-20 ℃）的杀菌效果明显优于单一的超高压杀菌及热压协同的杀菌效果，如图1所示。以现有的研究结果无法准确解释冷压协同杀菌的机理。因此，分析冷压协同作用时样品中冰晶形态的变化原理，利用“冷压协同诱变冰晶形态致微生物细灭活”来解释冷压协同杀菌技术的机理更为合适。

图1 不同杀菌方式对微生物的影响图

当压力从常压升高到210 MPa时，水的常规相变温度将从0 ℃下降到约-21 ℃。在不同压力和温度下，水的固态形态也不同，在实验室常规可实现的冷却和压力环境下，至少包含冰Ⅰ、冰Ⅱ、冰Ⅲ和冰Ⅴ4种不同的形态。由于四种冰晶的密度各有不同，当样品在穿越两种形态时，其冰晶的体积会发生改变，从而派生出较强的剪切力。研究发现，缓冲液中的大肠杆菌在仅受冷处理时，其细胞形态没有明显的变化，而当受到冷压协同处理时，其细胞形态会发生明显的变化，且能明显观察到细胞膜受破坏的现象。同样是在250 MPa的压力下，协同-30 ℃的冷处理由于冰晶穿越形态的情况（穿越冰Ⅲ-冰Ⅱ-冰Ⅰ）与协同-20 ℃的冷处理不同（穿越冰Ⅲ-冰Ⅰ），大肠杆菌细胞膜受破坏的程度也不同，这是样品在穿越不同的冰晶形态时，由于受到不同的剪切力从而导致微生物灭活影响不同，印证了“冷压协同诱变冰晶形态致微生物细灭活”作为冷压协同杀菌机理的观点[2-3]。

2 冷压协同杀菌设备优化

以5L HPP 600MPa型超高压设备为原型，搭建了适用于热压协同的杀菌实验系统，系统中可测定样品温度的传感器最多可以接5个，即最多可以同时测量高压腔体内5个样品或1个样品上的5个点的实时温度。

2.1 高压密封性优化

现有热压协同杀菌试验系统在反复加减压过程中其密封圈等配件极易损坏，造成高压密封性能下降，影响试验效果。本文拟采用一种特殊的组合设计方式：由压帽螺母、密封螺栓和多组热电偶丝组成。热电偶从密封螺栓中心的空洞穿过，调整合适的长度后，通过焊接将热电偶与密封螺栓连接并密封。此处的密封焊接是密封系统的关键。密封焊接后，套上压帽螺母后，将热电偶丝穿过超高压设备下堵头预留的孔洞，利用压帽将整个螺母与下堵头实现紧闭的密封。

2.2 低温保温装置优化

在常温常压下，纯水的冰点（熔点）温度为0 ℃，加压状态下，当压力＜210 MPa时，冰的相变温度随压力升高而下降，最低可达-21 ℃；当压力≥210 MPa时，相变温度随压力升高而升高。如果在高压容器及样品容器中装入一定的冰（细碎的冰）进行高压实验，由于冰溶化时需要吸收大量的热，因而使样品容器中的水和样品温度下降。如果冰的含量足够多，则温度会停留在相变点温度，如果冰量不够，则全部溶化后达到稳定温度。这样控制冰的含量就可以调控温度，从而可以较方便地实现在低温下进行高压杀菌[4]。据此原理设计低温保温容器，如图2所示。

图2 样品低温保温容器示意图

3 杀菌设备试验

为检验冷压协同食品杀菌设备的杀菌效果，设计试验以检验冷压协同杀菌前后微生物群落总数、形态结构、群落组成变化等内容，验证设备杀菌的可靠性。

微生物接种：选择大肠杆菌和梭状芽孢杆菌为主要微生物研究对象，实验时将微生物接种到中性缓冲液、经商业灭菌的牛奶（pH＞4.5）和果汁（pH＜4.5）中，使微生物浓度达到107~108CFU·g-1；

微生物结构：采用TEM透射电镜观察拍摄处理前后微生物的形态结构，采用PCR-DGGE变性梯度凝胶电泳检测微生物群落组成变化。

处理结果如图3所示，图中可以看出，优化后的试验设备的冷压协同杀菌效果明显，达到设计要求。

图3 未处理和冷压协同处理后的大肠杆菌形态对比图

4 结语

冷压协同杀菌技术[5]在食品商业杀菌领域将具有很好的发展前景和显著的应用价值，但相关杀菌设备的研发尚未开展，本文充分研究了冰晶诱变冷压协同杀菌机理、杀菌效应等，以应用于压力与热处理协同杀菌的5L HPP 600 MPa 型超高压设备为原型进行优化改造并测试其相应的杀菌效能，取得了显著效果。为行业实现低成本开发冷压协同杀菌设备，规模化应用冷压协同杀菌技术提供了实验依据。