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超高压技术在现代杀菌领域的应用

作者:本站  来源:新疆杀菌剂网  发布时间:2010/1/14 9:17:11
摘要:论述了超高压技术在现代杀菌领域的研究现状,对超高静压杀菌和超高压均质杀菌进行了比较,并介绍了一种新型的瞬时高压杀菌方法———超高压水射流灭菌方法,经初步实验研究取得了较好的效果,表明有着广阔的发展前景。
关键词:超高压技术;  超高静压;  超高压均质;  超高压水射流
杀菌技术是人类发明的一项重要的应用技术,它广泛应用于医药卫生、工业和农业等行业,在减少人类遭受病菌折磨、防止食品腐败、延长物品使用和保存期限等方面起着巨大的作用。超高压杀菌技术作为一种新型的冷杀菌技术,在我国的研究起步较晚。该技术属于物理杀菌技术,包括静态杀菌和动态杀菌,静态杀菌即超高静压杀菌,动态杀菌也称瞬时高压杀菌,目前研究较多的是超高压均质杀菌技术。本文论述了超高压技术在现代杀菌领域的研究现状,对超高静压杀菌和超高压均质杀菌作了比较,并介绍了一种新型的瞬时高压杀菌方法———超高压水射流灭菌方法,旨在推进我国超高压技术在现代杀菌领域的研究应用。
1 超高静压杀菌技术
1. 1 超高静压杀菌的基本原理及特点超高静压杀菌是将100~1 000MPa的静态液体压力施加于食品、生物制品等物料上并保持一定的时间,起到杀菌、破坏酶等作用。处理过程中的物料可以是包装的或未包装的,通常采用能够传递压力的柔性材料密封包装,一般在常温下进行。
超高静压可改变微生物的细胞形态结构,使微生物体积减小,影响细胞的形态,使分化减慢;超高静压破坏了微生物细胞膜和细胞壁,使受压的细胞膜表现出通透性的变化,发生功能障碍,导致细胞内容物流失,可使细胞壁遭到不同程度的破坏;超高静压抑制了微生物的生化反应,压力改变了细胞内的物理化学平衡,阻遏了细胞的新陈代谢过程,细胞分裂减慢,导致微生物生长滞后,甚至停止;超高静压影响DNA复制,压力直接影响着微生物的遗传与变异,影响基因表达和蛋白质的合成;超高静压钝化酶的活性,破坏酶分子内部结构,使活性部位上的构象发生变化,致使主要酶类变性失活。
1. 2 超高静压杀菌的研究现状
1. 2. 1 在乳制产品中的研究鲍志英研究了超高压对牛乳的杀菌效果,结果表明, 500MPa处理20 min,大肠埃希氏菌致死率为99. 998 1% ,猪霍乱沙门氏菌猪霍乱亚种致死率为99. 999 4%(2004年内蒙古农业大学硕士论文集) 。
田晓琴等研究鲜牛奶时发现,在200~500MPa时,随着压力的升高,杀菌效果直线上升;在500~600MPa时,压力升高,杀菌效果增幅不明显。超高压处理鲜牛奶的最优工艺是500 MPa下处理30 min。
多数对牛乳的研究证实, 100~600MPa作用5~10 min可杀灭一般细菌和酵母菌,但孢子有一定耐受性,当压力达600 MPa并结合一定的温度处理15~20 min可完全杀菌。
1. 2. 2 在果类制品中的研究赵玉生等对猕猴桃汁的超高压杀菌效果研究表明,在100~400 MPa时,保压的前5 min大肠菌群的杀灭效果十分显著,但保压5 min后大肠菌群的灭亡速率,在200MPa与300MPa时变得平缓,而400MPa时依然强势,在保压10min后大肠菌群的死亡率达到理想值。Bull等研究发现经过超高压处理过的Valencia and Navel橙汁在600MPa能够将微生物降低到理想的水平;黄丽等研究发现,超高压处理对荔枝果汁中的细菌有明显的杀灭作用, 400MPa以上压力处理后可达到商业无菌的要求;吴万贵等研究了超高压对哈密瓜汁的杀菌作用,发现哈密瓜汁灭菌压力达400~450MPa后尚不能达到商业无菌要求。
1. 2. 3 在肉制产品中的研究高压配合中等温度处理碎猪肉,414MPa, 50℃处理6 min可使单核细胞增多性李斯特菌的数量减少1010 cfu /g。高压对鲜肉中沙门氏菌和单核细胞增多性李斯特菌也有良好的灭活作用; Hugas等研究了醋渍牛肉、煮制火腿和干腌火腿经600 MPa, 31℃, 6 min高压处理后的结果显示,降低水分活度可提高微生物对高压的抵抗能力。
1. 2. 4 在酒类产品中的研究超高压对米酒进行处理后可使酵母菌和乳酸菌得到有效抑制。对啤酒在350 MPa, 20℃下处理3~5 min,对酒中酵母菌、乳酸菌等细菌的杀灭作用显著。
1. 2. 5 在水产品中的研究Cruz - Romero[研究表明,在207~345MPa对生牡蛎加压2 min能够消除S形霍乱菌,高压处理过的牡蛎在2℃下可稳定保藏41 d,未经高压处理的样品只能保存13 d。
对章鱼的超高压研究表明: 200 MPa, 7℃能杀死大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,而对乳酸杆菌基本不影响。在7℃和40℃下,用400MPa连续处理15 min后发现,在7℃时章鱼肉中所含的微生物数量大大低于对照组。
1. 2. 6 在生物制品中的研究超高压对病毒的灭活作用可用于制备疫苗,加压处理后病毒所产生的抗体同未加压的病毒产生的抗体是一样有效的。超高压能杀死血浆中包括突变株在内的所有病毒,而且不影响血浆主要成分的生物活性。血浆中的H IV经400MPa, 25℃, 10 min处理后,对CD4+ - T细胞的感染性降低5个数量级单位,因子Ⅸ 100%恢复,γ - 球蛋白100%恢复。
1. 2. 7 其他研究高] 珑等研究发现,超高压处理时随着大豆分离蛋白浓度的增加或蔗糖浓度的增加枯草芽孢杆菌死亡数量级降低,而豆油浓度的变化对枯草芽孢杆菌死亡数量变化不明显。
国外科研人员通过电镜观察发现,经过高压处理过的酵母细
胞,细胞核膜、溶菌体、液泡发生了严重的分裂,而细胞膜、细胞壁只受到轻微的损坏。
1. 3 影响超高静压杀菌效果的因素超高静压杀菌的影响因素
包括微生物的种类、压力大小和加压时间、施压方式、处理温度、pH值、介质成分等。革兰阳性菌比革兰阴性菌对压力更具对抗性,芽孢菌的芽孢耐压性强于非芽孢类细菌;在一定范围内压力越高灭菌效果越好,在相同压力下灭菌时间越长灭菌效果也有一定程度的提高;超高静压的灭菌方式中,对于芽孢菌,间歇式循环加压灭菌效果好于连续式加压;温度是微生物生长代谢最重要的外部条件,不同温度与超高静压的协同灭菌有利于杀灭细菌芽孢;压力会改变介质的pH值,影响微生物的生命活动;超高静压杀菌时,物料的化学成分对灭菌效果有显著影响。
2 超高压均质杀菌技术
2. 1 超高压均质杀菌的作用机理及特点超高压均质杀菌是一种用物理方法动态连续进行的液态物料破碎的冷杀菌技术。在动力杀菌中,液态物料中的微生物受到压力瞬间释放产生的强烈剪切、高速撞击等动力作用,尽管这些作用产生的基本条件仍为高压,但形式已远不止超高静水压杀菌中单纯的挤压作用。超高压均质的杀菌机理是:利用超高压产生对液态物料的挤压,以及压力释放时强烈剪切和高速撞击等联合作用,使其中细菌的细胞结构发生破坏和改变,从而失去或钝化其生物活性,达到杀菌目的。
2. 2 超高压均质杀菌的研究现状
2. 2. 1 在乳制产品中的研究杜军等应用超高压均质处理牛乳后发现,在所采用的实验条件下,大肠菌群菌落数可以达到小于10 ml- 1以下;即使是在杀菌效果较差的条件下,细菌总数最大也可以降低3个对数单位。
2. 2. 2 在果类制品中的研究李菁等应用超高压均质处理西瓜汁后发现,采用150MPa压力处理3次,并控制料温不高于40~45℃,菌落总数和霉菌及酵母菌数均可达到要求。Neil H. Mer-melstein等研究了超高压(45 000 Psi,约310MPa)均质处理的鲜橙汁,货架期可达6个月。
2. 2. 3 其它研究刘成梅等在牛奶、桔囊溶液、胡萝卜溶液中添加大肠杆菌后的超高压均质处理实验结果显示,在14 000Psi (96. 5MPa) 、流速350~400 ml/min时,牛奶处理3次后大肠杆菌下降率为99. 997% , 桔囊溶液处理4 次后下降率为99. 992% ,胡萝卜溶液处理4次后下降率为99. 998%。
钟业俊等]研究发现,在120 MPa, 25℃下对枯草杆菌瞬时高压处理1次,致死率为93. 82%;酸性和碱性条件下较中性下更有利于瞬时高压杀菌,酸性条件下杀菌效果最好。代元忠等对大肠杆菌和酵母菌进行了实验破碎, 以103~117 MPa处理一次可使大部分大肠杆菌中的细胞破裂;用60 MPa进行均质,使酵母菌微粒粒径2 ~5 μm,再用超高压均质机调压至135 MPa循环处理3次,最小粒径0. 01~0.05μm。
2. 3 影响超高压均质杀菌效果的因素杀菌效果影响因素基本同超高静压,但超高压均质杀菌的处理次数对杀菌效果影响较大。
3 超高静压杀菌与超高压均质杀菌比较
3. 1 承受压力不同两者杀菌时的压力都很高,超高静压范围为100~1 000MPa,超高压均质压力一般为40~60 MPa,最高可达100~200MPa[,超高压均质杀菌的常用压力小于超高静水压常用处理压力。
3. 2 作用机理不同超高静水压杀菌的原理主要是高压对微生物的挤压致死作用,导致微生物原有功能破坏或发生不可逆的变化;超高压均质杀菌是利用超高压对液体物料的挤压,以及压力释放产生的强烈剪切和高速撞击等动力作用,使细菌的结构发生破坏和改变。
3. 3 处理工艺不同超高静水压杀菌是在一定温度下,把物料装入柔性材料中密封后放于水中对水进行高压处理的过程,处理量较小,难以实现工业上的连续化。而超高压均质杀菌是呈流动状态,可以实现工业上的连续化操作。
3. 4 选用的设备不同超高静水压杀菌由专门的高压杀菌设备来完成,高压容器是整个加压装置的核心;超高压均质杀菌由超高压均质机同时完成了物料的均质乳化和杀菌作用。
3. 5 处理时间不同超高静水压的杀菌效果遵循施加压力越高,处理时间越短的规律,一般处理时间为5~30 min。超高压均质杀菌由于连续化操作,处理时间极其短暂,整个过程只需1~5 s。并且处理次数是一个关键因素,一般处理2~3次的效果较理想。
4 前景展望
超高压技术作为一种新型的冷杀菌技术,已引起越来越多的关注。除上述超高静压杀菌与超高压均质杀菌外,另有一种新的瞬时灭菌方法———超高压水射流灭菌方法(西南交通大学药学院王盛民教授的发明专利,专利申请号: 200410040040. 5) ,该方法是一种利用超高压水射流瞬态卸压的膨化作用而使微生物破碎的灭菌方法,在研究的压力范围100~350 MPa内的杀菌效果随着压力的升高而提高,取得了较好的效果,显示了该灭菌方法的可行性,为杀菌领域增添了一项新的杀菌技术。
鉴于超高压技术在食品和医药卫生等领域中消毒杀菌的研究应用,超高压产品存在着巨大的潜在市场和广阔的发展空间。随着现代高科技的发展,研究的不断深入,超高压技术的应用必定会越来越高效、成本越来越低,应用的领域也会越来越广。

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