[科普中国]-无菌原理

简介

无菌原理，也叫无生机原理，是指使食品处于无生机状态，即商业无菌状态。商业无菌是指杀灭食品中的病原菌、产毒菌以及导致食品败坏的腐败菌，从而保证食品正常的货架寿命。商业无菌处理后，如热处理，仍可能存在少量的耐热芽孢，但经热处理后。这类细菌在贮存过程中不能正常繁殖。为了创造和保持果品加工产品的无生机环境，通常要采用密封和杀菌的手段。运用此原理保存的食品主要有罐头和果汁。

为创造商业无菌状态而采取的杀菌措施，通常有三种方式，即热杀菌、冷杀菌和化学杀菌。

冷杀菌技术冷杀菌（物理杀菌）是当代一类崭新的技术，物理杀菌条件易于控制，外界环境影响较小，由于杀菌过程中食品的温度并不升高或升高很低，即有利于保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及营养成分，所以包装与食品机械的设计与制造上采用冷杀菌技术是非常必要的。

超高压脉冲电场杀菌超高压脉冲电场杀菌是采用高压脉冲器产生的脉冲电场进行杀菌的方法。其基本过程是用瞬时高压处理放置在两极间的低温冷却食品。其机理基于细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应、臭氧效应等假设。其作用主要有2个：（1）场的作用。脉冲电场产生磁场，细胞膜在脉冲电场和磁场的交替作用下，通透性增加，振荡加剧，膜强度减弱从而使膜破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。（2）电离作用。电极附近物质电离产生的阴阳离子与膜内生命物质作用，阻碍了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行同时，液体介质电离产生臭氧的强烈氧化作用，使细胞内物质发生一系列的反应。通过场和电离的联合作用杀灭菌体，超高压脉冲电场杀菌已在实验室水平上取得了显著的成效。它可保持食品的新鲜及其风味，营养损失少。但因其杀菌系统造价高，制约了它在食品工业上的应用，且超高压脉冲电场杀菌在黏性及固体颗粒食品中的应用还有待进一步的研究。

强磁场脉冲杀菌该技术采用强脉冲磁场的生物效应进行杀菌，在输液管外面，套装有螺旋兴线圈，磁脉冲发生器在线圈内产生2～10T的磁场强度。当液体物料通过该段输液管时，其中的细菌即被杀死。该技术具有以下特点：杀菌时间短且效率高。杀菌效果好且温升小，能做到既能杀菌，又能保持食品原有的风味、滋味、色香、品质和组分（维生素、氨基酸等）不变，不污染产品，无噪音，适用范围广泛。

脉冲强光杀菌脉冲强光杀菌是采用脉冲的强烈白光闪照方法进行灭菌。通过惰性气体发出与太阳光谱相反，但强度更强的紫外线至红外线区进行杀菌。使用高强度白光的极短脉冲，杀死食品表面的微生物。该高强度的白光类似阳光，但仅以几分之一秒钟的速度反射出来，比阳光更强能迅速杀死细菌。脉冲强光下使微生物致死作用明显，可进行彻底杀菌。在操作时对不同的食品、不同的菌种，需控制不同的光照强度与时间。可用于延长以透明物料包装的食品的保鲜期。

臭氧杀菌臭氧氧化力极强，仅次于氟，能迅速分解有害物质，杀菌能力是氯的600～3000倍，其分解后迅速的还原成氧气。利用其性能的臭氧技术在欧美、日本等发达国家早就得到广泛应用，是杀菌消毒、污水处理、水质净化、食品贮存、医疗消毒等方面的首选技术。美国华盛顿大学医学研究人员发现，臭氧可以抑制癌细胞的生长；日本石川岛播麻种工业公司证明，臭氧水有望成为最佳的果树杀菌剂，其杀菌效果明显优于次氯酸钠；中国医学科学院研究证明，臭氧可以有效地杀灭淋球菌，并且对水中的重金属有分解作用。试验证明臭氧水是一种广谱杀菌剂，它能在极短时间内有效地杀灭大肠杆菌、蜡杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌、流脑双球菌等一般病菌以及流感病菌、肝炎病毒等多种微生物。可杀死和氧化鱼、肉、瓜果蔬菜、食品表面能产生异变的各种微生物和果蔬脱离母体后继续进行生命活动的微生物，加速成熟乙烯气体，延长保鲜期。

放射线杀菌放射线同位素放出的射线通常有α、β、γ 3种射线，用于食品内部杀菌只有γ射线。

γ射线是一种波长极短的电磁波，对物体有较强的穿透力，微生物的细胞质在一定强度γ射线下，没有一种结构不受影响，因而产生变异或死亡。微生物代谢的核酸代谢环节能被射线抑制，蛋白质因照射作用而发生变性，其繁殖机能受到最大损害。射线照射不会引起温度上升。一般抗热力大的细菌，对放射线的抵抗力也较大。

紫外线杀菌日光能杀灭细菌，主要是紫外线的作用，杀菌原理是微生物分子受激发后处于不稳定的状态，从而破坏分子间特有的化学键导致细菌死亡。微生物对于不同波长的紫外线的敏感性不同，紫外线对不同微生物照射致死量也不同，革兰氏阴性无芽孢杆菌对紫外线最敏感。杀死革兰氏阳性球菌的紫外线照射量需增大5～10倍。但紫外线穿透力弱，所以比较适用于对空气、水、薄层流体制品及包装容器表面的杀菌。日本某公司研制开发了一种紫外线杀菌灯，使用时间可达到7000h，对活水鱼槽中进行灭菌，既保持水质的清净新鲜，又能延长活鱼寿命。

微波杀菌微波是频率从300MHz～300GMHz的电磁波。微波与物料直接相互作用，将超高频电磁波转化为热能的过程。微波杀菌是微波热效应和生物效应共同作用的结果。微波对细菌膜断面的电位分布影响细胞周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，生长发育受阻碍死亡。从生化角度分析，细菌正常生长和繁殖的核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）是若干氢键紧密连接而成的卷曲大分子，微波导致氢键松弛、断裂和重组，从而诱发遗传基因或染色体畸变，甚至断裂。微波杀菌正是利用电磁场效应和生物效应起到对微生物的杀灭作用。采用微波装置在杀菌温度、杀菌时间、产品品质保持、产品保质期及节能方面都有明显的优势。德国内斯公司研制的微波室系统，加热温度为72～85℃，时间为1~8min、杀菌效果十分理想，特别适用于已包装的面包、果酱、香肠、锅饼、点心以及贮藏中杀灭虫、卵等。微波处理的食品保质期达6个月以上。

超声杀菌超声杀菌是利用超声空穴现象产生的剪应力能机械地破碎细胞壁和加快物质转移的原理进行杀菌，所以超声频率一般为20KHz-100KHz，能量为104kw/cm2，波长为3.0cm-7.5cm，是一种有效的非热处理杀菌法。Villamiel等对奶制品采用超声杀菌和传统杀菌进行对比研究，结果发现在相同的试验条件下，超声杀菌效果优于传统杀菌，初步表明超声杀菌可用于奶制品工作1。

热杀菌技术湿热灭菌法是指用饱和水蒸气、沸水或流通蒸汽进行灭菌的方法，由于蒸汽潜热大，穿透力强，容易使蛋白质变性或凝固，所以该法的灭菌效率比干热灭菌法高，是药物制剂生产过程中最常用的灭菌方法。湿热灭菌法可分为：煮沸灭菌法、巴氏消毒法、高压蒸汽灭菌法、流通蒸汽灭菌法、和间歇蒸汽灭菌法。

影响湿热灭菌的主要因素有：微生物的种类与数量、蒸汽的性质、药品性质和灭菌时间等。

煮沸灭菌法将水煮沸至100摄氏度，保持5-10分钟可杀死细菌繁殖体，保持1-3小时可杀死芽胞。在水中加入百分之一至百分之二的碳酸氢钠时沸点可达105摄氏度，能增强杀菌作用，还可去污防锈。此法适用于食具、刀箭、载玻片及注射器等。

巴氏消毒法一种低温消毒法，因巴斯德首创而得名。有两种具体方法，一是低温维持法：62摄氏度维持30分钟；二是高温瞬时法：75摄氏度作用15-30秒。该法适用于食品的消毒。

流通蒸气灭菌法利用常压下的流通蒸汽进行灭菌。

高压蒸汽灭菌法103.4千帕蒸汽压温度达121.3摄氏度，维持15-20分钟。

湿热灭菌法湿热法可在较低的温度下达到与干热法相同的灭菌效果，因为：①湿热中蛋白吸收水份，更易凝固变性；②水分子的穿透力比空气大，更易均匀传递热能；③蒸汽有潜热存在，每1克水由气态变成液态可释放出529卡热能，可迅速提高物体的温度。

湿热灭菌法一般采用121摄氏度，灭菌20-30min，如果是产孢子的微生物则应采用灭菌后适宜温度下培养几小时，再灭菌一次，以用于杀死刚刚萌发的孢子。

区别：与传统的食品加热杀菌比较，冷杀菌能充分保留食品的营养成分和原有风味，甚至产生某些令人喜爱的特殊风味，而且杀菌彻底，处理时间短。不产生毒性物质。但由于有些技术还不成熟，实际应用中还受到较大程度的限制。随着冷杀菌机理的深入探讨和技术的逐步完善，相信冷杀菌技术将会更多地取代现有的食品热杀菌技术，人们将享受到品质更好、更安全、更新雠的食品2。

化学杀菌法所谓化学杀菌法，就是使用杀菌剂的方法，在此将含有静菌作用的材料称为杀菌剂。从历史上看，杀菌剂的开发研究出于两个目的：一个是为了防止物件腐烂的防腐剂，另一个是用于医疗目的的医药用品。

常用的主要杀菌体系有以下几种。

①酒精系：乙醇、异丙烯。

②酮、醛系：甲醛、戊二醛。

③酚系：甲酚、洗必泰。

④氯化物系：次亚氯酸钠、漂白粉。

⑤碘系化合物系：复方碘甘油液、聚乙烯吡咯酮碘。

⑥四级氨盐：氯化亚苄基毒芹。

⑦过氧化物：过氧化氢、过锰酸钠。

⑧重金属化合物：硝酸银、红汞。

⑨抗生物质：盘尼西宁、链霉素、先锋霉素等。

所谓利用杀菌剂杀菌是使菌体内的各种物质(蛋白质、脂质、核酸等)变性，或者与这些物质结合使之失去正常的功能。乙醇、醚等有机溶剂很多有杀菌作用，其杀菌作用是这些溶剂使细胞内外的脂质溶解而不能产生正常的功能。就酸、碱而言，也是由于其使细胞加水分解而显现出杀菌效果。

在杀菌剂中，很多是蛋白质变性剂。蛋白质变性剂是利用酵母的阻碍作用而使细菌的代谢停止，最终导致死亡。卤族元素化合物、重金属离子、过氧化氢都是化学活性的，容易与蛋白质化合，产生氧化、还原等化学反应，从而显示杀菌效果。酚、醛、四级铵盐也是蛋白质变性剂。但抗生物质不是蛋白质变性剂，而是酵母阻碍剂3。