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软包装食品超高压及其微波协同杀菌工艺与动力学研究

袁龙  
【摘要】:食品超高压杀菌是利用高压(100 MPa)杀灭食品中微生物的冷杀菌方法。与热杀菌方法相比,超高压杀菌在常温条件下进行,在保证食品安全的同时可避免高温对食品风味、口感及营养物质所造成的损耗。目前超高压杀菌的研究主要集中在流体食品上,但在固体食品中的应用仍有局限,且对超高压杀菌效果的影响因素及影响机制的研究尚不充分,对于超高压协同杀菌方式的开发和探索尚且不足。针对上述情况,本文研究了常温超高压工艺对大肠杆菌、酿酒酵母和桔青霉的致死规律,建立并优化了三种微生物的超高压杀菌动力学模型,分析了不同食品成分对超高压杀菌效果的影响,探讨了超高压-微波协同杀菌工艺对不同微生物的杀灭效果及其在不同食品中的应用。主要研究内容及结果如下:(1)超高压杀菌动力学模型的拓展对大肠杆菌、酿酒酵母和桔青霉悬浮液进行不同工艺的超高压处理,并分别对升压阶段和保压阶段的杀菌规律和动力学进行研究。结果表明,在超高压升压阶段和保压阶段,微生物灭活量均随压强和处理时间的提升而增大。基于升压阶段对微生物灭活量的影响,引入表征保压阶段初始灭活量的参数对weibull模型和log-Logistic模型进行扩展。结果证明扩展后的模型精度更高,且能更准确的表达超高压保压阶段杀菌的实际情况及变化规律。对超高压升压-保压全过程进行动力学分析。结果表明,与weibull模型相比,logLogistic模型更能有效解释超高压处理整个升压和保压过程的杀菌规律。基于保压阶段和升压-保压过程的weibull模型和log-Logistic模型,探讨模型参数与压强的关系,对模型参数进行优化,并简化模型。结果表明,优化后的两种动力学模型仍然具有较高精度,且可表征压强连续变化对超高压杀菌效果的影响。(2)食品成分对超高压杀菌效果的影响研究通过向微生物悬浮液中加入糖类、酸类、脂肪酸和蛋白质的方式研究不同食品成分对超高压杀菌效果的影响。结果表明,酸类含量越高,pH值越低,对超高压杀菌的增强效果越显著;蛋白质含量越高,对超高压杀菌的削弱效果越显著;糖类虽然降低超高压杀菌效果,但影响并不显著,其中多糖的影响强于二糖和单糖;脂肪酸含量对杀菌效果无影响。应用透射电镜和扫描电镜观察酸性溶液和蛋白质溶液中不同微生物细胞超高压损伤情况。结果表明,酸性条件增强高压处理造成的大肠杆菌和部分酿酒酵母细胞外观损伤,增加细胞壁破碎程度,而对部分酿酒酵母和桔青霉的外观影响较小,仅使其表现为细胞壁的褶皱和变形。酸性条件下微生物的细胞膜功能更易受高压影响而破坏,且菌体蛋白质和酶活性更易丧失,从而导致微生物死亡。蛋白质悬浮液中三种微生物细胞壁的破损和变形程度则较低,蛋白质对高压下的微生物有缓冲和保护作用,且丰富的营养也能加速微生物的繁殖和修复。应用Box-Behnken试验设计方法和Design Expert软件分别得到了三种微生物在酸性和蛋白质溶液中的超高压杀菌经验模型,模型精度较高,可用于超高压杀菌结果的预测。(3)超高压-微波协同杀菌工艺研究应用微波协同处理增强超高压杀菌的能力。结果表明超高压处理后进行微波处理能显著提升杀菌效果,同时控制样品温度在较低范围之内。基于透射电镜和扫描电镜观察,探讨微波处理协同机制。结果发现,超高压-微波协同处理后,大肠杆菌和酿酒酵母细胞壁破损程度增强,而部分酿酒酵母和桔青霉仍只表现为外观变形和褶皱。微波协同增强了超高压对微生物细胞壁的影响,加剧了细胞膜的损伤,使细胞内离子浓度和生化反应失衡,同时,还能破坏微生物蛋白正常功能,干扰其正常生长代谢。应用Box-Behnken试验设计方法和Design Expert软件建立三种微生物的超高压-微波协同杀菌经验模型。方差分析发现,压强、保压时间、微波密度和微波时间对超高压杀菌效果的影响显著,其中压强显著性最高,微波密度次之,保压时间最低,因此,为提高协同杀菌效率,可在优化工艺时缩短超高压处理时间。(4)水煮笋和太湖银鱼的超高压-微波协同杀菌应用分析应用超高压-微波协同杀菌处理水煮笋和太湖银鱼,并进行杀菌工艺参数的优化。结果表明,378 MPa、3 min超高压协同20 W/g、35 s微波处理和600 MPa、4.5 min超高压协同19.4 W/g、39 s微波处理能分别杀灭水煮笋和银鱼中的所有微生物。基于两种产品不同工艺杀菌效果建立超高压-微波杀菌经验模型。方差分析发现,对于不耐压微生物,保压时间对杀菌结果影响的显著性较其它工艺参数低,可适当缩短保压时间以达到提升杀菌效率的目的。对比同等杀菌效果的超高压处理、微波处理和超高压-微波协同处理对两种产品品质的影响。结果表明,协同杀菌对水煮笋感官质构品质以及Vc含量,银鱼的水分、可溶性蛋白质和游离氨基酸含量的影响大于超高压杀菌,但差别不大;微波杀菌对两种产品品质造成的损耗最大。但协同杀菌所耗时间较少,与超高压杀菌相比效率更高,因此,超高压-微波协同工艺可应用于水煮笋和太湖银鱼的生产杀菌。


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