超高温(UHT)灭菌

第十五章 超高温（UHT）灭菌

杀菌是食品加工中极为重要的一道工序，在原始社会里，人类就不知不觉地对食品进行了杀菌处理。在科学技术飞速发展的今天，人们对食品杀菌意义的认识和应用也得到了不断地完善和提高。

第一节 超高温灭菌的基本原理

关于超高温（UHT）灭菌，尚没有十分明确的定义。习惯上，把加热温度为135~150℃，加热时间为2~8s，加热后产品达到商业无菌要求的杀菌过程称为UHT灭菌。

UHT灭菌的理论基础涉及两个方面。一是微生物热致死的基本原理；二是如何最大限度保持食品的原有风味及品质。

一、UHT灭菌的微生物致死理论依据

按照微生物的一般热致死原理，当微生物在高于其耐受温度的热环境中时，必然受到致命的伤害。加热促使微生物死亡的原因是由于高温导致蛋白质的不可逆变化，随后一些球蛋白变得不溶解，酶失去活力，从而造成新陈代谢能力的丧失，因此，细胞内蛋白质凝固变性的难易程度直接关系到微生物的耐热性，而且这与杀菌条件的选择密切相关。大量实验证明，微生物的热致死率是加热温度和受热时间的函数。

（—）微生物的耐热性

腐败菌是食品杀菌的对象，其耐热性与食品的杀菌条件有直接关系。 影响微生物耐热性的因素有如下几方面： （1）菌种和菌株

（2）热处理前菌龄、培育条件、贮存环境 （3）热处理时介质或食品成分，如酸度或PH值 （4）原始活菌数

（5）热处理温度和时间，作为热杀菌，这是主导的操作因素。 （二）微生物的致死速率与D值

在一定的环境条件和一定温度下，微生物随时间而死亡时的活菌残存数是按指数递减或按对数周期下降的。这一规律为通常大量的试验结果所证实。若以纵坐标表示单位物料内随时间而残存的活细胞或芽孢数的对数值，横坐标表示热处理时间，则可获得如图15-1所示的微生物致死速率曲线。

图15-1 微生物致死速率曲线

如图所示，设A为加热开始时活菌数所代表的点，B为加热后菌数下降1个对数周期时的点，其相应的加热时间为3.5min，C为加热后菌数下降2个对数周期时的点，其相应的加热时间为7.0min。

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显然，细菌任意时刻的致死速率可以用它残存活菌数下降1个对数周期所需的时间来表示，这便是图中所示D值的概念。D值是这一直线斜率绝对值的倒数，即

∣斜率∣=

BC?C?C=

log103?log10D2?1D

D值反映了细菌死亡的快慢。D值愈大，细菌死亡速度愈慢，即细菌的耐热性愈强，反之则死亡速度愈快，耐热性愈弱。由于致死速率曲线是在一定的加热温度下做出的，所以D值是温度T的函数（常写成DT），上述比较只能以同一加热温度为前提，例如以D110℃来作比较。必须指出，D值不受原始菌数的影响，换言之，原始菌数不影响其个别细菌按指数死亡的规律。因此，如果将不同原始菌数的曲线画在同一的图15-1上，便得到一组平行的直线族。

另外，D值要随其他各种影响微生物耐热性的因素而异，只能在这些因素固定不变的条件下才能稳定不变。

（三）微生物的热力致死时间与Z值

微生物的热力致死时间（Thermal Death Time）就是在热力致死温度保持不变条件下，完全杀灭某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。

微生物热力致死时间随致死温度而异，两者的关系曲线称为热力致死时间曲线，如图15-2，它表达了不同热力致死温度下细菌芽孢的相对耐热性。

图15-2 热力致死时间曲线

如同对致死速率曲线的处理一样，若以横坐标为热处理温度，纵坐标为热致死时间（TDT）的对数值，就可以在对数坐标图上得到一条形为直线的热力致死时间曲线。同样，如图 15-2 所示，此直线斜率绝对值的倒数Z值表明了热致死时间缩短一个对数周期所要求的热处理温度升高的度数。图15-2中，设A，A′为热致死时间相差1个对数周期的两个点，其相应的热致死时间的对数值分别为logTDTA=log102，logTDTA/=log101相应的热力致死温度分别为TA，TA′，则

∣斜率∣=

logTDTA?logTDTZA??log102?log10Z1?1Z

某微生物菌种的杀菌特性曲线——热力致死时间曲线可由点、斜率两个参数来确定。因此除了由斜率决定的Z值外，尚需寻求一个标准点。这个标准点通常选用121℃时的TDT值，并用符号“F”表之，单位为min，称为F值。有了Z、F两个参数，该菌种在任何杀菌温度T下的TDT值可表为 logTDTF?1Z?121?T? （15-1）

必须强调指出，热力致死时间（TDT）这个概念的提出隐去了细菌死亡按指数规律的实质，也避

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开具体运用概率说明细菌死亡的方法，而是模糊地以实际试管试验法所确定的所谓“完全灭菌”为依据。因此采用TDT法不能清楚地说明诸如杀菌终点、原始菌数不同时出现的耐热性差异及TDT试管试验法中常见越级现象等实际问题。

根据式（15-1）可知，决定细菌耐热特性的是F和Z两个参数。对于不同菌种，一般两者都不相同；对于同一菌种，也只能在其一数值相等的条件下，由另一条来比较它们的耐热性。故F值只能用于Z值相同时细菌耐热性的比较。Z值相同时，F值大的细菌的耐热性比F值小的强。同样，F值相同时，Z值大的细菌的耐热性比Z值小的强。为了比较，也可人为的规定Z的标准值，一般取Z=10℃。

（四）UHT杀菌的品质保证

大量实验表明，采用UHT瞬时杀菌技术也可最大程度地保持食品的风味及品质。这主要是因为微生物对高温的敏感程度远远大于食品成分的物理化学变化对高温的敏感程度。

例如，在乳品工业生产灭菌乳的过程中，如果牛乳在高温下保持较长时间，则可能产生一些化学反应。例如蛋白质和乳糖发生美拉德反应，使乳的颜色变褐；蛋白质发生分解反应，产生不良气味；糖类焦糖化产生异味等。此外还可能发生某些蛋白质变性而产生沉淀。这些都是生产灭菌乳所不允许的，应力求避免。图15-3表示牛乳灭菌和发生褐变时的温-时曲线。

图15-3 牛乳灭菌及褐变的时间-温度曲线

1-变褐的最低时间-温度条件 2-灭菌的最低时间-温度曲线

图中实线为牛乳褐变的温-时下限，虚线为灭菌的温-时下限。从图中可以看出，若选择灭菌条件为110-120℃,15-20min，则两线之间间距甚近，说明生产工艺条件要有十分严格的措施来维持，这在实际上很难办到。而选择UHT灭菌条件137-145℃,2-5s时，两线之间间距较远，说明产生褐变及其他缺陷的危险性较小，生产工艺条件较易控制。在这种杀菌条件下，产品的颜色、风味、质构及营养没有受到很大的损害。所以，该技术比常规杀菌方法能更好地保存食品的品质及风味。 二、超高温灭菌时间和温度意义

从杀死微生物的观点来看，热处理强度是越强越好，时间是越长越好。但是，强烈的热处理对食品的外观、风味和营养价值会产生不良后果。如牛乳中蛋白质在高温下变性；强烈的加热使牛乳风味改变，首先是出现“蒸煮味”，然后是焦味。因此，时间和温度组合的选择必须考虑到微生物和产品质量两方面，以达到最佳效果。食品加工中灭菌的目的并不是使每单个包装的产品都不含残留的微生物，因为采用加热方法来致死微生物，要达到绝对无菌的理想状态是不可能的。

实际上，灭菌加工只要保证产品在消费者食用前不变质就行。一个基本的要求就是致病菌的存

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活和生长的可能性必须小到可以忽略的程度。肉毒梭状芽孢杆菌通常被认为是对公共健康危害最大的微生物，大多数保持灭菌就是基于它的致死率而设计的。

在灭菌乳制品中，肉毒梭状芽孢杆菌存活繁殖及生长而产生能危害公共健康的毒素量的概率是很低的，实际上这种情况从未发生过。热处理系统的设计可以完全排除由其他残留致病菌所能导致的对公共健康的危害性。

导致产品变质的微生物包括加工过程中残留的耐热微生物或灭菌后再污染的微生物，再污染的微生物包括热敏性和耐热性微生物（如芽孢）。污染的芽孢一般来说比加工过程中残留的耐热性差。

为了衡量超高温工艺效果，现引入杀菌效率（SE）一词。杀菌效率是以杀菌前后孢子数的对数比来表示的：

SE=LG[原始孢子数/最终孢子数]

把已知数量的枯草杆菌的孢子移植到原乳中，然后用超高温设备处理，实验结果如下： 杀菌温度不同、时间相同（4S）时，其杀菌效率接近，见表15-1

温度 140 135 130 125 原始孢子数/ml 450 000 450 000 450 000 450 000 最终孢子数/ ml 0.0004 0.0004 0.0007 0.45 杀死效率SE 79 7.9 8.8 6 表15-1杀菌温度不同、时间相同（4s）的杀菌效率

超高温灭菌处理牛乳必然使一部分微生物残存，也就是说绝对无菌是不能保证的。在这种情况下，人们认识到加工原料中含有能存活于灭菌过程后的微生物数目的重要性，并且微生物的残存与加工产品的量和包装容积有关。

假设我们要加工大量产品，如加工10000L的产品，其中含耐热芽孢100cfu/ ml，若灭菌效率SE为8，则整批产品中的残留芽孢数为：

10000 ×1000 ×100/108=10（个）

只要产品是从整体形式存在，那么这种计算是成立的。然而若将产品分装于1L容器中，并进行相同的热处理，那么每个容器中处理前含有1000×100=105个芽孢，灭菌后，每个容器中含 105/108=10-3（1/1000）个芽孢。那么每个容器中含有1/1000个芽孢的实际意义就是每1000个容器中必然含有1个芽孢。

一般灭菌乳成品的商业标准为：不得超过1/1000孢子数。这一点在产品以整体形式才采取相同的灭菌效率加工时同样可以加以证实。例如通过超高温加工，整批产品中将有10个芽孢残存。如将产品在理想的无菌灌装状态下分装与10000个1L容器中。这10个芽孢将被分散到10000个容器中

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去。理论上，一个以上的芽孢有可能进入同一个容器中，然而当残留芽孢数与容器数相比很小时，从统计学上讲，一个容器中含有1个以上芽孢的可能性可忽略不计。因此我们可以假设10个芽孢代表着10个含有单个芽孢的容器，或者说10000个容器中含有10个芽孢。我们假设残存的每个芽孢在条件适宜时足以使产品变质，因此每个容器内含1/1000个芽孢就等于1000个容器中含一个芽孢，因而就会导致1000个产品中有1个变质，或者说是有0.1/100的产品变质。

这一计算不论对于罐内保持灭菌还是超高温灭菌结合无菌灌装都是同样有效的。

第二节 超高温灭菌在乳制品中的应用

一．UHT乳的加工原理

超高温灭菌法（UHT）是英国于1956年首创，在1957~1965年间，通过大量的基础理论研究和细菌学研究后，才用于生产超高温灭菌乳，关于超高温灭菌乳在灭菌过程中对于微生物学和物理化学方面的变化及基本加工原理等，1965年英国的Burton提出了详细的研究报告，其基本点是细菌的热致死率随着温度的升高大大超过此间牛乳化学变化的速率，例如维生素的破坏，蛋白质变性及褐变速率等。研究认为在温度有效范围内，热处理温度每升高10℃，乳中所含幼稚菌孢子的破坏速率提高11~30倍，即：

Qt+10/Qt=10~30

而根据Vant .Hoff规则，温度每升高10℃，反应速率约增大2~4倍。即：

t=Kt+10/Kt=2~4

对牛乳加热过程中的化学变化，如褐变现象仅增大2.5~3.0倍，即r=2.5~3.0。意味着杀菌温度越高，其杀菌效果越大，而引起的化学变化却很小。从表15-2可见，100℃，600min灭菌效果，相当于150℃，0.36min的灭菌效果，但褐变程度前者为100000，而后者仅为97，显示出超高温灭菌的优越性。理论上讲，温度升高并无限度，但如果温度升高，其时间须相应缩短，实践表明牛乳的良好杀菌条件如图15-4所示。

表 15-2 杀菌温度、时间与褐变程度的关系

加热温度（℃） 100 110 120 130 140 150 加热时间 600min 60min 6min 36S 3.6S 0.36S 相对的褐变程度 100000 25000 6250 1560 390 97 杀菌效果 同等效果 同等效果 同等效果 同等效果 同等效果 同等效果 5

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