第5章-食品加工原理

食品科學概論原金海博士TELenzhuyuan@126.com第五章食品加工原理

“食品加工”是制造業(yè)的一個分支，是從動物、蔬菜或海產(chǎn)品的原料開始，利用勞動力、機器、能量及科學知識，把它們轉變成半成品或可直接食用的產(chǎn)品。食品加工的主要目的：一是要獲得或維持產(chǎn)品中微生物的安全性，二是延長食品的貨架壽命。主要內容1.Introduction5.1熱保藏及加工5.2低溫保藏及加工5.3食品的脫水和濃縮5.4食品加工中的生物技術5.5食品加工中的新技術5.1熱保藏及加工熱保藏的原理經(jīng)工業(yè)化熱保藏處理過的食品并非是真正無菌的。為了達到食品安全和所需要的貨架期，往往只需要殺滅食品中的致病菌，并將微生物總數(shù)控制到適當度。熱保藏程度滅菌滅菌是指將食品中所有微生物破壞。至少需要在121℃下保持15分鐘。多數(shù)食品并不適合滅菌操作。商業(yè)無菌商業(yè)無菌的殺菌程度是使所有的病原性微生物、產(chǎn)生毒素的微生物以及其他可能在正常的存儲條件下繁殖并導致食品腐敗的微生物完全被破壞。一般在100℃下保持15分鐘。商業(yè)無菌處理過的產(chǎn)品貨架壽命一般在2年以上。巴氏殺菌巴氏殺菌是一種相對低能量的熱處理方式，主要有兩個目的：破壞所有的可能在特定的食品中繁殖的病原性微生物。通過減少腐敗性微生物的數(shù)量來延長食品的貨架壽命。多數(shù)經(jīng)過巴氏殺菌的食品需要放在冰箱內保藏。熱燙熱燙是溫和的熱處理方式，通常適用于水果和蔬菜，其主要目的是使引起食品變質的酶失活。此外，熱燙還會增強大部分水果和蔬菜的色澤。熱處理方式的選擇：殺死所處理食品中大多數(shù)最耐熱的病原體和腐敗菌所需要的時間-溫度組合。食品的熱傳遞性和包裝材料的熱傳遞性。溫和及強烈的熱處理方式的比較比較溫和強烈目的殺滅病菌，減少菌落數(shù)殺死所有細菌或商業(yè)無菌優(yōu)點最低程度地減少對食品風味、質構和營養(yǎng)質量的破壞。延長貨架壽命，不需要使用其他保藏方法。缺點貨架壽命較短，必須用其他保藏方法。食品被過度烹煮，其質構、風味和營養(yǎng)質量發(fā)生很大變化。舉例巴氏殺菌、熱燙滅菌、商業(yè)無菌微生物的耐熱性熱力致死曲線熱力致死速率曲線若以縱坐標為物料單位值內細胞數(shù)或芽孢數(shù)的對數(shù)值，以橫坐標為熱處理時間，可得到一直線——熱力致死速率曲線。直線斜率實際反映了細菌的死亡速率。D值：在一定的處理環(huán)境中和在一定的熱力致死溫度條件下某細菌數(shù)群中每殺死90%原有殘存活菌數(shù)時所需要的時間。D值越大，細菌的死亡速率越慢，即該菌的耐熱性越強。一定溫度下殘存菌數(shù)殺死菌數(shù)滅菌時間10%90%第1分鐘×90%=9%0.1%0.9%第3分鐘1%9%第2分鐘×90%=0.9%×90%=0.09%

細菌熱力致死速率曲線計算公式：lga：初始活菌數(shù)的對數(shù)lgb：殺菌過程結束時殘存活菌數(shù)的對數(shù)例：

80℃熱處理時，原始菌數(shù)為1.0×104，熱處理6分鐘后殘存的活菌數(shù)是1.0×102，求該菌D值。即D80=3.0min熱力致死時間曲線以熱處理溫度為橫坐標，以熱處理時間為縱坐標（對數(shù)值），就得到一條直線，即熱力致死時間曲線。Z值：直線橫過一個對數(shù)循環(huán)所需要改變的溫度數(shù)（℃）。Z值越大，因溫度上升而取得的殺菌效果就越小。安全限值低酸性食品（pH值＞4.6）：主要以肉毒梭狀芽孢桿菌這種高度耐熱微生物為殺滅對象，相應找到操作溫度下的D值，加熱時間不低于12D。酸性食品（pH值＜4.6）：在100℃或更低溫度下保溫幾分鐘就可達到安全目的。接種裝灌試驗對根據(jù)數(shù)學公式計算得到的結果進行檢驗。溫度-時間組合多種加熱時間和溫度組合能產(chǎn)生同樣的破壞效應。這些數(shù)據(jù)表明達到相同的殺菌效果，溫度越高殺菌所用的時間越短。長時間比高溫更影響食品的性質，所以多用高溫殺菌來縮短熱處理時間。破壞肉毒梭狀芽孢桿菌的溫度-時間組合127℃保溫0.78分鐘121℃保溫2.78分鐘118℃保溫5.27分鐘116℃保溫10分鐘104℃保溫150分鐘100℃保溫330分鐘熱保藏的方式熱保藏加工可以分為兩大類：先包裝再加熱先加熱再包裝先包裝再加熱方式靜止式殺菌在靜止式殺菌過程中，灌裝食品始終保持靜止狀態(tài)，操作溫度不高于121℃。靜止殺菌需要時間較長，會導致部分食品品質的損失。攪動式殺菌加熱過程中持續(xù)晃動食品，可縮短加熱時間（是靜止殺菌的10%~20%），減少食品受熱粘壁，保持食品的營養(yǎng)和感官品質?；剞D式殺菌鍋先加熱后灌裝方式間歇式低溫長時巴氏殺菌將流體食品泵入蒸汽加熱的夾套鍋，使其溫度升至指定溫度，保持一定的時間后再泵入板式熱交換器中冷卻。夾套鍋連續(xù)高溫短時殺菌將流體食品泵入板式熱交換器，經(jīng)熱交換達到殺菌溫度。板式熱交換器后設置一段保溫管，保溫管末端有一個精確地溫度感應裝置和轉向閥，一旦流體溫度下降，轉向閥會把這段流體送回換熱器重新加熱。板式熱交換器無菌包裝無菌包裝是指食品在裝罐前先經(jīng)連續(xù)式滅菌或商業(yè)滅菌，然后在無菌環(huán)境中裝入已預先殺過菌的包裝容器中密封。采用灌裝前熱處理的方式必須配套使用無菌包裝。熱裝罐將經(jīng)殺菌且任處于高溫的酸性食品在清潔的（不一定無菌）環(huán)境中裝入清潔的（不一定無菌）容器中。該方法是利用高溫食品本身的熱量所產(chǎn)生的殺菌作用使包裝容器達到商業(yè)無菌。食品組分的保護作用食品組分的直接保護作用脂肪、油、高濃度的糖、淀粉和蛋白質對微生物有相當?shù)谋Ｗo作用。食品組分的導熱性能食品材料導熱性能的差異也會間接地影響其對微生物的保護作用。包裝容器容器的大小和類型對殺菌過程也會產(chǎn)生影響。5.2低溫保藏和加工低溫保藏的原理冷卻與冷藏冷藏是將食品溫度降低到接近凍點而不凍結的一種食品保藏方法，冷藏溫度一般為-2~16℃。在所有的食品保藏方法中，冷藏是最為溫和的，它對食品口味、質構、營養(yǎng)價值幾乎沒有什么負面影響。從原料的收獲、屠宰刀運輸、庫存、出售和最終消費前的全過程都需要進行冷藏。凍藏凍藏是采用緩凍或速凍方法將食品凍結，而后再在能保持食品凍結狀態(tài)的溫度下儲藏得保藏方法。常用的凍藏溫度為-12～-23℃，以-18℃最常見。起始凍結點溶液的一個基本性質是當溶質濃度增加時冰點下降。因此，溶液中鹽、糖、礦物質或蛋白質的含量越高，體系的冰點越低，凍結所需的時間越長。隨著凍結的進行，溶質濃度不斷提高，所以完全凍結需要極低的溫度。凍結曲線從圖中可以看出，隨著冷卻的進行，牛肉首先從起始溫度下降達到過冷，這時，晶核的存在或是攪拌的作用會誘使體系水分結晶析出，結晶釋放的熔化潛熱使牛肉的溫度回升至凍點溫度。凍結過程中食品的變化濃度效應溶液相中溶質的沉淀會影響食品的質構，產(chǎn)生沙感，正如乳糖含量過高的冰激凌凍結時乳糖結晶一樣。溶液相中溶質濃度過高時由于鹽析效應導致蛋白質變性。酸性溶液的凍結濃縮使pH值降低至蛋白質的等電點，引起蛋白質的凝結。膠態(tài)懸浮體與體系中陰離子和陽離子濃度之間存在著微妙的平衡關系，其中一些粒子的濃度對保持膠體穩(wěn)定是至關重要的，這些平衡被打破導致膠態(tài)懸浮體系失穩(wěn)。溶液中氣體的濃度過飽和，導致氣體從溶液中逃逸，冰凍啤酒或蘇打水都存在這個問題。細胞外液中并結晶析出和臨近冰晶處的溶液被濃縮時，胞內水會通過細胞膜向高濃度區(qū)擴散，以維持滲透壓平衡，因而會導致食品組織失水。冰晶形成對食品的危害破壞生物細胞。導致乳狀液的破乳。如：黃油這種油包水食品體系，凍結時分散相水滴各自結晶且結成的冰晶刺破界面相互融合，繼而穿透整個油相形成冰晶體，解凍后就會在黃油內形成水囊和脫水。導致泡沫結構的塌陷。如：在冰激凌中，大的冰晶會刺穿體系中的泡沫，從而導致冰激凌體積縮小。導致凝膠結構的破壞。如：布丁凍結時大冰晶的存在會導致水從乳化體系中分離出來。凍結速度快速凍結是提高食品質量所必須的。凍結速度的提高一方面有利于形成小冰晶，另一方面會削弱濃度效應。終點溫度的選擇終點溫度的選擇一般要綜合考慮食品質構的變化、酶或非酶化反應、微生物的變化以及凍結費用等因素，通常選擇在-18℃。（P136表5-3）解凍解凍速度較低也會對食品質量產(chǎn)生影響。增強了濃縮效應帶來的危害。損耗肉汁等食品中所含的水分。反復的凍結—解凍對食品的保藏是非常不利的。食品解凍的方法：空氣解凍法水或鹽水解凍法在冰塊中的解凍法在加熱金屬面上解凍法冷藏工藝的控制低溫控制冷柜、冷藏室和冷庫應合理設計，具有足夠的制冷能力和良好的絕熱性能，以確保冷藏空間的溫度維持在選定溫度±1℃的范圍?？諝庹{節(jié)氣調保藏是人工調節(jié)儲藏環(huán)境中氧氣及二氧化碳的比例，以減緩新鮮制品的生理作用和生化反應速度，從而達到延長貨架期的目的?？諝庋h(huán)和濕度空氣循環(huán)冷藏過程中需要借助恰當?shù)目諝庋h(huán)將食品表面的熱量向制冷中心和制冷面轉移。濕度空氣濕度過高會導致冷藏食品表面水分凝結，并可能會導致霉菌在食品表面的生長；過分干燥的空氣則會引起食品失水。食品的最佳相對濕度都與其水分含量及水分散失的難易程度有關。大多數(shù)食品在80%~95%之間。影響凍結速度的因素食品組分的影響含脂肪或氣體較多的食品，其凍結速度較慢。由于水轉化成冰時導熱系數(shù)發(fā)生變化，在冷卻和凍結過程中，其降溫速度并非恒定。食品的物理結構影響凍結速度，O/W型乳狀液的導熱系數(shù)高于具有相同化學組成的W/O型乳狀液。非組分的影響非組分因素對制凍體系的影響遵循以下五點通用法則：食品與制冷介質之間的溫度差越大，凍結速度越快。塊片狀食品的厚度越薄或食品外包裝材料的熱導率越大，凍結速度越快。制冷空氣的流速或制冷劑循環(huán)速度越快，凍結速度越大。食品與制冷介質之間的接觸越緊密，凍結速度越大。制冷效率越高或制冷劑熱容越大，凍結速度越快食品冷藏中的主要變化食品水分的蒸發(fā)和干耗后熟作用肉的成熟冷害寒冷收縮串味和移臭脂肪的氧化其他變化5.3食品的脫水和濃縮食品的脫水食品脫水的最主要的目的是保藏，同時也可以減少食品的質量和體積。脫水過程中的傳熱和傳質食品脫水過程主要包括了熱能進入物料和水分逸出物料兩個步驟，但這兩個過程的最佳操作條件并不總是一致。比如：用兩塊加熱平板緊壓食品會使加熱體和受熱體緊密接觸，有利于熱量從食品上、下表面同時向內部傳遞，但同時緊密接觸阻礙了水分的逸出。如果只用一塊加熱板從底部加熱，讓水分從上部逸出，情況會更好。表面積為了提高傳熱和傳質速率，脫水前食品總是被切成小塊或薄片。這種方法從兩個方面提高干燥速度：被處理的食品表面積越大，與加熱介質接觸的表面就越多，供水分逸出的表面也越多。粒度越小或者越薄，熱從食品表面?zhèn)鬟f到中心的距離就越短，水分從食品內部遷移到表面以逸出的距離也越短。溫度加熱介質與所處理食品之間的溫差越大，熱量傳入食品的速率也就越大。以空氣為加熱介質時，干燥空氣越熱，達到飽和前所容納的水分就越多，越有利于脫水?？諝饬鲃铀俣雀咚倭鲃拥目諝饽軒ё吒稍镞^程中食品表面的水蒸氣，防止水蒸氣在食品表面形成飽和氣氛。如：在刮風天曬衣服更容易干。濕度平衡相對濕度：在給定的溫度下，若環(huán)境所具有的某一濕度使得處于其中的食品既不會向周圍環(huán)境釋放體系中的水分，也不會從周圍環(huán)境中吸取水分，該濕度即為平衡相對濕度。作為干燥介質的空氣，本身的干燥度（濕度）也決定了食品干燥可達到的水分含量下限。大氣壓和真空度水的沸點與氣壓成正比關系。在恒定的溫度下，氣壓越低，水沸騰的速度就越快。因此，在熱真空室中的食品脫水溫度較低且速度更快。水分蒸發(fā)當水從物體表面蒸發(fā)時會使表面變冷，因此干燥過程中被干燥的食品塊或液珠的溫度會下降。所以，僅憑脫水時的熱處理并不能實現(xiàn)脫水食品的無菌化。時間食品脫水操作中必須兼顧干燥速度和食品質量。和低溫長時干燥方式相比，高溫短時干燥過程對食品的破壞比較小。典型干燥曲線干燥過程水分含量變化曲線干燥率曲線食品溫度曲線食品性質對脫水的影響成分取向溶質濃度食品脫水過程存在濃縮效應。隨著干燥的進行，溶質濃度不斷上升，導致干燥速度降低。結合水食品中的游離水最容易遷移并最先蒸發(fā)，比較難脫去的是進入凝膠內部的結合水及化學鍵合水。細胞結構當組織存活時，水分被細胞壁和細胞膜保持在細胞內，不會外露或滲出。動植物死后，水分比較容易從細胞內滲出。當組織被熱燙或煎烤時就更易滲出細胞。疏松度食物結構疏松度的增加一般有利于改善傳質效果，從而提高干燥速度。但多孔海綿狀結構是優(yōu)良的絕緣體并且會降低熱向食物內部的傳遞速度。物性的變化收縮表面硬化干燥時，如果表面溫度很高，而食品干燥不均衡，就會在食品內部的絕大部分水分還來不及遷移到表面時在表面快速形成一層硬殼。因而食品干燥速度急劇下降。熱塑性即食品受熱變軟，如：糖。化學變化在食品脫水的過程中，食品體系還會發(fā)生許多化學變化。這些化學變化會對干燥產(chǎn)品以及復水產(chǎn)物的最終質量如色澤、風味、質地、粘性、調制速度、營養(yǎng)價值和儲藏性等產(chǎn)生影響。主要的化學變化有：酶促褐變、焦糖化反應和美拉德反應。食品的濃縮濃縮是實現(xiàn)保藏的一種方式，但只限于一部分食品。如濃縮牛奶、濃縮果汁、濃縮蜂蜜等。濃縮的原理平衡濃縮利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質和溶劑分離的方法。如：蒸發(fā)濃縮是利用溶劑和溶質揮發(fā)度的差異達到分離目的。非平衡濃縮利用固體半透膜來分離溶質與溶劑的過程，兩相被膜隔開。美式濃縮咖啡濃縮過程中食品的變化伴隨著濃縮時的水分蒸發(fā)，當水分含量低于糖溶液濃度上限時就會有糖結晶出來。濃縮加工會使溶液中蛋白質共存的鹽和礦物質濃度過高，容易引起蛋白質變性和從溶液中析出。一般濃縮溫度在100℃或稍高時，可以殺死大多數(shù)微生物，但不能實現(xiàn)完全無菌化。真空濃縮時，許多細菌不僅在低溫下存活，還能進行繁殖。濃縮牛肉南瓜粉5.4食品加工中的生物技術現(xiàn)代生物技術主要包括發(fā)酵工程、基因工程、酶工程和細胞工程。生物技術在食品工業(yè)中作用表現(xiàn)在四個方面：食品原料和微生物的改良。生產(chǎn)各種功能食品有效成分、新型食品和食品添加劑?？芍苯討糜谑称飞a(chǎn)過程中物質的轉化。工業(yè)化生產(chǎn)預定的食品或食品的功能成分。發(fā)酵工程發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術。發(fā)酵工程的內容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程：包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件的確定，營養(yǎng)物的準備等。中游工程：主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術。下游工程：指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術：包括固液分離技術，細胞破壁技術，蛋白質純化技術。

發(fā)酵作用當微生物消耗有機物作為自身的部分代謝過程時，就出現(xiàn)發(fā)酵作用。發(fā)酵作用是鼓勵微生物在食品中繁殖和代謝活動的，但發(fā)酵作用僅鼓勵代謝活動和最終產(chǎn)物是人們所期望的那些微生物進行繁殖。發(fā)酵作用是一種最古老的食品保藏方式，食品發(fā)酵的某些最終產(chǎn)物，尤其是酸和醇，能抑制常見的致病微生物。發(fā)酵食品發(fā)酵食品是食品原料（包括自身的酶）經(jīng)微生物作用所產(chǎn)生的一系列酶所催化的生物、化學反應的產(chǎn)物。如：啤酒、醬油、面包、醋等。發(fā)酵過程涉及的微生物種類繁多，主要介紹三種酵母葡萄糖經(jīng)過酵母發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和二氧化碳，是葡萄酒、啤酒及面包生產(chǎn)的基礎。乳酸菌乳糖經(jīng)乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生乳酸。乳酸菌發(fā)酵可生產(chǎn)：泡菜、香腸、酸奶油、干酪等食品。醋酸菌乙醇在有氧條件下經(jīng)醋酸菌進一步發(fā)酵生成醋酸，這是生產(chǎn)醋的機制。發(fā)酵食品的控制因素酸作為食品天然組分的酸或者由發(fā)酵型微生物產(chǎn)生的酸都能產(chǎn)生抑制作用。含酸食品處在一種保藏狀態(tài)，但是，如果有氧存在、表面霉菌生長和酸被進一步發(fā)酵，那么酸的防腐能力就會喪失。如：生乳的自然發(fā)酵過程。乙醇乙醇的防腐效果取決于其濃度。天然葡萄酒一般含9%~13%（體積分數(shù)）的乙醇，這個乙醇濃度對于完全防腐是不夠的，因此必須經(jīng)受溫和的巴氏殺菌處理，或者添加乙醇，將濃度提高到20%。發(fā)酵劑用于發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的細菌以及其他微生物的培養(yǎng)物。當發(fā)酵劑接種到處理過程的原料中，在一定條件下繁殖，其代謝產(chǎn)物使發(fā)酵乳制品具有一定酸度、滋味、香味和變稠等特性。溫度溫度對于各種微生物的發(fā)酵作用具有重要的意義，特別是一些混合發(fā)酵作用，如：泡菜的發(fā)酵過程。氧氧是控制發(fā)酵的重要因素。根據(jù)不同微生物的需要，可以通過在食品加工中提供或除去氧來控制微生物的生長與發(fā)酵。鹽乳酸菌產(chǎn)生的酸和加入的鹽能強烈地抑制分解蛋白質菌和其他腐敗菌?；蚬こ逃址Q基因拼接技術和DNA重組技術，是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA分子，然后導入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。改善食品品質采用轉基因的方法，生產(chǎn)具有合理營養(yǎng)價值的食品，讓人們只需吃較少的食品就可以滿足營養(yǎng)需求。提高產(chǎn)量改善工藝生產(chǎn)食品疫苗通過將致病微生物的有關蛋白（抗原）基因，通過轉基因技術導入植物受體中，得以表達，制得可抵抗相關疾病的食品疫苗。酶工程酶工程就是將酶或者微生物細胞，動植物細胞，細胞器等在一定的生物反應裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段將相應的原料轉化成有用物質并應用于社會生活的一門科學技術。它包括酶制劑的制備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶反應器等方面內容。

5.5食品加工中的新技術微波加熱微波的性質微波是含有輻射能的電磁波，它處于無線電波和紅外輻射之間。目前經(jīng)批準應用于食品中的微波頻率只有2450MHz和915MHz。微波被金屬反射，但能通過空氣、玻璃、紙和塑料等材料，能被食品成分所吸收。微波加熱與傳統(tǒng)加熱的區(qū)別傳統(tǒng)加熱中，食品從表面向里傳遞熱量，各層依次被加熱，產(chǎn)生由外向內逐步升高的溫度梯度。微波加熱時，熱量不是從表面向內傳導，而代之以快速產(chǎn)生并很均勻地遍布物