構(gòu)建“雙冷”方法優(yōu)化食品熱殺菌工藝規(guī)程的研究

（中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，國家食品安全危害分析與關(guān)鍵控制點(diǎn)應(yīng)用研究中心，北京100176）

熱力殺菌作為傳統(tǒng)的殺菌方式之一，因其經(jīng)濟(jì)、易控制、高效等特點(diǎn)仍為現(xiàn)代食品殺菌的主要方式。伴隨著食品工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)手段的革新，對(duì)食品加工的要求越來越高，因此如何更加有效優(yōu)化傳統(tǒng)熱力殺菌規(guī)程，既能達(dá)到科學(xué)合理、提高生產(chǎn)效率，又能夠達(dá)到節(jié)能減排便成為了一個(gè)重要的研究方向。

現(xiàn)階段對(duì)于熱力殺菌的研究主要集中在以下4方面：1）熱力殺菌對(duì)于產(chǎn)品營養(yǎng)指標(biāo)影響的研究，陳計(jì)巒等[1]研究熱處理對(duì)哈密瓜果汁品質(zhì)影響的研究，孫儷娜等[2]研究熱力殺菌對(duì)于赤霞珠葡萄汁揮發(fā)性成分的影響；2）熱力殺菌管理的研究，高楊等[3]研究熱力殺菌驗(yàn)證有效性能力建設(shè)探討，王鐵龍等[4]研究熱力殺菌移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范；3）熱力殺菌效果的研究，單再成等[5]研究F值、C值、E值及熱力殺菌最佳條件，周建偉等[6]研究罐頭食品熱力殺菌工藝仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)；4）熱力殺菌檢測(cè)及工藝研發(fā)的研究，劉戰(zhàn)民等[7]研究中式肉品快餐分段升溫?zé)崃⒕に囇芯?，紀(jì)金龍[8]研究熱力蒸汽滅菌器的性能檢測(cè)和驗(yàn)證分析。以上從不同角度出發(fā)研究了熱力殺菌，而對(duì)熱力殺菌規(guī)程優(yōu)化方面的研究相對(duì)較少，因此科學(xué)構(gòu)建“雙冷”方法對(duì)熱力殺菌規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到科學(xué)優(yōu)化的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

ERC-150-A型臥式靜止蒸汽式殺菌鍋：溫州伊瑞機(jī)械有限公司；TSPRO XL型ELLAB溫度傳感器：武漢恒綠工程技術(shù)有限公司；X240型聯(lián)想ThinkPad：聯(lián)想集團(tuán)有限公司；240 mL原味馬口鐵罐露露杏仁露：河北承德露露股份有限公司。

1.2 “雙冷”方法的確定

1.2.1 定義

熱加工設(shè)備：一般的是指在加工產(chǎn)品過程中所使用的設(shè)備，該設(shè)備是通過加熱方式來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熟制和殺菌的。

熱分布：一般的是指熱加工設(shè)備內(nèi)各個(gè)點(diǎn)位溫度分布情況。

熱穿透：是指測(cè)量待測(cè)試食品的加熱速率。

熱加工設(shè)備冷點(diǎn)：指的是熱加工設(shè)備在整個(gè)熱加工過程內(nèi)熱累計(jì)效應(yīng)最差的位置。

產(chǎn)品冷點(diǎn)：指的是產(chǎn)品包裝罐體或是袋體等內(nèi)部最難加熱的區(qū)域。

雙冷：指熱加工設(shè)備的冷點(diǎn)和產(chǎn)品的冷點(diǎn)。首先確定殺菌設(shè)備的冷點(diǎn)，尋找出殺菌設(shè)備性能最差的位置；其次確定產(chǎn)品的冷點(diǎn)，通過產(chǎn)品的冷點(diǎn)確定出產(chǎn)品加熱最慢的區(qū)域。最后把溫度傳感器安裝在產(chǎn)品冷點(diǎn)位置，放置在熱加工設(shè)備冷點(diǎn)處收集數(shù)據(jù)，確保最差的條件下產(chǎn)品的安全性。

1.2.2 熱加工設(shè)備冷點(diǎn)的位置的確定

設(shè)置好電腦，啟動(dòng)溫度傳感器，采集頻率設(shè)定為1 min，在殺菌籃筐不同位置（殺菌鍋放置4個(gè)殺菌籃筐，每個(gè)殺菌籃筐擺放6層產(chǎn)品）進(jìn)行布點(diǎn)，其布點(diǎn)圖見圖1。每個(gè)殺菌籃筐滿載240 mL水罐，放置3個(gè)單探針傳感器，進(jìn)行3次平行檢測(cè)（LC代表傳感器的編號(hào)）。

殺菌鍋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定30 min/121℃的殺菌規(guī)程，啟動(dòng)程序。待殺菌過程結(jié)束之后，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第1次熱分布度檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

圖1 溫度傳感器布點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of the temp probe

表1 熱分布溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of temperature distribution

續(xù)表1 熱分布溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)Continue table 1 Test data of temperature distribution

根據(jù)表1中熱分布傳感器顯示的溫度變化情況得出，LC12號(hào)傳感器溫度上升較慢，且溫度相對(duì)于其他傳感器溫度較低，因此該傳感器所在位置熱累積效應(yīng)最差，再對(duì)照?qǐng)D1溫度傳感器布點(diǎn)位置，確定出該設(shè)備的冷點(diǎn)位置為第3車第3層幾何中心位置。

采用同樣的布點(diǎn)方式和熱加工過程進(jìn)行平行試驗(yàn)，在3次試驗(yàn)中，如果兩次以上試驗(yàn)顯示同一位置，則該位置確定為殺菌鍋的最終冷點(diǎn)位置。本試驗(yàn)確定的最終冷點(diǎn)位置為第3車第3層幾何中心位置。按照殺菌鍋冷點(diǎn)位置確認(rèn)方法，中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院熱力殺菌實(shí)驗(yàn)室整理了近5 000臺(tái)次殺菌鍋熱分布的檢測(cè)結(jié)果，總結(jié)確定出的殺菌鍋的冷點(diǎn)位置見表2。

表2 不同類型殺菌鍋常見冷點(diǎn)位置Table 2 Cold spot position of different type retort

1.3 產(chǎn)品冷點(diǎn)位置的確定

試驗(yàn)以240 mL原味馬口鐵罐露露杏仁露液體飲料為例，首先在罐體側(cè)壁以幾何中心位置為中間點(diǎn)進(jìn)行等分，一般進(jìn)行奇數(shù)點(diǎn)等分。以罐型中心點(diǎn)為中間點(diǎn)向兩側(cè)每隔約1.6 cm打一個(gè)孔，一共打7個(gè)孔，罐體打孔方式見圖2。然后把探針穿入到罐頭內(nèi)部，穿入的深度為26.5 cm（即中心位置）。把該罐產(chǎn)品放置在上述試驗(yàn)檢測(cè)出的殺菌鍋冷點(diǎn)位置進(jìn)行30 min/121℃的殺菌，待殺菌過程結(jié)束之后收集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第1次熱穿透檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

圖2 罐體側(cè)壁打孔方式Fig.2 Dig the hole on the side

表3 熱穿透溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Test data of heat penetration

續(xù)表3 熱穿透溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)Continue table 3 Test data of heat penetration

續(xù)表3 熱穿透溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)Continue table 3 Test data of heat penetration

表3熱穿透檢測(cè)數(shù)據(jù)中，LC8跟蹤測(cè)試殺菌鍋溫度控制系統(tǒng)的溫度，其他傳感器按照?qǐng)D2的打孔方式穿入產(chǎn)品相應(yīng)的位置，采集不同時(shí)刻的溫度情況。綜合表3數(shù)據(jù)，LC2溫度明顯低于其他位置的溫度，綜合加熱效果最差。因此確定產(chǎn)品中心溫度的冷點(diǎn)為L(zhǎng)C2位置。采用同樣的打孔方式和熱加工過程進(jìn)行平行試驗(yàn)，在3次試驗(yàn)中，如果兩次以上試驗(yàn)顯示同一位置，則該位置確定為產(chǎn)品的最終冷點(diǎn)位置。本試驗(yàn)確定的最終冷點(diǎn)位置為L(zhǎng)C2所處的位置。按照產(chǎn)品冷點(diǎn)位置確認(rèn)方法，中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院熱力殺菌實(shí)驗(yàn)室整理了近8 000產(chǎn)品次的檢測(cè)結(jié)果，總結(jié)確定出產(chǎn)品的冷點(diǎn)位置見表4。

表4 不同產(chǎn)品包裝類型常見冷點(diǎn)位置Table 4 Cold spot position of different type package

由表4可知，在“雙冷”方法運(yùn)用過程中應(yīng)注意先后順序，先確定熱加工設(shè)備冷點(diǎn)位置，再確定產(chǎn)品冷點(diǎn)位置，結(jié)合“雙冷”位置進(jìn)行最終熱穿透試驗(yàn)，既可以科學(xué)合理的得出冷點(diǎn)位置，又可以最大限度的保證食品安全，為科學(xué)制定熱殺菌工藝規(guī)程奠定基礎(chǔ)。

2 熱殺菌工藝規(guī)程的優(yōu)化

2.1 定義

低酸性食品：意指除酒精飲料外，最后平衡pH值大于4.6及水分活性（Aw）大于0.85的任何食品。最后平衡pH值低于4.7的番茄及其制品不列為低酸性食品[9]。

酸性食品：指天然pH值為4.6或更低的食品[10]。

酸化食品：指加有酸或酸性食品的低酸性食品；這些食品包括有，但并不局限于豆類、黃瓜、卷心菜、朝鮮薊、花菜、布丁、辣椒、熱帶水果和魚類。這些食品可以是單一的或混合配制的。它們的水分活性（Aw）大于0.85，最終平衡pH值為4.6或更低一些[10]。

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(xì)菌數(shù)群中每殺死90%原有殘存活菌數(shù)時(shí)所需要的時(shí)間。D*表示在*溫度下產(chǎn)品的D值。

F值：在一定溫度下殺滅一定濃度微生物所需加熱的時(shí)間。

2.2 產(chǎn)品最低殺菌值

由于常見低酸和酸化食品種類不同，控制的目標(biāo)細(xì)菌也不一樣，因此殺菌值存在較大差異。低酸罐藏食品涉及的最主要的公眾健康問題就是肉毒桿菌毒素的形成，該毒素是由稱為肉毒梭狀芽孢桿菌產(chǎn)生的。酸化和酸性食品中多以凝固芽孢桿菌和多粘芽孢桿菌為目標(biāo)菌[11]。

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN/T040.6-2005《熱力殺菌》中規(guī)定，低酸食品的殺菌強(qiáng)度不低于“12D”、酸性或酸化食品的殺菌強(qiáng)度不低于“6D”[12]。因此對(duì)于不同細(xì)菌的D值[13]需要更加明確，低酸食品的D值見表5，酸化食品的D值見表6。

表5 低酸食品（pH＞4.6）的D值Table 5 D value of low acid food（pH＞4.6）

表6 酸化食品（pH4.0～4.6）的D值Table 6 D value of acidified food（pH4.0～4.6）

結(jié)合不同產(chǎn)品不同的目標(biāo)細(xì)菌的D值，確定最終的F值（F=nD，低酸食品n=12，酸性或酸化食品中n=6）。根據(jù)F值，運(yùn)用鮑爾法或是一般法進(jìn)行反向推導(dǎo)，得出最終優(yōu)化后合理的殺菌工藝規(guī)程。

3 熱殺菌工藝規(guī)程優(yōu)化驗(yàn)證

3.1 熱殺菌工藝規(guī)程優(yōu)化的路線圖

綜合分析“雙冷法”的優(yōu)化思路，提出綜合優(yōu)化工藝規(guī)程的路線圖見圖3。

圖3 熱力殺菌工藝規(guī)程優(yōu)化路線圖Fig.3 Map for optimization of thermal sterilization process

3.2 殺菌工藝規(guī)程優(yōu)化路線的驗(yàn)證

驗(yàn)證中仍以240 mL原味馬口鐵罐露露杏仁露液體飲料為例。根據(jù)優(yōu)化路線圖確定流程：1）確定設(shè)備的冷點(diǎn)位置：第3車第3層幾何中心位置；2）產(chǎn)品冷點(diǎn)位置：幾何中心以下1.6 cm處；3）產(chǎn)品屬于低酸產(chǎn)品，目標(biāo)菌為肉毒芽孢A/B型，最大D值為0.2；4）確定最低殺菌值F：F=nD=12D=2.4；5）雙冷位置進(jìn)行熱穿透試驗(yàn)；6）運(yùn)用鮑爾法進(jìn)行反向推算；7）得出優(yōu)化后的殺菌規(guī)程見表7。

表7 優(yōu)化后的殺菌規(guī)程Table 7 Optimized thermal sterilization process

為了證明“雙冷”方法的科學(xué)性，設(shè)計(jì)了兩組對(duì)比試驗(yàn)。第1組不去確定“雙冷”位置，即省去路線圖中步驟1和2，步驟5調(diào)整為在殺菌籃筐頂部進(jìn)行熱穿透試驗(yàn)，得出的殺菌規(guī)程見表8；第2組只確定設(shè)備冷點(diǎn)，不確定產(chǎn)品冷點(diǎn)，即省去路線圖中步驟2，把步驟5調(diào)整為在設(shè)備冷點(diǎn)位置進(jìn)行熱穿透試驗(yàn)，得出的殺菌規(guī)程見表9。

表8 不確定“冷點(diǎn)”位置的殺菌規(guī)程Table 8 Thermal sterilization process with non-double cooling spot

表9 只確定殺菌鍋“冷點(diǎn)”的殺菌規(guī)程Table 9 Thermal sterilization process with cooling spot of retort

根據(jù)表8、表9得出，在目標(biāo)F值一定的情況下，同一溫度下相對(duì)殺菌時(shí)間變短，與“雙冷”方法確定的合理殺菌規(guī)程存在一定的差別，這種時(shí)間的縮短勢(shì)必造成產(chǎn)品殺菌不足，產(chǎn)品的安全性能無法保證。對(duì)比企業(yè)使用的殺菌規(guī)程30 min/121℃，又遠(yuǎn)大于“雙冷”方法確定的合理殺菌規(guī)程，這種情況會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和能源，因此缺乏科學(xué)性和合理性。

4 結(jié)論

該文從目前熱力殺菌工藝規(guī)程中存在的問題著手進(jìn)行分析，構(gòu)建了“雙冷”的方法，即合理確定熱加工設(shè)備的冷點(diǎn)和產(chǎn)品的冷點(diǎn)，再進(jìn)行總結(jié)，得出“雙冷”優(yōu)化的路線圖，最后進(jìn)行綜合論證。目前企業(yè)普遍采用的是，不考慮初溫的影響，只采用30 min/121℃的殺菌規(guī)程來進(jìn)行殺菌。而根據(jù)“雙冷方法”得出的殺菌規(guī)程為，在初溫為40℃的條件下殺菌規(guī)程為16 min/121℃；在初溫為50℃的條件下殺菌規(guī)程為15 min/121℃。相對(duì)于企業(yè)普遍采用殺菌規(guī)程，時(shí)間明顯縮短。如果在不確定“雙冷”位置的條件下，在初溫為40℃的條件下殺菌規(guī)程為10 min/121℃；在初溫為50℃的條件下殺菌規(guī)程為9 min/121℃。如果只確定殺菌設(shè)備冷點(diǎn)的條件下，在初溫為40℃的條件下殺菌規(guī)程為13min/121℃；在初溫為50℃的條件下殺菌規(guī)程為12 min/121℃。殺菌時(shí)間都明顯低于合理殺菌規(guī)程，無法保證食品的安全性。通過綜合比較，“雙冷”方法既可以有效地達(dá)到有效殺菌的目的，又可以避免產(chǎn)品殺菌不足的情況，具有一定的科學(xué)性和合理性。