第二章 食品的热处理
第一节 热处理的目的
表2-1：常用的热处理 热处理 产品 保热烫 蔬菜、水果 藏处理 巴氏乳、啤酒、果汁、肉、杀菌 蛋、面包、即食食品 杀菌 乳、肉制品、水果、蔬菜 蔬菜、肉、鱼 工艺参数 蒸汽或热水加热到90-100℃ 加热到75-95℃ 预期变化 钝化酶，除氧，减菌，减少生苦味，改变质构 杀灭致病菌 不良变化 营养损失，流失，色泽变化 加热到＞100℃ 转蒸煮 化处理 烘烤 蒸汽或热水加热到90-100℃ 干空气或湿空气加热到＞215℃ 肉、鱼 面包 油炸 肉、鱼、土豆 油中加热到150-180℃ 色泽变化，营养变化，感官变化 杀灭微生物及其孢色泽变化，营子 养变化，感官变化 钝化酶，改变质构，营养损失、流蛋白质变性，淀粉失，水分损失 糊化 改变色泽，形成外营养损失，有壳，蛋白质变性，诱变性物质 杀菌，降低水分 形成外壳，淀粉糊化，结构和体积变化，水分减少，色泽变化 形成外壳，色泽变营养素损失、化，蛋白质变性，流失 淀粉糊化
第二节 热处理原理
食品的杀菌方法有多种，物理的如热处理、微波、辐射、过滤等，化学的如各种防腐剂和抑菌剂，生物的如各种微生物或能产生抗生素的微生物。虽然杀菌方法有多种多样，并且还在不断地发展，但热处理杀菌是食品工业最有效、最经济、最简便、因而也是使用最广泛的杀菌方法，同时也成为用其它杀菌方法时评价杀菌效果的基本参照。
热杀菌的主要目的是杀灭在食品正常的保质期内可导致食品腐败变质的微生物。一般认为，达到杀菌要求的热处理强度足以钝化食品中的酶活性。同时，热处理当然也造成食品的色香味、质构及营养成分等质量因素的不良变化。因此，热杀菌处理的最高境界是既达到杀菌及钝化酶活性的要求，又尽可能使食品的质量因素少发生变化。
要制定出既达到杀菌的要求，又可以使食品的质量因素变化最少的合理的杀菌工艺参数（温度和时间），就必须研究微生物的耐热性，以及热量在食品中的传递情况。
一、微生物的耐热性
（一）影响微生物耐热性的因素 1、污染微生物的种类和数量。
（1）种类。各种微生物的耐热性各有不同，一般而言，霉菌和酵母的耐热性都比较低，在50-60℃条件下就可以杀灭；而有一部分的细菌却很耐热，尤其是有些细菌可以在不适宜生长的条件下形成非常耐热的芽孢。显然，食品在杀菌前，其中可能污染有各种各类的微生物。微生物的
种类及数量取决于原料的状况（来源及储运过程）、工厂的环境卫生、车间卫生、机器设备和工器具的卫生、生产操作工艺条件、操作人员个人卫生等因素。
（2）污染量。微生物的耐热性，与一定容积中所存在的微生物的数量有关。微生物量越多，全部杀灭所需的时间就越长。
2、热处理温度。
在微生物生长温度以上的温度，就可以导致微生物的死亡。显然，微生物的种类不同，其最低热致死温度也不同。对于规定种类、规定数量的微生物，选择了某一个温度后，微生物的死亡就取决于在这个温度下维持的时间。 3、罐内食品成分。
（1）pH值。研究证明，许多高耐热性的微生物，在中性时的耐热性最强，随着pH值偏离中性的程度越大，耐热性越低，也就意味着死亡率越大。
（2）脂肪。脂肪含量高则细菌的耐热性会增强。
（3）糖。糖的浓度越高，越难以杀死食品中的微生物。
（4）蛋白质。食品中蛋白质含量在5%左右时，对微生物有保护作用。 （5）盐。低浓度食盐对微生物有保护作用，而高浓度食盐则对微生物的抵抗力有削弱作用。 （6）植物杀菌素。有些植物（如葱、姜、蒜、辣椒、萝卜、胡萝卜、番茄、芥末、丁香和胡椒等）的汁液以及它们分泌的挥发性物质对微生物有抑制或杀灭作用，这类物质就被称为植物杀菌素。
（二）对热杀菌食品的pH值分类
大量试验证明，较高的酸度可以抑制乃至杀灭许多种类的嗜热菌或嗜温微生物；而在较酸的环境中还能存活或生长的微生物往往不耐热。这样，就可以对不同pH值的食品物料采用不同强度的热杀菌处理，既可达到热杀菌的要求，又不致因过度加热而影响食品的质量。
各种书籍资料中对热处理食品按pH值分类的方法有多种不尽相同的方式，如分为高酸性（≤3.7）、酸性（＞3.7-4.6）、中酸性（＞4.6-5.0）和低酸性（＞5.0）这四类，也有分为高酸性（＜4.0）、酸性（4.0-4.6）和低酸性（＞4.6）这三类的，还有其它一些划分法。
但从食品安全和人类健康的角度，只要分成酸性（≤4.6）和低酸性（＞4.6）两类即可。这是根据肉毒梭状芽孢杆菌的生长习性来决定的。在包装容器中密封的低酸性食品给肉毒杆菌提供了一个生长和产毒的理想环境。肉毒杆菌在生长的过程中会产生致命的肉毒素。因为肉毒杆菌对人类的健康危害极大，所以罐头生产者一定要保证杀灭该菌。试验证明，肉毒杆菌在pH≤4.8时就不会生长（也就不会产生毒素），在pH≤4.6时，其芽孢受到强烈的抑制，所以，pH4.6被确定为低酸性食品和酸性食品的分界线。另外，科学研究还证明，肉毒杆菌在干燥的环境中也无法生长。所以，以肉毒杆菌为对象菌的低酸性食品被划定为pH＞4.6、aw＞0.85。因而所有pH值大于4.6的食品都必须接受基于肉毒杆菌耐热性所要求的最低热处理量。
在pH≤4.6的酸性条件下，肉毒杆菌不能生长，其它多种产芽孢细菌、酵母及霉菌则可能造成食品的败坏。一般而言，这些微生物的耐热性远低于肉毒杆菌，因次不需要如此高强度的热处理过程。
有些低酸性食品物料因为感官品质的需要，不宜进行高强度的加热，这时可以采取加入酸或酸性食品的办法使整罐产品的最终平衡pH值在4.6以下，这类产品称为“酸化食品”。酸化食品就可以按照酸性食品的杀菌要求来进行处理。
（三）微生物耐热性参数
1、热力致死温度：表示对于特定种类的微生物进行杀菌达到某一个温度时，微生物已全部死亡，该温度即热力致死温度。
2、热力致死时间曲线（Thermal death time curve，简称TDT曲线）：用以表示将在一定环境中一定数量的某种微生物恰好全部杀灭所采用的杀菌温度和时间组合。
（图：TDT曲线）
热力致死时间曲线方程：
lgt1T2?T1 ?t2ZTDT曲线与环境条件有关，与微生物数量有关，与微生物的种类有关。
3、F0值：单位为min，即TDT121.1，是采用121.1℃杀菌温度时的热力致死时间。F0值与菌种、菌量及环境条件有关。显然，F0值越大，菌的耐热性越强。利用热力致死时间曲线，可将各种杀菌温度-时间组合换算成121.1℃时的杀菌时间：
F0 = t lg-1[(T－121.1)/Z]
4、Z值：单位为℃，是杀菌时间变化10倍所需要相应改变的温度数。在计算杀菌强度时，对于低酸性食品中的微生物，如肉毒杆菌等，一般取Z=10℃；在酸性食品中的微生物，采取100℃或以下杀菌的，通常取Z=8℃。
5、热力致死速率曲线：表示某一种特定的菌在特定的条件下和特定的温度下，其总的数量随杀菌时间的延续所发生的变化。以热处理（恒温）时间为横坐标，以存活微生物数量为纵坐标，可以得到一条对数曲线，即微生物的残存数量按对数规律变化。
（图：热力致死速率曲线）
热力致死速率曲线方程：
t = D ( lg a－lg b )
在热力致死速率曲线上，若杀菌时间t足够大，残存菌数可出现负数（10-1乃至10-n），这是一种概率的表示。
6、D值：单位为min，表示在特定的环境中和特定的温度下，杀灭90%特定的微生物所需要的时间。D值越大，表示杀灭同样百分数微生物所需的时间越长，说明这种微生物的耐热性越强。
7、F0=nD：将杀菌终点的确定与实际的原始菌数和要求的成品合格率相联系，用适当的残存率值代替“彻底杀灭”的概念，这使得杀菌终点（或程度）的选择更科学、更方便，同时强调了环境和管理对杀菌操作的重要性。通过F0 = n D，还将热力致死速率曲线和热力致死时间曲线联系在一起，建立了D值、Z值和F0值之间的联系。
在实际杀菌操作中，若n足够大，则残存菌数b足够小，达到某种可被社会（包括消费者和生产者）接受的安全“杀菌程度”，就可以认为达到了杀菌的目标。这种程度的杀菌操作，称为“商业灭菌”；接受过商业灭菌的产品，即处于“商业无菌”状态。商业无菌要求产品中的所有致病菌都已被杀灭，耐热性非致病菌的存活概率达到规定要求，并且在密封完好的条件下在正常的销售期内不生长繁殖。
二、食品的传热
在实际生产中，必须考虑食品的传热问题。 （一）传热方式
热的传递方式有三种：传导、对流和辐射。对于罐藏食品的内容物来说，只有传导和对流两种方式。根据罐内容物的特性，其传热型式有如下几种。
（1）完全对流型——液体物料如果汁、蔬菜汁，和汁液很多而固形物很少且块形很小的物料如汤类罐头；
（2）完全传导型——固体物料如午餐肉、烤鹅等；
（3）（先）传导（后）对流型——受热熔化的物料，如果酱等； （4）（先）对流（后）传导型——受热后会吸水膨胀的物料，如甜玉米等，含有丰富的淀粉质；
（5）诱发对流型——借助机械力量产生对流，如对于八宝粥等粘稠性产品使用回转式杀菌器，在杀菌过程中产生强制性对流。
（二）影响传热的因素
1、罐内食品的物理性质。主要指食品的状态、块形大小、浓度、粘度等。 2、初温（IT，initial temperature）。指杀菌操作开始时，罐内食品物料的温度。 3、容器。对于杀菌操作中的传热，主要考虑容器的材料、容积和几何尺寸。 4、杀菌锅。静置式杀菌锅与回转式杀菌锅的区别。
（三）传热测定
指对罐头中心温度（或称冷点温度）的测定，冷点指罐头在杀菌冷却过程中，温度变化最缓慢的点。传导型食品罐头的冷点在罐的几何中心；对流型食品罐头的冷点在罐中心轴上离罐底2-4cm处。
传热测定的目的，（1）了解不同性质内容物罐头的传热情况，即杀菌过程中温度随时间变化的曲线，为正确制定杀菌工艺条件奠定基础；（2）比较杀菌锅内不同位置的升温情况，为改进、维修设备和改进操作水平提供技术依据；（3）得出罐内食品所接受的杀菌值（Fp），判断罐头食品的杀菌效果。
罐头中心温度测定仪主要由热电偶和电位差计组成。
（四）传热曲线
1、传热曲线的表现形式
Tm~t自然数坐标传热曲线：表示罐头食品冷点处的温度Tm值随杀菌时间t的变化；
（Ts-Tm）~t半对数坐标传热曲线：因杀菌锅操作温度Ts与罐头冷点温度Tm间差值的对数值与杀菌时间值t呈直线关系，故以杀菌温度与冷点温度的差值Ts-Tm为纵坐标，且纵坐标按对数规律安排。
Tm~t半对数坐标传热曲线：将（Ts-Tm）~t半对数坐标传热曲线绕横转动180°，得到以杀菌时间为横坐标，以冷点温度为纵坐标的传热曲线。 2、传热曲线的类型
对流型和传导型食品物料的传热曲线近似于直线，称为简单型曲线（Single logarithmic curve）； 先对流后传导型食品物料的传热曲线近似于两根相交的直线，称为转折型曲线（Broken logarithmic curve）。
这两种类型的传热曲线因其有规律性，故可用于“公式法”或“列图线法”计算杀菌值。
三、杀菌强度的计算及确定程序 （一）热杀菌时间的推算
比奇洛（Begelow）在1920年首先提出罐藏食品杀菌时间的计算方法（基本法）。随后，鲍尔（Ball）、奥尔森（Olsen）和舒尔茨（Schultz）等人对比奇洛的方法进行了改进（鲍尔改良法）。鲍尔还推出了公式计算法。史蒂文斯（Stevens）在鲍尔公式法的基础上又提出了方便实际应用的列图线法。
1、比奇洛基本法。
基本法推算实际杀菌时间的基础，是罐头冷点的温度曲线和对象菌的热力致死时间曲线（TDT曲线）。
比奇洛将杀菌时罐头冷点的传热曲线分割成若干小段，每小段的时间为（ti）。假定每小段内温度不变，利用TDT曲线，可以获得在某段温度（Ti）下所需的热力致死时间（τi）。热力致死时间τi 的倒数1/τi为在温度Ti杀菌1 min所取得的效果占全部杀菌效果的比值，称为致死率；而ti/τi即为该小段取得的杀菌效果占全部杀菌效果的比值Ai，称为“部分杀菌值”。
将各段的部分杀菌值相加，就得到总杀菌值A（或称累积杀菌值）。
A=ΣAi
比奇洛法的特点：①方法直观易懂，当杀菌温度间隔取得很小时，计算结果与实际效果很接近；②不管传热情况是否符合一定模型，用此法可以求得任何情况下的正确杀菌时间；③计算量和实验量较大，需要分别经实验确定杀菌过程各温度下的TDT值，再计算出致死率。
2、鲍尔改良法。针对比奇洛基本法需要逐一计算热致死时间、致死率和部分杀菌值的繁琐，鲍尔等人作了一些改进，主要有两点：①建立了“致死率值”的概念；②时间间隔取相等值。改进后的方法称为“鲍尔改良法”。 （1）致死率值：
L= 1/t =lg-1(T - 121)/z
致死率值L的含义：对F0=1 min的微生物，经T温度，1 min的杀菌效果与该温度下全部杀灭效果的比值；也可表达为经温度T，1 min的杀菌处理，相当于温度121℃时的杀菌时间。 实际杀菌过程中，冷点温度随时间不断变化，于是，
Li=lg-1(Ti-121)/z
微生物Z值确定后，即可预先计算各温度下的致死率值，列成表格，以方便使用。 （2）时间间隔：
鲍尔改良法的时间间隔等值化，简化了计算过程。若间隔取得太大，会影响到计算结果的准确性。
整个杀菌过程的杀菌强度（总致死值）：
Fp = ∑(Li △t)= △t.∑Li
Fp值与F0值的关系：F0值指在标准温度下（121℃）杀灭对象菌所需要的理论时间；Fp值指将实际杀菌过程的杀菌强度换算成标准温度下的时间。判断一个实际杀菌过程的杀菌强度是否达到要求，需要比较F0与Fp的大小，要求：
Fp ≥ F0
一般取Fp略大于F0。
3、公式法和列图线法。
公式法首先由鲍尔提出，经过美国制罐公司热学研究组简化后，用来计算简单型和转折性传热曲线上杀菌时间和F值。公式法是根据罐头在杀菌过程中（含加热阶段和冷却阶段）冷点温度的变化在半对数坐标纸上所绘出的传热曲线进行推算，以求得整个杀菌过程的杀菌值FP，通过与对象菌的F0值对比，评判和确定实际需要的杀菌时间。公式法的优点是可以在杀菌温度变更时算出杀菌时间；其缺点是计算繁琐、费时，计算中容易发生错误，并且要求传热曲线必须呈有规律的简单型曲线或转折型曲线才能使用。
为了方便公式法的使用，奥尔森和史蒂文斯根据各参数间的数学关系，制作出如计算尺般的一系列计算图线。使用者从杀菌操作温度TP、升温时间t1、罐头冷点初温IT等基础参数出发，在计算图线上查阅和作连线，最终可推算出实际杀菌操作所需的恒温时间。但列图线法只能适用于简单型传热曲线。