食品加工技术原理.ppt

食品工艺学,第七 章 食品热处理和杀菌,学习目标:掌握热加工的基本原理及对产品品质的影响；掌握不同杀菌方法的特点以及不同产品杀菌的要求及不同杀菌工艺,知识点：热加工原理、热烫、巴氏杀菌、商业杀菌工艺。所需讲授时间：12课时,第一节 食品加工与保藏个的热处理,一、食品热处理的作用,热处理（Thermal processing）是食品加工与保藏中用于改善食品品质、延长食品贮藏期的最重要的处理方法之一。食品工业中采用的热处理有不同的方式和工艺，不同种类的热处理所达到的主要目的和作用也有不问，但热处理过程对微生物、酶和食品成分的作用以及传热的原理和规律却有相同或相近之处。,二、食品热处理的类型和特点,工业烹饪:一般作为食品加工的一种前处理过程，通常是为了提高食品的感官质量而采取的一种处理手段。烹饪通常有煮、焖(炖)、烘(焙)、炸(煎)、烤等。一般煮多在沸水中进行；焙、烤则以干热的形式加热，温度较高：而煎、炸也在较高温度的油介质中进行。,类型主要有：工业烹饪、热烫、热挤压和杀菌等,（一）工业烹饪（Industrial cooking,烹饪能杀灭部分微生物，破坏酶，改善食品的色、香、味和质感，提高食品的可消化性，并破坏食品中的不良成分(包括一些毒工素等)，提高食品的晏全性，也可使食品的耐贮性提高。但也发现不适当的烘烤处理会给食品带来营养安全方面的问题，如烧烤中的高温使油脂分解产生致癌物质。,热烫。又称烫漂、杀青、预煮，热烫的作用主要是破坏或钝化食品中导致食品质量变化的酶类，以保持食品原有的品质，防止或减少食品在加工和保藏中由酶引起的食品色、香、味的劣化和营养成分的损失，热烫处理土要应用于蔬菜和某些水果，通常是蔬菜和水果冷冻、干燥或罐藏前的一种前处地工序。,(二)热烫(Blanching or Scalding),导致蔬菜和水果在加工和保藏过程中质量降低的两类主要是氧化酶类和水解酶类，热处理是破坏或钝化酶活性的最主要和最有效方法之一。除此之外，热烫还有一定的杀菌和洗涤作用可以减少食品表面的微生物数量；可以排除食品组织中的气体，使食品装罐后形成良好的真空度及减少氧化作用；热烫还能软化食品组织，方便食品往容器中装填；热烫也起到一定的预热作用，有利于装罐后缩短杀菌引温的时间。,对于果蔬的干藏和冷冻保藏，热烫的主要目的是破坏或钝化酶的活性。但对于豆类的罐藏以及食品后杀菌采用(超)高温短时方法时，由于此杀菌方法对酶的破坏程度有限，热烫等前处理的灭酶作用应恃别注意。,(三)热挤压,挤压是将食品物料放入挤压机中，物料在螺杆的挤压下被压缩并形成熔融状态，然后在卸料端通过模具出被挤出的过程。热挤压则是指食品物料在挤压的过程中还被加热。热挤压也被称为挤压蒸煮（Extrusion cooking）。挤压是结合了混合、蒸煮、揉搓、剪切、成型等几种单元操作的过程。,挤压可以产生不同形状、质地、色泽和风味的食品。热挤压是一种高温短时的热处理过程，它能够减少食品中的微生物数量和钝化酶，但无论是热挤压或是冷挤压，其产品的保藏主要是靠其较低的水分活性和其他条件。,特点：,挤压食品多样化，可以通过调整配料和挤压机的操作条件直接生产出满足消费者要求的各种挤压食品；挤压处理的操作成本较低；在短时间内完成多种单元操作，生产效率较高；便于生产过程的自动控制和连续生产。,(四)热杀菌,根据要杀灭微生物的种类的不同可分为巴氏杀菌(Pasteurisation)和商业杀菌(Sterilization)。巴氏杀菌是一种较温和的热杀菌形式，巴氏杀菌的处理温度通常在100以下，典型的巴氏杀菌的条件是62.8、30min，达到同样的巴氏杀菌效果，可以有不同的温度、时间组合。巴氏杀菌可使食品中的酶失活，并破坏食品中热敏性的微生物和致病菌。巴氏杀菌的目的及其产品的贮藏期主要取决于杀菌条件、食品成分(如PH值)和包装情况。对低酸性食品(pH4.6)，其主要目的是杀灭致病菌，而对于酸性食品，还包括杀灭腐败菌和钝化酶。,商业杀菌一般又简称为杀菌，是一种较强烈的热处理形式，通常是将食品加热到较高的温度并维持一定的时间以达到杀死所有致病菌、腐败菌和绝大部分微生物，杀菌后的食品符合货架期的要求。这种热处理形式一般也能钝化酶，但它同样对食品的营养成分破坏也较大。杀菌后食品通常也并非达到完全无菌，只是杀菌后食品中不含致病菌，残存的处于休眠状态的非致病菌在正常的食品贮藏条件下不能生长繁殖，这种无菌程度被称为“商业无菌”。,将食品先密封于容器内再进行杀菌处理是通常罐头的加工形式，而将经超高温瞬时（UHT）杀菌后的食品在无菌的条件下进行包装，则是无菌包装。,从杀菌时微生物被杀死的难易程度看，细菌的芽孢具有更高的耐热性，它通常较营养细胞难被杀死。另一方面，专性好氧菌的芽孢较兼性和专性厌氧菌的芽孢容易被杀死。杀菌后食品所处的密封容器中氧的含量通常较低，这在一定程度上也能阻止微生物繁殖，防止食品腐败。在考虑确定具体的杀菌条件时，通常以某种具有代表性的微生物作为杀菌的对象，通过这种对象菌的死亡情况反映杀菌的程度。,三、食品热处理使用的能源和加热方式,食品热处理可使用几种不同的能源作为加热源，主要能源种类有：电，气（天然气或液化气），液体燃料（燃油等），固体燃料（如煤、木、炭等）。,直接方式指加热介质（如燃料燃烧的热气等）与食品直接接触的加热过程。（容易污染食品，一般只有气体燃料可作为直接加热源，液体燃料则很少）间接加热方式是将燃料燃烧所产生的热能通过换热器或其他中间介质如空气）加热食品，从而将食品与燃料分开。,加热方式,间接方式,直接方式,第二节 食品热处理反应的基本规律,一、食品热处理的反应动力学要控制食品热处理的程度，人们必须了解热处理时食品中各成分（微生物、酶、营养成分和质量因素等）的变化规律，主要包括：（1）在某一热处理条件下食品成分的热处理破坏速率；（2）温度对这些反应的影响。,（一）热破坏反应的反应速率食品中各成分的热破坏反应一般均遵循一级反应动力学，也就是说各成分的热破坏反应速率与反应物的浓度呈正比关系。这一关系通常被称为“热灭活或热破坏的对数规律”。,对上式进行积分，设在反应时间t10时的微生物浓度为c1，则反应至t时的结果为：,在半对数坐标中微生物的热力致死速率曲线为一直线，该直线的斜率为-k/2.303。从图中可以看出，热处理过程中微生物的数量每减少同样比例所需要的时间是相同的。如微生物的活菌数每减少90，也就是在对数坐标中c的数值每跨过一个对数循环所对应的时间是相同的，这一时间被定义为D值，称为指数递减时间（decimal reduction time）。因此直线的斜率又可表示为：,由于上述致死速率曲线是在一定的热处理（致死）温度下得出的，为了区分不同温度下微生物的D值，一般热处理的温度T作为下标，标注在D值上，即为DT。D值的大小可以反映微生物的耐热性。在同一温度下比较不同微生物的D值时，D值愈大，表示在该温度下杀死90%微生物所需的时间愈长，即该微生物愈耐热。,热力致死时间（TDT）值是指在某一恒定温度条件下，将食品中的某种微生物活菌（细菌和芽孢）全部杀死所需要的时间(min)。试验以热处理后接种培养，无微生物生长作为全部活菌已被杀死的标准。,（二）热破坏反应和温度的关系,要了解在一变化温度的热处理过程中食品成分的破坏情况，必须了解不同（致死）温度下食品的热破坏规律，便于人们比较不同温度下的热处理效果。反映热破坏反应速率常数和温度关系的方法主要有3种：一种是热力致死曲线；另一种是阿累尼乌斯方程；还有一种是温度系数。,1.热力致死时间曲线,热力致死时间曲线是采用类似热力致死速率曲线的方法而制得的，它将TDT值与对应的温度T在半对数坐标中作图，则可以得到类似于致死速率曲线的热力致死时间曲线（Thermal death time curve。采用类似于前面对致死速率曲线的处理方法，可得到,反应速率常数的对数与温度成正比，较高温度的热处理所取得的杀菌效果要高于低温度热处理的杀菌效果。不同微生物对温度的敏感程度可以从Z值反映，Z值小的对温度的敏感程度高。要取得同样的热处理效果，在较高温度下所需的时间比在较低温度下的短。这也是高温短时（HTST）或超高温瞬时杀菌（UHT）的理论依据。不同的微生物对温度的敏感程度不同，提高温度所增加的破坏效果不一样。上述的D值、Z值不仅能表示微生物的热力致死情况，也可用于反映食品中的酶、营养成分和食品感官指标的热破坏情况。,2.阿累尼乌斯方程,反映热破坏反应和温度关系的另一方法是阿累尼乌斯法，即反应动力学理论。,取对数，得设温度T1时反应速率常数为1，则可通过下式求得频率因子常数：,根据Ea和Z的关系，并将式中的温度由转换成K，得到,3.温度系数Q值,Q值表示反应在温度T2下进行的速率比在较低温度T1下快多少，若Q值表示温度增加10时反应速率的增加情况，则一般称之为Q10。,二、加热对微生物的影响,（一）微生物和食品的腐败变质食品中的微生物是导致食品不耐贮藏的主要原因。一般说来，食品原料都带有微生物。在食品的采收、运输、加工和保藏过程中，食品也有可能污染微生物。在一定的条件下，这些微生物会在食品中生长、繁殖，使食品失去原有的或应有的营养价值和感官品质，甚至产生有害和有毒的物质。,细菌、霉菌和酵母都可能引起食品的变质，其中细菌是引起食品腐败变质的主要微生物。细菌中非芽孢细菌在自然界存在的种类最多，污染食品的可能性也最大，但这些菌的耐热性并不强，巴氏杀菌即可将其杀死。细菌中耐热性强的是芽孢菌。芽孢菌中还分需氧性、厌氧性的和兼性厌氧的。需氧和兼性厌氧的芽孢菌是导致罐头食品发生平盖酸败的原因菌，厌氧芽孢菌中的肉毒梭状芽孢杆菌常作为罐头杀菌的对象菌。酵母菌和霉菌引起的变质多发生在酸性较高的食品中，一些酵母菌和霉菌对渗透压的耐性也较高。,（二）微生物的生长温度和微生物的耐热性,当温度高于微生物的最适生长温度时，微生物的生长就会受到抑制，而当温度高到足以使微生物体内的蛋白质发生变性时，微生物即会出现死亡现象。一般认为，微生物细胞内蛋白质受热凝固而失去新陈代谢的能力是加热导致微生物死亡的原因。因此，细胞内蛋白质受热凝固的难易程度直接关系到微生物的耐热性。蛋白质的热凝固条件受其他一些条件，如：酸、碱、盐和水分等的影响。,1.微生物的种类,微生物的菌种不同，耐热的程度也不同，而且即使是同一菌种，其耐热性也因菌株而异。正处于生长繁殖的微生物营养细胞的耐热性较它的芽孢弱。各种芽孢菌的耐热性也不相同，一般厌氧菌芽孢菌耐热性较需氧菌芽孢菌强。嗜热菌的芽孢耐热性最强。同一菌种芽孢的耐热性也会因热处理前的培养条件、贮存环境和菌龄的不同而异。例如：菌体在其最高生长温度生长良好并形成芽孢时，其芽孢的耐热性通常较高；不同培养基所形成的芽孢对耐热性影响很大，实验室培养的芽孢都比在大自然条件下形成的芽孢耐热性要低；培养基中的钙、锰离子或蛋白胨都会使芽孢耐热性增高；热处理后残存芽孢经培养繁殖和再次形成芽孢后，新形成芽孢的耐热性就较原来的芽孢强。,酵母菌和霉菌的耐热性都不很高，酵母（包括酵母孢子）在100 以下的温度容易被杀死。大多数的致病菌不耐热。,2.微生物生长和细胞（芽孢）形成的环境条件,这方面的因素包括：温度、离子环境、非脂类有机化合物、脂类和微生物的菌龄。长期生长在较高温度环境下的微生物会被驯化，在较高温度下产生的芽孢比在较低温度下产生的芽孢的耐热性强；许多有机物会影响芽孢的耐热性，虽然在某些特殊的条件下能得到一些数据，但也很难下一般性的结论；有研究显示低浓度的饱和与不饱和脂肪酸对微生物有保护作用，它使肉毒杆菌芽孢的耐热性提高；关于菌龄对微生物耐热性的影响，芽孢和营养细胞不一样，幼芽孢较老芽孢耐热，而年幼的营养细胞对热更敏感。,3.热处理时的环境条件,热处理时影响微生物耐热性的环境条件有：pH值和缓冲介质、离子环境、水分活性、其他介质成分。由于多数微生物生长于中性或偏碱性的环境中，过酸和过碱的环境均使微生物的耐热性下降，故一般芽孢在极端的pH值环境下的耐热性较中性条件下的差。缓冲介质对微生物的耐热性也有影响，但缺乏一般性的规律。大多数芽孢杆菌在中性范围内耐热性最强，pH值低于5时芽孢就不耐热，此时耐热性的强弱常受其他因素的影响。某些酵母的芽孢的耐热性在pH=4-5时最强。,在磷酸缓冲液中低浓度的Mg2和Ca2十对芽孢耐热性的影响与EDTA和甘氨酞甘氨酸相似，都能降低芽孢的耐热性。食品中低浓度的食盐（低于4%）对芽孢的耐热性有一定的增强作用，但随着食盐浓度的提高（8以上）会使芽孢的耐热性减弱。如果浓度高于14时，一般细菌将无法生长。,其他无机盐对细菌芽孢的耐热性也有影响。氯化钙对细菌芽孢耐热性的影响较食盐弱一些，而苛性钠、碳酸钠或磷酸钠等对芽孢有一定的杀菌力，这种杀菌力常随温度的提高而增强，因此如果在含有一定量芽孢的食盐溶液中加入苛性钠、碳酸钠或磷酸钠时，杀死它们所需要的时间可大为缩短。通常认为这些盐类的杀菌力来自未分解的分子而并不来自氢氧根离子。,芽孢对干热的抵抗能力比湿热的强，如肉毒芽孢杆菌的干芽孢在干热下的杀灭条件是120，120min，而在湿热下为121，4-10min。湿热下的蛋白质变性和干热下的氧化，由于氧化所需的能量高于变性，故在相同的热处理条件下，湿热下的杀菌效果高于干热。糖的存在也会影响细菌芽孢的耐热性，食品中糖浓度的提高会增强芽孢的耐热性。蔗糖浓度很低时对细菌芽孢的耐热性影响很小，高浓度的蔗糖对受热处理的细菌芽孢有保护作用，这是由于高浓度的糖液会导致细菌细胞中的原生质脱水，从而影响了蛋白质的凝固速度以致增强了芽孢的耐热性。除蔗糖外，其它的糖如葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖等的作用并不相同。,食品中的其他成分如淀粉、蛋白质、脂肪等也对芽孢的耐热性有直接或间接的影响，其中淀粉对芽孢耐热性没有直接的影响，但由于包括蛛不饱和脂肪酸在内的某些抑制剂很容易吸附在淀粉上，因此间接地增加了芽孢耐热性。蛋白质中如明胶、血清等能增加芽孢的耐热性。食品中含有少量防腐或抑菌物质会大大降低一般的耐热性。介质中的一些其他成分也会影响微生物的耐热性，如抗菌素、杀菌剂和香辛料等抑菌物质的存在对杀菌会有促进和协同作用。,三、加热对酶的影响,（一）酶和食品的质量酶也会导致食品在加工和贮藏过程中的质量下降，主要反映在食品的感官和营养方面的质量降低。这些酶主要是氧化酶类和水解酶类，包括过氧化物酶、多酚氧化酶、脂肪氧合酶、抗坏血酸氧化酶等。,不同食品中所含的酶的种类不同，酶的活力和特性也可能不同。以过氧化物酶为例，在不同的水果和蔬菜中酶活力相差很大，其中辣根过氧化物酶的活力最高，其次是芦笋、马铃薯、萝卜、梨、苹果等，蘑菇中过氧化物酶的活力最低。与大多数蔬菜相比，水果具有较低的过氧化物酶活力。又如大豆中的脂肪氧合酶相对活力最高，绿豆和豌豆的脂肪氧合酶活力相对较低。,过氧化物酶在果蔬加工和保藏中最受人关注。由于它的活力与果蔬产品的质量有关，还因为过氧化物酶是最耐热的酶类，它的钝化作为热处理对酶破坏程度的指标。当食品中过氧化物酶在热处理中失活时，其他酶以活性形式存在的可能性很小。但最近的研究也提出，对于某些食品（蔬菜）的热处理灭酶而言，破坏导致这些食品质量降低的酶，如豆类中的脂肪氧合酶较过氧化物酶与豆类变味的关系更密切，对于这些食品的热处理以破坏脂肪氧合酶为灭酶指标更合理。,（二）酶的最适温度和热稳定性,酶活性一温度关系曲线是在除了温度变化以外，其他均为标准的条件下进行一系列酶反应而获得的。在酶活性一温度关系曲线中的温度范围内，酶是“稳定”的，这是因为实际上不可能测定瞬时的初始反应速率。酶的耐热性的测定则首先是将酶（通常不带有底物）在不同的温度下保温，其他条件保持相同，按一定的时间间隔取样，然后采用标准的方法测定酶的活性。热处理的时间通常远大于测定分析的时间。,pH值、水分含量、加热速率等热处理的条件参数也会影响酶的热失活。从上述的酶的耐热性参数可以看出，热处理时的pH值直接影响着酶的耐热性。一般食品的水分含量愈低，其中的酶对热的耐性愈高，谷类中过氧化物酶的耐热性最明显地体现了这一点。这意味着食品在干热的条件下灭酶的效果比较差。加热速率影响到过氧化物酶的再生，加热速率愈快，热处理后酶活力再生的愈多。,采用高温短时（HTST）的方法进行食品热处理时，应注意酶活力的再生。食品的成分，蛋白质、脂肪、碳水化合物等都可能会影响酶的耐热性，如糖分能提高苹果和梨中过氧化物酶的热稳定性。,四、加热对食品营养成分和感官品质的影响,加热对食品成分的影响可以产生有益的结果，也会造成营养成分的损失。热处理可以破坏食品中不需要的成分，如禽类蛋白中的抗生物素蛋白、豆科植物中的胰蛋白酶抑制素。热处理可改善营养素的可利用率，如淀粉的糊化和蛋白质的变性可提高其在体内的可消化性。加热也可改善食品的感官品质，如美化口味、改善组织状态、产生可爱的颜色等。,加热对食品成分产生的不良后果也是很明显的，这主要体现在食品中热敏性营养成分的损失和感官品质的劣化。如热处理虽然可提高蛋白质的可消化性，但蛋白质的变性使蛋白质（氨基酸）易于和还原糖发生美拉德反应而造成损失。对于碳水化合物和脂肪，人们一般不考虑它们在热处理中的损失量，而对其降解反应产物的有关特性特别注意。如还原糖焦糖化反应产物的毒性等。,热处理造成营养素的损失研究最多的对象是维生素。脂溶性的维生素一般比水溶性的维生素对热较稳定。通常的情况下，食品中的维生素C、维生素B1、维生素D和泛酸对热最不稳定。对热处理后食品感官品质的变化，人们也尽可能采用量化的指标加以反映。食品营养成分和感官品质指标对热的耐性也主要取决于营养素和感官指标的种类、食品的种类，以及pH值、水分、氧气含量和缓冲盐类等一些热处理时的条件。,第三节 食品热处理条件的选择与确定,一、食品热处理方法的选择热处理的作用效果不仅与热处理的种类有关，而且与热处理的方法有关。也就是说，满足同一热处理目的的不同热处理方法所产生的处理效果可能会有差异。以液态食品杀菌为例，低温长时和高温短时杀菌可以达到同样的杀菌效果（巴氏杀菌），但两种杀菌方法对食品中的酶和食品成分的破坏效果可能不同。,杀菌温度的提高虽然会加快微生物、酶和食品成分的破坏速率，但三者的破坏速率增加并不一样，其中微生物的破坏速率在高温下较大。因此采用高温短时的杀菌方法对食品成分的保存较为有利，尤其在超高温瞬时灭菌条件下更显著，但此时酶的破坏程度也会减小。此外，热处理过程还需考虑热的传递速率及其效果，合理选择实际行之有效的温度及时间条件。,选择热杀菌方法和条件时应遵循下列基本原则，首先，热处理应达到相应的热处理目的。以加工为主的，热处理后食品应满足热加工的要求，以保藏为主要目的的，热处理后的食品应达到相应的杀菌、钝化酶等目的。其次，应尽量减少热处理造成的食品营养成分的破坏和损失。热处理过程不应产生有害物质，满足食品卫生的要求。热处理过程要重视热能在食品中的传递特征与实际效果。,二、热能在食品中的传递,对于热杀菌而言，具体的热处理过程可以通过两种方法完成。一种是先用热交换器将食品杀菌并达到商业无菌的要求，然后装入经过杀菌的容器并密封；另一种是先将食品装入容器，然后再进行密封和杀菌。前一种方法多用于流态食品，由于热处理是在热交换器中进行，传热过程可以通过一定的方法进行强化，传热也呈稳态传热；后一种方法是传统的罐头食品加工方法。传热过程热能必须通过容器后才能传给食品，容器内各点的温度随热处理的时间而变，属非稳态传热，而且传热的方式与食品的状态有关，传热过程的控制较为复杂。,（一）罐头容器内食品的传热影响容器内食品传热的因素包括：表面传热系数；食品和容器的物理性质；加热介质（蒸汽）的温度和食品初始温度之间的温度差；容器的大小。对于蒸汽加热的情况，通常认为其表面传热系数很大（相对于食品的导热性而言），此时传热的阻力主要来自包装及食品。对金属包装食品来说，传热时热穿透的速率取决于容器内食品的传热机制。对于粘度不很高的液体或汤汁中含有小颗粒固体的食品，传热时食品会发生自然对流，热穿透的速率较快，而且此时的对流传热还可以通过旋转或搅拌罐头来加强，如旋转式杀菌设备。容器内装的是特别黏稠的液态食品或固态食品时，食品中的传热主要以传导的方式进行，其热穿透的速率较慢。,还有一些食品的传热可能是混合形式的，当食品的温度较低时，传热为热传导，而食品的温度升高后，传热可能以对流为主。这类食品的热穿透速率随传热形式的变化而发生变化。,要准确地评价罐头食品在热处理中的受热程度，必须找出能代表罐头容器内食品温度变化的温度点，通常人们选罐内温度变化最慢的冷点（Cold point）温度，加热时该点的温度最低（此时又称最低加热温度点，Slowest heating point），冷却时该点的温度最高。罐头冷点的位置与罐内食品的传热情况有关。对于传导传热方式的罐头，由于传热的过程是从罐壁传向罐头的中心处，罐头的冷点在罐内的几何中心。对于对流传热的罐头，由于罐内食品发生对流，热的食品上升，冷的食品下降，罐头的冷点将向下移，通常在罐内的中心轴上、罐头几何中心之下的某一位置。而传导和对流混合传热的罐。其冷点在上述两者之间。,（二）评价热穿透的数据,测定热处理时传热的情况，应以冷点的温度变化为依据。通常测温仪是用铜-康铜为热电偶，利用其两点上出现温度差时测定其电位差，再换算成温度的原理。测温头可以预先安装在罐内的两点位置上，然后装内容物并封罐，也可以采用先装罐封罐后再打孔将热电偶测温头插入罐头内。,前者的优点是完全可以达到所测定点的位置。特别是对各种块状的固体物，可使热电偶的测温头插入食品固体物内部的不同位置上，另一优点是不会破坏罐头原有的真空度，使测得的传热情况基本上和实罐一致。而后者则往往只能固定在罐内一定部位（如冷点处），不易插入固体物内，即使插入，也很难控制在预定部位，这为获得正确和满意的数据带来困难。,传热曲线是将测得罐内冷点温度（TP）随时间的变化画在半对数坐标上所得的曲线。,三、食品热处理条件的确定,为了知道食品热处理后是否达到热处理的目的，热处理后的食品必须经过测试，检验食品中微生物、酶和营养成分的破坏情况以及食品质量因素（色、香、味和质感）的变化。如果测试的结果表明热处理的目的已达到，则相应的热处理条件即可确定。现在也可以采用数学模型的方法通过计算来确定热处理的条件，但这一技术尚不能完全取代传统的实验法，因为计算法的误差需要通过实验才能校正，而且作为数学计算法的基础，热处理对象的耐热性和热处理时的传热参数都需要通过实验取得。,下面以罐头食品的热杀菌为主，介绍热处理条件的确定方法。（一）确定食品热杀菌条件的过程确定食品热杀菌条件时，应考虑影响热杀菌的各种因素。食品的热杀菌以杀菌和抑酶为主要目的，应基于微生物和酶的耐热性，并根据实际热处理时的传热情况，确定达到杀菌和抑酶的最小热处理程度。,（二）食品热杀菌条件的计算食品热杀菌的条件主要是杀菌值和杀菌时间，目前广泛应用的计算方法有3种：改良基本法、公式法和列线图解法。1改良基本法1920年比奇洛（Bigelow）首先创立了罐头杀菌理论，提出推算杀菌时间的基本法（The general mathod），又称基本推算法。该方法提出了部分杀菌率的概念，它通过计算包括升温和冷却阶段在内的整个热杀菌过程中的不同温度一时间组合时的致死率，累积求得整个热杀菌过程的致死效果。1923年鲍尔（Ball）根据加热杀菌过程中罐头中心所受的加热效果用积分计算杀菌效果的方法，形成了改良基本法（Improved general method)。该法提高了计算的准确性，成为一种广泛使用的方法。,在杀菌过程中，食品的温度会随着杀菌时间的变化而不断发生变化，当温度超过微生物的致死温度时，微生物就会出现死亡。温度不同，微生物死亡的速率不同。在致死温度停留一段时间就有一定的杀菌效果。可以把整个杀菌过程看成是在不同杀菌温度下停留一段时间所取得的杀菌效果的总和。比奇洛首先提出了部分杀菌量（Partial sterility）的概念。,杀菌值又称F值，是指在一定的致死温度下将一定数量的某种微生物全部杀死所需的时间（min)。由于微生物的种类和温度均为特指，通常F值要采用上下标标注，以便于区分，即。一般将标准杀菌条件下的杀菌值记为F0。,对于罐头的杀菌而言，要求达到的杀菌程度为商业无菌(Commercial sterility）。经过试验，人们确定了罐头食品杀菌达到商业无菌的理论杀菌值：FTRTnnD上式中的递减指数n因不同的对象菌而不同，如对于低酸性食品在标准杀菌条件(121.1）下进行杀菌时，当对象菌是PA3679菌时，5；对象菌是嗜热脂肪芽孢杆菌时，n6；对象菌是肉毒梭状芽孢杆菌时，n12。,2.公式计算法,此法是由鲍尔提出，后经美国制罐公司热工学研究组简化，用来计算简单型和转折型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罐内容物温度的变化在半对数坐标纸上所绘出的加热曲线，以及杀菌结束冷却水立即进入杀菌锅进行冷却的曲线才能进行推算并找出答案。它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，还容易在计算中发生错误，又要求加热曲线必须呈有规则的简单型加热曲线或转折型加热曲线，才能求得较正确的结果。,（三）食品热杀菌条件的确定,1实罐试验一般情况下罐头食品经热力杀菌处理后，其感官品质将下降，但如果采用高温短时杀菌，可加速罐内传热速率，从而使内容物感官品质变化减小，同时还提高了杀菌设备的利用率。以满足理论计算的杀菌值（F0）为目标，可以有各种不同杀菌温度一时间的组合，实罐试验的目的就是根据罐头食品质量、生产能力等综合因素选定杀菌条件。,某些产品选用低温长时间的杀菌条件可能更合适些。例如，属于传导传热型的非均质态食品，若选用高温短时杀菌条件，常会因为传热不均匀而导致有些个体食品中出现F0值过低的情况，并有杀菌不足的危险。计算杀菌条件时，如lgg1，表明杀菌结束时冷点温度和杀菌温度差将超过10。这就表明传热速率很缓慢，邻近冷点食品受热不足，而邻近罐壁的部分食品则受热过度。,2.实罐接种的杀菌试验,实罐试验时在根据产品感官质量最好和经济上又最合理所选定的温度一时间组合成最适宜的杀菌条件基础上，为了确证所确定（理论性）杀菌条件的合理性，往往还要进行实罐接种的杀菌试验。将常见导致罐头腐败的细菌或芽孢定量接种在罐头内，在所选定的杀菌温度中进行不同时间的杀菌，再保温检查其腐败率。根据实际商业上一般允许罐头腐败率为0.01%来计算。如检出的正确率为95，实罐试验数应达29，960罐之多。当然不可能用数量如此大的罐头来做试验，经济上也不合理。,因此，常采用将耐热性强的腐败菌接种于数量较少的罐头内进行杀菌试验，借以确证杀菌条件的安全程度。如实罐接种杀菌试验结果与理论计算结果很接近，则对所订杀菌条件的合理性和安全性有了更可靠的保证和高度的信心。此外，对那些用其他方法无法确定杀菌工艺条件的罐头也可用此法确定其合适的杀菌条件。,(1)试验用微生物,通常低酸性食品用耐热性高于肉毒杆菌的梭状产芽孢杆菌(Clostridium sporogenses)PA3679芽孢，pH 3.7的酸性食品用巴氏固氮梭状芽孢杆菌(Clostridium pasteurianum)或凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)芽孢，高酸性食品则用乳酸菌、酵母做试验对象菌。,（2）实罐接种方法,对流传热的产品可接种在罐内任何处，而传导传热产品则不同。根据研究，这类产品的冷点在几何中心处，冷点的受热程度约低10%，因此在计算时要考虑到这一点，总的芽孢数是根据实际测定结果而确定。,(3)试验罐数,如果每一组取试验罐50 只（一般使用于大罐），则正确率为95%时，可求得最小腐败率5%-6%。这样的试样量是必需的，最好每组取试验罐100只或更多一些，则可求得更小的腐败率。另外应有空白对照样。品质鉴评样、传热测定可用25-50罐。,(4)试验分组,根据杀菌条件的理论计算，按杀菌时间的长短至少分为5组,其中1组为杀菌时间最短，试样腐败率达到100%；1组为杀菌时间最长，预计可达0%的腐败率；其余3组的杀菌时间将出现不同的腐败率，通常杀菌时间在30-100min之间，每隔5min为1组，比较理想的是根据F值随温度提高时按对数规律递减情况，F值可按0.5、1.0、2.0、4.0、6.0，确定不同加热时间加以分组。,每次试验要控制为5组，否则罐数太多，封罐前后停留时间过长，将影响试验结果。因此试验要求在一天内完成，并用同一材料。对照组的罐头也应有3-5组，以便核对自然污染微生物的耐热性，同时用来检查核对二重卷边是否良好，罐内净重、沥干重和顶隙度等。还将用6-12罐供测定冷点温度之用。,(5)试验记录,试验时必须对以下内容进行测定并做好记录：接种微生物菌名和编号；接种菌液量、接种菌数和接种方法；各操作时间（如预处理时间、装罐时间、排气、封罐前停留时间等）；热烫温度与时间；装罐温度；装罐重量；内容物豁度（如果它为重要因子）；顶隙度；盐水或汤汁的浓度；热排气温度与时间；封罐和蒸汽喷射条件；真空度（指真空封罐）；封罐时内容物温度；杀菌前罐头初温；杀菌升温时间；杀菌过程中各阶段的温度和时间；杀菌锅上仪表（压力表、水银温度计、温度记录仪）指示值；冷却条件。,3.保温贮藏试验,接种实罐试验后的试样要在恒温下进行保温试验。培养温度依据试验菌的不同而不同。,4.生产线上实罐试验,接种实罐试验和保温试验结果都正常的罐头加热杀菌条件，就可以进入生产线的实罐试验做最后验证。试样量至少100罐以上，试验时必须对以下内容进行测定并做好记录。,四、典型的热处理工艺,（一）工业烹饪1.焙烤焙（Baking）和烤（Roasting）基本上是相同的单元操作，它们都是以高温热来改变食品的食用特性。两者的区别在于烘焙主要用于面制品和水果，而烧烤主要针对肉类、坚果和蔬菜。焙烤也可达到一定的杀菌和降低食品表面水分活性的作用，使制品有一定的保藏性。但焙烤食品的贮藏期一般较短，结合冷藏和包装可适当地延长贮藏期。,焙烤过程中的传热存在着传导、对流和热辐射等多种形式。烤炉的炉壁通过热辐射向食品提供反射热能，远红外线辐射则通过食品对远红外线吸收以及远红外线与食品的相互作用产生热能。,传导通常是通过载装食品的模盘传给食品，模盘一般与烤炉的炉底或传送带接触，增加模盘与食品间的温度差可加快焙烤的速率。烤炉内自然或强制循环的热空气、水蒸气或其他气体则起到对流传热的作用。,食品在烤炉中焙烤时，水分从食品表面蒸发逸出并被空气带走，食品表面与食品内部的湿度梯度导致食品内部的水分向食品表面转移，当食品表面的水分蒸发速率大于食品内部的水分向食品表面转移速率时，蒸发的区域会移向食品内部，食品表面会干化，食品表面的温度会迅速升高到热空气的温度（110-240），形成硬壳（Crust）。,食品焙烤时的加热方式有直接加热法和间接加热法。直接加热法通过直接燃烧燃料来加热食品，可通过控制燃烧的速率和热空气的流速来调节温度。此方法加热时间短，热效率高，容易控制，而且设备的启动时间短。但产品可能会受到不良燃烧产物的污染，燃烧室也需定期的维护以保持其高效运作。间接加热法通过燃烧燃料加热空气或产生蒸汽，蒸汽也可由锅炉提供。空气或蒸汽通过加热管（走管内）加热焙烤室内的空气和食品。燃烧气体可以通过位于烘炉内的辐射散热器散热，也可在烘炉壁的夹层中通过来加热炉内的空气和食。通过电加热管（板）加热也属于间接加热法。此法卫生条件好，安全性高。,2.油炸,油炸也主要是为了提高食品的食用品质而采用的一种热处理手段。通过油炸可以产生油炸食品特有的色、香、味和质感。油炸处理也有一定的杀菌、灭酶和降低食品水分活性的作用。油炸食品的贮藏性主要由油炸后食品的水分活性所决定。,当食品被放入热油中，食品表面层的温度会很快升高，水分也会迅速蒸发。其传热传质的情况与焙烤时的情况相似，传热的速率取决于油和食品之间的温度差，热穿透的速率则由食品的导热特性决定。油炸后食品表面形成的硬壳呈多孔结构，里面具有大小不同的毛细管，油炸时水和水蒸气从较大的毛细管逸出，其位置被油取代。紧贴食品表面的边界层的厚度决定了传热传质的快慢，边界层的厚度又与油的黏度和速率有关。,食品获得完全油炸的时间取决于食品的种类、油的温度、油炸的方法、食品的厚度（大小）和所要达到的食用品质。对于一些有可能污染致病菌的食品（如肉类），如果要通过油炸取得杀菌的作用，油炸时必须使食品内部受到足够的热处理程度。,油炸温度的选择主要由油炸工艺的经济性和希望达到的油炸效果所决定。温度高，时间一般较短，设备的生产能力也相对较高。但温度高会加速油脂降解成游离脂肪酸，这会改变油的黏度、风味和色泽，这样会增加换油的次数，加大油的消耗。另一经济方面的损失是食品在高温产生的一些不良变化，食品中的含油量也会提高。丙烯醛是高温时产生的降解物，它在油的上方产生蓝色的烟雾，造成空气污染。,油炸温度的选择还取决于油炸后食品希望达到的油炸效果。一些食品（如炸面圈、炸鱼和家禽等）油炸时油的温度较高，油炸的时间较短，油炸后食品表面形成硬壳，但食品内部水分含量仍较高，食品在贮藏过程中由于水分和油脂的扩散，食品表面很快会变软，因此不耐贮藏。,按照油和食品接触的情况可分,浅层油炸,油浴油炸,浅层油炸（Shallow frying）是一种接触式油炸，它通过浅盘加热面上的薄油层及食品，其传热主要为传导传热。适合于单位体积表面积较大、且表面较为规则的食品。油炸时油层的厚度视食品表面的规则程度而定。由于油层和蒸汽气泡将食品托起于加热面，使油炸食品表面各处温度可能不同，食品表面褐变呈不规则状。,深层油炸，或称油浴油炸（Deep-fat frying），食品浸没于加热油中进行油炸，其传热既有传导，也有对流。适合于各种形状的食品，但不规则状食品耗油较多。,（二）热烫,热烫具有杀菌、排除食品物料中的气体、软化食品物料以便于装罐等作用。蔬菜和水果的热烫还可结合去皮、清洗和增硬等处理形式同时进行。根据其加热介质的种类和加热方式的情况，目前使用的热烫方法可分为：热水热烫（Hot-water blanching）、蒸汽热烫（Steam blanching)、热空气热烫(Hot-air blanching)和微波热烫（Microwave blanching）等。其中又以热水热烫和蒸汽热烫较为常用。,热水热烫采用热水作为加热和传热的介质，热烫时食品物料浸没于热水中或将热水喷淋到食品物料上面。这种方法传热均匀，热利用率较高，投资小，操作易控制，对物料有一定的清洗作用。食品中的水溶性成分（包括维生素、矿物质和糖类等）易大量损失，耗水量大，产生大量废水。,蒸汽热烫是用蒸汽直接喷向食品物料，这种方法克服了热水热烫的一些不足。食品物料中的水溶性成分损失少，产生的废水少或基本上无废水。设备投资较热水法大，大量处理原料时可能会传热不均，热效率较热水法低，热烫后食品重量上有损失。,热空气热烫通常采用空气和水蒸气混合（沸腾床式）加热。热处理时间短，食品的质量较好，无废水，有一定的物料混合作用。设备较复杂，操作要求高，多处于研究阶段。微波热烫则是采用微波直接作用于食品物料并产生热能，其热效率高，时间短，对食品中的营养成分破坏小，无废水，和蒸汽结合使用可降低成本，缩短热烫时间。设备投资较大，成本高。,（三）热挤压,热挤压是指物料在挤压过程中还受到热的作用。挤压过程中的热可以由挤压机和物料自身的摩擦和剪切作用产生，也可由外热导入。热能使物料的温度上升，发生“蒸煮”作用。特点：生产工艺简单、热效率高、可连续化生产、应用的物料范围广、产品形式多、投资少、生产费用低以及无副产物产生等。,根据挤压过程各阶段的作用和挤压食品的变化，挤压过程一般可分为：输送混合、压缩剪切、热熔均压和成型膨化等阶段，但每一段之间的变化有时很难分清楚。物料质构上的变化主要发生在压缩剪切、热熔均压和成型膨化等阶段。,热挤压中的蒸煮作用是一种典型的热处理，它使食品物料中的淀粉质组分发生水合、糊化和凝胶化，使蛋白质组分发生水合和变性，氨基酸和还原糖发生美拉德反应等作用，此外它还具有一般热处理的杀菌、灭酶以及对物料中的抗营养因子的破坏作用等。,根据挤压过程中剪切力的大小可将挤压机分为高剪切力和