孫彥琳 蘇樹朋 韓立英 江 舒

(山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌裝置的研發(fā)

孫彥琳 蘇樹朋 韓立英 江 舒

(山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

高壓CO2殺菌和超高壓均質(zhì)殺菌都是非常有前途的非熱殺菌技術(shù)。為了進(jìn)一步提升其殺菌能力，把高壓CO2殺菌與超高壓均質(zhì)殺菌有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)建一個(gè)新型的高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)，并對(duì)其工作原理、工作特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，搭建協(xié)同殺菌試驗(yàn)平臺(tái)。通過釀酒酵母的殺菌試驗(yàn)，驗(yàn)證了協(xié)同殺菌系統(tǒng)優(yōu)于單一的高壓CO2殺菌或超高壓均質(zhì)殺菌。

高壓CO2；超高壓均質(zhì)；協(xié)同殺菌；釀酒酵母

加熱殺菌是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的殺菌技術(shù)，但是其存在著食品顏色和口味變化、香氣消失、營(yíng)養(yǎng)破壞和質(zhì)構(gòu)變化等問題，已無法滿足既要保持產(chǎn)品的高品質(zhì)又要確保殺菌的多重要求[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些非熱殺菌高新技術(shù)[2]應(yīng)運(yùn)而生，成為目前食品領(lǐng)域研究的一個(gè)焦點(diǎn)。在非熱殺菌技術(shù)當(dāng)中，高壓殺菌技術(shù)是近年來引起世界廣泛關(guān)注的一類新型殺菌方法,其工作原理主要是利用壓力或引起的次級(jí)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微生物的致死，其主要包括超高靜壓殺菌技術(shù)[2]、超高動(dòng)壓殺菌(超高壓均質(zhì))技術(shù)[3]、高壓CO2殺菌技術(shù)[4]。

高壓CO2(high pressure carbon dioxide，HPCD)殺菌技術(shù)就是近年來引起世界廣泛關(guān)注的新型殺菌方法，是指CO2在一定壓力作用下，能殺死食品中的微生物，鈍化食品中的內(nèi)源酶，達(dá)到殺菌保鮮的目的[4-6]。超高壓均質(zhì)殺菌技術(shù)，也稱為瞬時(shí)高壓殺菌技術(shù)或動(dòng)力殺菌技術(shù)，也是最近發(fā)展起來的一種新型殺菌技術(shù)，其機(jī)理主要是液態(tài)物料在超高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)受到高速撞擊、湍流、壓力瞬間釋放等強(qiáng)烈的物理作用，使料液中的細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和改變，從而失去或鈍化其生物活性，達(dá)到殺菌目的[3,7-8]。

然而，這些非熱殺菌方法仍存在殺菌條件要求高、殺菌不徹底等缺陷，影響了食品超高壓殺菌技術(shù)的開發(fā)和利用。盡管CO2殺菌技術(shù)能夠殺滅絕大多數(shù)微生物，但對(duì)某些微生物的滅活效果卻不盡人意，往往需要過長(zhǎng)的處理時(shí)間或更高的溫度和壓力，限制了它的應(yīng)用[9-11]。超高壓均質(zhì)殺菌技術(shù)要達(dá)到較好的殺菌效果，需要較高的高壓均質(zhì)壓力，而高均質(zhì)壓力產(chǎn)生的溫升問題較為嚴(yán)重，又不符合非熱殺菌的要求[8]。為了拓展超高壓殺菌技術(shù)的應(yīng)用范圍，迫切需要新的手段來提高其殺菌效果和效率。采用多種技術(shù)的協(xié)同殺菌有望成為解決目前非熱殺菌技術(shù)問題的有效途徑。本研究擬將高壓CO2殺菌與超高壓均質(zhì)殺菌有機(jī)結(jié)合起來，提出了一種新型的高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)，對(duì)其工作原理、工作特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成及其試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并以釀酒酵母的滅活試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。

1 工作原理及特點(diǎn)

高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)是在常規(guī)的高壓CO2靜態(tài)殺菌技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了超高壓均質(zhì)殺菌處理環(huán)路，由靜態(tài)殺菌變成了動(dòng)態(tài)殺菌。其工作原理見圖1，工作時(shí)，高壓容器中的食品料液在高壓CO2作用下進(jìn)行殺菌處理的同時(shí)，部分料液和CO2的混合相進(jìn)入環(huán)路進(jìn)行超高壓均質(zhì)殺菌處理，處理后的料液CO2混合相又會(huì)重新回到高壓容器，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同殺菌處理。

圖1 高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌原理圖Figure 1 The schematic diagram of the sterilization system combining HPCD and HPH

高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)在高壓CO2殺菌技術(shù)的基礎(chǔ)上引入超高壓均質(zhì)處理環(huán)路，因而具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 具有傳質(zhì)快速、強(qiáng)化CO2與微生物接觸、阻止微生物聚集等優(yōu)點(diǎn)。CO2與微生物細(xì)胞的充分接觸是高壓CO2殺菌獲得較佳殺菌效果的重要條件[9]。在協(xié)同殺菌過程中，料液與CO2的混合相經(jīng)過高壓均質(zhì)處理后，兩相可實(shí)現(xiàn)充分均質(zhì)混合，使得CO2與料液中的微生物充分接觸而實(shí)現(xiàn)快速傳質(zhì)。另外，在靜態(tài)高壓CO2殺菌時(shí)，過高密度的CO2易使微生物團(tuán)聚阻礙CO2與其接觸而削減殺菌作用[10]，而協(xié)同殺菌可通過高壓均質(zhì)操作破壞微生物積聚。

(2) 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加壓/泄壓循環(huán)。加壓/泄壓循環(huán)能夠強(qiáng)化對(duì)微生物細(xì)胞的機(jī)械破碎和改善CO2傳質(zhì)效果，是強(qiáng)化微生物滅活的重要手段[11]。協(xié)同殺菌中的高壓均質(zhì)處理可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加壓/泄壓循環(huán)，其壓力差為高壓均質(zhì)壓力和高壓容器壓力之差。

(3) 強(qiáng)化微生物細(xì)胞的機(jī)械破壞。微生物外殼是其抵抗外界影響的重要屏障，而不同微生物對(duì)高壓CO2殺菌處理的敏感程度與微生物細(xì)胞外殼的強(qiáng)度密切相關(guān)[8]。而高壓均質(zhì)處理的一個(gè)重要功能就是細(xì)胞破壁，因此協(xié)同殺菌中的高壓均質(zhì)處理可強(qiáng)化微生物細(xì)胞外殼的機(jī)械破壞，從而造成其損傷和死亡。

2 結(jié)構(gòu)組成

依據(jù)高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌系統(tǒng)的工作原理，構(gòu)建了協(xié)同殺菌試驗(yàn)平臺(tái)，并制作了相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成見圖2，試驗(yàn)樣機(jī)見圖3。其結(jié)構(gòu)主要由CO2儲(chǔ)罐1、過濾器2、CO2增壓泵3、高壓殺菌罐4、換熱夾套5、均質(zhì)高壓泵6、均質(zhì)閥7、閥內(nèi)冷卻器8、熱交換器E1～E3、減壓閥V1、高壓切換閥V2～V7、安全閥V8、壓力表P1～P3、溫度計(jì)T1～T4等組成。其主體結(jié)構(gòu)可分為CO2產(chǎn)生輸送單元、高壓殺菌罐、超高壓均質(zhì)單元、溫度控制單元和高溫滅菌單元。

1. CO2儲(chǔ)罐 2. 過濾器 3. CO2增壓泵 4. 高壓殺菌罐 5. 換熱夾套 6. 均質(zhì)高壓泵 7. 均質(zhì)閥 8. 閥內(nèi)冷卻器 E1～E3. 熱交換器 V1. 減壓閥 V2～V7. 高壓切換閥 V8. 安全閥 P1～P3. 壓力表 T1～T4. 溫度計(jì)

圖3 協(xié)同殺菌試驗(yàn)樣機(jī)Figure 3 The experimental prototype of the combining sterilization equipment

高密度CO2產(chǎn)生輸送單元主要為動(dòng)態(tài)高壓CO2殺菌系統(tǒng)提供相應(yīng)壓力的CO2。其產(chǎn)生和輸送過程是，從CO2儲(chǔ)罐中出來的氣態(tài)CO2，經(jīng)過濾器過濾，換熱器改變溫度或液體相態(tài)，再經(jīng)增壓泵加壓，從而使高壓殺菌罐獲得相應(yīng)殺菌壓力的CO2。所開發(fā)的殺菌系統(tǒng)采用氣態(tài)增壓輸送形式，CO2增壓裝置采用德科DT25氣體增壓泵，壓縮比為15∶1，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。

高壓殺菌罐是殺菌系統(tǒng)的核心裝置，由高壓殺菌罐蓋和高壓殺菌罐體兩部分組成。殺菌罐蓋與罐體通過細(xì)牙螺紋連接，密封采用O形密封圈密封，密封材料為氟橡膠。高壓殺菌罐體為夾套式容器，內(nèi)部為圓柱孔腔，底面為圓錐面，利于卸料，罐體底部連接出料口。外部夾套與外部恒溫槽連接，實(shí)現(xiàn)高壓殺菌罐體的溫度調(diào)節(jié)和控制。

高壓均質(zhì)單元采用ATS工業(yè)系統(tǒng)公司生產(chǎn)的AH2010高壓均質(zhì)機(jī)。其最大工作壓力可達(dá)200 MPa，流量數(shù)顯可調(diào)控制為5～10 L/h，最小處理量為30 mL，且物料無殘留。所有接觸物料管道均為316L材質(zhì)，且配備了與高壓殺菌罐連接的高壓連接接口，實(shí)現(xiàn)了與高壓殺菌罐的無縫連接。

高壓均質(zhì)工作過程中，隨著均質(zhì)壓力的提高，物料升溫嚴(yán)重，要達(dá)到非熱殺菌效果，需要對(duì)其高壓均質(zhì)環(huán)路進(jìn)行冷卻。溫度控制單元主要包括高壓殺菌罐溫度控制和高壓均質(zhì)區(qū)域的低溫冷卻兩部分。高壓殺菌罐的溫度控制采用夾套換熱形式，罐體的夾套結(jié)構(gòu)與寧波新芝的低溫恒溫槽連接，其溫度控制范圍-20～100℃。高壓均質(zhì)區(qū)域的低溫冷卻采用AH2010附加的內(nèi)置冷卻器與低溫恒溫槽連接的形式，其冷卻溫度最低為-20℃。

高溫滅菌單元主要為動(dòng)態(tài)高壓CO2殺菌裝置提供良好的無菌環(huán)境，是研究目標(biāo)微生物滅菌效果及其機(jī)理的重要前提。本試驗(yàn)系統(tǒng)主要采用高壓滅菌鍋與協(xié)同殺菌裝置串聯(lián)的形式，通過高壓滅菌鍋產(chǎn)生的高壓蒸汽對(duì)高壓殺菌罐和高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)超高溫滅菌。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

酵母菌是分布于果蔬表面的主要微生物，也是引起果蔬及其果蔬汁變質(zhì)的主要腐敗菌。本研究以釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)ATCC9763為目標(biāo)菌，對(duì)比研究單純高壓CO2殺菌、單純超高壓均質(zhì)殺菌與協(xié)同殺菌不同的殺菌效果。

對(duì)釀酒酵母液體培養(yǎng)物進(jìn)行離心分離(3 000 r/min，5 min)，棄上清，用無菌PBS緩沖液重懸，制備濃度為1×107～1×108CFU/mL的菌懸液作為測(cè)試菌液，然后進(jìn)行不同殺菌方式的殺菌試驗(yàn)。高壓CO2殺菌條件：處理料液體積為100 mL，CO2壓力為8 MPa，罐體料液溫度為35℃，殺菌時(shí)間為30 min；超高壓均質(zhì)殺菌條件：處理料液體積為100 mL，均質(zhì)壓力為150 MPa，罐體料液溫度為35℃，均質(zhì)閥冷卻溫度為0℃，殺菌時(shí)間為30 min；協(xié)同殺菌條件：處理料液體積為100 mL，CO2壓力為8 MPa，均質(zhì)壓力為150 MPa，罐體料液溫度為35℃，均質(zhì)閥冷卻溫度為0℃，殺菌時(shí)間為30 min。采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)其處理液進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，殺菌效果采用處理前后釀酒酵母存活數(shù)目的對(duì)數(shù)比值[lg (N0/N)]進(jìn)行表示,其中，N0為處理前的初始微生物數(shù)量(CFU/mL)，N為處理后的微生物數(shù)量(CFU/mL)。

協(xié)同殺菌與單純高壓CO2殺菌、單純超高壓均質(zhì)殺菌的試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知，在基本試驗(yàn)條件相同的情況下，高壓均質(zhì)殺菌處理，釀酒酵母菌落數(shù)平均下降1.77個(gè)數(shù)量級(jí)；高壓CO2殺菌處理，釀酒酵母菌落數(shù)平均下降1.92個(gè)數(shù)量級(jí)；而協(xié)同殺菌處理的效果遠(yuǎn)優(yōu)于前兩者，其釀酒酵母菌落數(shù)平均下降3.92個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)論

基于高壓CO2殺菌和超高壓均質(zhì)殺菌各自的殺菌特點(diǎn)，構(gòu)建了一種新型的高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)，并依據(jù)其工作特點(diǎn)，搭建了協(xié)同殺菌試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)釀酒酵母的滅活進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在殺菌條件基本一致的情況下，協(xié)同殺菌技術(shù)的殺菌能力遠(yuǎn)優(yōu)于單一的高壓CO2殺菌和超高壓均質(zhì)殺菌技術(shù)，這有望為非熱殺菌技術(shù)的開發(fā)提供新的路徑。本研究?jī)H對(duì)高壓CO2與超高壓均質(zhì)協(xié)同殺菌技術(shù)的開發(fā)進(jìn)行了初步探索，還有更多的問題需要繼續(xù)深入研究，例如其它致病菌或腐敗菌的殺菌效果如何，協(xié)同殺菌技術(shù)對(duì)食品基質(zhì)的影響，其致死細(xì)菌的主要?dú)⒕鷻C(jī)制等。

圖4 殺菌方式對(duì)釀酒酵母滅活的影響Figure 4 Effect of different sterilization methods on the inactivation of Saccharomyces cerevisiae

[1] 王允圃, 劉玉環(huán), 阮榕生, 等. 食品熱加工與非熱加工技術(shù)對(duì)食品安全性的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2011, 32(7): 463-467.

[2] 李夢(mèng)穎, 李建科, 何曉, 等. 食品加工中的熱殺菌技術(shù)和非熱殺菌技術(shù)[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學(xué)刊, 2013(8): 109-113.

[3] SUDARSAN M, KIMBERLY S, DIKE U, et al. Inactivation of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes in cantaloupe puree by high hydrostatic pressure with/without added ascorbic acid[J]. International Journal of Food Microbiology, 2016, 35(17): 77-84.

[4] 廖紅梅, 廖小軍, 胡小松. 高壓二氧化碳?xì)⒕鷻C(jī)理研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, 33(19): 387-390.

[5]李靜, 李順峰, 田廣瑞, 等. 高壓二氧化碳處理對(duì)雙孢蘑菇貯藏品質(zhì)的影響[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(2): 101-105.

[6] 張華, 董月強(qiáng), 李星科, 司俊玲. 高密度二氧化碳技術(shù)對(duì)鮮切蓮藕酶活性的影響[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(1): 170-176.

[7] 張晶, 丁芳, 鄒晴晴, 等. 高壓均質(zhì)對(duì)大米蛋白功能特性及物化特性的影響[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(6): 9-12.

[8] ANN M J D, CHRIS W M. High-Pressure homogenization as a non-thermal technique for the inactivation of microorganisms[J]. Critical Reviews in Microbiology, 2006, 32(4): 201-216．

[9] GIOVANNA F, JULIAN S, ANDREAS B, et al. In situ Raman quantification of the dissolution kinetics of carbon dioxide in liquid solutions during a dense phase and ultrasound treatment for the inactivation of Saccharomyces cerevisiae[J]. The Journal of Supercritical Fluids, 2016, 111: 104-111.

[10] MICHEL P. Sterilization and virus inactivation by supercritical fluids (a review)[J]. The Journal of Supercritical Fluids, 2012, 66: 359-371.

[11] JULIANA M S, ALINE A R, IREDE A D. Effect of pressure depressurization rate and pressure cycling on he inactivation of Escherichia coli by supercritical carbon dioxide[J]. Food Control, 2013, 29(1): 76-81.

Development of a combining sterilization equipment of high pressure carbon dioxide treatment and ultra-high pressure homogenization treatment

SUN Yan-linSUShu-pengHANLi-yingJIANGShu

(SchoolofLifeSciences,ShandongNormalUniversity,Jinan,Shandong250014,China)

High pressure carbon dioxide treatment (HPCD) and ultra-high pressure homogenization treatment (HPH) are promising non-thermal sterilization technologies. A new type of combining sterilization technology of HPCD and HPH was developed to enhance the sterilization capabilities. The working principles, characteristics, structural components of the combining sterilization technologies were introduced systematically, and the physical prototype was developed. These three sterilization technologies were evaluated by comparing the inactivation ofSaccharomycescerevisiae, and the test results showed that the combining sterilization technology was better than that of the single one.

High pressure carbon dioxide; ultra high pressure homogenization; combining sterilization; Saccharomyces cerevisiae

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(編號(hào)：2013BSB01439)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201510445221)

孫彥琳，女，山東師范大學(xué)在讀碩士研究生。

蘇樹朋(1980-)，男，山東師范大學(xué)講師，博士。 E-mail:sshpeng@163.com

2016—09—22

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.020