張志剛 蘇永裕 林祥木 胡濤 鄒忠愛

摘 要：殺菌技術作為重要的食品保藏技術，在動物源性食品加工中必不可少，熱殺菌是最經(jīng)濟、應用最為廣泛的殺菌技術。不同于高溫殺菌和低溫殺菌，變溫殺菌（variable retort temperature sterilization，VRTS）技術的殺菌溫度呈現(xiàn)多階段性升高的特點，能夠縮小食品表面與內(nèi)部的溫差，較好保持食品品質，產(chǎn)品亦可實現(xiàn)常溫流通。本文介紹VRTS技術的原理，綜述較常使用的計算機模擬軟件和數(shù)值優(yōu)化方法以及VRTS在保證動物源性食品貨架期、保持其食用品質等方面的應用研究進展，以期為動物源性中式菜肴工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)提供新的技術思路。

關鍵詞：變溫殺菌;熱殺菌;模擬;優(yōu)化;動物源性食品

Abstract： Sterilization is one of the most effective food preservation methods， especially for animal-derived food. Thermal sterilization technologies have been the most economical and most widely employed sterilization technologies in animal-derived food. Unlike high temperature and low temperature sterilization， the variable retort temperature sterilization （VRTS） technology， based on stepwise heating， can reduce the temperature difference between the surface and the interior of food， and better maintain food quality， allowing for food storage at room temperature. This paper reviews the principle of VRTS as well as the commonly used computer simulation software and numerical optimization methods， and summarizes the recent progress in the application of VRTS for ensuring the required shelf life and maintaining the eating quality of animal-derived food， aiming to provide new ideas for the industrialization of Chinese traditional animal-derived dishes.

Keywords： variable retort temperature sterilization; thermal sterilization; simulation; optimization; animal-derived food

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20191016-243

中圖分類號：TS251.51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2019）12-0069-06

動物源性食品是指全部可食用的動物組織及蛋和乳，包括畜禽肉及其制品、水產(chǎn)品及其制品等，是消費者攝取優(yōu)質蛋白質的重要來源[1]。在動物源性食品加工過程中，自身及加工過程中攜帶的微生物，如腐敗菌和致病菌等，不僅影響產(chǎn)品貨架期，還可能危及消費者身體健康，如肉毒梭狀芽孢桿菌可產(chǎn)生肉毒毒素，嚴重時可致肌肉麻痹或神經(jīng)功能不全。

殺菌是食品尤其是動物源性食品加工中必不可少的環(huán)節(jié)，殺菌能夠有效抑制腐敗/致病微生物生長、延長產(chǎn)品貨架期、確保消費者食用安全[2]。近年來，國內(nèi)外學者針對新興非熱殺菌技術，如輻照殺菌[3]、微波殺菌[4]、高壓殺菌[5]、高壓脈沖電場殺菌[6]及脈沖強光殺菌[7]等開展相關研究，但受設備投資、適用食品種類（固態(tài)、液態(tài)等）等限制，熱殺菌仍是動物源性食品加工中最有效、最經(jīng)濟、最便捷且應用最廣泛的技術[8]。根據(jù)殺菌溫度不同，熱殺菌分為高溫殺菌和低溫殺菌。高溫殺菌在殺死微生物的同時，可能帶來食品色香味、質構及營養(yǎng)組分的損失;低溫殺菌的殺菌強度低、產(chǎn)品貨架期短，但冷鏈流通增加了企業(yè)成本[9-10]。變溫殺菌（variable retort temperature sterilization，VRTS）技術作為一種近年來興起的新型熱殺菌技術，在有效抑制微生物生長和提升食品品質方面具有一定優(yōu)勢，產(chǎn)品還可以實現(xiàn)常溫流通。本文簡要介紹VRTS技術的原理，綜述VRTS技術較常使用的計算機模擬優(yōu)化方法及VRTS技術在保證肉制品和水產(chǎn)品貨架期、保持其較好食用品質等方面的應用研究進展，以期為動物源性食品生產(chǎn)企業(yè)優(yōu)化熱殺菌工藝提供指導與借鑒。

1 VRTS技術概述

VRTS是相對恒溫殺菌（constant retort temperature sterilization，CRTS）而言的，低溫殺菌（如80 ℃、30 min）或高溫殺菌（如121 ℃、15 min）均是將食品在某一溫度條件下持續(xù)加熱一段時間，它們均屬于CRTS（圖1A）。VRTS技術又稱階段式升溫殺菌技術（圖1B），是一種基于標準殺菌時間（F0值）殺菌理論與高溫條件下溫度急劇波動微生物易快速致死的原理，通過溫度-壓力平衡、逐級升高殺菌溫度來殺滅微生物的技術[12]。高熱強度CRTS易使受熱食品表面溫度過熱、中心溫度偏低，而VRTS的階段升溫特性能夠縮小食品表面與內(nèi)部的溫差[13]，較好保持食品品質。

2 VRTS技術的數(shù)值模擬與優(yōu)化

動物源性食品殺菌工藝參數(shù)優(yōu)化受原料傳熱特性、尺寸大小、pH值、水分、食品包裝材料和容器（馬口鐵罐、蒸煮袋等）等多種因素影響[14]。VRTS技術涉及多個升溫和/或恒溫階段，動物源性食品原料，如畜禽肉、水產(chǎn)品的傳熱特性各有不同，不同類型包裝容器的傳熱規(guī)律各異，殺菌過程中產(chǎn)品溫度變化也十分復雜，通過大批量實驗驗證得到最優(yōu)VRTS工藝耗時費力、成本較高，借助計算機仿真和分析工具對VRTS過程進行模擬和優(yōu)化則顯得尤為重要。

2.1 VRTS溫度變化函數(shù)

VRTS變溫函數(shù)主要有臺階函數(shù)、斜坡函數(shù)、正弦函數(shù)和指數(shù)函數(shù)等簡單函數(shù)以及拋物線函數(shù)、指數(shù)-臺階聯(lián)合函數(shù)等（圖2）[15-17]。20世紀七八十年代，國外學者開始關注變溫函數(shù)在VRTS過程溫度控制中的應用。1975年，Teixeira等[15]將正弦函數(shù)、臺階函數(shù)和斜坡函數(shù)引入VRTS工藝，用以模擬圓柱形罐頭食品殺菌過程中的溫度變化，但受罐頭傳熱速率限制，3 種函數(shù)得到的VRTS工藝并未顯著提升硫胺素保留率。采用VRTS技術對柱狀罐頭食品進行殺菌時，臺階函數(shù)可較好擬合罐頭食品表面的溫度變化，拋物線函數(shù)對罐頭中心點溫度變化的擬合效果較優(yōu)[17]。對于扁平狀罐頭食品而言，采用斜坡函數(shù)得到的VRTS工藝殺菌效果較好，且蛋氨酸保留率高于CRTS工藝[18]。斜坡函數(shù)也適用于蒸煮袋罐頭食品，Terajima等[19]研究發(fā)現(xiàn)，以相同殺菌效果為前提，基于斜坡函數(shù)的升溫曲線使產(chǎn)品表面品質損失降低30%、體均品質損失降低10%。

正弦函數(shù)和指數(shù)函數(shù)可變參數(shù)少，VRTS工藝優(yōu)化較為簡單，對于參數(shù)較多的多重臺階函數(shù)、多重斜坡函數(shù)，其具有更大的優(yōu)化潛力[20]?？紤]到殺菌鍋的升溫特性，多個簡單函數(shù)的組合在VRTS實際應用方面更具可行性。臺階函數(shù)的驟然升溫在實際生產(chǎn)中難以實現(xiàn)，指數(shù)-臺階聯(lián)合函數(shù)每個階段均分為升溫過程和恒溫過程，將每階段的升溫過程以指數(shù)函數(shù)來實現(xiàn)，每階段的升溫速率越快，其曲線越接近臺階函數(shù)。

2.2 VRTS過程常用的模擬計算方法

Matlab[16]、計算流體動力學軟件包[21-22]、COMSOL Multiphysics[23]等作為食品熱殺菌中使用較為廣泛的數(shù)值模擬軟件，在預測食品殺菌過程溫度分布、冷點、致死率分布規(guī)律等方面具有重要作用。VRTS技術較常使用的數(shù)值模擬計算方法主要有有限差分法、共軛梯度法、神經(jīng)網(wǎng)絡模型與遺傳算法、迭代優(yōu)化法及有限元法等。隨著數(shù)值模擬軟件和計算方法的不斷進步，VRTS工藝模擬優(yōu)化已經(jīng)由早期的單一目標向多目標非線性優(yōu)化發(fā)展[24]，將熱殺菌時間、營養(yǎng)組分（硫胺素等）保留率、蒸煮損失、表面質量率、體均質量率等多個指標作為約束條件對于優(yōu)化VRTS工藝更具實際指導意義。此外，多產(chǎn)品同時殺菌（simultaneous multi-product sterilization，SMPS）是指在同一個殺菌設備中同時對不同種類食品進行滅菌，其在提高食品加工廠生產(chǎn)效率、降低能耗方面具有一定優(yōu)勢，因此，受到不少研究者的關注。Simpson等[25]研究發(fā)現(xiàn)，將SMPS理念應用于CRTS是可行的，但僅限于較低的殺菌溫度，且不同產(chǎn)品具有相似的熱穿透速率系數(shù)，以避免部分產(chǎn)品被過度加熱;而VRTS在SMPS領域的應用靈活性更高，對2 種產(chǎn)品同時殺菌，最佳VRTS工藝較CRTS工藝生產(chǎn)效率提升9%，相較于2 種產(chǎn)品殺菌的生產(chǎn)效率分別提升86%。

有限差分法是計算機數(shù)值模擬最早使用的方法，對圓柱形、蒸煮袋容器食品殺菌過程的模擬精確度較高[26-27]。Durance等[26]基于計算流體動力學軟件建立太平洋鮭魚圓柱狀罐頭熱傳導模型，使用有限差分法和隨機質心映射優(yōu)化法優(yōu)化得到硫胺素損失率最小的VRTS工藝，溫度變化曲線類似斜坡-臺階函數(shù)。共軛梯度法所需存儲量小、步收斂性好、穩(wěn)定性高，是解決大型非線性優(yōu)化的有效算法之一[20]?；谟邢薏罘址ê凸曹椞荻确ǎ琒impson等[28]得到錐臺狀軟包裝鯖魚罐頭最佳VRTS工藝，其升溫曲線類似斜坡函數(shù)，模擬值與實際測量值誤差小于5%。神經(jīng)網(wǎng)絡算法是基于動物神經(jīng)網(wǎng)絡特質建立模型，在輸入單元和輸出單元之間建立直接聯(lián)系;遺傳算法則基于自然進化原理進行檢索、優(yōu)化得到最優(yōu)解。Chen Cuiren等[29]基于神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法，選取正弦函數(shù)和指數(shù)函數(shù)作為熱處理升溫曲線，以最小熱處理時間和最小表面蒸煮損失率為輸出端，對圓柱狀容器罐頭食品VRTS工藝進行擬合與優(yōu)化，結果表明，指數(shù)函數(shù)效果優(yōu)于正弦函數(shù)，最優(yōu)VRTS熱處理時間較CRTS縮短20%，表面蒸煮損失率降低7%～10%。Matlab軟件能夠對熱殺菌過程中涉及的微分方程進行編碼，通過軟件得到最優(yōu)解，該軟件要求使用者有一定的代碼編程基礎。Ansorena等[30]基于熱傳遞模型明確含鹽貽貝罐頭的最慢加熱點，利用Matlab軟件中的fmincon命令，優(yōu)化的指數(shù)函數(shù)式VRTS工藝使硫胺素的保留率較CRTS工藝提升68%。張路遙[16]利用Matlab軟件中的fmincon命令，以熱致死率為約束條件，以表面質量率為目標函數(shù)，通過迭代收斂得到最優(yōu)VRTS工藝。COMSOL Multiphysics是一種以有限元法作為基礎的多物理場仿真軟件，較計算流體力學的應用面更廣。Ansorena等[31]借助COMSOL Multiphysics軟件，基于熱傳遞函數(shù)，建立較為精準的金槍魚罐頭傳熱模型，并對基于正弦函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的VRTS工藝進行模擬優(yōu)化，使COMSOL Multiphysics軟件在VRTS工藝優(yōu)化中的應用成為可能。OPT-PROx作為一種軟件包工具，配備自適應隨機探索算法、懲罰函數(shù)、基于有限差分法的3 次樣條逼近函數(shù)等功能，在CRTS工藝優(yōu)化中也有一定應用[32]。

此外，Banga等[33]將約束函數(shù)與非線性規(guī)劃算法相結合，以表面質量率與體均質量率為目標函數(shù)，建立近似斜坡函數(shù)的VRTS工藝，使表面質量率較CRTS工藝提高20%左右。最大化原則也是VRTS工藝優(yōu)化的一種數(shù)值計算方法[17，34]。Saguy等[34]應用Pontryagin最大化原則得到以硫胺素保留率為目標函數(shù)的圓柱狀罐頭VRTS最優(yōu)工藝，其溫度曲線近似斜坡函數(shù)，硫胺素保留率僅比CRTS工藝提高2%。

3 VRTS技術在動物源性食品中的應用

在動物源性食品熱殺菌過程中，確保殺菌的有效性是重中之重。F值指殺滅指定環(huán)境中一定數(shù)量特定微生物所需的時間，其計算公式[14，35]為，式中，t為殺菌時間/min;T為食品冷點溫度/℃;Tref為微生物熱致死參考溫度，取121 ℃;Z為殺菌時間縮短90%需升高的溫度，為10 ℃。上述條件下計算得到的F值為F0，即標準滅菌時間/min。當前，VRTS技術以實現(xiàn)與CRTS工藝相同的殺菌效果（相同F(xiàn)0值）為前提開展殺菌參數(shù)優(yōu)化研究，對于不同變溫程序對微生物抑制效果的研究報道極少。在保證F0值不變的前提下，通過優(yōu)化變溫函數(shù)盡可能縮短殺菌時間、最大程度保持食品品質、盡可能降低產(chǎn)能消耗是食品生產(chǎn)企業(yè)最為關注的。

國外學者的研究多以VRTS參數(shù)的模擬與優(yōu)化理論研究為主，對實際熱殺菌過程的殺菌效果及產(chǎn)品品質提升等的驗證研究較少。大量模擬優(yōu)化研究雖然從理論上證明了VRTS技術在殺菌和保持食品品質方面的可行性，但值得關注的是，理論優(yōu)化得到的VRTS參數(shù)對殺菌設備要求較高，最優(yōu)升溫函數(shù)在實際熱殺菌過程中可能存在偏差，一定程度上制約了VRTS在動物源性食品加工中的應用。我國學者則借鑒國外的理論研究基礎，重點關注VRTS技術在實際生產(chǎn)中的應用。為推進VRTS技術在食品熱殺菌中的應用，張泓等[36-38]研發(fā)基于溫度-壓力平衡體系的高溫脈動熱水噴淋自動殺菌設備，其升降溫速率快、溫度控制精準度高、溫度分布均勻度高，為VRTS技術在食品生產(chǎn)加工中的應用提供了良好借鑒，相關成果已在工業(yè)化主食食品加工企業(yè)應用。圍繞VRTS技術在實際生產(chǎn)中的應用，研究對象以水產(chǎn)品為主，肉制品為輔。

3.1 水產(chǎn)品

水產(chǎn)品是最早應用VRTS工藝的一類食品，研究應用也比較成熟，已基本實現(xiàn)利用變溫函數(shù)和數(shù)值模擬軟件進行VRTS參數(shù)的優(yōu)化。VRTS技術以應用于水產(chǎn)品罐頭為主，如金槍魚罐頭、鯖魚罐頭、鮭魚罐頭、鳙魚罐頭和鰹魚罐頭等，品質提升指標由最初的VB1擴充到質構特性、風味物質等。Durance等[26]采用VRTS工藝實現(xiàn)鮭魚罐頭VB1的有效保留。在保持鯖魚軟包裝罐頭VB1保留率不變的前提下，VRTS工藝殺菌時間較CRTS工藝縮短26%[28]。張路遙等[39]將指數(shù)-臺階聯(lián)合升溫函數(shù)應用于鳙魚罐頭熱殺菌，最優(yōu)VRTS工藝（93、115、120、125 ℃，每階段持續(xù)10 min）較CRTS工藝（119 ℃、28 min）降低了鳙魚的熱損傷程度，鳙魚罐頭的質構特性、風味成分和感官評價均有明顯提升。高涵等[11]以F0=20 min為參照，優(yōu)化得到4 階段VRTS工藝（105、115、120、125 ℃，每階段持續(xù)2.5 min），經(jīng)熱殺菌的鰹魚罐頭硬度、彈性和內(nèi)聚性分別提高22.8%、6.9%和20.5%，魚肉組織破壞程度小于CRTS工藝。Girard等[40]以F0=8 min為參照，建立基于三重斜坡函數(shù)的VRTS工藝，研究VRTS和CRTS工藝（118.4 ℃、64 min）對鮭魚罐頭揮發(fā)性風味的影響，結果表明，經(jīng)主成分分析和感官評價，2 種殺菌條件下不同類別揮發(fā)性風味物質（烴類、硫化物、醛類、酮類、醇類、呋喃類）差異不顯著，這可能與選取同一類風味物質有關（將烴類物質總含量作為一個變量，而不是某一種風味物質含量），同一種類多種風味物質的加和稀釋了差異顯著性。

近幾年，魚糜制品已經(jīng)成為水產(chǎn)品加工的重要形式之一，占水產(chǎn)品加工總量的近7%[41-42]，魚糜制品經(jīng)較長時間高溫熱殺菌后，蛋白凝膠結構易被破壞，使其凝膠特性下降。馬玉嬋等[43]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)添加轉谷氨酰胺酶結合VRTS工藝（40 ℃、60 min，100 ℃、30 min）處理的草魚魚糜制品，其白度、彈性和凝膠強度顯著增強。

3.2 肉制品

VRTS技術在肉制品中應用較少。Banga等[33]以肉醬罐頭為研究對象，設定F0不低于20 min，建立具有較高表面品質保留率和較短殺菌時間的VRTS最優(yōu)工藝。

劉戰(zhàn)名等[44]針對中式肉制品快餐開展VRTS技術研究，得到五香驢肉VRTS最優(yōu)工藝參數(shù)為：3 min升至100 ℃，保持12 min;3 min升至122 ℃，保持21 min;6 min降至室溫。由于殺菌設備溫度和時間難以自動控制，VRTS技術推進一度較為緩慢。而在我國西式肉制品加工中，基于芽孢誘導、定向抑菌的中溫殺菌技術及應用取得了一定進展[45-47]，如萌發(fā)劑協(xié)同熱刺激能夠有效延長香腸在常溫條件下流通的貨架期，但無法滿足罐頭食品商業(yè)無菌的要求。近年來，VRTS技術在肉制品熱殺菌中的應用又有新的嘗試，但熱殺菌過程理論研究較少，應用研究以菜肴類肉制品軟罐頭和中式肉制品為主，殺菌效果以37 ℃條件下貯藏10 d后的菌落總數(shù)作為評價指標。李莉楠等[48]得到梅菜肉餅軟罐頭的最佳VRTS參數(shù)為110 ℃、25 min，120 ℃、25 min，產(chǎn)品能夠達到商業(yè)無菌的要求。申曉琳等[49]采用VRTS參數(shù)為90 ℃、10 min，108 ℃、20 min，121 ℃、15 min得到的真空軟包裝道口燒雞感官指標顯著提升，同時也能達到與傳統(tǒng)高溫高壓殺菌（121 ℃、45 min）相同的效果。F0值理論研究的缺少使得在運用VRTS技術推進傳統(tǒng)肉制品產(chǎn)品標準化加工方面仍有難度，針對肉制品的VRTS技術理論研究和應用尤為必要。

4 結 語

傳統(tǒng)菜肴類食品工業(yè)化多以軟包裝罐頭為主，產(chǎn)品尺寸薄或小，過度熱殺菌易破壞產(chǎn)品質構、風味及營養(yǎng)指標，VRTS技術作為低熱強度殺菌技術具有很大的發(fā)展?jié)摿?。隨著計算機軟件技術的發(fā)展和更新?lián)Q代以及新算法的推出，VRTS模擬優(yōu)化結果將愈發(fā)精準。未來應重點圍繞不同包裝類型、不同種類動物源性食品開展針對性的熱傳遞模型構建及傳熱規(guī)律研究，建立集較長貨架期和最大化保持食用品質于一體的VRTS技術。此外，VRTS技術的階段性升溫可能較CRTS技術延長了熱殺菌時間，一定程度上增加了熱能耗，基于多種產(chǎn)品的SMPS技術在動物源性食品加工過程節(jié)能降耗方面的應用也將是重要的研究方向。

低于100 ℃的熱殺菌處理不足以殺滅抗逆性極強的芽孢，如嗜熱脂肪芽孢桿菌、肉毒梭狀芽孢桿菌等[50]，一般多通過添加葡萄糖、果糖、L-丙氨酸等營養(yǎng)物質來促進芽孢萌發(fā)[51]形成營養(yǎng)細胞、降低抗熱性來實現(xiàn)芽孢滅活。VRTS熱處理過程中，波動的溫度和壓力對食品中熱抗性強的芽孢活性的影響，芽孢誘導萌發(fā)技術與VRTS技術相結合在滅活芽孢、持續(xù)降低熱殺菌強度等方面的應用，這些都是以后研究的方向。

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