03.灭菌效果
摘要
微生物的杀灭不是一个绝对的过程；不是所有的细菌在同一时间被同时杀灭。对于同一个灭菌过程，在一定时间间隔，相同级数的细菌被杀灭。理解这条非常重要。任何灭菌过程的效果都是由所采用的工艺参数和产品中微生物负荷来决定的。有时，为了使处理工艺更加有效，我们无法改变工艺参数来提高灭菌效率，这时我们只有通过降低原料中微生物负荷尤其是细菌芽胞的量来提高灭菌效果。
1. 概要
食品容器和食品的灭菌这个课题是充满争议的。一方面，立法部门或多或少地会将灭菌定义成绝对的状态，如：“没有。。。。”，另一方面，微生物的灭菌遵循半对数曲线的理论又被大家都接受。普通微生物和个别细菌芽胞的杀灭被广泛地研究。对大多数微生物而言，不论是使用热处理灭菌还是化学灭菌，都遵循半对数致死曲线的规律。
(Log(N0/N)=与灭菌剂的接触时间/D
No 为起始时的细菌营养体的量，N为细菌营养体与灭菌剂接触给定时间后的量，D为细菌营养体的量减少到原来的十分之一所用的时间。灭菌剂可以理解为加热或化学灭菌剂。
提高灭菌的效果可以有两种方式：减少产品中细菌芽胞负荷，如图1A所示；或使用更高的灭菌参数，如图1B所示。
无菌意味着产品中的所有活的微生物都不存在。用微生物的半对数致死率来表述，就是logx=0，但是，因为等式logx=0不存在，所以绝对的无菌是不存在的。它只能无限接近而不能达到。这样，每个灭菌过程都会有灭菌残留。也就是说都有灭菌效率。这可以用灭菌后微生物数量的常用对数被降低的个数来表达。例如：对一个常用的UHT系统，对牛乳灭菌时，安全地估计，灭菌效率为9D。也就是109个芽胞送入UHT灭菌系统，会有一个存活下来, 这个结果与处理的产品量无关。
109 细菌芽胞 - UHT- 100 =1
D值是一个时间量，它是在给定的温度下，对细菌芽胞达到1D灭菌效果所需的时间。F值是在指定条件下杀死食品中给定微生物量所需的时间（分钟数）。F0值设定的灭菌效率为12D，对应的Z值为180F（100C），灭菌温度为2500F (121.10C)。Z值是微生物反应时间减至原来的十分之一所需提高的温度。Q10值是灭菌温度提高100C，反应速度的提高倍数。假设Z值为10.5，Q10值为9，在1400C的灭菌温度下保持4秒钟，那么F0值为4.2秒。
在英国，健康及社会安全部门颁布了对低酸罐头食品的加工指南，其中规定，热处理的最低可接受标准为：经处理后，肉毒梭状芽胞杆菌可能的的残留为每1012个罐头里小于一个。这通常被解释成在1210C 的灭菌条件下，保持3分钟 （F0值=3）。在板式换热器中，用嗜热脂肪芽胞杆菌的芽胞作为实验微生物，灭菌温度为1420C，保持2秒，其灭菌效率为7D。这个结果是嗜热脂肪芽胞杆菌的芽胞被热处理后得到的结果，对牛乳进行热处理时需要修正，这是因为牛乳在热处理过程中会产生抑制剂，这种抑制剂会抑制普通细菌芽胞的发芽，尤其对嗜热脂肪芽胞杆菌芽胞的发芽更具有抑制作用。
被大量地衣芽胞杆菌芽胞污染的牛乳和奶油，Z值为7.4~8.00C 。在UHT的温度范围内，对嗜热脂肪芽胞杆菌芽胞的Q10 值为11，对应的枯草芽胞杆菌的Q10值为30。脱脂乳中的枯草芽胞杆菌的芽胞在129~1350C的灭菌温度下，Z值为6.8~180C。
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表1. 灭菌效果：蒸汽直接喷入式。 |
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枯草芽胞杆菌 |
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嗜热脂肪芽胞杆菌 |
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温度 |
芽胞起始量 |
最终芽胞数 |
对数减少值 |
起始芽胞数 |
最终芽胞数 |
对数减少值 |
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140oC |
45,000 |
0.0004 |
9.0 |
10,000 |
0.0004 |
7.4 |
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135oC |
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0.0004 |
9.0 |
|
0.0004 |
7.4 |
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130oC |
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0.0007 |
8.8 |
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0.25 |
4.3 |
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125oC |
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0.45 |
6.0 |
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2.50 |
3.6 |
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135oC |
4,000,000 |
0.0004 |
10.0 |
250,000 |
0.0004 |
9.0 |
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130oC |
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0.0004 |
10.0 |
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0.0950 |
6.4 |
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125oC |
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0.04 |
8.0 |
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2.50 |
5.0 |
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120oC |
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4.5 |
6.0 |
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2.5 |
5.0 |
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135oC |
75,000,000 |
0.0004 |
11.0 |
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130oC |
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0.0250 |
9.5 |
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125oC |
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4 |
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嗜热脂肪芽胞杆菌的芽胞在PH值为6.0和7.0的情况下，被加热到104.40C~137.80C， 我们就可以画出线性的半对数致死曲线，对应的Z值分别为8.70C和10.30C。
使用蒸汽直接喷入式灭菌系统，保持时间为4秒，在不同的温度下，我们就可以得出表1 所示的对数下降值（灭菌效果）。
在实验工厂，用嗜热脂肪芽胞杆菌作为实验微生物，脱脂乳被加热到1350C，Z值从没有低于6.70C (12 0F) 也从没有超过180C（320F）。
产气夹膜梭状芽胞杆菌A型芽胞在UHT时的钝化一直在研究。用毛细管法将含水芽胞悬浮液加热到85~1350C。在温度超过1000C时，结果显示芽胞的钝化效果很迅速。最耐热的肉毒梭状芽胞的D值在1400C时为0.1
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表2.温度对枯草芽胞杆菌786的效果：超高温对乳制品中芽胞的破坏 |
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温度(oC) |
起始菌落数/毫升 |
最终菌落数/毫升 |
减少的数量级 |
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130.5 |
7.2x106 |
0.9 |
7 |
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6.9x106 |
0.6 |
7 |
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132.0 |
74.8x106 |
0.2 |
7 |
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4.8x106 |
0.09 |
7 |
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133.0 |
4.7x106 |
0.001 |
8 |
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7.3x106 |
0.001 |
8 |
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135.5 |
4.9x106 |
<0.0004 |
>8 |
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8.3x106 |
<0.0004 |
>9 |
秒。在灭菌温度范围为120~1400C之上时，悬浮在磷酸盐缓冲液（PH=7）中的肉毒梭状芽胞的Z值为110C。用毛细管法进行实验，会发现在85~1600C的温度范围，Z值有显著的增加。在148.90C/3.42秒时，对梭状芽胞的灭菌效率可达12D，这些结果是对芽胞悬浮液进行灭菌，Z值为19.40C及D值（148.90C）为0.285秒时得出的。
原料中肉毒梭状芽胞的数量在104/单位容器至10-1/单位容器之间。蘑菇产品中肉毒梭状芽胞的数量约为104/单位容器，肉中约为10-1/单位容器。包材上的肉毒梭状芽胞的数量在10-5/单位容器级别。一般包材上的微生物负荷可忽略，因为食品中的芽胞负荷要比包材上的大得多。当我们说工艺要求灭菌效率为12D时，有这样一个潜在的风险：我们只确定了芽胞的降低量，而终产品中的残余量会随着原料中肉毒梭状芽胞和其他芽胞的起始浓度变化而变化。
直接式灭菌系统在蒸汽和牛乳混合及闪蒸时的剧烈温度变化都会增对细菌芽胞热冲击的破坏效果。对比在实验室中将芽胞悬浮液置于较低的温度下的灭菌效果，直接式灭菌对芽胞的破坏效果比预期的要好。所以，在实验室获得的数据不能反映UHT的实际操作状态。在实验室做模型实验所用的微生物或多或少都是很耐热的而且在做实验时，它们的浓度都很高。这就让人怀疑实验结果多大程度可以反映实际生产。