第14章 食品包装原理与方法(2)
（四）pH值
适合微生物生长的pH值范围为1～11。一般食品微生物得以繁殖的pH值范围：细菌3.5～9.5，霉菌和酵母2～11；对食品微生物最适宜的pH值：细菌为pH=7附近，霉菌和酵母pH=6左右。大多数食品均呈酸性，酸性条件下微生物繁殖的pH下限：细菌4.0～5.0，乳酸菌3.3～4.0，霉菌和酵母1.6～3.2。适当控制食品的pH值也能适当的控制微生物的生长和繁殖。
二、包装食品的微生物变化
（一）因包装发生的环境变化对食品微生物的影响
食品经过包装后能防止来自外部微生物的污染，同时包装内部环境也会发生变化，其中的微生物相也会因此而变化。以肉为例，生鲜肉经包装后其内部环境的O2和CO2的构成比例不断发生变化，这是因食品中微生物及肉组织细胞的呼吸而使O2减少、CO2增加，包装内环境的气相变化反过来又会影响食品中的微生物相，即需氧性细菌比例下降，厌氧性比例上升，霉菌的繁殖受抑制而酵母菌等却在增殖。在包装缺氧状态下，食品腐败产物为大量的有机酸，而在氧气充足的条件下食品腐败时多产生氨和CO2。
（二）包装食品可能引起的微生物二次污染
如前所述，大部分市售包装食品都会有一定数量的微生物，如果把这些常见微生物都当做污染来处理是不现实的，但弄清在流通过程中食品所含的细菌总数或明确其菌群组成，不仅有利于从微生物学角度查明食品腐变等质量事故的原因，且对包括加工、包装工艺在内的从食品制造到消费的整个流通过程中的微生物控制有实际的指导意义。
微生物对包装食品的污染，可分为被包装食品本身的污染和包装材料污染两方面。在食品加工制造过程中的各个工艺环节，如果消毒不严或杀菌不彻底，在产品流通过程各阶段的处理，特别是在分装操作中，如果微生物控制条件欠佳等，均有二次污染的可能。随着货架期或消费周期的延长，不仅会大量繁殖细菌，也会给繁殖较慢的真菌提供蔓延机会。这种现象在防潮或真空充气包装中也常常发生。
包装材料较易发生真菌污染，特别是纸制包装品和塑料包装材料；在包装容器制品的制造和贮运期间，会受到环境空气中微生物的直接污染和器具的沾污。就外包装而言，由于被内装物污染，包装操作时的人工接触，黏附有机物，或吸湿或吸附空气中的灰尘等都能导致真菌污染。因此，如果包装原材料存放时间较长且环境质量又差，在包装操作前若不注意包装材料或容器的灭菌处理，包装材料的二次污染则成为包装食品的二次污染。
近年来，基于健康角度考虑及人们饮食嗜好的变化，大多数食品逐渐趋于低盐和低糖，且大多采用复合软塑材料包装以提高包装的阻隔保护性，这样处理可能会助长真菌的污染和繁殖。
三、包装食品的微生物控制
（一）包装食品的加热杀菌
绝大多数微生物在20～40℃的温度范围内生长迅速，若使食品的温度偏离这个温度范围，就能杀灭细菌或制造一个不利于微生物生长的环境。
高温可以达到杀菌效果，因而大部分包装食品都要进行加热杀菌，然后才能流通和销售。加热杀菌方法可分为湿热杀菌法和干热杀菌法；所谓湿热杀菌是利用热水和蒸汽直接加热包装食品以达到杀菌目的，这是一种最常用的杀菌方法；所谓干热杀菌就是利用热风、红外线、微波等加热食品以达到杀菌目的。例如，把经过杀菌的食品用热收缩包装薄膜包装后，再用150～160℃的热风加热5～10min，一方面使包装膜收缩，另一方面可有效地杀死附着在包装材料表面的微生物。
1.微生物的耐热性
食品中最耐热的病原菌是肉毒杆菌，但有些非病原性、能形成孢子的腐败菌，如厌氧腐败菌和嗜热脂肪芽孢杆菌等比肉毒杆菌更耐热。因此，通常的加热杀菌是以杀死各种病原菌和真菌孢子为目的，也可通过变性作用使酶失去活性。表3-4列出了微生物在湿热下的耐热性。
2.影响微生物耐热性的因素
食品成分会不同程度地增强微生物抗热性。高浓度糖液对细菌孢子有保护作用，因此糖水水果罐头的杀菌温度或时间一般比不加糖的同类产品高或长；食品中的淀粉和蛋白质也有保护微生物的作用；油脂对微生物及其孢子的保护作用较大，除了直接保护外，还能阻止湿热渗透；水分是一种有效的传热体，它能渗入微生物细胞或孢子中，因而一定温度条件下湿热比干热更具有致死性；如果微生物被截留在脂肪球内，那么水分就不易渗入细胞，湿热致死效果就与干热相近。因此，同一食品物料中，液相内的微生物可以迅速地被致死，而油相内菌群却不易杀死，这就使得油脂类食品的杀菌温度更高、时间更长而造成风味损失。
另外，食品成分对微生物的耐热性有间接影响，即不同食品成分物料的热传导率有差别，如脂肪的导热性比水差。更重要的是微生物的耐热性与食品稠度有关。如果把足够的淀粉或其他增稠剂添加于食品中，使其内部的对流加热系统转化为传导加热系统，那么除了对微生物有直接保护作用外，还会缓解热量至容器内或食品物料内部冷点的热渗透速率，这样就间接地保护了微生物。pH值对加热杀菌也有很大的影响，当食品含酸量高时，如番茄汁或橙汁，就不需高度加热，因为酸可提高热的杀菌力。如果有足够的酸度，用93℃，15min加热杀菌便可达到要求。一般来说，pH值越低，杀菌所需的加热温度也越低、时间越短。
3.加热杀菌温度和时间组合
加热杀菌温度和时间密切相关，即温度越高，破坏微生物所需时间越短。虽然温度和时间是破坏微生物所需要的，但在破坏微生物作用上，同样有效的不同温度—时间组合对食品的损害作用远远不同。在现代加热杀菌中，这是最重要的实践，也是几种比较先进的包装技术的基础。
在杀菌温度—时间组合中，高温对微生物的致死至关重要，但对损害食品色泽、风味、质地和营养价值等更重要的因素是长时间，而不是高温。如果用肉毒杆菌接种牛乳，然后试样分别按100℃—330min、116℃—10min、127℃—1min条件加热，虽然其灭菌作用相同，但对牛乳的热损害却大大不同：加热330min的试样具有蒸煮味并呈棕色；加热10min的试样几乎有同样的质量问题；加热1min的试样虽稍过热，但其品质与未经加热的牛乳差异不大。
在微生物与各种食品之间，敏感性在时间和温度方面的差异是一种普遍现象。加热时间及褐变反应的比较。微生物对高温的相对敏感性比食品成分大，温度每上升10℃（18℉），大致能使导致食品变质的化学反应速率加快1倍，而当温度高于微生物的最高生长温度时，每上升同样的10℃，会使微生物破坏的速率加快10倍。
由于高温可用较短的灭菌时间，因此，只要技术条件可能，对热敏性食品应尽可能采用高温瞬时灭菌处理。例如，对酸性果蔬汁进行巴氏杀菌时，目前一般采用瞬间巴氏杀菌：88℃—1min或100℃—12s或121℃—2s。尽管三种温度—时间组合其灭菌效果相同，但121℃—2s杀菌处理可在果汁风味和维生素的保留上获得最佳效果。然而，如此短的杀菌保温时间使杀菌设备更加复杂和昂贵。
4.加热杀菌方法
食品工业上通常根据产品特性采用最低标准温度进行加热杀菌，一般根据温度的高低可分为以下三种杀菌方法。
（1）低温杀菌法：也称巴氏杀菌（Pasteurigation），由于杀菌温度低于100℃，食品中还残存微生物，除了嗜热性乳杆菌外，均为芽孢菌的芽孢，而大部分芽孢细菌在5℃以下的低温环境中是不能繁殖的，故在80℃左右巴氏杀菌的包装熟食品，在低温下贮藏，其保质期也是较长的。巴氏杀菌目的是为了杀菌致病菌和腐败菌，同时保证食品有较好的品质、弹性和风味。
（2）高温杀菌：主要适用于罐装、瓶装及蒸煮袋食品的杀菌。将食品装入包装容器中完全密封，用蒸汽或热水蒸馏杀菌。一般罐头食品在115℃左右进行60～90min的杀菌处理，普通蒸煮袋（RP-F）采用115～120℃杀菌20～40min，高温蒸煮袋（HRP-F）采用121～135℃杀菌8～20min，超高温杀菌蒸煮袋（URP-F）采用135～150℃、2min的超高温杀菌。
（3）高温短时杀菌（HTST）和超高温瞬时杀菌（UHT）：这是两种适合于流动性液态或半液态食品的短时杀菌方法，能有效地保全食品原有的营养和风味质量，常用于无菌包装的食品杀菌。
（二）低温贮存
各种生鲜食品和经过处理调制的加工食品一般都含有较高水分，这些食品在常温下短时间内放置，就会因微生物大量繁殖而腐败变质，若采用冷藏或冻结，其腐变反应速度会明显降低。
1.冷藏
冷藏能降低嗜温性细菌的增殖速度，嗜热性细菌一般也不会繁殖。目前常用三种方法：
（1）低温与真空并用：食品低温贮藏时所产生的代表性腐败菌一般是需氧性假单孢杆菌，而大部分厌氧性细菌的繁殖温度下限为2～3℃，若在无氧的低温环境（0℃±2℃）下保藏食品，可大幅度地延长食品保质期，这种方法称冰温贮藏。
（2）低温和CO2并用：CO2能抑制需氧细菌的繁殖，如果降低包装内的含氧量，再充入CO2进行低温贮藏，能产生更显着的贮藏效果。
（3）低温与放射杀菌并用：如果采用能杀灭食品中所有微生物的照射剂量进行放射杀菌，食品会产生严重褐变和异臭而根本不能食用。对于鱼类和畜肉类食品，如果用不影响食品质量的低剂量（10～40GY）照射杀灭其中的假单孢菌属等特殊的腐败菌，然后进行低温贮藏，其贮存期可延长2～6倍，这种方法称辐射杀菌法（Rodurization）。
2.冻结
普通食品在-5℃左右，其水分的80%会冻结，降温至-10℃时低温性微生物还能增殖，温度再下降，微生物就基本上停止繁殖，但化学反应和酵素反应仍未停止。一般认为，食品在-18℃以下保质期可达1年以上。
冷冻调理食品多采用塑料及其复合材料包装，并在冻结状态下流通和销售，这类材料必须具备优良的低温性能，常用的有PA/P，PET/PE，BOPP/PE，AL箔/PE。托盘包装采用PP，HIPS，OPS等。
现代食品包装常采用真空、充气和脱氧包装技术与低温贮藏相结合的方法来有效地控制微生物对食品腐变的影响。
（三）微波灭菌
微波是具有辐射能的电磁波，微波用作食品加热处理已有一定历史，但微波用作食品灭菌处理的研究只有60多年的历史，其工业化则时间更短。我国工业微波加热设备常用的固定专用频率有两种：915MHz和2450MHz。
1.微波灭菌机理
微波与生物体的相互作用是一个极其复杂的过程，生物体受微波辐射后会吸收微波能而产生热效应，而且生物体在微波场中其生理活动也会发生反应和变化，这种非热的生物效应也会影响微生物的生存。微波辐照细菌致死可认为是微波热效应和非热力生物效应共同作用的结果，两种效应相互依存、互相加强。细菌的基本单元是细胞，细胞的存活除依靠细胞膜保护外，还与细胞膜电位差有关，如果维持细胞正常生理活动的膜电位状态被破坏，必然会影响到细胞的生命状态。微生物处在相当高强度的微波场中，其细胞膜电位会发生变化，细胞的正常生理活动功能将被改变，以致危及细胞的存活。这种微波致死细菌的机理与传统加热杀菌致死完全不同。
组成微生物的蛋白质、核酸和水介质作为极性分子在高频微波场中被极化的理论也是常见的微波灭菌机理的一种解释。极性分子在高频高强度微波场中将被极化，并随着微波场极性的迅速改变而引起蛋白质分子团等急剧旋转及往复振动，一方面相互间形成摩擦转换成热量而自身升温，另一方面将引起蛋白质分子变性。对微生物细胞来说，如果细胞壁受到某种机械性损伤而破裂，细胞内的核酸、蛋白质等将渗漏体外而导致微生物死亡。
比较一般加热灭菌方法，在一定温度条件下微波灭菌缩短了细菌死亡时间，或者，微波灭菌致死的温度比常规加热灭菌的温度低，这是微波灭菌与传统加热灭菌最重要的区别。当然，微波灭菌处理时能有较高的温度状态，对充分灭菌是极为有利的。
2.微波灭菌的热力温度特性
传统加热灭菌其热力由食品表面向里层传递，传热速率决定于食品的传热特性，这就决定了食品表层和中心的温度差，以及中心升温的滞后性，从而延长了食品整体灭菌所需要的总时间，而且单纯的热力作用较难杀灭耐热性较强的芽孢杆菌。微波透入食品加热传热的特性使食品升温时间大大短于传统加热升温时间，而且微波灭菌使细菌致死的因素还有非热力的生物效应，这使得微波灭菌时间更短，且温度较低，这为保持食品的色、香、味和营养成分创造了条件。
必须指出，灭菌是对食品整体而言的。微波灭菌时食品表面温度可能会因散热或水分散失而低于其内部温度，致使食品表面的细菌残留存活，这个问题应予注意和解决。