食品加工原理：热处理反应动力学

要控制食品热处理的程度，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反应的反应速率；②温度对这些反应的影响。食品中各成分的热破坏反应一般都遵循一级反应动力学，即各成分的热破坏反应速率与反应物的浓度呈正比关系，在足以达到热灭活或热破坏的温度下，单位时间内食品成分被灭活或被破坏的比例是恒定的。相对于食品成分，食品中的微生物破坏较为复杂，下面以微生物的热致死为例说明热破坏反应的动力学。

1.热力致死速率曲线与D值

将某种细菌的营养细胞（或孢子）置于缓冲液或食品中，在某一热致死温度下，随着时间的推移，其残存数量逐步减少。以热处理时间为横坐标，以残存微生物数量的对数为纵坐标，就可以得到一条直线，即热力致死速率曲线（thermal death rate curve），表示某一种特定的微生物在特定的温度和条件下，其总数量随时间的延续所发生的变化，见图4-1。

如图4-1所示，对微生物的破坏是按对数比例的速度进行，因此，致死速率是以微生物的残存数量来表示。D值（D-value）表示在一定的处理环境中和在一定的热力致死温度条件下杀死90%原有特定的微生物所需要的时间，称为指数递减时间。很显然，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。D值随热处理温度、菌种、细菌或芽孢所处的环境和其他因素而异。由于上述致死速率曲线是在一定的热处理温度下得出的，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D_T。

图4-1 热力致死速率曲线

2.热力致死时间曲线与Z值

从热力致死速率曲线中也可看出，在恒定的温度下经一定时间的热处理后，食品中残存微生物的活菌数与食品中初始的微生物活菌数有关。为此人们提出热力致死时间（thermal death time，TDT）值的概念。热力致死时间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）恰好全部杀死所需要的时间（min）。热力致死时间与环境条件、微生物的种类和数量等因素有关。

与热力致死速率曲线相类似，若以热处理温度为横坐标，以热力致死时间的对数为纵坐标，也可得到一条直线，即热力致死时间曲线（thermal death time curve），用以表示热力致死时间随热处理温度的变化规律，见图4-2。

从热力致死时间曲线中可以清楚看出，使热力致死时间值降低一个对数周期（即热致死时间降低10倍）所需要升高的温度数，也就是热力致死时间变化90%所对应的温度变化值是相同的，该值即为Z值（Z-value）。

对于一个给定的食品，其中存在的不同种类微生物具有不同的Z值。同样地，不同食品中的某一特定微生物也具有不同的Z值。Z值代表微生物对不同致死温度的相对抵抗力。Z值越大，表示耐热性越高；Z值越小，表示对温度的敏感程度越高。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）和超高温瞬时杀菌（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。

图4-2 热力致死时间曲线(www.xing528.com)

3.F值

在特定温度下，杀死特定Z值的一定数量微生物所需的时间，称为F值（F-value），可用来测定热处理的杀菌能力，单位为时间。F₀是采用121.1℃杀菌温度时的热力致死时间，单位为min，即TDT_121.1。不同的杀菌温度—时间组合间可以进行比较。为了方便进行比较，公认121.1℃（250℉）为标准杀菌温度。对于其他的杀菌温度，也常见用F_T表示，即将温度标示于下标。F₀值与菌种、菌量及环境条件有关。显然，F₀值越大，菌的耐热性越强。利用热力致死时间曲线，可将各种杀菌温度—时间组合换算成121.1℃时的杀菌时间：

反之，只要知道某种菌的F₀值，也就可以算出在任意温度θ时的杀菌时间t（即TDT_T值或F_T值）：

4.安全界值

食品应加热到何种程度，须视加热处理前食品中微生物含量及预期达到的残留微生物含量而定，其关系为：

若罐头初始污染量为10⁹（a），预期杀菌后使微生物污染量降至10⁰（b），则加热杀菌时间F值需要9D的时间。

为安全起见，罐头工厂对低酸性食物中的肉毒杆菌孢子会使用12D时间的热处理，即将每1g含10¹²个孢子减至1个孢子（10⁰）。由于即使是高度腐败的食品，其含菌量超过100万个/罐的可能性也很小，所以12D的热处理足以将罐内的微生物全部杀死。若一批罐装食品的起始含菌量为1亿/罐，那么从统计的角度来看，经12D的热处理，每1000罐中可能有1罐还有1个活的微生物或孢子存在，而其他的999罐是无菌的。若每罐中的起始含菌量为100万（超过正常值），那么经12D的热处理，每100万罐中将有999999罐是完全无菌的。由于12D热处理是基于杀死肉毒梭状芽孢杆菌设计的，那么其他食品中可能存在的耐热性较差的孢子形成体、不形成孢子的病原体或腐败菌，这样的热处理强度是绰绰有余的。

对于低酸性食品来说，如果把生芽孢梭状芽孢杆菌PA3679作为对象菌，5D热处理的强度与以肉毒梭状杆菌为对象菌时12D的热处理强度是等价的，而且5D的热处理足以使产品中的病原体全部死亡，产品在放置过程中也不会出现由微生物引起的腐败。对于易被平酸菌腐败的罐头，因嗜热脂肪芽孢杆菌的D值高达3～4min，若仍取12D，则因加热时间过长，食品的感官品质不佳，所以一般取4～5D，最多为6D。一般还要比较肉毒杆菌的12D和其他嗜热菌的4～6D，哪个更大就取哪个为目标F₀。

上述的D值和Z值不仅能表示微生物在热处理时的变化情况，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。