第十五章超高温（UHT）灭菌
杀菌是食品加工中极为重要的一道工序，在原始社会里，人类就不知不觉地对食品进行了杀菌处理。在科学技术飞速发展的今天，人们对食品杀菌意义的认识和应用也得到了不断地完善和提高。
第一节超高温灭菌的基本原理
关于超高温（UHT）灭菌，尚没有十分明确的定义。习惯上，把加热温度为135~150℃，加热时间为2~8s，加热后产品达到商业无菌要求的杀菌过程称为UHT灭菌。
UHT灭菌的理论基础涉及两个方面。一是微生物热致死的基本原理；二是如何最大限度保持食品的原有风味及品质。
一、UHT灭菌的微生物致死理论依据
按照微生物的一般热致死原理，当微生物在高于其耐受温度的热环境中时，必然受到致命的伤害。加热促使微生物死亡的原因是由于高温导致蛋白质的不可逆变化，随后一些球蛋白变得不溶解，酶失去活力，从而造成新陈代谢能力的丧失，因此，细胞内蛋白质凝固变性的难易程度直接关系到微生物的耐热性，而且这与杀菌条件的选择密切相关。大量实验证明，微生物的热致死率是加热温度和受热时间的函数。
（—）微生物的耐热性
腐败菌是食品杀菌的对象，其耐热性与食品的杀菌条件有直接关系。
影响微生物耐热性的因素有如下几方面：
（1）菌种和菌株
（2）热处理前菌龄、培育条件、贮存环境
（3）热处理时介质或食品成分，如酸度或PH值
（4）原始活菌数
（5）热处理温度和时间，作为热杀菌，这是主导的操作因素。
（二）微生物的致死速率与D值
在一定的环境条件和一定温度下，微生物随时间而死亡时的活菌残存数是按指数递减或按对数周期下降的。这一规律为通常大量的试验结果所证实。若以纵坐标表示单位物料内随时间而残存的活细胞或芽孢数的对数值，横坐标表示热处理时间，则可获得如图15-1所示的微生物致死速率曲线。
图15-1 微生物致死速率曲线
如图所示，设A为加热开始时活菌数所代表的点，B为加热后菌数下降1个对数周期时的点，其相应的加热时间为3.5min，C为加热后菌数下降2个对数周期时的点，其相应的加热时间为7.0min。
显然，细菌任意时刻的致死速率可以用它残存活菌数下降1个对数周期所需的时间来表示，这便是图中所示D 值的概念。D 值是这一直线斜率绝对值的倒数，即
∣斜率∣=C
C C B ''=
D D 110log 10log 2
3=- D 值反映了细菌死亡的快慢。D 值愈大，细菌死亡速度愈慢，即细菌的耐热性愈强，反之则死亡
速度愈快，耐热性愈弱。由于致死速率曲线是在一定的加热温度下做出的，所以D 值是温度T 的函数（常写成D T ），上述比较只能以同一加热温度为前提，例如以D 110℃来作比较。必须指出，D 值不受原始菌数的影响，换言之，原始菌数不影响其个别细菌按指数死亡的规律。因此，如果将不同原始菌数的曲线画在同一的图15-1上，便得到一组平行的直线族。
另外，D 值要随其他各种影响微生物耐热性的因素而异，只能在这些因素固定不变的条件下才
能稳定不变。
（三）微生物的热力致死时间与Z 值
微生物的热力致死时间（Thermal Death Time ）就是在热力致死温度保持不变条件下，完全杀
灭某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。
微生物热力致死时间随致死温度而异，两者的关系曲线称为热力致死时间曲线，如图15-2，它
表达了不同热力致死温度下细菌芽孢的相对耐热性。
图15-2 热力致死时间曲线
如同对致死速率曲线的处理一样，若以横坐标为热处理温度，纵坐标为热致死时间（TDT ）的对
数值，就可以在对数坐标图上得到一条形为直线的热力致死时间曲线。同样，如图 15-2 所示，此直线斜率绝对值的倒数Z 值表明了热致死时间缩短一个对数周期所要求的热处理温度升高的度数。图15-2中，设A ，A ′为热致死时间相差1个对数周期的两个点，其相应的热致死时间的对数值分别为logTDT A =log102，logTDT A/=log101
相应的热力致死温度分别为T A ，T A ′，则
∣斜率∣=Z Z Z TDT TDT A A 110log 10log log log 12=-=-' 某微生物菌种的杀菌特性曲线——热力致死时间曲线可由点、斜率两个参数来确定。因此除了
由斜率决定的Z 值外，尚需寻求一个标准点。这个标准点通常选用121℃时的TDT 值，并用符号“F ”表之，单位为min ，称为F 值。有了Z 、F 两个参数，该菌种在任何杀菌温度T 下的TDT 值可表为 ()T Z
F TDT -=1211log （15-1） 必须强调指出，热力致死时间（TDT ）这个概念的提出隐去了细菌死亡按指数规律的实质，也避
开具体运用概率说明细菌死亡的方法，而是模糊地以实际试管试验法所确定的所谓“完全灭菌”为依据。因此采用TDT法不能清楚地说明诸如杀菌终点、原始菌数不同时出现的耐热性差异及TDT试管试验法中常见越级现象等实际问题。
根据式（15-1）可知，决定细菌耐热特性的是F和Z两个参数。对于不同菌种，一般两者都不相同；对于同一菌种，也只能在其一数值相等的条件下，由另一条来比较它们的耐热性。故F值只能用于Z值相同时细菌耐热性的比较。Z值相同时，F值大的细菌的耐热性比F值小的强。同样，F 值相同时，Z值大的细菌的耐热性比Z值小的强。为了比较，也可人为的规定Z的标准值，一般取Z=10℃。
（四）UHT杀菌的品质保证
大量实验表明，采用UHT瞬时杀菌技术也可最大程度地保持食品的风味及品质。这主要是因为微生物对高温的敏感程度远远大于食品成分的物理化学变化对高温的敏感程度。
例如，在乳品工业生产灭菌乳的过程中，如果牛乳在高温下保持较长时间，则可能产生一些化学反应。例如蛋白质和乳糖发生美拉德反应，使乳的颜色变褐；蛋白质发生分解反应，产生不良气味；糖类焦糖化产生异味等。此外还可能发生某些蛋白质变性而产生沉淀。这些都是生产灭菌乳所不允许的，应力求避免。图15-3表示牛乳灭菌和发生褐变时的温-时曲线。
图15-3 牛乳灭菌及褐变的时间-温度曲线
1-变褐的最低时间-温度条件 2-灭菌的最低时间-温度曲线图中实线为牛乳褐变的温-时下限，虚线为灭菌的温-时下限。从图中可以看出，若选择灭菌条件为110-120℃,15-20min，则两线之间间距甚近，说明生产工艺条件要有十分严格的措施来维持，这在实际上很难办到。而选择UHT灭菌条件137-145℃,2-5s时，两线之间间距较远，说明产生褐变及其他缺陷的危险性较小，生产工艺条件较易控制。在这种杀菌条件下，产品的颜色、风味、质构及营养没有受到很大的损害。所以，该技术比常规杀菌方法能更好地保存食品的品质及风味。
二、超高温灭菌时间和温度意义
从杀死微生物的观点来看，热处理强度是越强越好，时间是越长越好。但是，强烈的热处理对食品的外观、风味和营养价值会产生不良后果。如牛乳中蛋白质在高温下变性；强烈的加热使牛乳风味改变，首先是出现“蒸煮味”，然后是焦味。因此，时间和温度组合的选择必须考虑到微生物和产品质量两方面，以达到最佳效果。食品加工中灭菌的目的并不是使每单个包装的产品都不含残留的微生物，因为采用加热方法来致死微生物，要达到绝对无菌的理想状态是不可能的。
实际上，灭菌加工只要保证产品在消费者食用前不变质就行。一个基本的要求就是致病菌的存
