张志刚 苏永裕 林祥木 胡涛 邹忠爱

摘 要：杀菌技术作为重要的食品保藏技术，在动物源性食品加工中必不可少，热杀菌是最经济、应用最为广泛的杀菌技术。不同于高温杀菌和低温杀菌，变温杀菌（variable retort temperature sterilization，VRTS）技术的杀菌温度呈现多阶段性升高的特点，能够缩小食品表面与内部的温差，较好保持食品品质，产品亦可实现常温流通。本文介绍VRTS技术的原理，综述较常使用的计算机模拟软件和数值优化方法以及VRTS在保证动物源性食品货架期、保持其食用品质等方面的应用研究进展，以期为动物源性中式菜肴工业化产品开发提供新的技术思路。

关键词：变温杀菌;热杀菌;模拟;优化;动物源性食品

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

中图分类号：TS251.51                                    文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2019）12-0069-06

动物源性食品是指全部可食用的动物组织及蛋和乳，包括畜禽肉及其制品、水产品及其制品等，是消费者摄取优质蛋白质的重要来源[1]。在动物源性食品加工过程中，自身及加工过程中携带的微生物，如腐败菌和致病菌等，不仅影响产品货架期，还可能危及消费者身体健康，如肉毒梭状芽孢杆菌可产生肉毒毒素，严重时可致肌肉麻痹或神经功能不全。

杀菌是食品尤其是动物源性食品加工中必不可少的环节，杀菌能够有效抑制腐败/致病微生物生长、延长产品货架期、确保消费者食用安全[2]。近年来，國内外学者针对新兴非热杀菌技术，如辐照杀菌[3]、微波杀菌[4]、高压杀菌[5]、高压脉冲电场杀菌[6]及脉冲强光杀菌[7]等开展相关研究，但受设备投资、适用食品种类（固态、液态等）等限制，热杀菌仍是动物源性食品加工中最有效、最经济、最便捷且应用最广泛的技术[8]。根据杀菌温度不同，热杀菌分为高温杀菌和低温杀菌。高温杀菌在杀死微生物的同时，可能带来食品色香味、质构及营养组分的损失;低温杀菌的杀菌强度低、产品货架期短，但冷链流通增加了企业成本[9-10]。变温杀菌（variable retort temperature sterilization，VRTS）技术作为一种近年来兴起的新型热杀菌技术，在有效抑制微生物生长和提升食品品质方面具有一定优势，产品还可以实现常温流通。本文简要介绍VRTS技术的原理，综述VRTS技术较常使用的计算机模拟优化方法及VRTS技术在保证肉制品和水产品货架期、保持其较好食用品质等方面的应用研究进展，以期为动物源性食品生产企业优化热杀菌工艺提供指导与借鉴。

1 VRTS技术概述

VRTS是相对恒温杀菌（constant retort temperature sterilization，CRTS）而言的，低温杀菌（如80 ℃、30 min）或高温杀菌（如121 ℃、15 min）均是将食品在某一温度条件下持续加热一段时间，它们均属于CRTS（图1A）。VRTS技术又称阶段式升温杀菌技术（图1B），是一种基于标准杀菌时间（F0值）杀菌理论与高温条件下温度急剧波动微生物易快速致死的原理，通过温度-压力平衡、逐级升高杀菌温度来杀灭微生物的技术[12]。高热强度CRTS易使受热食品表面温度过热、中心温度偏低，而VRTS的阶段升温特性能够缩小食品表面与内部的温差[13]，较好保持食品品质。

2 VRTS技术的数值模拟与优化

动物源性食品杀菌工艺参数优化受原料传热特性、尺寸大小、pH值、水分、食品包装材料和容器（马口铁罐、蒸煮袋等）等多种因素影响[14]。VRTS技术涉及多个升温和/或恒温阶段，动物源性食品原料，如畜禽肉、水产品的传热特性各有不同，不同类型包装容器的传热规律各异，杀菌过程中产品温度变化也十分复杂，通過大批量实验验证得到最优VRTS工艺耗时费力、成本较高，借助计算机仿真和分析工具对VRTS过程进行模拟和优化则显得尤为重要。

2.1 VRTS温度变化函数

VRTS变温函数主要有台阶函数、斜坡函数、正弦函数和指数函数等简单函数以及抛物线函数、指数-台阶联合函数等（图2）[15-17]。20世纪七八十年代，国外学者开始关注变温函数在VRTS过程温度控制中的应用。1975年，Teixeira等[15]将正弦函数、台阶函数和斜坡函数引入VRTS工艺，用以模拟圆柱形罐头食品杀菌过程中的温度变化，但受罐头传热速率限制，3 种函数得到的VRTS工艺并未显著提升硫胺素保留率。采用VRTS技术对柱状罐头食品进行杀菌时，台阶函数可较好拟合罐头食品表面的温度变化，抛物线函数对罐头中心点温度变化的拟合效果较优[17]。对于扁平状罐头食品而言，采用斜坡函数得到的VRTS工艺杀菌效果较好，且蛋氨酸保留率高于CRTS工艺[18]。斜坡函数也适用于蒸煮袋罐头食品，Terajima等[19]研究发现，以相同杀菌效果为前提，基于斜坡函数的升温曲线使产品表面品质损失降低30%、体均品质损失降低10%。

正弦函数和指数函数可变参数少，VRTS工艺优化较为简单，对于参数较多的多重台阶函数、多重斜坡函数，其具有更大的优化潜力[20]。考虑到杀菌锅的升温特性，多个简单函数的组合在VRTS实际应用方面更具可行性。台阶函数的骤然升温在实际生产中难以实现，指数-台阶联合函数每个阶段均分为升温过程和恒温过程，将每阶段的升温过程以指数函数来实现，每阶段的升温速率越快，其曲线越接近台阶函数。

2.2 VRTS过程常用的模拟计算方法

Matlab[16]、计算流体动力学软件包[21-22]、COMSOL Multiphysics[23]等作为食品热杀菌中使用较为广泛的数值模拟软件，在预测食品杀菌过程温度分布、冷点、致死率分布规律等方面具有重要作用。VRTS技术较常使用的数值模拟计算方法主要有有限差分法、共轭梯度法、神经网络模型与遗传算法、迭代优化法及有限元法等。随着数值模拟软件和计算方法的不断进步，VRTS工艺模拟优化已经由早期的单一目标向多目标非线性优化发展[24]，将热杀菌时间、营养组分（硫胺素等）保留率、蒸煮损失、表面质量率、体均质量率等多个指标作为约束条件对于优化VRTS工艺更具实际指导意义。此外，多产品同时杀菌（simultaneous multi-product sterilization，SMPS）是指在同一个杀菌设备中同时对不同种类食品进行灭菌，其在提高食品加工厂生产效率、降低能耗方面具有一定优势，因此，受到不少研究者的关注。Simpson等[25]研究发现，将SMPS理念应用于CRTS是可行的，但仅限于较低的杀菌温度，且不同产品具有相似的热穿透速率系数，以避免部分产品被过度加热;而VRTS在SMPS领域的应用灵活性更高，对2 种产品同时杀菌，最佳VRTS工艺较CRTS工艺生产效率提升9%，相较于2 种产品杀菌的生产效率分别提升86%。

有限差分法是计算机数值模拟最早使用的方法，对圆柱形、蒸煮袋容器食品杀菌过程的模拟精确度较高[26-27]。Durance等[26]基于计算流体动力学软件建立太平洋鲑鱼圆柱状罐头热传导模型，使用有限差分法和随机质心映射优化法优化得到硫胺素损失率最小的VRTS工艺，温度变化曲线类似斜坡-台阶函数。共轭梯度法所需存储量小、步收敛性好、稳定性高，是解决大型非线性优化的有效算法之一[20]。基于有限差分法和共轭梯度法，Simpson等[28]得到锥台状软包装鲭鱼罐头最佳VRTS工艺，其升温曲线类似斜坡函数，模拟值与实际测量值误差小于5%。神经网络算法是基于动物神经网络特质建立模型，在输入单元和输出单元之间建立直接联系;遗传算法则基于自然进化原理进行检索、优化得到最优解。Chen Cuiren等[29]基于神经网络和遗传算法，选取正弦函数和指数函数作为热处理升温曲线，以最小热处理时间和最小表面蒸煮损失率为输出端，对圆柱状容器罐头食品VRTS工艺进行拟合与优化，结果表明，指数函数效果优于正弦函数，最优VRTS热处理时间较CRTS缩短20%，表面蒸煮损失率降低7%～10%。Matlab软件能够对热杀菌过程中涉及的微分方程进行编码，通过软件得到最优解，该软件要求使用者有一定的代码编程基础。Ansorena等[30]基于热传递模型明确含盐贻贝罐头的最慢加热点，利用Matlab软件中的fmincon命令，优化的指数函数式VRTS工艺使硫胺素的保留率较CRTS工艺提升68%。张路遥[16]利用Matlab软件中的fmincon命令，以热致死率为约束条件，以表面质量率为目标函数，通过迭代收敛得到最优VRTS工艺。COMSOL Multiphysics是一种以有限元法作为基础的多物理场仿真软件，较计算流体力学的应用面更广。Ansorena等[31]借助COMSOL Multiphysics软件，基于热传递函数，建立较为精准的金枪鱼罐头传热模型，并对基于正弦函数和指数函数的VRTS工艺进行模拟优化，使COMSOL Multiphysics软件在VRTS工艺优化中的应用成为可能。OPT-PROx作为一种软件包工具，配备自适应随机探索算法、惩罚函数、基于有限差分法的3 次样条逼近函数等功能，在CRTS工艺优化中也有一定应用[32]。

此外，Banga等[33]将约束函数与非线性规划算法相结合，以表面质量率与体均质量率为目标函数，建立近似斜坡函数的VRTS工艺，使表面质量率较CRTS工艺提高20%左右。最大化原则也是VRTS工艺优化的一种数值计算方法[17，34]。Saguy等[34]应用Pontryagin最大化原则得到以硫胺素保留率为目标函数的圆柱状罐头VRTS最优工艺，其温度曲线近似斜坡函数，硫胺素保留率仅比CRTS工艺提高2%。

3 VRTS技术在动物源性食品中的应用

在动物源性食品热杀菌过程中，确保杀菌的有效性是重中之重。F值指杀灭指定环境中一定数量特定微生物所需的时间，其计算公式[14，35]为，式中，t为杀菌时间/min;T为食品冷点温度/℃;Tref为微生物热致死参考温度，取121 ℃;Z为杀菌时间缩短90%需升高的温度，为10 ℃。上述條件下计算得到的F值为F0，即标准灭菌时间/min。当前，VRTS技术以实现与CRTS工艺相同的杀菌效果（相同F0值）为前提开展杀菌参数优化研究，对于不同变温程序对微生物抑制效果的研究报道极少。在保证F0值不变的前提下，通过优化变温函数尽可能缩短杀菌时间、最大程度保持食品品质、尽可能降低产能消耗是食品生产企业最为关注的。

国外学者的研究多以VRTS参数的模拟与优化理论研究为主，对实际热杀菌过程的杀菌效果及产品品质提升等的验证研究较少。大量模拟优化研究虽然从理论上证明了VRTS技术在杀菌和保持食品品质方面的可行性，但值得关注的是，理论优化得到的VRTS参数对杀菌设备要求较高，最优升温函数在实际热杀菌过程中可能存在偏差，一定程度上制约了VRTS在动物源性食品加工中的应用。我国学者则借鉴国外的理论研究基础，重点关注VRTS技术在实际生产中的应用。为推进VRTS技术在食品热杀菌中的应用，张泓等[36-38]研发基于温度-压力平衡体系的高温脉动热水喷淋自动杀菌设备，其升降温速率快、温度控制精准度高、温度分布均匀度高，为VRTS技术在食品生产加工中的应用提供了良好借鉴，相关成果已在工业化主食食品加工企业应用。围绕VRTS技术在实际生产中的应用，研究对象以水产品为主，肉制品为辅。

3.1 水产品

水产品是最早应用VRTS工艺的一类食品，研究应用也比较成熟，已基本实现利用变温函数和数值模拟软件进行VRTS参数的优化。VRTS技术以应用于水产品罐头为主，如金枪鱼罐头、鲭鱼罐头、鲑鱼罐头、鳙鱼罐头和鲣鱼罐头等，品质提升指标由最初的VB1扩充到质构特性、风味物质等。Durance等[26]采用VRTS工艺实现鲑鱼罐头VB1的有效保留。在保持鲭鱼软包装罐头VB1保留率不变的前提下，VRTS工艺杀菌时间较CRTS工艺缩短26%[28]。张路遥等[39]将指数-台阶联合升温函数应用于鳙鱼罐头热杀菌，最优VRTS工艺（93、115、120、125 ℃，每阶段持续10 min）较CRTS工艺（119 ℃、28 min）降低了鳙鱼的热损伤程度，鳙鱼罐头的质构特性、风味成分和感官评价均有明显提升。高涵等[11]以F0=20 min为参照，优化得到4 阶段VRTS工艺（105、115、120、125 ℃，每阶段持续2.5 min），经热杀菌的鲣鱼罐头硬度、弹性和内聚性分别提高22.8%、6.9%和20.5%，鱼肉组织破坏程度小于CRTS工艺。Girard等[40]以F0=8 min为参照，建立基于三重斜坡函数的VRTS工艺，研究VRTS和CRTS工艺（118.4 ℃、64 min）对鲑鱼罐头挥发性风味的影响，结果表明，经主成分分析和感官评价，2 种杀菌条件下不同类别挥发性风味物质（烃类、硫化物、醛类、酮类、醇类、呋喃类）差异不显著，这可能与选取同一类风味物质有关（将烃类物质总含量作为一个变量，而不是某一种风味物质含量），同一种类多种风味物质的加和稀释了差异显著性。

近几年，鱼糜制品已经成为水产品加工的重要形式之一，占水产品加工总量的近7%[41-42]，鱼糜制品经较长时间高温热杀菌后，蛋白凝胶结构易被破坏，使其凝胶特性下降。马玉婵等[43]研究发现，经添加转谷氨酰胺酶结合VRTS工艺（40 ℃、60 min，100 ℃、30 min）处理的草鱼鱼糜制品，其白度、弹性和凝胶强度显著增强。

3.2 肉制品

VRTS技术在肉制品中应用较少。Banga等[33]以肉酱罐头为研究对象，设定F0不低于20 min，建立具有较高表面品质保留率和较短杀菌时间的VRTS最优工艺。

刘战名等[44]针对中式肉制品快餐开展VRTS技术研究，得到五香驴肉VRTS最优工艺参数为：3 min升至100 ℃，保持12 min;3 min升至122 ℃，保持21 min;6 min降至室温。由于杀菌设备温度和时间难以自动控制，VRTS技术推进一度较为缓慢。而在我国西式肉制品加工中，基于芽孢诱导、定向抑菌的中温杀菌技术及应用取得了一定进展[45-47]，如萌发剂协同热刺激能够有效延长香肠在常温条件下流通的货架期，但无法满足罐头食品商业无菌的要求。近年来，VRTS技术在肉制品热杀菌中的应用又有新的尝试，但热杀菌过程理论研究较少，应用研究以菜肴类肉制品软罐头和中式肉制品为主，杀菌效果以37 ℃条件下贮藏10 d后的菌落总数作为评价指标。李莉楠等[48]得到梅菜肉饼软罐头的最佳VRTS参数为110 ℃、25 min，120 ℃、25 min，产品能够达到商业无菌的要求。申晓琳等[49]采用VRTS参数为90 ℃、10 min，108 ℃、20 min，121 ℃、15 min得到的真空软包装道口烧鸡感官指标显著提升，同时也能达到与传统高温高压杀菌（121 ℃、45 min）相同的效果。F0值理论研究的缺少使得在运用VRTS技术推进传统肉制品产品标准化加工方面仍有难度，针对肉制品的VRTS技术理论研究和应用尤为必要。

4 结 语

传统菜肴类食品工业化多以软包装罐头为主，产品尺寸薄或小，过度热杀菌易破坏产品质构、风味及营养指标，VRTS技术作为低热强度杀菌技术具有很大的发展潜力。随着计算机软件技术的发展和更新换代以及新算法的推出，VRTS模拟优化结果将愈发精准。未来应重点围绕不同包装类型、不同种类动物源性食品开展针对性的热传递模型构建及传热规律研究，建立集较长货架期和最大化保持食用品质于一体的VRTS技术。此外，VRTS技术的阶段性升温可能较CRTS技术延长了热杀菌时间，一定程度上增加了热能耗，基于多种产品的SMPS技术在动物源性食品加工过程节能降耗方面的应用也将是重要的研究方向。

低于100 ℃的热杀菌处理不足以杀灭抗逆性极强的芽孢，如嗜热脂肪芽孢杆菌、肉毒梭状芽孢杆菌等[50]，一般多通过添加葡萄糖、果糖、L-丙氨酸等营养物质来促进芽孢萌发[51]形成营养细胞、降低抗热性来实现芽孢灭活。VRTS热处理过程中，波动的温度和压力对食品中热抗性强的芽孢活性的影响，芽孢诱导萌发技术与VRTS技术相结合在灭活芽孢、持续降低热杀菌强度等方面的应用，这些都是以后研究的方向。

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