食品防腐变质的包装技术研究
1. 食品的腐败与变质
微生物广泛分布于自然界，食品中不可避免的会受到一定类型和数量的微生物的污染，当环境条件适宜时，它们就会迅速生长繁殖，造成食品的腐败与变质，不仅降低了食品的营养和卫生质量，而且还可能危害人体的健康。
食品腐败变质（food spoilage），是指食品受到各种内外因素的影响，造成其原有化学性质或物理性质发生变化，降低或失去其营养价值和商品价值的过程。如鱼肉的腐臭、油脂的酸败、水果蔬菜的腐烂和粮食的霉变等。
食品的腐败变质原因较多，有物理因素、化学因素和生物性因素，如动、植物食品组织内酶的作用，昆虫、寄生虫以及微生物的污染等。其中由微生物污染所引起的食品腐败变质是最为重要和普遍的，故本章只讨论有关由微生物引起的食品腐败变质问题。
1.1微生物引起食品变质的基本条件
食品加工前的原料，总是带有一定数量的微生物；在加工过程中及加工后的成品，也不可避免地要接触环境中的微生物，因而食品中存在一定种类和数量的微生物。然而微生物污染食品后，能否导致食品的腐败变质，以及变质的程度和性质如何，是受多方面因素的影响。一般来说，食品发生腐败变质，与食品本身的性质、污染微生物的种类和数量以及食品所处的环境等因素有着密切的关系，而它们三者之间又是相互作用、相互影响的。
1.1.1食品的基质特性
⑴食品的营养成分
食品含有蛋白质、糖类、脂肪、无机盐、维生素和水分等丰富的营养成分，是微生物的良好培养基。因而微生物污染食品后很容易迅速生长繁殖造成食品的变质。但由于不同的食品中，上述各种成分的比例差异很大，而各种微生物分解各类营养物质的能力不同，这就导致了引起不同食品腐败的微生物类群也不同，如肉、鱼等富含蛋白质的食品，容易受到对蛋白质分解能力很强的变形杆菌、青霉等微生物的污染而发生腐败；米饭等含糖类较高的食品，易受到曲霉属、根霉属、乳酸菌、啤酒酵母等对碳水化合物分解能力强的微生物的污染而变质；而脂肪含量较高的食品，易受到黄曲霉和假单孢杆菌等分解脂肪能力很强的微生物的污染而发生酸败变质。
⑵ 食品的氢离子浓度
各种食品都具有一定的氢离子浓度。根据食品pH值范围的特点，可将食品划分为两大类：酸性食品和非酸性食品。一般规定pH值在4．5以上者，属于非酸性食品；pH值在4.5以下者为酸性食品。例如动物食品的pH值一般在5～7之间，蔬菜pH值在5～6之间，它们一般为非酸性食品；水果的pH值在2～5之间，一般为酸性食品。
各类微生物都有其最适宜的pH范围，食品中氢离子浓度可影响菌体细胞膜上电荷的性质。当微生物细胞膜上的电荷性质受到食品氢离子浓度的影响而改变后，微生物对某些物质的吸收机制会发生改变，从而影响细胞正常物质代谢活动和酶的作用，因此食品pH值高低是制约微生物生长，影响食品腐败变质的重要因素之一。
大多数细菌最适生长的pH值是7.0左右，酵母菌和霉菌生长的pH值范围较宽，因而非酸性食品适合于大多数细菌及酵母菌、霉菌的生长；细菌生长下限一般在4．5左右，pH值3.3～4.0以下时只有个别耐酸细菌，如乳杆菌属尚能生长，故酸性食品的腐败变质主要是酵母和霉菌的生长。
另外，食品的pH值也会因微生物的生长繁殖而发生改变，当微生物生长在含糖与蛋白质的食品基质中，微生物首先分解糖产酸使食品的pH值下降；当糖不足时，蛋白质被分解，pH值又回升。由于微生物的活动，使食品基质的pH值发生很大变化，当酸或碱积累到一定量时，反过来又会抑制微生物的继续活动。
⑶ 食品的水分
水分是微生物生命活动的必要条件，微生物细胞组成不可缺少水，细胞内所进行的各种生物化学反应，均以水分为溶媒。在缺水的环境中，微生物的新陈代谢发生障碍，甚至死亡。但各类微生物生长繁殖所要求的水分含量不同，因此，食品中的水分含量决定了生长微生物的种类。一般来说，含水分较多的食品，细菌容易繁殖；含水分少的食品，霉菌和酵母菌则容易繁殖。
食品中水分以游离水和结合水两种形式存在。微生物在食品上生长繁殖，能利用的水是游离水，因而微生物在食品中的生长繁殖所需水不是取决于总含水量（%），而是取决于水分活度（Aw，也称水活性）。因为一部分水是与蛋白质、碳水化合物及一些可溶性物质，如氨基酸、糖、盐等结合，这种结合水对微生物是无用的。因而通常使用水分活度来表示食品中可被微生物利用的水。
水分活度（Aw）是指食品在密闭容器内的水蒸汽压(P)与纯水蒸汽压(P0)之比，即Aw=P/P0 。纯水的Aw=1；无水食品的Aw=0，由此可见，食品的Aw值在0-1之间。表1给出了不同微生物类群生长的最低Aw值范围，从表中可以看出，食品的Aw值在O.60以下，则认为微生物不能生长。一般认为食品Aw值在O.64以下，是食品安全贮藏的防霉含水量。
表9-1 食品中主要微生物类群生长的最低Aw值范围
微生物类群 最低Aw值范围 微生物类群 最低Aw值
大多数细菌 0.99～0.90 嗜盐性细菌 0.75
大多数酵母菌 0.94～0.88 耐高渗酵母 0.60
大多数霉菌 0.94～0.73 干性霉菌 0.65
新鲜的食品原料，例如鱼、肉、水果、蔬菜等含有较多的水分，Aw值一般在O.98～0.99，适合多数微生物的生长，如果不及时加以处理，很容易发生腐败变质。为了防止食品变质，最常用的办法，就是要降低食品的含水量，使Aw值降低至O．70以下，这样可以较长期地进行保存。许多研究报道，Aw值在O.80～O.85之间的食品，一般只能保存几天；Aw值在O.72左右的食品，可以保存2至3个月；如果Aw在0.65以下，则可保存1至3年。
在实际中，为了方便也常用含水量百分率来表示食品的含水量，并以此作为控制微生物生长的一项衡量指标。例如为了达到保藏目的，奶粉含水量应在8% 以下，大米含水量应在13% 左右，豆类在15% 以下，脱水蔬菜在14～20% 之间。这些物质含水量百分率虽然不同，但其Aw值约在0.70以下。
⑷ 食品的渗透压
渗透压与微生物的生命活动有一定的关系。如将微生物置于低渗溶液中，菌体吸收水分发生膨胀，甚至破裂；若置于高渗溶液中，菌体则发生脱水，甚至死亡。一般来讲，微生物在低渗透压的食品中有一定的抵抗力，较易生长，而在高渗食品中，微生物常因脱水而死亡。当然不同微生物种类对渗透压的耐受能力大不相同。
绝大多数细菌不能在较高渗透压的食品中生长，只有少数种能在高渗环境中生长，如盐杆菌属（Halobacterium）中的一些种，在20～30%的食盐浓度的食品中能够生活；肠膜明串珠菌能耐高浓度糖。而酵母菌和霉菌一般能耐受较高的渗透压，如异常汉逊氏酵母（Hansenula anomala）、鲁氏糖酵母（Saccharomyces rouxii）、膜毕赤氏酵母（Pichia membranafaciens）等能耐受高糖，常引起糖浆、果酱、果汁等高糖食品的变质。霉菌中比较突出的代表是灰绿曲霉（Aspergillus glaucus）、青霉属、芽枝霉属等。
食盐和糖是形成不同渗透压的主要物质。在食品中加人不同量的糖或盐，可以形成不同的渗透压。所加的糖或盐越多，则浓度越高，渗透压越大，食品的Aw值就越小。通常为了防止食品腐败变质，常用盐腌和糖渍方法来较长时间地保存食品。
食品的存在状态
完好无损的食品，一般不易发生腐败，如没有破碎和伤口的马铃薯、苹果等，可以放置较长时间。如果食品组织溃破或细胞膜碎裂，则易受到微生物的污染而发生腐败变质。
1.1.2微生物
在食品发生腐败变质的过程中，起重要作用的是微生物。如果某一食品经过彻底灭菌或过滤除菌，则食品长期贮藏也不会发生腐败。反之，如果某一食品污染了微生物，一旦条件适宜，就会引起该食品腐败变质。所以说，微生物的污染是导致食品发生腐效变质的根源。
能引起食品发生腐败变质的微生物种类很多，主要有细菌、酵母和霉菌。一般情况下细菌常比酵母菌占优势。在这些微生物中，有病原菌和非病原菌，有芽孢和非芽孢菌，有嗜热性、嗜温性和嗜冷性菌，有好气或厌气菌，有分解蛋白质、糖类、脂肪能力强的菌。下面对容易引起不同食品腐败变质的微生物概括如表9-2：
表 9-2 部分食品腐败类型和引起腐败的微生物
（微生物学，M Ｊ 小佩尔扎等，１９８７)
食 品 腐败类型 微 生 物
面包 发霉产生粘液 黑根霉 (Rhizopus nigricans)、青霉属 (Penicillium)、黑曲霉 (Aspergillus niger)枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis)
糖浆 产生粘液发酵呈粉红色发霉 产气肠杆菌 (Enterobacter aerogenes)、酵母属 (Saccharomyces)接合酵母属 (Zygosacchromyces)玫瑰色微球菌 (Micrococcus roseus)、曲霉属 (Aspergillus)、青霉属
新鲜水果和蔬菜 软腐灰色霉菌腐烂黑色霉菌腐烂 根霉属 (Rhizopus)、欧文氏杆菌属 (Erwinia)葡萄孢属 (Botrytis)黑曲霉 、假单胞菌属 (Pseudomonas)
泡菜、 酸菜 表面出现白膜 红酵母属 (Rhodotorula)
新鲜 腐败变黑 产碱菌属 (Alcaligenes)、梭菌属 (Clostridium)、普通变形菌 (Proteus vulgaris)荧光假单胞菌 (Pseudomonas fluorescens)、腐败假单胞菌 (Pseudomonas putrefaciens)
肉的 发霉 曲霉属、根霉属、青霉属
保存 变酸变绿色、变粘 假单胞菌属、微球菌属 (Micrococcus)、乳杆菌属 (Lactobacillus)明串珠菌属 (Leuconostoc)
鱼 变色腐败 假单胞菌属、产碱菌属、黄杆菌属 (Flavobacterium)腐败桑瓦拉菌 (Shewanella putrefaciens)
蛋 绿色腐败、褪色腐败黑色腐败 荧光假单胞菌、假单胞菌属、产碱菌属、变形菌属
家禽 变粘、有气味 假单胞菌属、产碱菌属
浓缩桔汁 失去风味 乳杆菌属、明串珠菌属醋杆菌属 (Acetobacter)
⑴ 分解蛋白质类食品的微生
分解蛋白质而使食品变质的微生物，主要是细菌、霉菌和酵母菌，它们多数是通过分泌胞外蛋白酶来完成的。
细菌中，芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、假单孢菌属、变形杆菌属、链球菌属等分解蛋白质能力较强，即使无糖存在，它们在以蛋白质为主要成分的食品上生长良好；肉毒梭状芽孢杆菌分解蛋白质能力很微弱，但该菌为厌氧菌，可引起罐头的腐败变质；小球菌属、葡萄球菌属、黄杆菌属、产碱杆菌属、埃希氏杆菌属等分解蛋白质较弱。
许多霉菌都具有分解蛋白质的能力，霉菌比细菌更能利用天然蛋白质。常见的有：青霉属、毛霉属、曲霉属、木霉属、根霉属等。而多数酵母菌对蛋白质的分解能力极弱。如啤酒酵母属、毕赤氏酵母属、汉逊氏酵母属、假丝酵母属、球拟酵母属等能使凝固的蛋白质缓慢分解。但在某些食品上，酵母菌竞争不过细菌，往往是细菌占优势。
⑵ 分解碳水化合物类食品的微生物
细菌中能高活性分解淀粉的为数不多，主要是芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的某些种，如枯草杆菌、巨大芽孢杆菌、马铃薯芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、淀粉梭状芽孢杆菌等，它们是引起米饭发酵、面包粘液化的主要菌株；能分解纤维素和半纤维素只有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属和八叠球菌属的一些种；但绝大多数细菌都具有分解某些糖的能力，特别是利用单糖的能力极为普遍；某些细菌能利用有机酸或醇类；能分解果胶的细菌主要有芽孢杆菌属、欧氏植病杆菌属、梭状芽孢杆菌属中的部分菌株，它们参与果蔬的腐败。
多数霉菌都有分解简单碳水化合物的能力；能够分解纤维素的霉菌并不多，常见的有青霉属、曲霉属、木霉属等中的几个种，其中绿色木霉、里氏木霉、康氏木霉分解纤维素的能力特别强。分解果胶质的霉菌活力强的有曲霉属、毛霉属、蜡叶芽枝霉等；曲霉属、毛霉属和镰刀霉属等还具有利用某些简单有机酸和醇类的能力。
绝大多数酵母不能使淀粉水解；少数酵母如拟内胞霉属能分解多糖；极少数酵母如脆壁酵母能分解果胶；大多数酵母有利用有机酸的能力。
⑶ 分解脂肪类食品的微生物
分解脂肪的微生物能生成脂肪酶，使脂肪水解为甘油和脂肪酸。一般来讲，对蛋白质分解能力强的需氧性细菌，同时大多数也能分解脂肪。细菌中的假单孢菌属、无色杆菌属、黄色杆菌属、产碱杆菌属和芽孢杆菌属中的许多种，都具有分解脂肪的特性。
能分解脂肪的霉菌比细菌多，在食品中常见的有曲霉属、白地霉、代氏根霉、娄地青霉和芽枝霉属等。
酵母菌分解脂肪的菌种不多，主要是解脂假丝酵母，这种酵母对糖类不发酵，但分解脂肪和蛋白质的能力却很强。因此，在肉类食品、乳及其制品中脂肪酸败时，也应考虑到是否因酵母而引起。
1.1.3 食品的环境条件
在某种意义上讲，引起食品变质，环境因素也是非常重要的。食品中污染的微生物能否生长，还要看环境条件，例如，天热饭菜容易变坏，潮湿粮食容易发霉。影响食品变质的环境因素和影响微生物生长繁殖的环境因素一样，也是多方面的。有些内容已在前面有关章节中加以讨论，故不再重复。在这里，仅就影响食品变质的最重要的几个因素，例如温度、湿度和气体等进行讨论。
温度
前面章节已经讨论了温度变化对微生物生长的影响。根据微生物对温度的适应性，可将微生物分为三个生理类群，即嗜冷、嗜温、嗜热三大类微生物。每一类群微生物都有最适宜生长的温度范围，但这三群微生物又都可以在20℃～30℃之间生长繁殖，当食品处于这种温度的环境中，各种微生物都可生长繁殖而引起食品的变质。
⑴ 低温对微生物生长的影响
低温对微生物生长极为不利，但由于微生物具有一定的适应性，在5℃左右或更低的温度（甚至-20℃以下）下仍有少数微生物能生长繁殖，使食品发生腐败变质，我们称这类微生物为低温微生物。低温微生物是引起冷藏、冷冻食品变质的主要微生物。食品在低温下生长的微生物主要有：假单孢杆菌属、黄色杆菌属、无色杆菌属等革兰氏阴性无芽孢杆菌；小球菌属、乳杆菌属、小杆菌属、芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属等革兰氏阳性细菌；假丝酵母属、隐球酵母属、圆酵母属、丝孢酵母属等酵母菌；青霉属、芽枝霉属、葡萄孢属和毛霉属等霉菌。食品中不同微生物生长的最低温度见表9-3
表9-3 食品中微生物生长的最低温度
食 品 微 生 物 生长最低温度（℃） 食 品 微 生 物 生长最低温度（℃）
猪 肉 细菌 -4 乳 细菌 0～-1
牛 肉 霉菌、酵母菌、细菌 -1～1.6 冰淇凌 细菌 -3～-10
羊 肉 霉菌、酵母菌、细菌 -1～-5 大 豆 霉菌 -6.7
火 腿 细菌 1～2 豌 豆 霉菌、酵母菌 -4～6.7
腊 肠 细菌 5 苹 果 霉菌 0
熏肋肉 细菌 -5～-10 葡萄汁 酵母菌 0
鱼贝类 细菌 -4～-7 浓桔汁 酵母菌 -10
草 莓 霉菌、酵母菌、细菌 -0.3～-6.5
这些微生物虽然能在低温条件下生长，但其新陈代谢活动极为缓慢，生长繁殖的速度也非常迟缓，因而它们引起冷藏食品变质的速度也较慢。
有些微生物在很低温度下能够生长，其机理还不完全清楚。但至少可以认为它们体内的酶在低温下仍能起作用。另外也观察到嗜泠微生物的细胞膜中不饱和脂肪酸含量较高，推测可能是由于它们的细胞质膜在低温下仍保持半流动状态，能进行活跃的物质传递。而其它生物则由于细胞膜中饱和脂肪酸含量高，在低温下成为固体而不能履行其正常功能。
⑵ 高温对微生物生长的影响
高温，特别在45℃以上，对微生物生长来讲，是十分不利的。在高温条件下，微生物体内的酶、蛋白质、脂质体很容易发生变性失活，细胞膜也易受到破坏，这样会加速细胞的死亡。温度愈高，死亡率也愈高。
然而，在高温条件下，仍然有少数微生物能够生长。通常把凡能在45℃以上温度条件下进行代谢活动的微生物，称为高温微生物或嗜热微生物（theophiles）。嗜热微生物之所以能在高温环境中生长，是因为它们具有与其它微生物所不同的特性，如它们的酶和蛋白质对热稳定性比中温菌强得多；它们的细胞膜上富含饱和脂肪酸。由于饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸可以形成更强的疏水键，从而使膜能在高温下保持稳定；它们生长曲线独特，和其它微生物相比，延滞期、对数期都非常短，进入稳定期后，迅速死亡。
在食品中生长的嗜热微生物，主要是嗜热细菌，如芽孢杆菌属中的嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）、凝结芽孢杆菌（B. coagulans）；梭状芽孢杆菌属中的肉毒梭菌（Clostridium botulinum）、热解糖梭状芽孢杆菌（Cl.thermosaccharolyticum）、致黑梭状芽孢杆菌（Cl.nigrificans）；乳杆菌属和链球菌属中的嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）、嗜热乳杆菌等。霉菌中纯黄丝衣霉（Byssochlamys fulva）耐热能力也很强。
在高温条件下，嗜热微生物的新陈代谢活动加快，所产生的酶对蛋白质和糖类等物质的分解速度也比其它微生物快，因而使食品发生变质的时间缩短。由于它们在食品中经过旺盛的生长繁殖后，很容易死亡，所以在实际中，若不及时进行分离培养，就会失去检出的机会。高温微生物造成的食品变质主要是酸败，分解糖类产酸而引起。
微生物与O2有着十分密切的关系。一般来讲，在有氧的环境中，微生物进行有氧呼吸，生长、代谢速度快，食品变质速度也快；缺乏O2条件下，由厌氧性微生物引起的食品变质速度较慢。O2存在与否决定着兼性厌氧微生物是否生长和生长速度的快慢。例如当Aw值是O．86时，无氧存在情况下金黄色葡萄球菌不能生长或生长极其缓慢；而在有氧情况下则能良好生长。
新鲜食品原料中，由于组织内一般存在着还原性物质（如动物原料组织内的巯基），因而具有抗氧化能力。在食品原料内部生长的微生物绝大部分应该是厌氧性微生物；而在原料表面生长的则是需氧微生物。食品经过加工，物质结构改变，需氧微生物能进入组织内部，食品更易发生变质。
另外，H2和CO2等气体的存在，对微生物的生长也有一定的影响。实际中可通过控制它们的浓度来防止食品变质。
湿度
空气中的湿度对于微生物生长和食品变质来讲，起着重要的作用，尤其是未经包装的食品。例如把含水量少的脱水食品放在湿度大的地方，食品则易吸潮，表面水分迅速增加。长江流域梅雨季节，粮食、物品容易发霉，就是因为空气湿度太大（相对湿度70% 以上）的缘故。
Aw值反映了溶液和作用物的水分状态，而相对湿度则表示溶液和作用物周围的空气状态。当两者处于平衡状态时，Aw×100就是大气与作用物平衡后的相对湿度。每种微生物只能在一定的Aw值范围内生长，但这一范围的Aw值要受到空气湿度的影晌。
1.2 食品腐败变质的化学过程
食品腐败变质的过程实质上是食品中蛋白质、碳水化合物、脂肪等被污染微生物的分解代谢作用或自身组织酶进行的某些生化过程。例如新鲜的肉、鱼类的后熟，粮食、水果的呼吸等可以引起食品成分的分解、食品组织溃破和细胞膜碎裂，为微生物的广泛侵入与作用提供条件，结果导致食品的腐败变质。由于食品成分的分解过程和形成的产物十分复杂，因此建立食品腐败变质的定量检测尚有一定的难度。
⑴ 食品中蛋白质的分解
肉、鱼、禽蛋和豆制品等富含蛋白质的食品，主要是以蛋白质分解为其腐败变质特征。由微生物引起蛋白质食品发生的变质，通常称为腐败（spoilage）。 蛋白质在动、植物组织酶以及微生物分泌的蛋白酶（protease）和肽链内切酶（endopetidase）等的作用下，首先水解成多肽，进而裂解形成氨基酸。氨基酸通过脱羧基、脱氨基、脱硫等作用进一步分解成相应的氨、胺类、有机酸类和各种碳氢化合物，食品即表现出腐败特征。
微生物蛋白质酶 肽链内切酶 脱羧基作用、
食物中蛋白质 多肽 氨基酸 氨十胺十硫化氢等
或组织蛋白质酶 脱氨基、脱硫等作用
蛋白质分解后所产生的胺类是碱性含氮化合物质，如胺、伯胺、仲胺及叔胺等具有挥发性和特异的臭味。各种不同的氨基酸分解产生的腐败胺类和其它物质各不相同，甘氨酸产生甲胺，鸟氨酸产生腐胺，精氨酸产生色胺进而又分解成吲哚，含硫氨基酸分解产生硫化氢和氨、乙硫醇等。这些物质都是蛋白质腐败产生的主要臭味物质。
氨基酸的分解 氨基酸通过脱氨基、脱羧基被分解。
① 脱氨反应
在氨基酸脱氨反应中，通过氧化脱氨生成羧酸和a－酮酸，直接脱氨则生成不饱和脂肪酸，若还原脱氨则生成有机酸。例如：
RCH2CHNH2COOH（氨基酸） + O2 ? RCH2COCOOH （a－酮酸）+ NH3
RCH2CHNH2COOH（氨基酸） + O2 ? RCOOH （羧酸）+ NH3 + CO2
RCH2CHNH2COOH（氨基酸） ? RCH=CHCOOH （不饱和脂肪酸）+ NH3
RCH2CHNH2COOH（氨基酸） + H2 ? RCH2CH2COOH （有机酸）+ NH3
② 脱羧反应
氨基酸脱羧基生成胺类；有些微生物能脱氨、脱羧同时进行，通过加水分解、氧化和还原等方式生成乙醇、脂肪酸、碳氢化合物和氨、二氧化碳等。例如：
CH2NH2COOH (甘氨酸) ? CH3NH2 （甲胺）+ CO2
CH2NH2(CH2)2 CHNH2COOH (鸟氨酸) ? CH2NH2(CH2)2 CH2NH2 （腐胺）+ CO2
CH2NH2(CH2)3 CHNH2COOH (精氨酸) ? CH2NH2(CH2)3 CH2NH2 （尸胺）+ CO2
组氨酸 ? 组胺 + CO2
(CH3)2CHCHNH2COOH （缬氨酸） + H2O ? (CH3)2CH CH2OH（异丁醇）+ NH3 + CO2
CH3CHNH2COOH （丙氨酸） + O2 ? CH3COOH （乙酸）+ NH3 + CO2
CH2NH2COOH （甘氨酸）+ H2 ? CH4 （甲烷）+ NH3 + CO2
③ 胺的分解