餐桌剩余食物饲料化灭菌工艺研究进展

■ 蔡云霞 韩 晴 李 俊* 王 刚

(1.中国农业科学院饲料研究所，北京100081；2.北京嘉博文生物饲料科技有限公司，北京100085)

1 餐桌剩余食物

餐桌剩余食物是指在营业性餐厅中（包括营业性餐饮单位和学校、部队、工厂、办公区的食堂），按分类要求及时收集的餐桌上剩余的食物。餐桌剩余食物富含蛋白质、淀粉、纤维素、脂肪等营养物质，同时富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素，其饲料化产品可以替代蛋白及能量饲料，减轻原料资源紧缺的需求。

餐桌剩余食物含水率较高，在适宜的环境条件下，微生物可以大量繁殖[1-2]，引起腐败变质。而由于餐桌剩余食物成分复杂且差异大[3]，自体形成的优势菌群不同[4]，导致引起食品腐败的微生物类群不同，鱼、肉等蛋白质含量高的肉菜型餐桌剩余食物，易受到变形杆菌、青霉等微生物的污染而腐败；碳水化合物含量高的米面型餐桌剩余食物易受到曲霉、根霉、乳酸菌及啤酒酵母等微生物的污染而变质。同时餐桌剩余食物在收集、储运过程中极易受大肠杆菌、沙门氏菌等病原微生物的污染[5]。

在微生物的作用下，可以使餐桌剩余食物中蛋白质、碳水化合物、脂肪等产生腐败。蛋白质腐败易产生氨、胺类、有机酸类和各种碳氢化合物类。油脂易在空气中氧、光线和微生物等的共同作用下，发生氧化及水解反应，产生过氧化物、羧酸、醛、酮等小分子物质。碳水化合物在微生物或酶的作用下，产生双糖、单糖、有机酸、醇、醛等，使酸价升高。因此在储运和生产阶段控制微生物的产生并及时杀灭有非常重要的作用。

《中华人民共和国畜牧法》第四十三条规定，从事畜禽养殖，不得使用未经高温处理的餐馆、食堂的泔水饲喂家畜。可见餐桌剩余食物的饲料化加工的基本要求是实现杀菌消毒，保证安全卫生。

研究开发适合餐桌剩余食物饲料化利用的灭菌工艺，既可以解决食物浪费问题，节约能量及蛋白饲料资源，又可以降低养殖生产成本，减少污染，减少餐桌剩余食物饲料化的安全隐患。

2 餐桌剩余食物饲料化灭菌工艺

在工业生产中，对批量的原粮（例如玉米等）的灭菌方式主要有物理法、化学法和生物法。物理法包括辐射、热处理、吸附、臭氧处理等；化学法包含药物熏蒸、添加防霉剂或抗氧化剂、补充营养素等；生物法应用较少，如利用生物酶制剂去除细菌和霉菌等有害微生物等。

餐桌剩余食物是多种食物的混合物，饲料化利用时集合了食品与饲料两种特性。现阶段国内餐桌剩余食物饲料化工艺流程中，物理灭菌由于处理量大，无化学残留，灭菌费用低等优点更受青睐，比较常见的方法有热处理杀菌技术和辐照法。热处理杀菌法包括常压煮沸法、高温高压蒸汽灭菌法[6]、微波灭菌法[7]等。

2.1 蒸煮法

2.1.1 原理

采用传统的蒸煮加热方式，从表面开始，通过热介质（蒸汽或水）传导至中心，利用热传导的高温杀死细菌。餐桌剩余食物中的水分含量在70%以上，直接蒸煮升温，并使微生物发生蛋白变性，从而起到杀灭微生物的作用。

2.1.2 优点

① 高温杀灭细菌。常压下水煮沸的温度是100℃，通常蒸沸达5 min可杀死绝大部分细菌繁殖体，但是不能杀灭部分耐高温菌和孢子。

②造价低，操作简单。常压蒸煮不需要高额设备投入，只需要热源及容器即可。

2.1.3 缺点

①能源浪费，热介质传导慢。加热过程中有大量的能源发散到周边环境，造成了不必要的能源浪费。

②易产生异味及美拉德反应。餐桌剩余食物的质地黏稠，在缓慢加热的过程中挥发性物质很容易散发异味，污染环境。同时，长时间蒸煮，水分大量蒸发，容易发生美拉德反应。

2.1.4 应用情况

日本餐桌剩余食物饲料化行业受到严格监管，有政府授权的专门公司对餐桌剩余食物进行热处理（日本的食品安全法中热处理要求在70℃下30 min或在80℃下3 min）。韩国回收大约42.5%的餐厨作为饲料[8]。韩国传统的餐桌剩余食物灭菌方式采用常压蒸煮法，即90～110℃下蒸煮30 min进行灭菌。

国内还有部分养殖场直接对餐桌剩余食物简单蒸煮消毒后饲喂动物，卫生安全性得不到保障；国内也有部分企业采用90℃蒸煮20～30 min对餐桌剩余食物灭菌，再进行干燥后制成成品。

2.2 高温、高压蒸汽灭菌

2.2.1 原理

水在高温、高压的作用下形成饱和蒸汽，浸润物品，使物品温度升高，可以很快杀死各种细菌及其高度耐热的芽孢杆菌和孢子。也可以通过流动高温蒸汽（≥100℃）进行灭菌。根据排冷空气原理不同，可分重力置换式和预真空式，SPF饲料灭菌试验中预真空式灭菌后饲料的饲喂效果比重力置换式灭菌的饲料更优[9]。高温、高压蒸汽灭菌常用参数组合有121℃、20 min和134℃、4 min，能杀灭所有细菌增殖体和芽孢。

2.2.2 高温、高压蒸汽灭菌的优点

①操作简便，适用范围广。高温、高压蒸汽灭菌是目前最成熟，也是应用最广泛的灭菌方法，在科研、医疗、制药、食品、农业生产等多领域均有应用。

②灭酶灭菌彻底。由于蒸汽穿透力强，能均匀传递热能；同时蒸汽有大量潜热存在，水由气态变成液态释放出热能，可迅速提高物体的温度，使蛋白质变性。

③提高物料膳食纤维含量。高温、高压容易使被灭菌饲料的纤维裂解，对纤维含量偏高的物料起到很好的调节作用。郑刚等[10]发现豆渣纤维经高压蒸煮处理30 min，豆渣纤维中水溶性膳食纤维的含量提高了69.4%，同时豆渣膳食纤维的持水力和结合水力降低。

2.2.3 高温、高压蒸汽灭菌的缺点

①不能用于不耐高温、高湿的物品及能隔绝湿热，蒸汽无法穿透的物品灭菌。例如塑料、毛皮、凡士林等。

②灭菌物料营养成分和风味物质损失大。使用高温、高压蒸汽灭菌对饲料的营养成分破坏较大，尤其是一些热敏成分，如酶、维生素和氨基酸等，脂肪变性，蛋白质的品质也会降低。因此高温蒸汽灭菌的参数需要按照灭菌样品的营养指标差异进行调整，尽量减少营养成分的损失。也可以通过灭菌后补充相应损失的营养物质（维生素、氨基酸等），以达到平衡营养成分的作用[11-12]。灭菌参数不同，损失程度也不一样。石宝燕等[13]研究发现，高压灭菌饲料时，饲料中的粗脂肪含量和多不饱和脂肪酸含量与对照组（未灭菌组）相比均无显著差异（P＞0.05），可能与基质脂肪含量有关。

2.2.4 高温、高压蒸汽灭菌的应用

Yiying Jin等[14]发现，餐桌剩余食物于110℃下湿热处理60 min，其中的菌落总数、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等卫生指标显著降低，认为该灭菌参数可用于餐桌剩余食物饲料化的杀菌阶段。

小规模的高温、高压蒸汽灭菌常用的脉动真空灭菌柜，可设定温度、压力和时间等参数，控制抽真空、升温、灭菌和干燥等程序，但需要人工进料出料。而灭菌柜的内部结构、需灭菌物体的体积、数量、排布方式等都会对灭菌的效果产生影响[15]。

随着科技发展，专业化符合各种特殊需要的高温灭菌设备，出现了卧式双开门、卧式水浴式、喷淋式及旋转式等高温加压杀菌设备，动态连续式蒸汽灭菌设备等[16]，采取粉流动态的方式，均匀通过蒸汽，解决了高温、高压灭菌常见的冷点不能完全杀菌，部分区域温度过高影响样品质量的问题。现阶段仍是以高温、高压蒸汽为主，近年来有向超高温瞬时灭菌方向的发展趋势，也越来越得到人们的认可。

因此高温、高压蒸汽灭菌法同样适用于餐桌剩余食物，由于该工艺技术成熟早，操作简便，是可直接用于餐桌剩余食物饲料化的工艺流程之一。

2.3 微波杀菌法

2.3.1 原理

微波是指频率在300 MHz至3 000 GHz的电磁波。用于消毒的微波频率一般为（2 450±50）MHz与（915±25）MHz两种，而家用微波炉的频率一般是2 450 MHz。根据物料性质灭菌温度需求，微波灭菌可分为三类：低温长时间灭菌、中温短时间灭菌、高温瞬时灭菌。

微波被认为同时具有“热效应”与“非热效应”。热效应表现为电磁能向热能的转化，物料中的水、蛋白质、核酸等极性分子跟随微波电磁场的交变而排列取向，引起分子间激烈的摩擦，使物料温度升高，达到热杀菌的目的。非热效应常见的说法有两种，一种是生物效应，微波电场使细胞膜断面的电位分布发生改变，使细胞膜的通透性改变，破坏细胞代谢功能，中断细胞正常繁殖能力[17]。另一种是蛋白质变性模型，物料中极性分子在电磁场的作用下，引起蛋白质分子团的旋转或振动，导致蛋白质变性。

亦有研究表明，在某些特定的条件下不能体现微波灭菌的非热效应，这可能是受到微波的热效应掩盖或者干扰造成的[18]。

2.3.2 微波灭菌优点

①微波属于物理灭菌，致死率比传统热灭菌需求温度低，灭菌效果好。微波灭菌可以杀灭各类细菌繁殖体、真菌、病毒、细菌芽孢等[19]。相对细菌而言，大肠杆菌、霉菌和酵母等对微波特别敏感[20-21]。常规方法热灭菌温度要在100℃以上，10～30 min，而微波灭菌温度仅在70～90℃，时间小于10 min[22]。

②微波具有极强的穿透性，速度快，一致性高。能将制品表面和内部的细菌均杀死，同时还可以使酶失活，而使其保鲜期增加数倍，能较好地解决软包装肉制品的杀菌问题[23]。在2 450 MHz、500 W微波条件下，大肠杆菌、金黄色葡萄球菌需2 min即可杀死，枯草黑色变种芽孢5 min可杀灭[24]。

③物料营养成分损失少。微波加热均匀，水、物料等在不吸收微波的PET塑料、玻璃、纸张、陶瓷等微波设备内能直接吸收微波灭菌、保护热敏性营养素、减少其流失，还可以避免二次污染。在易变质的蓝莓汁实际生产中，保证灭菌效果前提下，微波灭菌后蓝莓汁的色泽、香气及风味、感官品质均优于巴氏消毒、超高温灭菌方式[25]。

④节约能源，保护环境。微波电能转换效率高，一般在70%以上，并且直接作用于物料，不存在额外的热能损失，从而节能。

2.3.3 微波灭菌缺点

①微波的频率越高，波长越短，微波的穿透能力也越差。由于微波在穿透物料的过程中能量不断地被物料吸收并转化为热能，场强和功率逐渐被衰减，会降低灭菌效果。不同物料介电特性不同，故需选择合适的微波灭菌频率。

②非热效应的机理不确定，量化困难。非热效应具有非线性、协同性等特点，作用的机理至今仍有争议，很难在工业生产中量化使用。非热效应的作用机理研究非常重要，将对不同物料微波灭菌参数的确定及与其他灭菌方式协同应用起到一定的推动作用。

③目前微波杀菌工业化设备的成本高。微波杀菌工业化应用仍以食品类居多，若应用在餐桌剩余食物饲料化工艺上，仍需要加强微波杀菌工业化设备的研发力度，平衡营养物质损失与成本的关系，以期降低经济成本，加快微波技术在餐桌剩余食物饲料化中的工业化进程。

2.3.4 微波灭菌技术的应用

微波杀菌法适应范围非常广，可以用于粉状、膏状、液态和固体等各种形态的物料，在食品加工中应用较多，例如粮油制品、调味品、果蔬、水产品、肉制品等的灭菌；中药制品（人参、天麻）等的灭菌及干燥；茶叶的杀青等[26-28]。

除了在食品领域外，在原粮及SPF试验动物饲料中也有应用。彭凯等[29]发现，微波在玉米的灭菌处理上具有潜在的应用价值，既可杀灭霉菌，又保证玉米品质。微波辐射杀灭玉米霉菌的最佳工艺条件为：水分含量13%、微波功率680 W、玉米装载量200 g、灭菌时间64 s，此条件下，微波辐射的平均灭菌率为99.68%，玉米裂纹率为0，粗蛋白、淀粉及粗脂肪的变异系数分别为0.86%、2.26%和0.21%。试验中各因素影响程度为：微波功率＞辐射时间＞装载量＞水分含量，与杨红军等[30]研究微波在SPF试验动物饲料灭菌中的应用结果略有差异，SPF试验动物饲料受因素影响程度为：微波加热时间＞料层厚度＞微波功率＞饲料水分含量，可见不同物料对微波参数敏感度不一致。

餐桌剩余食物使用微波灭菌目前仍鲜有报到，可参照原粮、饲料等工艺执行。彭凯等[29]研究发现，在相同水分含量下，随着功率的增加，灭菌率逐渐升高。在相同功率下，随着水分含量的增加，灭菌率先升高后降低。由于餐桌剩余食物水分含量通常在75%以上，使得微波不能发挥最优效果，可以考虑先脱水后灭菌的方式进行改善。

2.4 电离辐射灭菌

2.4.1 原理

电离辐射指的是那些能直接地或间接地通过初级或次级过程而使物质产生电离效应的辐射。食品辐照灭菌过程中发生一系列辐照效应，主要有物理学、化学和生物学效应。物料中水分子接受能量后被激发和电离，产生各种不同的游离基和离子，使微生物细胞内蛋白质、DNA受损或者细胞内膜受损，干扰代谢，从而导致微生物的死亡。我国《辐照食品卫生管理办法》规定用于食品辐照源包含：①钴-60或铯-137产生的γ射线；②电子加速器产生的电子束，能量不高于10 MeV。其中60Co在食品灭菌中应用最为普遍。

2.4.2 辐照灭菌的优点

①低温灭菌效果好，做到“冷杀菌”。杨红军[30]利用辐照灭菌SPF猪饲料时，发现SPF猪饲料受辐照后菌落总数、霉菌和酵母总数的对数值与辐照剂量呈负线性关系。而辐照过程产生的热量很少，可以在常温甚至冰冻状态下进行，经过杀菌剂量的辐照能够达到杀灭细菌。

②营养成分损失较高温、高压灭菌小，无残留。贵有军等[31]通过KM小鼠饲养实验，分析得知60Co-γ射线辐照灭菌比高温、高压灭菌处理后饲喂清洁级KM小鼠的效果更好，在体重、生长速度及母鼠的各项生殖指标均优于后者，亦能间接说明营养成分损失较小，是目前在成品饲料中比较理想的灭菌方式。

经研究发现，经过辐照的饲料中粗纤维、灰分和总能等没有明显的变化，但是水分、粗蛋白、粗脂肪含量随着辐照剂量增多而有了不同程度的变化，且饲料中多种维生素及过氧化氢酶破坏程度增加了[11，32]。因此，高剂量辐照后的饲料需要补充维生素等营养成分。

③穿透力强，不惧包装，产量大。辐照穿透力强，可以均匀深入产品内部，可以在包装好的情况下进行辐照，工序操作简单，利于高效大批量加工。

④辐照灭菌无残留。辐照过程不需要添加化学物质，经辐照处理后不残留放射性，无残留物，减少环境污染。

2.4.3 辐照灭菌的不足

①辐照剂量控制困难

过量的辐照剂量，容易使物料产生酸败及异味，营养成分损失也越大。实际生产中有效辐照剂量的确定还依赖于辐照的剂量率、环境条件（温度、氧气、压力等）、物料的性质（品质、含水量等）、辐照后的存储条件、存储时长以及灭菌需要达到的标准等[33]。

②辐照基质要求高

低水分：使用辐照时，物料干燥，水分过低时，辐照产生的自由基没有水的连续而不能自由移动，辐射作用就会显著减弱。而物料含水量过高时，水分子被激发和电离产生的游离基、离子就越多，导致物料中的游离态维生素破坏程度越高。

酶含量低：由于酶失活的剂量高达100 kGy，普通剂量的辐照能有效杀灭有害微生物，但是不能使餐桌剩余食物的酶失活，未失活的酶仍可持续降低物料质量。如若使用高剂量辐照灭菌处理会使物料脂肪氧化和含硫氨基酸降解产生异味[11]。

低脂肪：辐射灭菌对高脂饲料中的粗脂肪及多不饱和脂肪酸的影响较大。石宝燕等[13]采用60Co-γ照射对10%脂肪含量的饲料进行灭菌，经辐射灭菌后的饲料中粗脂肪含量、总不饱和脂肪酸含量及几种重要的多不饱和脂肪酸含量较未灭菌组均显著降低（P＜0.05）。

③成本高

餐桌剩余食物由于组成成分复杂，极易污染各种微生物，使得自体微生物种类和含量较高，需要的辐照剂量大。如果用SPF级饲料默认的60Co辐照杀菌剂量25 kGy，而每千克餐桌剩余食物可用干物质在25%以下，成本过高。

2.4.4 在餐桌剩余食物中的应用

由于餐桌剩余食物的水分过高，用辐照灭菌很容易使营养成分降低，并且由于基质复杂不均一，很容易发生辐照剂量过大而引起异味，目前未发现有企业使用该方式在餐桌剩余食物饲料化灭菌中应用。

2.5 其它方法

目前，灭菌技术工业化和标准化越来越多，例如超高温瞬时杀菌技术（ultra-high temperature instantaneous sterilization,UHT）、高压脉冲电场杀菌技术（high-voltage pulsed electric field,HPEF）、超高压杀菌技术（ultra-high pressure processing,UHP）、脉冲磁场杀菌技术等。这些技术均在食品加工中有应用，而且有些技术用途也越来越广。餐桌剩余食物和食品在本质上是一致的，这些灭菌技术的工业化给餐桌剩余食物饲料化灭菌工序提供了更多选择，可以借鉴这些工艺，结合动物饲料的实际需求，对餐桌剩余食物进行灭菌，从而达到饲料化利用的安全卫生要求。

3 总结与展望

灭菌的最佳方式是既能杀灭细菌，隔断腐败进程，又不破坏餐桌剩余食物本身的营养物质。目前餐桌剩余食物饲料化灭菌工艺采用较多的是常压蒸煮及高温、高压蒸汽灭菌，其技术成熟便于操作，但是由于高温对营养成分损失较大，技术改进的空间仍然很大。微波法等方法尽管在食品加工上应用较为成熟，但当前针对餐桌剩余食物饲料化的研究较少，因为其受制约因素较多，亦需要进一步研究。而适当剂量的辐照法对营养损失较少，但是由于其价格昂贵，对灭菌基质要求高，餐桌剩余食物饲料化能不能通过调节工艺次序满足辐照基质要求的研究尚不够深入。今后仍需要根据餐桌剩余食物饲料化利用的特定要求，研究适宜的灭菌工艺，并优化工艺参数。