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變質容易保存難?對抗微生物大作戰—「PanSci TALK:食品保存技術大解密」

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

家裡的倉庫或櫥櫃除了一堆雜物,是不是也少不了一箱箱的泡麵和罐頭呢?仔細想想,這些食品放了這麼久不會壞嗎?真相只有一個,那就是……「能放這麼久,一定加了防腐劑!」先別這麼快下結論,2016 年 11 月 4 日的「PanSci TALK:保存不只靠防腐劑!?食品保存技術大解密!」,邀請到台灣大學食品科學研究所的丁俞文老師來講解那些食物沒告訴你的事。

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食物壞壞,但食物不說?

雖然人人聞防腐劑色變,但它其實也挺無辜的,它只是想要別讓食物壞掉嘛!(吶喊),所以要論罪防腐劑之前,先來了解一下食物為何這麼容易壞吧。

食品品質下降的原因大致上是受到外界因子(如溫度、pH 值等)、本身成分化學反應(如蛋白質變性、維生素損失等)、酵素因子(加速食物本身的化學反應如水解,並非造成腐敗)和微生物因子的影響。「食物會有這些反應是正常的嗎?」丁俞文表示,食物本身就是化學結構的組合,因此產生化學反應是很正常的,不需要聽到「化學反應」四個字便過度反應。

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讓食物腐敗的秘密到底是什麼?圖 / By Michael Patterson @ flickr, CC BY-ND 2.0

而微生物因子其實是導致食品劣變的最大元兇:除了會使食品腐敗外,還可能進一步引發食物中毒。那麼,有哪些因子會影響微生物生長呢?

1. 內在因子

內在因子包含 pH 值、水活性、營養成分、滲透壓、抗菌物質和生物結構等。

以 pH 值為例,不同微生物可適應的 pH 值不同,細菌適合生長的 pH 值是 6.5 ~ 7.5、黴菌則是 4.0 ~ 6.0,而 pH 值低於 4.6 以下的酸性食品會使大部分的細菌無法生長。

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常見微生物的適合生長酸鹼度。圖 / 丁俞文提供

除了酸鹼度之外,水活性也是影響微生物的重要因素,「水活性並不等於含水量」,水活性的定義為「微生物可直接利用水的程度」。水可以「自由水」和「結合水」兩種狀態存在,其中自由水具有活性可進行化學反應,且可以被微生物作為生長利用,容易使食物腐敗;而結合水則是指會與其它化學結構產生結合的水分子,較無活性,因此難以被微生物利用,食物較不容易進行化學反應而劣變。

同為生物體的微生物,其實也是需要養分才能長好長滿,例如從碳水化合物獲取碳、從蛋白質和胺基酸獲得氮,以及礦物質和維生素等。但這個與人類共有的「需求」也使得保存食物變得不易,我們無法為了保存食物而使食物流失營養成分。

最後,就是大家「常見」的滲透壓了,無論是糖漬還是鹽漬都和滲透壓脫不了關係。正常情況下,分子會從濃度高的環境流向濃度低的環境(水則會從濃度低的環境流向濃度高的環境),並在最後達到內外的平衡,因此,當外界濃度較低時,水便會試圖流進微生物體內甚至使之脹破;反之,若外界濃度夠高(如高鹽高糖),微生物便會無法獲得水分生長。

2. 外部因素

外部因素包含儲存溫度、相對溫度、空氣成分和其他微生物等。

以溫度來說,微生物最適生長溫度為 4 到 40°C,「那為何我們比較常用低溫保存食物呢?」因為高溫可能會破壞營養成分,消滅了微生物也讓食物失去營養。

除了溫度,空氣也是一個好幫手。一般而言,大氣中氮氣佔了 78 %、氧氣佔了 21 %、二氧化碳則只有 0.3 %,市面上有許多食品會調整包裝內的空氣組成,如降低氧氣比例、提高二氧化碳比例,以抑制耗氧菌的生長;更常見的還有在洋芋片包裝中充填氮氣,惰性氣體的氮氣可以讓洋芋片減緩氧化,膨脹的包裝也能減緩運輸過程中的衝擊,避免洋芋片碎掉。

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別再說是買空氣送洋芋片了,這都是為了防堵微生物啊!圖 / By Erin Stevenson O’Connor @ flickr, CC BY-SA 2.0

人跟人之間會交朋友、會結仇,微生物也是一樣的,例如乳酸菌會不斷產生酸性物質,以至於生長環境不利於腐敗菌而形成拮抗關係,也有些微生物之間會互相協作以幫忙消化營養物質,形成互利共生的關係。

3. 欄柵技術

柵欄技術(Hurdle Technology)則是結合內在因子和外部因素的集大成,將每種抑菌因子(如 pH 值、水活性、溫度等)假設成一道道的柵欄,藉由測試微生物「跨越」柵欄的情況來決定最適合的防腐方法。

有別於只以單一抑菌因子為參考的保存方法,可以更有效降低微生物跨越柵欄門檻的可能性,且保存條件設定不再需要過於極端(如極高溫或極乾燥)才能達到目的。舉例來說,假如單一抑菌因子(柵欄)為溫度,食品必須要經過冷凍處理;當我們設下多道柵欄之後,食物只需冷藏即可達到抑菌的目標,而且可以保存更長時間也不破壞風味。

微生物的二次逆襲

除了抑菌,食品保存更是防止再度被微生物汙染的關鍵,常見的方法有乾燥、高溫、低溫、化學、調氣、放射線照射和製罐保存等。

想在食物身上發現「被保存」過的痕跡並不難,就以總被誤會跟防腐劑有一腿的泡麵來說好了,麵體分為油炸類跟非油炸類(熱風乾燥),油炸面體會利用油炸過程把麵條的水分去除(低於 10%),以至於無法支持微生物生長。而讓整碗泡麵再上一層樓的料理包,可就不是這種保存方式了(你應該不希望肉塊都炸老了吧?),泡麵中的調理包其實可算是「軟式罐頭」中的一種,而常見的馬口鐵或玻璃罐裝食品則被稱作「硬式罐頭」。

罐頭的保存主要為三步驟:脫氣、密封、加熱殺菌。首先,脫氣是為了防止好氣性微生物的滋長、保持內容物和容器內壁不變化,並防止高溫殺菌食罐頭因過度膨脹而受損,而脫氣可分為加熱脫氣法、機械真空脫氣法、蒸氣脫氣法三種,差別在於置換空氣的方法不同而已;而密封則是用以隔絕罐內外的空氣和液體流通,依容器不同可分為罐頭密封、瓶裝密封和可殺菌軟袋密封法;最後,利用加熱殺菌使罐內微生物死滅或停止活動。不但不需要防腐劑的幫忙,衛福部在「食品安全衛生管理法」中「食品添加物使用範圍及限量」甚至明文規定:「罐頭一律禁止使用防腐劑。」

說到這裡,有沒有對食物的保存與劣變有了全新的看法呢?食品安全其實就像是人類與微生物的攻防戰,而打仗並不一定需要原子彈才能贏,「所以,泡麵可以放這麼久是為什麼啊?」相信你的答案一定不會再是防腐劑了。

關於作者

愛吃愛玩愛科學,過著沒錢的快樂日子。