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微生物的奇幻旅程:食物為何變得好壞壞? ──「PanSci TALK:生鮮食品該如何保存」

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

文字記錄/陳亭瑋

食物是怎樣開始變質腐敗的?把生鮮食品「冰起來」,就能對付食品上的微生物讓食物不會「壞掉」嗎?而我們使用冰箱的方式,又真的正確嗎?

今年度食安系列講座第二彈「PanSci TALK:生鮮食品該如何保存?」的首位講者,輔仁大學食品科學系的陳邦元助理教授,這次帶領大家話說從頭,由食品微生物學的角度探討食物保存的基本原理。

輔仁大學食品科學所陳邦元助理教授。圖/By PanSci

生鮮食品是活的還死的?

「首先,日常生活中的新鮮食品可以被區分為『動物性』跟『植物性』兩類。」動物性食品如肉品、水產等,最大的特色就是生物體本身已經死亡,體內的酵素會在動物死後自動開始分解自身組織,因此,即使能夠透過加工、真空等方式排除外界微生物的影響,動物性食品仍然會產生劣變。而新鮮的植物性食品如蔬果,組織仍然存活,體內的呼吸作用一般都還持續進行,但已經失去種植環境下持續供給的養分跟水分,隨著保存時間拉長,植物性食品的狀況也會逐漸損失水分、養分而劣化。

既然食品本來就會變化,大家該如何判斷食物已經到了不堪食用的地步?「一般來說,當食品能從外觀發現有了腐敗、酸化、發黴、變色、產生黏液等較劇烈的變化,我們就會認為完全不適合食用了,而這類變化多是由『微生物』所引起的,包含食品科學上著重討論的幾類細菌、黴菌和酵母菌。」陳邦元老師表示,想完善保存食品,我們需要針對環境中微生物所需的幾個生長條件加以限制,盡可能減少微生物的生長以延長食品保存的時間。

看不見的微生物大軍,食品微生物學的基礎

「細菌存在於生活中各處,如果提供適當條件,可以生長得非常快速,例如金黃葡萄球菌每 12~15 分鐘就能分裂一次,8 個小時可以長到 100 萬個;一般的肉片或魚類,每一公克約有 10~10000 個細菌。而無論是哪種食物,細菌量只要到 500 萬個,大概都可以判定腐壞了。」陳邦元老師解釋道,「如果食物一開始就遭到污染,也就是沾染了比較多的細菌,腐壞的速度自然也會比未受污染的快上很多。」

一般的情況下肉眼看不見細菌,要經由電子顯微鏡才能一窺其真面目。圖/By 陳邦元老師簡報

「食品微生物學的主要內容便是著眼於微生物生長所需的因子,從而控制環境條件、研發出適合食品保存的方式。」影響食品中微生物生長的因子,可以分成內在因子、外在因子、微生物因子等。

內在因子:自身條件的影響

食品原本就有的、天生會影響微生物生長的因子,我們稱之為內在因子,主要包括:

  • 水活性 Water activity

微生物要在食品上存活繁衍,需要環境中有夠高的水活性,也就是「微生物能利用的水分」之比例。以蜂蜜為例,蜂蜜是液體,但它的水分幾乎都被糖類包裹住了,微生物無法獲得水分,自然非常難存活;但仍有少數微生物可以在裡面休眠,如肉毒桿菌的孢子,這也是一歲以下的幼兒不能吃蜂蜜的緣故 ── 幼兒腸道被認為酸性不足、益生菌叢少,肉毒桿菌孢子若入侵便可能致命。

「一般生鮮食品的水活性都非常高,因此在保存上會應用醃製、乾燥等方法降低食品的水活性,避免微生物增生。」陳邦元老師說。

  • 酸鹼值 pH value

環境中的酸鹼值會影響生物體酵素的運作,也會影響微生物生長,大多數微生物生長的最適當的酸鹼值範圍在 pH 值 6.5~8.5 之間。 除了少數產酸細菌(乳酸菌、醋酸菌等)外,一般細菌生長酸鹼值範圍範圍在 pH 值 4.0~9.0,偏鹼性環境;相對來說,酵母菌(適合範圍 pH 值 1.5~8.5)、黴菌(適合範圍 pH 值 1.5~11.0)則較偏愛酸性環境。陳邦元老師提到,一般蔬菜偏鹼性,較容易因細菌造成腐敗;水果則主要偏酸性,常由黴菌或酵母菌造成腐敗。

  • 食品中的營養成分 Nutrient contents

很簡單,微生物需要獲得能量延續生存,營養源越多的食物他們越愛。

  • 抗菌物質存在與否 Antimicrobial agents

部分天然食品含有「抗菌成分」,因此能抑制某些微生物生長,最常見的就是大蒜,其精油有抗菌效果。

大蒜本身擁有抗菌成份,能幫助食品不受微生物影響。圖/MALIZ ONG @ PublicDomainPictures, CC License

  • 食品之生物性結構屏障 Biological barrier

如果食品的取用過程中能盡量維持完整結構,對抵抗細菌也有幫助。一顆完整的水果不會露出養分與水分,外部微生物無法取用,也就無法增生。另一個例子,絞肉相較於整體的肉塊,其結構已經被破壞、內部更容易受細菌污染,因此腐敗速度會比完整肉塊快很多。

  • 氧化還原電位 Oxidation/Reduction potential

食品所含成分各有其氧化還原電位,各種微生物也有自己對氧的偏好程度。氧化還原電位數值正值越大,代表越趨向「氧化狀態」,有利假單胞菌、嗜鹽菌等好氧菌生長; 氧化還原電位數值負值越大,則代表越趨向「還原狀態」,有利如李斯特菌、酵母菌等厭氧菌生長。

外在因子:四面八方的推波助瀾

食品所處的環境也會影響微生物的生長狀況,稱為外在因子,而這也是食品微生物學主要操控的內容。主要的外在因素包括:

  • 食品所處環境之溫度 Temperature

食品保存的相關法規,對於各食品所處環境之溫度皆有限制,值得注意的是,保存食品不只限於低溫,常溫、甚至高溫,也都有一些條件可以保存食品。微生物最適合的生長溫度為 4~40 度,超商冬天有些飲品會放置於 60 度左右的保溫箱中,便是以高溫保存食品,提供大家更符合需求的選擇。不過,由於部分種類的細菌能在罐頭裡形成孢子,這類孢子會被高溫喚醒,因此這種高溫飲品通常不會放隔夜。

  • 相對濕度 Relative humidity

前面有提過食品的水活性會影響微生物生長,而食品外部的濕度當然也會有影響。絕大多數的微生物都喜歡潮濕的環境,細菌與酵母菌喜歡食品外部泡在水裡,而黴菌則不偏好過多的水分。

  • 氣體環境 Gas composition

一般空氣組成為 20% 的氧與 80% 的氮,其中氮氣為無色無味的惰性氣體,不容易與一般化合物或微生物作用,因此食品保存上常會使用真空或真空充氮(抽除空氣後填入氮氣)的方式。

真的不要再說買洋芋片送空氣啦,那是食品保存技術啊。圖/41330@pixabay, CC License

微生物因子:互助與競爭

接著,陳邦元助理教授提到微生物間的互動關係。

「食品中含有多種不同微生物,彼此會互相幫助或競爭。舉例來說,跟鮮乳相較起來,優酪乳比較不容易嚴重變質,是因為優酪乳本身含有很多的乳酸菌,其他的菌種不容易在其中繁殖;但放置太久的優酪乳乳酸菌繁衍較多,可能讓優酪乳變得太酸不好喝。」

欄柵技術:控制各種因子以保存食品

欄柵技術 (Hurdle Technology) 會綜合以上提到的各種因子,藉由控制水活性、酸鹼值、微生物互動等,來延長保存期限。例如市面上販售的鮮魚,常會用三去法、真空加冷凍的方式加以保存 ── 除去頭、鱗與內臟三種最容易腐敗的部位,再擦乾後使外包裝真空並進行冷凍,結合幾個「外部因子」的概念,盡可能延長食品的保存期限。

冰箱的食品保存秘訣

對一般人來說,比起水活性、酸鹼值和微生物,「溫度」會是比較容易控制的條件。那麼,將食品丟進冰箱裡就不會壞了嗎?陳邦元老師以一張各溫度區間的細菌分類(如下圖)解釋冰箱的應用方式。

不同溫度範圍下,微生物生長曲線。圖/By 陳邦元老師簡報

大家可以看到,15~50℃ 是微生物繁殖快速的危險區,法規規定冷凍食品的品溫應保持在 -18℃ 以下;冷藏食品則是 7℃ 以下、凍結點以上,並且要避免劇烈之溫度變動。

一般家用冰箱的冷藏層大多設定在 4~5℃,這個溫度下大部分的細菌都無法生長,或者生長得非常緩慢,只剩下低溫菌、酵母菌以及黴菌,也所以這些微生物會是冷藏食物腐敗的主要原因。「也因此,烹煮完成的食物如果沒有要馬上食用,應該要盡量快速降溫到 15℃ 以下,避免食物處在危險的 15~50℃ 下太久。」陳邦元老師說。

以米飯為例,加熱後若沒有即刻食用,應盡快離開微生物(仙人掌桿菌)容易生長的溫度區間(圖中深橘色底處)。圖/By 陳邦元老師簡報

若想讓所有的微生物不生長,則得將外部溫度設定至 -10℃ 左右 ── 當然,還是很難保證百分之百。

來到冰箱的冷凍庫,熔點以下的低溫會使食品內部的水分凍結(即前面說的水活性下降),阻止微生物生長、降低酵素的活性,達到冷凍中食品的保存。「但是,即使將冷凍溫度控制在微生物完全無法生長的 -10℃ ,並確保食品解凍後沒有腐敗,也不代表食品完全不會變質。食品本身的酵素(內部因子)在 -10℃ 仍可能繼續運作,長時間下來,依然會影響食品的風味。」這也是為什麼冷凍食品還是有保存期限的限制。

而陳邦元老師也提到冷凍儲存食品的缺點之一:一般家用冰箱的降溫速度較慢,容易在食品中形成冰晶,造成植物組織、動物組織破裂,因此許多冷凍過的食品會流失水分、口感改變。「另外,冷凍保存的食品水分容易昇華,肉品甚至會變色,因此如果要冷凍食物,尤其是肉品類,建議盡可能採取真空包裝。」

食品的凍結曲線,降溫速度越慢,越容易形成較大的冰晶。圖/By 陳邦元老師簡報

食品冷藏的注意事項

最後,陳邦元老師談到食品冷藏保存的注意事項。「應用生鮮水果天生的植物特性,冷藏保存應該盡量維持原本的生物結構、減少組織的破壞,例如葡萄先不清理蒂頭,則可以維持得比較良好;另外部分水果的型態如熱帶水果、沒有硬外皮如香蕉、枇杷等容易凍傷,不能冷藏。」

而生鮮水產與肉品的保存期限通常是 3 天,他提醒大家若選擇放在「冷藏」,要注意盡量維持食品表面的乾燥。「肉品、魚類尤其容易有組織液滲出,因此超級市場的肉品底層會有吸水墊,減少肉品表面的水分可以防止細菌聚集生長;但若是從傳統市場購入,通常不會有吸水墊,保存時要注意盡可能維持乾燥。」

更多關於生鮮食品的居家保存,歡迎閱讀下半場講座紀實《生鮮食品買回家了,該如何保存?

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關於作者

衛生福利部食品藥物管理署

衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx