热杀菌是以杀灭微生物为主要目的的热处理形式，根据要杀灭的微生物的种类不同，热杀菌可分为巴氏杀菌和灭菌。巴氏杀菌可以使食品中的酶失活，并破坏食品中的热敏性微生物和致病菌，但巴氏杀菌无法杀死抗热性能强的腐败菌。灭菌是较为强烈的热处理形式，通常是将食品加热到较高的温度并保持一段时间。它能够杀死所有的致病菌和腐败菌以及绝大部分的微生物。除巴氏杀菌和灭菌之外，烫漂是一种温和的热处理，其主要目的是使酶失活，主要用于罐装、冷冻或脱水前的蔬菜制备步骤。蔬菜烫漂是通过将蔬菜浸入热水或将其暴露于开放蒸汽中进行的。烫漂的主要目的是使某些酶失活，除此之外还具有增强颜色、排出空气和清洁表面的额外理想效果。
热工艺的合理设计需要来自两个方面的数据：热失活动力学（热破坏、热死亡）以及时间—温度函数的分布。
在食品工业生产中，除尽可能达到彻底灭菌外，同时还要尽可能使营养成分少受损失。大多数营养物质的破坏是分解反应；微生物受热致死是基于细胞受高热后，引起体内蛋白质的变性或凝固，酶活力被破坏而使细胞死亡。营养物质的破坏和微生物致死一般遵循一级反应动力学的机制，详见本书第二章。
（一）递减时间（D值）的概念
从图5-7可见，微生物的活菌数每减少90%，即每减少一个数量级，对应的时间变化量是相同的，这一时间称为D值，也称为热力递减时间。D值的定义就是在一定的环境中，一定的温度条件下，将全部对象菌的90%杀灭所需要的时间。
D值的大小与微生物种类有关，细菌的耐热性越强，在相同温度下的D值就越大。D值也与温度有关，在121.1℃下测定的D值通常以D121.1℃表示。
（二）温度对热破坏/失活速率的影响
热力致死时间是指在某一恒定的温度下，将食品中某种微生物活菌全部杀死所需要的时间。若温度Ta和温度Tb（Ta>Tb）对应的杀菌致死时间为τa和τb（τa<τb），定义Z为致死时间的对数变化1时所对应的杀菌温度变化量，即：
或：
如图5-8所示，如果杀菌温度提高一个Z值，则杀菌的致死时间仅为原来的1/10。反之，如果杀菌温度减少了一个Z值，则杀菌的致死时间为原来的10倍。对于食品加工过程中常见的产孢子细菌，其Z值为8~12℃。
图5-7 加热致死速率曲线
图5-8 加热致死时间曲线
热失活速率与温度之间的对数关系与阿伦乌斯模型描述的温度对化学反应速率的影响一致，表示如下：
式中 k1、k2——绝对温度T1、T2对应的速率常数；
Ea——活化能，kJ/mol；
R——通用气体常数=8.314J/（mol·K）。
Ea值反映了热失活速率对温度的敏感性，和Z值的定量关系可表示为：
从前面的讨论可以看出，不同的时间—温度组合可以实现相同的致死率，即微生物数量的减少相同。为了比较不同过程的致死力，定义F值为特定温度下，微生物减少至一定数量所需的时间，其单位为min。它遵循：
式中 N0——初始的微生物数量；
N——热处理后的微生物数量。
例如，如果指定lg（N0/N）=12，则F=12D。实现低酸食品的商业无菌，通常规定12D过程。如果食物最初每克含有103个目标微生物孢子，那么在加工后每克仅含有10-9个。这是简化的定量计算方法。
根据已知的时间—温度曲线T=f（t），需要考虑产品温度的变化。为了计算在给定的恒定温度（参考温度Tr）下实现相同目标致死率所需的时间（F值），给定参考温度Tr和Z值。等效过程的F值可计算为：
对于热灭菌过程，标准参考温度Tr为121℃，标准Z值为10℃。为方便起见，令：
任何热灭菌过程的F0值均指在121℃，加热达到相同的特定目标微生物致死率所需的时间。
食品热处理优化的目的，是在食品热杀菌和品质风味的保留之间取得平衡，即在热力对食品品质的影响程度最小的条件下，迅速而有效地杀死存在于食品物料中的有害微生物，达到产品指标的要求。
传统热杀菌技术不仅能有效防止微生物引起的食品安全，但其也可能会引起食品品质劣变，包括颜色变化、口味改变、香气损失、营养破坏和质构变化。
例如，在乳制品加工中，瓶内灭菌乳一般采用110℃处理30min，这个杀菌强度可灭活乳中全部的酶类，同时也会使一些维生素含量降低，并可能引起乳蛋白（包括酪蛋白）的一些变化，使乳的pH约降低0.2，而且还容易产生美拉德反应导致褐变及一些赖氨酸的损失。
类似的例子：巴西莓果富含多种生物活性化合物，如类黄酮、多酚和花青素，它们与抗氧化、抗炎、抗增殖和保护心脏有关。莓果在冻藏前要进行巴氏灭菌，以灭活不期望的酶和微生物，但这同时也会导致活性物质花青素的热降解。花青素是热不稳定型色素，受热极易分解失活，许多研究证明，花青素的热降解规律符合一级反应动力学，花青素的解离速度随着温度的增加或热降解时间的延长而加快。高温促使花青素中3—糖苷结构及芘环结构水解，从而使花青素降解。
这些效应的动力学参数不同于微生物的热破坏。普通化学反应的Z值大于微生物热死亡的Z值。因此，对于在较高温度下较短时间内进行相同的F0处理，可以减少品质的热损失。这是高温短时（High Temperature Short Time，HTST）概念的理论背景和基础。采用HTST方法应注意：
（1）酶失活的Z值高于灭菌的Z值。因此，对于相等的F0值，如果在较高温度下采用此方法，酶相对于微生物将不那么容易失活。因此，HTST工艺的最高允许工艺温度是保证产品的残留酶活性不危及长期稳定性的温度。
（2）如果烹饪是热处理的目标之一，则HTST过程可能导致烹饪不足。
（3）出于食品安全考虑，热工艺设计关注的是实现产品最冷点处热杀菌所需的F0。在较高的加工温度下，会对最冷点区域外的食品造成过度加工引起的热损失，特别是那些导热性良好的食品。
由于种种原因，在最小化损伤的情况下设计热处理以确保安全性，是一项多变量的复杂优化工作。
（一）包装热处理
包装食品的热传递过程分为三个连续步骤：从加热介质到包装表面的传热；透过包装的传热；从包装内表面到产品最冷点的内部传热。
1.加热介质(www.xing528.com)
（1）饱和蒸汽 最有效的加热介质是饱和蒸汽。原因：冷凝蒸汽膜的传热系数很高；易通过压力控制饱和蒸汽的温度；单位质量蒸汽的热容非常高；大多数食品的含水量非常高；当内容物被加热时，包装外部的蒸汽压抵消了内部压力，由此避免了由于过大的压差导致的包装变形和破裂。
（2）热水 从热水到包装的热传递效率较低。在大多数情况下，热水（大多为与蒸汽形式直接接触加热）是对玻璃包装食品或热敏产品进行热加工的优选介质。良好的热水循环对于防止过冷、受热不均至关重要。
（3）蒸汽—空气混合物 这是一种常见的加热介质，传热效率与热水相当。
（4）热气（燃烧气体）在“火焰灭菌”过程中，包装由燃烧气体和辐射加热过程灭菌。
2.包装材料
铝、镀锡贴片的导热系数很高，玻璃、高分子材料（如蒸煮袋）的导热系数相对较低。大多数情况下，由于厚度小，可忽略包装对传热的阻力。
3.内部传热
产品内部可进行对流传热、传导传热，或两者同时进行。在固体食物（肉类）中，热传导是主要模式；在液体食品中，热对流是主要模式。在含有固体颗粒（如果汁中的果粒、酱汁中的肉末等）的液体介质产品中，热量从包装壁传递到液体介质，再从液体介质传递到固体颗粒。最冷点的位置取决于传热方式。对于单一的热传导，最冷点是包装的几何中心。对于垂直罐中无搅动的热对流情形，最冷点位于距罐底1/3高度处。对于含有大固体颗粒的低黏度液体介质，最冷点可能分布在固体颗粒的中心。
显然，内部传热阻力是主要因素。在含液体或半液态介质的产品中，通过搅拌可以显著降低这种阻力。
用于预测容器中热渗透率的数学模型是基于瞬态传热理论。当食品包装被加热时，每个食品颗粒的温度T趋向于加热介质的温度Tm。非稳态传热理论预测，在初始调整期后，lg（Tm-T）随时间呈线性减小趋势，如图5-9所示。
图5-9 理想热穿透曲线
注：Tm——加热介质温度；
T0——包装内食品的初始温度；
T∗——通过对直线段进行外推而获得的虚拟初始温度。
实际热穿透曲线通常不同于理论对数线性模型，主要是由于材料性质（黏度、导热性）的变化或热处理过程中从一种传热机制到另一种传热机制的转变。在这种情况下，有时用虚线近似表示时间—温度关系。
（二）流动热处理
热交换器广泛用于可用泵输送的产品的巴氏杀菌或商业灭菌。相比传统的间歇式杀菌，食品连续灭菌技术具有生产能力高，营养成分或生物活性物质损失少的优点，能更好地获得高温短时灭菌的效果。
食品连续杀菌系统通常由三段组成：①加热段：将食品流体加热到一个适当的温度；②保持段：使物料流在保持管内长时间保持加热管出口时的温度以达到规定的杀菌程度；③低温冷却段：在管内将食品低温冷却。其中保持管内发生的微生物或细菌孢子热死过程，遵循一级反应动力学，因此保持段相当于一个等温化学反应器，里面发生等温灭菌过程，设计计算保持段的长度是食品连续灭菌设计的基本任务。这些设计和考量还必须依据食品的流体类型，一般而言，食品由于含有多种组分，非牛顿流体的情况较多见。同时，还要考虑是均相液体还是非均相液体。
目前有两种简化的用于连续灭菌过程的设计。
1.根据停留时间最短的连续灭菌设计
在层流情况下，由于食品流体沿径向的流速不同，故在保持管内的停留时间不同。只需保证流速最大或停留时间最短的流体微团达到灭菌要求，则所有流体食品都能达到灭菌的要求。保持管长度应按式（5-70）设计：
式中 μmax——流体的最大流速，m/s；
t——灭菌时间，s。
2.基于停留时间分布的连续灭菌设计
如果采用管轴中心物料微团最短的停留时间作为灭菌时间，则可能会使管轴中心以外的物料微团停留时间过长而引起过热，从而使其中营养成分受损失。比较合理的办法，是根据物料微团的停留时间分布，确定不同物料微团通过保持管的平均灭菌度。此平均灭菌度可根据生产实际的要求或卫生指标确定。
其中，根据最短停留时间的连续灭菌设计，虽然计算简便但可能导致管壁附近的流体加工过头，使食品质量下降或口味改变，因此可用于工业上连续灭菌的初步设计；基于停留时间分布的连续灭菌设计，虽然计算复杂一些，但可以减少食品营养成分的损失，因此一般建议尽可能采用基于停留时间分布导出的设计计算公式用于食品连续灭菌的工业设计。
[例5-5] 香蕉汁连续灭菌过程保持管长度的计算（张廷红，2006）。
香蕉汁为一种假塑性非牛顿流体，采用连续灭菌方式处理，该加工过程的关键在于确定保持管的长度，以保证达到灭菌目的并同时尽可能保留食品的质量和风味。设计合理的保持管长度还可以减少设备投资费用和维修费用。下面介绍一种典型的设计计算过程。
根据文献查得香蕉汁的特征流变指数n=0.458，拟在温度130℃下以6×10-4m3/s的流量，通过内径为32mm的不锈钢保持管连续灭菌。假定杀死其中的肉毒梭状芽孢杆菌的F0=2.8min，Z=10℃，确定保持管长度的计算如下：
首先计算香蕉汁通过保持管的平均流速：
最大流速为：
杀菌时间为：
最后由式（5-79）求得保持管长度为：
式中 V——管中香蕉汁的体积流量，m3/s；
S——管路截面圆的面积，m2。
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