微生物的奇幻旅程:食物为何变得好坏坏?生鲜食品该如何保存?

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2018-06-22 21:16:30

食物是怎样开始变质腐败的?把生鲜食品「冰起来」,就能对付食品上的微生物让食物不会「坏掉」吗?而我们使用冰箱的方式,又真的正确吗?

今年度食安系列讲座第二弹「PanSci TALK:生鲜食品该如何保存?」的首位讲者,辅仁大学食品科学系的陈邦元助理教授,这次带领大家话说从头,由食品微生物学的角度探讨食物保存的基本原理。

辅仁大学食品科学所陈邦元助理教授。图/By PanSci

生鲜食品是活的还死的?

「首先,日常生活中的新鲜食品可以被区分为『动物性』跟『植物性』两类。」动物性食品如肉品、水产等,最大的特色就是生物体本身已经死亡,体内的酵素会在动物死后自动开始分解自身组织,因此,即使能够透过加工、真空等方式排除外界微生物的影响,动物性食品仍然会产生劣变。而新鲜的植物性食品如蔬果,组织仍然存活,体内的呼吸作用一般都还持续进行,但已经失去种植环境下持续供给的养分跟水分,随着保存时间拉长,植物性食品的状况也会逐渐损失水分、养分而劣化。

生鲜食品。图/Anelka @ Pixabay CC0 Public Domain

既然食品本来就会变化,大家该如何判断食物已经到了不堪食用的地步?「一般来说,当食品能从外观发现有了腐败、酸化、发霉、变色、产生黏液等较剧烈的变化,我们就会认为完全不适合食用了,而这类变化多是由『微生物』所引起的,包含食品科学上着重讨论的几类细菌、霉菌和酵母菌。」陈邦元老师表示,想完善保存食品,我们需要针对环境中微生物所需的几个生长条件加以限制,尽可能减少微生物的生长以延长食品保存的时间。

看不见的微生物大军,食品微生物学的基础

「细菌存在于生活中各处,如果提供适当条件,可以生长得非常快速,例如金黄葡萄球菌每12~15分钟就能分裂一次,8个小时可以长到100万个;一般的肉片或鱼类,每一公克约有10~个细菌。而无论是哪种食物,细菌量只要到500万个,大概都可以判定腐坏了。」陈邦元老师解释道,「如果食物一开始就遭到污染,也就是沾染了比较多的细菌,腐坏的速度自然也会比未受污染的快上很多。」

一般的情况下肉眼看不见细菌,要经由电子显微镜才能一窥其真面目。图/By 陈邦元老师简报

「食品微生物学的主要内容便是著眼于微生物生长所需的因子,从而控制环境条件、研发出适合食品保存的方式。」影响食品中微生物生长的因子,可以分成内在因子、外在因子、微生物因子等。

内在因子:自身条件的影响

食品原本就有的、天生会影响微生物生长的因子,我们称之为内在因子,主要包括:

水活性Water activity

微生物要在食品上存活繁衍,需要环境中有够高的水活性,也就是「微生物能利用的水分」之比例。以蜂蜜为例,蜂蜜是液体,但它的水分几乎都被糖类包裹住了,微生物无法获得水分,自然非常难存活;但仍有少数微生物可以在里面休眠,如肉毒杆菌的孢子,这也是一岁以下的幼儿不能吃蜂蜜的缘故──幼儿肠道被认为酸性不足、益生菌丛少,毒素若入侵便可能致命。

「一般生鲜食品的水活性都非常高,因此在保存上会应用腌制、干燥等方法降低食品的水活性,避免微生物增生。 」陈邦元老师说。

酸碱值pH0)则较偏爱酸性环境。陈邦元老师提到,一般蔬菜偏碱性,较容易因细菌造成腐败;水果则主要偏酸性,常由霉菌或酵母菌造成腐败。

食品中的营养成分Nutrient contents

很简单,微生物需要获得能量延续生存,营养源越多的食物他们越爱。

抗菌物质存在与否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长,最常见的就是大蒜,其精油有抗菌效果。

大蒜本身拥有抗菌成份,能帮助食品不受微生物影响。图/MALIZ ONG @ PublicDomainPictures , CC License

食品之生物性结构屏障Biological barrier

如果食品的取用过程中能尽量维持完整结构,对抵抗细菌也有帮助。一颗完整的水果不会露出养分与水分,外部微生物无法取用,也就无法增生。另一个例子,绞肉相较于整体的肉块,其结构已经被破坏、内部更容易受细菌污染,因此腐败速度会比完整肉块快很多。

氧化还原电位Oxidation/Reduction potential

食品所含成分各有其氧化还原电位,各种微生物也有自己对氧的偏好程度。氧化还原电位数值正值越大,代表越趋向「氧化状态」,有利假单胞菌、嗜盐菌等好氧菌生长;氧化还原电位数值负值越大,则代表越趋向「还原状态」,有利如李斯特菌、酵母菌等厌氧菌生长。

外在因子:四面八方的推波助澜

食品所处的环境也会影响微生物的生长状况,称为外在因子,而这也是食品微生物学主要操控的内容。主要的外在因素包括:

食品所处环境之温度Temperature

食品保存的相关法规,对于各食品所处环境之温度皆有限制,值得注意的是,保存食品不只限于低温,常温、甚至高温,也都有一些条件可以保存食品。微生物最适合的生长温度为4~40 度,超商冬天有些饮品会放置于60 度左右的保温箱中,便是以高温保存食品,提供大家更符合需求的选择。不过,由于部分种类的细菌能在罐头里形成孢子,这类孢子会被高温唤醒,因此这种高温饮品通常不会放隔夜。

相对湿度Relative humidity

前面有提过食品的水活性会影响微生物生长,而食品外部的湿度当然也会有影响。绝大多数的微生物都喜欢潮湿的环境,细菌与酵母菌喜欢食品外部泡在水里,而霉菌则不偏好过多的水分。

气体环境Gas composition

一般空气组成为20% 的氧与80% 的氮,其中氮气为无色无味的惰性气体,不容易与一般化合物或微生物作用,因此食品保存上常会使用真空或真空充氮(抽除空气后填入氮气)的方式。

真的不要再说买洋芋片送空气啦,那是食品保存技术啊。图/@ pixabay , CC License

微生物因子:互助与竞争

接着,陈邦元助理教授提到微生物间的互动关系。

「食品中含有多种不同微生物,彼此会互相帮助或竞争。举例来说,跟鲜乳相较起来,优酪乳比较不容易严重变质,是因为优酪乳本身含有很多的乳酸菌,其他的菌种不容易在其中繁殖;但放置太久的优酪乳乳酸菌繁衍较多,可能让优酪乳变得太酸不好喝。」

栏栅技术:控制各种因子以保存食品

栏栅技术(Hurdle Technology)会综合以上提到的各种因子,藉由控制水活性、酸碱值、微生物互动等,来延长保存期限。例如市面上贩售的鲜鱼,常会用三去法、真空加冷冻冷冻的方式加以保存──除去头、鳞与内脏三种最容易腐败的部位,再擦干后使外包装真空并进行冷冻,结合几个「外部因子」的概念,尽可能延长食品的保存期限。

冰箱的食品保存秘诀

对一般人来说,比起水活性、酸碱值和微生物,「温度」会是比较容易控制的条件。那么,将食品丢进冰箱里就不会坏了吗?陈邦元老师以一张各温度

区间的细菌分类(如下图)解释冰箱的应用方式。

不同温度范围下,微生物生长曲线。图/By 陈邦元老师简报

大家可以看到,15~50℃ 是微生物繁殖快速的危险区,法规规定冷冻食品的品温应保持在-18℃ 以下;冷藏食品则是7℃ 以下、冻结点以上,并且要避免剧烈之温度变动。

一般家用冰箱的冷藏层大多设定在4~5℃,这个温度下大部分的细菌都无法生长,或者生长得非常缓慢,只剩下低温菌、酵母菌以及霉菌,也所以这些微生物会是冷藏食物腐败的主要原因。「也因此,烹煮完成的食物如果没有要马上食用,应该要尽量快速降温到15℃以下,避免食物处在危险的15~50℃下太久。」陈邦元老师说。

以米饭为例,加热后若没有即刻食用,应尽快离开微生物(仙人掌杆菌)容易生长的温度区间(图中深橘色底处)。图/By 陈邦元老师简报

若想让所有的微生物不生长,则得将外部温度设定至-10℃ 左右── 当然,还是很难保证百分之百。

来到冰箱的冷冻库,熔点以下的低温会使食品内部的水分冻结(即前面说的水活性下降),阻止微生物生长、降低酵素的活性,达到冷冻中食品的保存。「但是,即使将冷冻温度控制在微生物完全无法生长的-10℃ ,并确保食品解冻后没有腐败,也不代表食品完全不会变质。食品本身的酵素(内部因子)在-10℃仍可能继续运作,长时间下来,依然会影响食品的风味。」这也是为什么冷冻食品还是有保存期限的限制。

而陈邦元老师也提到冷冻储存食品的缺点之一:一般家用冰箱的降温速度较慢,容易在食品中形成冰晶,造成植物组织、动物组织破裂,因此许多冷冻过的食品会流失水分、口感改变。「另外,冷冻保存的食品水分容易升华,肉品甚至会变色,因此如果要冷冻食物,尤其是肉品类,建议尽可能采取真空包装。」

食品的冻结曲线,降温速度越慢,越容易形成较大的冰晶。图/By 陈邦元老师简报

食品冷藏的注意事项

最后,陈邦元老师谈到食品冷藏保存的注意事项。「应用生鲜水果天生的植物特性,冷藏保存应该尽量维持原本的生物结构、减少组织的破坏,例如葡萄先不清理蒂头,则可以维持得比较良好;另外部分水果的型态如热带水果、没有硬外皮如香蕉、枇杷等容易冻伤,不能冷藏。」

而生鲜水产与肉品的保存期限通常是3天,他提醒大家若选择放在「冷藏」,要注意尽量维持食品表面的干燥。「肉品、鱼类尤其容易有组织液渗出,因此超级市场的肉品底层会有吸水垫,减少肉品表面的水分可以防止细菌聚集生长;但若是从传统市场购入,通常不会有吸水垫,保存时要注意尽可能维持干燥。」