殺菌

食品加工において、低温殺菌（パスチャライゼーションともいう ）とは、包装された食品（牛乳やフルーツジュースなど）を通常100 ℃（212℉）未満の弱熱で処理し、病原菌を除去して保存期間を延ばす食品保存のプロセスである。低温殺菌により、栄養細菌など、食品の腐敗や病気のリスクに寄与する微生物や酵素が破壊または不活性化されるが、ほとんどの細菌胞子は低温殺菌のプロセスを経ても生き残る。^{[1] [2]}

低温殺菌法は、1860年代に熱処理によってワイン中の不要な微生物が不活性化されることを実証したフランスの微生物学者ルイ・パスツールにちなんで名付けられました。^{[2] [3]低温殺菌法では腐敗酵素も不活性化されます。今日、低温殺菌法は}乳製品業界やその他の食品加工業界で食品保存や食品安全のために広く使用されています。^[3]

1999年までに、ほとんどの液体製品は、熱交換器または直接的または間接的に温水と蒸気を使用して熱を加える連続システムで熱処理されました。穏やかな熱のため、処理された食品の栄養価と感覚特性にわずかな変化があります。^[4] パスカリゼーションまたは高圧処理（HPP）とパルス電界（PEF）は、食品の低温殺菌にも使用される非熱処理です。^[1]

保存のためにワインを加熱することは、中国では1117年から知られており、日本では1478年から1618年の間に一連の僧侶によって書かれた日記「多聞院日記」に記録されています。 ^[5]

1768年、イタリアの司祭で科学者のラザロ・スパランツァーニが行った研究により、熱処理後に製品を「無菌」にできることが証明された。スパランツァーニは肉のスープを1時間煮込み、沸騰後すぐに容器を密封したところ、スープが腐らず、微生物もいないことに気づいた。^{[2] [6]} 1795年、パリのシェフで菓子職人のニコラ・アペールが食品の保存方法の実験を始め、スープ、野菜、ジュース、乳製品、ゼリー、ジャム、シロップなどで成功した。彼は食品をガラス瓶に入れ、コルクと封蝋で密封し、沸騰したお湯に入れた。^[7]同年、フランス軍は食品保存の新方法に1万2000フランの賞金を提供した。約14、5年の実験を経て、アペールは発明を提出し、1810年1月に賞を受賞した。 ^[8]その年の後半、アペールは「動物と植物の物質を保存する芸術」を出版した。これは現代の食品保存方法に関する最初の料理本であった。^{[9] [10]}

パリ近郊のマシーの町にあったラ・メゾン・アペール（「アペールの家」）は、世界初の食品瓶詰め工場となり、^[7]様々な食品を密封瓶に保存した。アペールは、牛肉や鶏肉から卵、牛乳、惣菜に至るまで、あらゆる種類の農産物を厚くて口の大きいガラス瓶に詰めた。瓶の上部には空気層を残し、コルクを万力で瓶の中にしっかりと封じた。次に、瓶をキャンバスで包んで保護し、沸騰したお湯に浸し、アペールが内容物を完全に調理するのに適切だと判断した時間だけ煮沸した。アペールは、彼の手法の特許を取得した。この手法は、彼にちなんでアペール化と呼ばれることもある。 ^[11]

アペールの方法は単純で実行可能だったため、すぐに広まった。1810年、同じくフランス出身のイギリス人発明家兼商人ピーター・デュランが独自の方法の特許を取得したが、今度はブリキ缶で、現代の缶詰食品の製法が生まれた。1812年、イギリス人のブライアン・ドンキンとジョン・ホールが両方の特許を購入し、保存食の生産を開始した。わずか10年後、アペールの缶詰方法はアメリカに伝わった。^[12]ブリキ缶の生産は20世紀初頭まで一般的ではなかったが、1855年にロバート・イェイツが缶切りを発明するまで、缶を開けるのにハンマーとノミが必要だったことが一因である。 ^[7]

1864年、フランスの化学者ルイ・パスツールがアルボワで夏休みを過ごしていたとき、より穏やかな方法が開発された。^{[13]地元の熟成}ワインによく見られる酸味を改善するために、パスツールは実験的に、若いワインを50～60℃（122～140℉）程度に短時間加熱するだけで微生物を死滅させ、その後ワインを熟成させても最終的な品質を損なわないことを発見した。^[13]パスツールに敬意を表して、このプロセスは低温殺菌法と呼ばれている。^{[2] [14]低温殺菌法はもともと、ワインや}ビールの酸味を防ぐ方法として使われていたが、 ^[15]牛乳が低温殺菌されるまでには何年もかかった。^[16]牛乳が規制される前の1870年代の米国では、牛乳に腐敗を隠すための物質が含まれているのが一般的だった。^[17]

牛乳は微生物の増殖に最適な培地であり、^[18]常温で保存すると、細菌やその他の病原体がすぐに増殖します。^[19]米国疾病予防管理センター（CDC）によると、不適切な取り扱いの生乳は、他の食品媒介疾患の原因よりも3倍近く入院を引き起こしており、世界で最も危険な食品の1つになっています。^{[20] [21]}低温殺菌によって予防できる疾患には、結核、ブルセラ症、ジフテリア、猩紅熱、Q熱などがあります。また、サルモネラ菌、リステリア菌、エルシニア菌、カンピロバクター菌、黄色ブドウ球菌、大腸菌O157:H7などの 有害な細菌も殺菌します。 ^{[22] [23]}

工業化以前は、牛乳の生産と消費の間の時間を短縮するために乳牛は都市部で飼育されていたため、生乳を介した病気の感染リスクは低かった。^[24]都市部の人口密度が高まり、サプライチェーンが田舎から都市までの距離まで長くなると、生乳（多くの場合、数日前のもの）が病気の原因として認識されるようになった。例えば、1912年から1937年の間に、イングランドとウェールズだけで、牛乳を飲んで結核に感染し、約65,000人が死亡した。^[25]結核はヒトでは潜伏期間が長いため、未殺菌牛乳の摂取と結核を結び付けるのは困難だった。^[26] 1892年、化学者エルンスト・レーダーレは、結核に罹患した牛の牛乳を実験的にモルモットに接種し、結核を発症させた。^[27] 1910年、当時保健局長を務めていたレダールは、ニューヨーク市で牛乳の強制低温殺菌を導入した。^[27]

先進国では、こうした病気や死亡を防ぐために牛乳の低温殺菌法が採用され、その結果、牛乳はより安全な食品とみなされるようになった。^[28]バターの保存性を高めるためにクリームを熱湯で温めて濾すという伝統的な低温殺菌法は、18世紀にイギリスで行われ、1773年までにイギリス植民地のボストンに導入されたが、 ^[29]米国ではその後20年間広く行われなかった。牛乳の低​​温殺菌法は、1886年にフランツ・フォン・ソックスレーによって提案された。 ^[30] 20世紀初頭、ミルトン・ジョセフ・ローゼナウは、米国海軍病院サービスに勤務していたときに、特に著書『ミルク問題』 （1912年）の中で、牛乳の低温殺菌法の基準、すなわち60℃（140℉）で20分間の低温でゆっくり加熱するという基準を確立した。[ ^{31] [32] [33]}米国の州ではすぐに乳製品の低温殺菌を義務付ける法律を制定し始め、最初の法律は1947年に制定され、1973年には米国連邦政府が州間取引で使用される牛乳の低温殺菌を義務付けました。^[34]

冷蔵殺菌牛乳の保存期間は生乳よりも長い。例えば、高温短時間（HTST）殺菌牛乳の冷蔵 保存期間は通常2～3週間であるのに対し、超低温殺菌牛乳はそれよりはるかに長く、2～3か月も保存できる場合がある。超高温処理（UHT ）を無菌処理と容器技術（無菌包装など）と組み合わせると、冷蔵せずに最大9か月間保存することもできる。^[35]

米国疾病管理センターによると、1998年から2011年の間に米国で発生した乳製品関連の疾病の79%は、生乳またはチーズ製品によるものでした。^[36]同センターは、同じ期間に生乳またはチーズ製品による148件の疾病発生と2,384人の病気（うち284人が入院が必要）および2人の死亡を報告しています。^[36]

医療機器、特に呼吸器や麻酔器は、化学消毒の代替として、熱湯を使用して消毒されることが多い。温度は70℃（158℉）に上げられ、30分間放置される。^[37]

低温殺菌は、液体食品（包装済みおよび包装なしの両方）を穏やかに熱処理する処理で、通常、製品は 100 °C（212 °F）未満に加熱されます。熱処理と冷却のプロセスは、製品の相変化を抑制するように設計されています。食品の酸性度によって、熱処理のパラメータ（時間と温度）と保存期間が決まります。パラメータでは、熱に敏感な栄養価と感覚品質も考慮されます。

フルーツジュースやビールなどの酸性食品（pH 4.6以下）では、熱処理は酵素（フルーツジュース中のペクチンメチルエステラーゼおよびポリガラクツロナーゼ）を不活性化し、腐敗微生物（酵母および乳酸菌）を破壊するように設計されています。酸性食品はpHが低いため、病原菌は増殖できません。そのため、保存期間は数週間延長されます。牛乳や液卵などの酸性度の低い食品（pH 4.6以上）では、熱処理は病原菌および腐敗微生物（酵母およびカビ）を破壊するように設計されています。すべての腐敗微生物が低温殺菌パラメータで破壊されるわけではないため、その後冷蔵する必要があります。^[1]

牛乳に用いられる高温短時間（HTST）殺菌法（71.5℃（160.7℉）で15秒間）は牛乳の安全性を確保し、冷蔵保存で約2週間の保存期間を実現します。超高温（UHT）殺菌法では、牛乳は135℃（275℉）で1～2秒間殺菌され、同じレベルの安全性を提供しますが、包装と相まって冷蔵保存で3か月まで保存期間が延長されます。^[38]

食品は容器に詰める前でも詰めた後でも低温殺菌することができます。容器に入れた食品の低温殺菌には、一般的に蒸気か熱湯を使用します。食品がガラスに詰められている場合、熱衝撃によるガラスの割れを防ぐために熱湯を使用します。プラスチックや金属の包装を使用する場合は、熱衝撃のリスクが低いため、蒸気か熱湯を使用します。^[1]

ほとんどの液体食品は、加熱ゾーン、希望する時間低温殺菌温度に保つための保持チューブ、冷却ゾーンを食品に通す連続プロセスを使用して低温殺菌され、その後、製品がパッケージに充填されます。プレート熱交換器は、動物のミルク、ナッツミルク、ジュースなどの低粘度製品によく使用されます。プレート熱交換器は、液体を加熱媒体または冷却媒体から分離する多数の薄い垂直のステンレス鋼プレートで構成されています。

シェルアンドチューブ熱交換器は、乳製品、トマトケチャップ、ベビーフードなどの非ニュートン流体である食品の低温殺菌によく使用されます。チューブ熱交換器は、同心のステンレス鋼チューブで構成されています。食品は内側のチューブを通過し、加熱/冷却媒体は外側のチューブを循環します。

掻き取り式熱交換器はシェルアンドチューブの一種で、内部にバネ式のブレードを備えた回転軸が付いており、チューブの壁に蓄積した高粘性物質を掻き取る働きをします。^[39]

容器に入った食品を低温殺菌する場合と比べて、熱交換器を使用して包装前に食品を低温殺菌する 利点は次のとおりです。

• 治療の均一性の向上
• 低温殺菌できる製品に関する柔軟性の向上
• 高い熱伝達効率^[1]
• スループットの向上

熱交換器で加熱された後、製品はホールドチューブを通過して一定時間流れ、必要な処理が行われます。低温殺菌温度または低温殺菌時間が達成されない場合は、フロー転換バルブを使用して、処理が不十分な製品を原料タンクに戻します。^[40]製品が適切に処理された場合は、熱交換器で冷却され、充填されます。

直接微生物学的手法は病原体汚染の究極の測定方法ですが、コストと時間がかかるため、低温殺菌が検証されるまでに製品の保存期間が短くなってしまいます。

微生物学的手法が不適切であるため、牛乳の低温殺菌効果は通常、低温殺菌によって変性するアルカリホスファターゼの存在をチェックすることによって監視されます。アルカリホスファターゼが破壊されると、一般的な牛乳病原菌が破壊されます。したがって、アルカリホスファターゼの存在は、低温殺菌効果の理想的な指標です。 ^{[41] [42]}液卵の場合、熱処理の有効性はα-アミラーゼの残留活性によって測定されます。^[1]

20世紀初頭には、牛乳中の病原菌を不活化する時間と温度の組み合わせに関する確固たる知識がなかったため、さまざまな低温殺菌基準が使用されていました。1943年までに、72℃（162℉）で15秒間のHTST低温殺菌条件と、63℃（145℉）で30分間のバッチ低温殺菌条件の両方が、牛乳中のさまざまな病原菌の完全な熱死（当時測定可能であった限り）の研究によって確認されました。^[43]コクシエラ・バーネティ（当時は感染した牛乳を経口摂取するとQ熱を引き起こすと考えられていた） ^{[44] [45]}および結核菌（結核を引き起こす）[46] の完全な不活化^が後に実証されました。実用上、これらの条件はほぼすべての酵母、カビ、一般的な腐敗細菌を死滅させるのに十分であり、また一般的な病原性耐熱性生物の適切な死滅を確実にするのにも十分であった。しかし、1960年代まで使用されていた微生物学的手法では、細菌の実際の減少を数えることはできなかった。牛乳の低​​温殺菌による病原性細菌の不活性化の程度は、最も重要な牛乳媒介病原菌の最も耐熱性の高い株を意図的に高レベルで混入した後に加熱処理した牛乳中の生存細菌の研究によって実証された。^[47]

15 秒間の処理中における主要な牛乳媒介病原体の 平均 log _{10減少率と不活性化温度は次のとおりです。}

• 黄色ブドウ球菌> 6.7 で 66.5 °C (151.7 °F)
• エルシニア・エンテロコリチカ> 6.8 で 62.5 °C (144.5 °F)
• 病原性大腸菌65 °C (149 °F) で 6.8 以上
• クロノバクター・サカザキ> 6.7 @ 67.5 °C (153.5 °F)
• リステリア・モノサイトゲネス> 6.9 で 65.5 °C (149.9 °F)
• サルモネラ菌チフス菌 > 6.9 61.5℃（142.7℉）^[47]

（6 から 7 の間の log ₁₀減少は、100 万個（10 ⁶）から 1,000 万個（10 ⁷）の細菌のうち 1 個が処理を生き残ることを意味します。）

国際食品規格委員会 の牛乳衛生実施規則では、牛乳の低温殺菌はコクシエラ・バーネティの5 log ₁₀以上の減少を達成するように設計されているとしている。^[48]また、この規則では、「最低限の低温殺菌条件は、牛乳のあらゆる粒子を 72 °C (162 °F) で 15 秒間加熱する (連続フロー低温殺菌) か、63 °C (145 °F) で 30 分間加熱する (バッチ低温殺菌) のと同等の殺菌効果を持つ条件である」と述べており、「各粒子が十分に加熱されるように、熱交換器内の牛乳の流れは乱流であるべきである、つまりレイノルズ数は十分に高いべきである」としている。乱流に関する点は重要である。なぜなら、流れのない試験管を使用する単純な実験室での熱不活性化研究では、商業的な低温殺菌の条件を再現しようとする大規模な実験よりも細菌の不活性化が少ないからである。^[49]

予防策として、現代のHTST低温殺菌プロセスは、流量制限と迂回弁を備えて設計されなければならず、これにより牛乳が均等に加熱され、牛乳のどの部分も短時間または低温にさらされることがないようにする。温度は72℃（162℉）を1.5～2℃（2.7～3.6℉）超えるのが一般的である。^[49]

低温殺菌は殺菌ではなく、胞子を殺すものではありません。二次加熱処理を伴う「二重」低温殺菌は、発芽した胞子を殺すことで保存期間を延ばすことができます。^[50]

二重低温殺菌の容認度は管轄地域によって異なります。許可されている地域では、牛乳は農場から集められた時点で最初に低温殺菌されるため、加工前に腐敗することはありません。多くの国では、このような牛乳に「低温殺菌」というラベルを貼ることを禁止していますが、「低温殺菌」というラベルを貼ることは許可しています。これは低温処理を意味します。^[51]

低温殺菌は穏やかな熱処理であるため、保存期間が数日または数週間延びます。^[1]しかし、この穏やかな熱処理は、食品中の熱に不安定なビタミンにわずかな変化しか与えないことを意味します。^[4]

系統的レビューとメタ分析によると、^[52]低温殺菌によりビタミンB12とEの濃度が低下する一方で、ビタミンAの濃度も上昇することがわかった。しかし、このレビューでは、低温殺菌がA、B12、Eのレベルにどの程度影響するかについては限られた研究しかなかった。^[52]牛乳は北米の食生活ではビタミンB12やEの重要な供給源とはみなされていないため、これらのビタミンの成人の1日あたりの摂取量に対する低温殺菌の影響はごくわずかである。^{[53] [54]}しかし、牛乳はビタミンAの重要な供給源であると考えられており、^[55]低温殺菌により牛乳中のビタミンA濃度が上昇するため、牛乳の加熱処理によるこのビタミンへの影響は大きな公衆衛生上の懸念ではない。^{[52]メタ分析の結果、牛乳の低温殺菌により}ビタミンCと葉酸が大幅に減少するが、牛乳はこれらのビタミンの重要な供給源ではないことが明らかになっている。^{[55] [54]低温殺菌後、}ビタミンB2濃度が大幅に減少したことが判明しました。ビタミンB2は、通常、牛乳中に1.83mg/リットルの濃度で含まれています。成人の1日の推奨摂取量は1.1mg/日であるため、^[53]牛乳の摂取は、このビタミンの推奨摂取量に大きく貢献しています。B2を除いて、北米の食事では牛乳がこれらの研究対象ビタミンの主な供給源ではないことが多いため、低温殺菌は牛乳の栄養価を低下させる懸念はないようです。

低温殺菌は、加工食品の官能特性にも小さいながらも測定可能な影響を及ぼします。^[1]フルーツジュースでは、低温殺菌により揮発性芳香化合物が失われる可能性があります。^[4]フルーツジュース製品は低温殺菌の前に脱気処理を受けますが、これがこの損失の原因である可能性があります。脱気により、ビタミンCやカロチンなどの栄養素の損失も最小限に抑えられます。^[1]揮発性化合物の損失による品質の低下を防ぐため、コストはかかりますが、揮発性回収を利用してより高品質のジュース製品を生産することができます。^[4]

色に関しては、低温殺菌処理は植物や動物の組織に含まれるクロロフィル、アントシアニン、カロテノイドなどの色素にはあまり影響しません。フルーツジュースでは、ポリフェノールオキシダーゼ（PPO）が褐色化や色の変化を引き起こす主な酵素です。しかし、この酵素は低温殺菌前の脱気工程で酸素が除去され、不活性化されます。^[4]

牛乳の場合、低温殺菌牛乳と生乳の色の違いは、低温殺菌の前に行われる均質化工程に関係しています。低温殺菌の前に牛乳は均質化されて脂肪と水溶性成分が乳化されるため、低温殺菌牛乳は生乳に比べて白い外観になります。 ^[1]野菜製品の場合、色の劣化は温度条件と加熱時間に依存します。^[56]

低温殺菌処理では、処理温度が高すぎると、ペクチンの構造が酵素的および非酵素的に変化し、食感が損なわれる可能性があります。しかし、温和な熱処理による低温殺菌では、温度が80℃（176℉）を超えない限り、野菜の組織が軟化して食感が損なわれる心配はありません。^[56]

広義の「低温殺菌」とは、パスツール法と同等の量（対数減少）だけ微生物を減らす方法を指します。食品の栄養特性や官能特性への影響を減らし、熱に不安定な栄養素の劣化を防ぐ方法として、食品を低温殺菌するための新しい熱処理法や非熱処理法が開発されています。パスカリゼーションまたは高圧処理（HPP）^{[1] [57] [58]}パルス電場（PEF）^{[1] [57] [58]} 電離放射線、高圧均質化、UV除染、パルス高強度光、高強度レーザー、パルス白色光、高出力超音波、振動磁場、高電圧アーク放電、ストリーマープラズマ^{[57] [58]}は、現在商業的に利用されているこれらの非熱処理低温殺菌法の例です。

マイクロ波容積加熱（MVH）は、最新の低温殺菌技術です。マイクロ波を使用して、液体、懸濁液、または半固体を連続的に加熱します。MVHは、流れる製品全体に均一かつ深くエネルギーを届けるため、より穏やかで短時間の加熱が可能になり、牛乳に含まれる熱に敏感な物質のほとんどすべてが保存されます。^[59]

• ビール
• 缶詰
• 乳製品
• 卵
• 牛乳
• ジュース
• 低アルコール飲料
• シロップ
• 酢
• 水
• ワイン

• 食品の放射線照射
• 瞬間殺菌
• パスカライゼーション
• 均質化
• 低温殺菌卵
• 太陽光による水の消毒
• 耐熱性細菌
• 食品保存
• 食品貯蔵
• 食品微生物学
• 殺菌
• 熱化
• チンダル化

• 生乳専門家の証言日: 2008 年 4 月 25 日 事件: Organic Dairy Company, LLC および Claravale Farm, Inc.、原告、対 No. CU-07-00204 カリフォルニア州およびカリフォルニア州食品農業局長官カワムラ司法長官、専門家証人: セオドア・ビールズ博士およびロナルド・ハル博士
• ジョンズ ホプキンス大学による、低温殺菌牛乳と天然牛乳の安全性に関する別の見解：「ジョンズ ホプキンス生乳研究 - 本物の牛乳のためのキャンペーン」Realmilk.com。2015 年 8 月 12 日。
• 賞味期限延長の謎を解明
• ハッチ、シビル E (2006 年 1 月 1 日)。世界を変える: 女性エンジニアの真実の物語。バージニア州レストン: アメリカ土木学会。ISBN 978-0-7844-0841-4. OCLC  62330858.

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