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食品加工において、低温殺菌（-isation）は、包装された食品（牛乳や果汁など）を、病原菌を除去して保存期間を延ばすために、通常100 ℃（212 °F）未満の穏やかな熱で処理する食品保存プロセスです。低温殺菌は、栄養型細菌を含む、食品の腐敗や病気のリスクに寄与する微生物や酵素を破壊または不活性化しますが、ほとんどの細菌胞子はこのプロセスで生き残ります。[ 1 ] [ 2 ]
低温殺菌法は、1860年代にワイン中の不要な微生物を加熱処理によって不活性化でき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。[ 3 ] [ 4 ]低温殺菌法では腐敗酵素も不活性化されます。今日では、低温殺菌法は食品の保存と安全性のために乳製品業界やその他の食品加工業界で広く使用されています。[ 4 ]
1999年までに、ほとんどの液体製品は、熱交換器を使用したり、温水や蒸気を直接または間接的に使用したりして熱を加える連続システムで加熱処理されるようになりました。穏やかな加熱のため、処理された食品の栄養価や官能特性にわずかな変化が生じます。[ 5 ]パスカル化または高圧処理（HPP）およびパルス電場（PEF）は、食品の低温殺菌にも使用される非加熱プロセスです。[ 1 ]
ワインを加熱して保存する方法は、中国では西暦1117年から知られており、日本では1478年から1618年にかけて僧侶たちが書いた日記『多聞人日記』に記録されている。[ 6 ]
1768年、イタリアの司祭で科学者のラッツァーロ・スパランツァーニの研究により、加熱処理後に製品を「無菌」にできることが証明されました。スパランツァーニは肉のスープを1時間煮沸し、煮沸後すぐに容器を密封し、スープが腐敗せず微生物も存在しないことに気づきました。[ 3 ] [ 7 ] 1795年、パリのシェフで菓子職人のニコラ・アペールは、食品を保存する方法の実験を始め、スープ、野菜、ジュース、乳製品、ゼリー、ジャム、シロップで成功しました。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ました。[ 8 ]同年、フランス軍は食品を保存する新しい方法に12,000フランの賞金を提供しました。アペールは14～15年ほどの実験の後、1810年1月に発明を提出し、賞を獲得した。[ 9 ]同年後半、アペールは『動物性および植物性物質の保存術』 （L'Art de conserv les substances animales et végétales）を出版した。これは、近代的な食品保存方法に関する最初の料理本であった。[ 10 ] [ 11 ]
パリ近郊のマシーにある「アペールの家」は、世界初の食品瓶詰め工場となり、さまざまな食品を密封瓶に保存しました。 [ 8 ]アペールは、牛肉や鶏肉から卵、牛乳、調理済み料理まで、あらゆる種類の食材を厚手の広口ガラス瓶に詰めました。瓶の上部に空気の空間を残し、万力を使ってコルクを瓶にしっかりと密封しました。その後、瓶をキャンバスで包んで沸騰したお湯に浸し、中身が完全に調理されるのにアペールが適切と判断した時間だけ煮沸しました。アペールはこの方法を特許取得し、彼の名にちなんで「アペール化」と呼ばれることもあります。[ 12 ]
アペールの方法は非常にシンプルで実用的だったため、すぐに広まった。1810年、同じくフランス出身のイギリスの発明家で商人のピーター・デュランドは、この方法を特許化したが、今回はブリキ缶で、こうして現代の食品缶詰の製法が生まれた。1812年、イギリス人のブライアン・ドンキンとジョン・ホールは両方の特許を購入し、保存食の製造を始めた。10年後、アペールの缶詰製法はアメリカに伝わった。[ 13 ]ブリキ缶の生産は20世紀初頭まで一般的ではなかった。その理由の一つは、 1855年にロバート・イェー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からである。[ 8 ]
フランスの化学者ルイ・パスツールは、1864年の夏にアルボワで休暇を過ごしていた際に、より穏やかな方法を開発した。[ 14 ]地元の熟成ワインによく見られる酸味を改善するため、彼は実験的に、若いワインを約50～60 ℃（122～140 °F）に短時間加熱するだけで微生物を殺し、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。[ 14 ]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して知られている。[ 3 ] [ 15 ]低温殺菌法はもともとワインやビールが酸っぱくなるのを防ぐ方法として使われており、[ 16 ]牛乳が低温殺菌されるようになるまでには何年もかかった。[ 17 ] 1870年代の米国では、牛乳が規制される前は、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。[ 18 ]
牛乳は微生物の増殖に最適な培地であり、 [ 19 ]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。[ 20 ]米国疾病予防管理センター（CDC）によると、不適切に処理された生乳は、他の食中毒の原因よりも約3倍多くの入院の原因となっており、世界で最も危険な食品の1つとなっています。[ 21 ] [ 22 ]低温殺菌によって予防できる病気には、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。 [ 23 ] [ 24 ]
工業化以前は、牛乳の生産から消費まで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伝染リスクは減少していた。[ 25 ]都市の人口密度が高まり、サプライチェーンが国から都市までの距離にまで長くなると、生乳（多くの場合数日経過している）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の摂取によって結核に感染し、約6万5千人が死亡した。[ 26 ]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病気を結びつけるのは困難だった。[ 27 ] 1892年、化学者のエルンスト・レーダーレは、結核に感染した牛の牛乳をモルモットに接種する実験を行い、モルモットに病気を発症させた。[ 28 ] 1910年、当時保健局長を務めていたレダーレは、ニューヨーク市で牛乳の低温殺菌を義務付けた。[ 28 ]
先進国は、このような病気や死亡を防ぐために牛乳の低温殺菌を採用し、その結果、牛乳は現在、より安全な食品と考えられています。[ 25 ]バターの保存性を高めるためにクリームを湯通しして濾過する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ましたが、 [ 29 ]その後 20 年間は米国で広く行われませんでした。牛乳の低温殺菌は、1886 年にフランツ・フォン・ソックスレーによって提案されました。 [ 30 ] 20 世紀初頭、ミルトン・ジョセフ・ローゼナウは、米国海兵隊病院勤務中に、牛乳の低温殺菌の基準、すなわち60 °C (140 °F)で20 分間の低温でゆっくり加熱することを確立しました。[ 31 ] [ 32 ]特に、彼の著書『牛乳問題』（1912 年）で知られています。[ 33 ]米国の各州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た。[ 34 ]
冷蔵殺菌乳の保存期間は生乳よりも長い。例えば、高温短時間殺菌（HTST）殺菌乳の冷蔵保存期間は通常2～3週間だが、超高温殺菌乳はそれよりずっと長く、2～3ヶ月も保存できる。超高温殺菌（UHT ）を無菌的な取り扱いと容器技術（無菌包装など）と組み合わせると、冷蔵せずに最長9ヶ月間保存することも可能になる。[ 25 ]
米国疾病対策センターによると、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、生乳または生チーズ製品が原因であった。[ 35 ]同センターは、同じ期間に生乳または生チーズ製品が原因で148件の疾病と2,384人の罹患者（うち284人が入院を要した）および2人の死亡が報告されている。[ 35 ]
医療機器、特に呼吸器や麻酔器は、化学消毒の代替として、しばしば温水を使用して消毒されます。温度は70 ℃（158 °F）まで30分間上昇します。[ 36 ]オートクレーブでは、より高い温度と圧力でより徹底的な滅菌を行うことができます。
低温殺菌は、液体食品（包装済み・未包装を問わず）を穏やかな温度で加熱処理するもので、通常は100 ℃（212 °F）未満に加熱します。加熱処理と冷却工程は、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、加熱処理の条件（時間と温度）と保存期間が決まります。また、加熱処理の条件には、熱に敏感な栄養価や官能特性も考慮されます。
果汁やビールなどの酸性食品（pH 4.6以下）では、加熱処理は酵素（果汁中のペクチンメチルエステラーゼとポリガラクツロナーゼ）を不活性化し、腐敗微生物（酵母と乳酸菌）を死滅させ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、賞味期限が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、加熱処理は病原菌と腐敗微生物（酵母とカビ）を死滅させるように設計されています。低温殺菌の条件下ではすべての腐敗微生物が死滅するわけではないため、その後の冷蔵が必要です。[ 1 ]
牛乳に使用されるような高温短時間殺菌（HTST）（71.5 °C（160.7 °F）で15秒間）は牛乳の安全性を確保し、冷蔵保存で約2週間の保存期間を提供します。超高温殺菌（UHT）処理では、牛乳は135 °C（275 °F）で1～2秒間殺菌されます。特別な包装と合わせて、冷蔵せずに3か月の保存期間に延長されます。[ 37 ] [ 38 ]
食品は容器に詰める前または後に殺菌することができます。容器内の食品の殺菌には、一般的に蒸気または熱湯が使用されます。食品がガラス容器に詰められている場合は、熱衝撃によるガラスのひび割れを防ぐために熱湯が使用されます。プラスチックまたは金属の包装が使用されている場合は、熱衝撃のリスクが低いため、蒸気または熱湯が使用されます。[ 1 ]
ほとんどの液体食品は、加熱ゾーン、所定の時間殺菌温度に保持するための保持管、冷却ゾーンを食品が通過する連続プロセスを使用して低温殺菌され、その後、製品はパッケージに充填されます。プレート式熱交換器は、動物性ミルク、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。プレート式熱交換器は、液体を加熱または冷却媒体から分離する多数の薄い垂直ステンレス鋼板で構成されています。
シェルアンドチューブ式熱交換器は、乳製品、ケチャップ、ベビーフードなど、ニュートン流体ではない食品の低温殺菌によく用いられます。チューブ式熱交換器は、同心円状のステンレス鋼管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、内部に回転するシャフトとバネ仕掛けのブレードを備えたシェルアンドチューブ型の熱交換器の一種で、チューブの壁に蓄積した高粘性物質を掻き取る役割を果たします。[ 39 ]
食品を包装する前に熱交換器を使用して低温殺菌する利点は、容器に入れた状態で低温殺菌する場合と比較して以下のとおりです。
熱交換器で加熱された後、製品は一定時間保持管を通って流れ、必要な処理が行われます。殺菌温度または時間が達成されない場合は、流量分岐弁を使用して、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。
直接的な微生物学的検査は病原菌汚染を究極的に測定する方法だが、費用と時間がかかるため、殺菌処理が確認される頃には製品の賞味期限が短くなってしまう。
微生物学的技術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確認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の破壊は、一般的な牛乳病原菌の破壊を保証します。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、加熱処理の効果は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ための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、いくつかの異なる低温殺菌基準が使用されていました。1943年までに、72 ℃（162 °F）で15秒間のHTST低温殺菌条件と、63 ℃（145 °F）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滅（当時測定できた範囲で）の研究によって確認されました。[ 43 ]当時、感染した牛乳を経口摂取することでQ熱を引き起こすと考えられていたCoxiella burnetii [ 44 ] [ 45 ]と、結核を引き起こすMycobacterium tuberculosis [ 46 ]の完全な不活化が後に実証されました。実際には、これらの条件は、ほとんどすべての酵母、カビ、一般的な腐敗菌を死滅させるのに十分であり、一般的な病原性耐熱性微生物の十分な死滅も保証するものでした。しかし、1960年代まで使用されていた微生物学的技術では、実際の細菌の減少を数えることはできませんでした。牛乳の低温殺菌による病原性細菌の不活化の程度は、最も重要な牛乳由来病原体の最も耐熱性の高い株を意図的に高濃度で添加した後、加熱処理された牛乳中の生存細菌の研究から実証されました。[ 47 ]
15秒間の処理における主要な乳由来病原菌の平均log10減少率と不活化温度は以下のとおりです。
（log10の減少率が6から7の間ということは、100万個（10⁶）から1000万個（10⁷）の細菌のうち1個だけが処理を生き残ることを意味する。）
コーデックス食品規格の牛乳衛生実施基準では、牛乳の低温殺菌は、コクシエラ・バーネティ菌を少なくとも 5 log 10減少させることを目的としているとされています。[ 48 ]また、同基準では、「低温殺菌の最小条件は、牛乳のすべての粒子を72 °C (162 °F)で 15 秒間 (連続流低温殺菌) または63 °C (145 °F)で 30 分間 (バッチ低温殺菌) 加熱することと同等の殺菌効果を持つ条件である」こと、および「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り、すなわち、レイノルズ数は十分に高くなければならない」とされています。乱流に関する点は重要です。なぜなら、流れのない試験管を使用した単純な熱不活化の実験室研究では、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化が少なくなるからです。[ 49 ]
予防措置として、現代のHTST殺菌プロセスは、牛乳が均一に加熱され、牛乳のどの部分も加熱時間が短かったり温度が低かったりしないように、流量制限と分岐弁を備えて設計する必要があります。温度が72 ℃（162 °F）を1.5～2 ℃（2.7～3.6 °F）超えることはよくあります。[ 49 ]
低温殺菌は滅菌ではなく、胞子を死滅させるものではありません。「二重」低温殺菌は、二次加熱処理を伴うため、発芽した胞子を死滅させる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区域によって異なる。許可されている地域では、牛乳は加工前に腐敗しないように、農場から集荷された時点で最初に低温殺菌される。多くの国では、そのような牛乳を「低温殺菌済み」と表示することは禁止されているが、低温処理を指す「加熱殺菌済み」と表示することは許可されている。[ 51 ]
低温殺菌は穏やかな加熱処理であるため、保存期間を数日から数週間延ばします。[ 1 ]また、この穏やかな加熱処理は、食品中の熱に弱いビタミンにわずかな変化しか生じないことを意味します。[ 5 ]
系統的レビューとメタ分析によると、[ 52 ]低温殺菌はビタミンB12とEの濃度を低下させるようですが、ビタミン Aの濃度も上昇させることがわかりました。同じレビューでは、低温殺菌が A、B12、および E のレベルにどの程度影響するかについての研究は限られていました。[ 52 ]牛乳は北米の食事ではビタミン B12 または E の重要な供給源とは考えられていないため、低温殺菌が成人のこれらのビタミンの 1 日摂取量に及ぼす影響は無視できます。[ 53 ] [ 54 ]牛乳はビタミン A の重要な供給源と考えられており、[ 55 ]低温殺菌は牛乳中のビタミン A 濃度を上昇させるようですので、牛乳の加熱処理がこのビタミンに及ぼす影響は、公衆衛生上の大きな懸念事項ではありません。[ 52 ]メタ分析の結果は、牛乳の低温殺菌がビタミン Cと葉酸の大幅な減少につながることを示していますが、牛乳はこれらのビタミンの重要な供給源でもありません。[ 55 ] [ 54 ]低温殺菌後、ビタミンB2濃度が著しく低下することがわかった。ビタミンB2は通常、牛乳中に 1リットルあたり1.83mgの濃度で含まれている。成人の推奨1日摂取量は1.1mg /日であるため、[ 53 ]牛乳の摂取はこのビタミンの推奨1日摂取量に大きく貢献している。B2を除いて、牛乳は北米の食生活において研究対象となったこれらのビタミンの主要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事項ではないと思われる。
低温殺菌は、加工される食品の感覚特性にもわずかではあるが測定可能な影響を与える。[ 1 ]果汁の場合、低温殺菌によって揮発性香気成分が失われることがある。[ 5 ]果汁製品は低温殺菌前に脱気処理を受けるが、これがこの損失の原因となっている可能性がある。脱気処理はビタミンCやカロテンなどの栄養素の損失も最小限に抑える。[ 1 ]揮発性成分の損失による品質低下を防ぐため、揮発性成分の回収はコストがかかるものの、より高品質の果汁製品を生産するために利用できる。[ 5 ]
色に関しては、低温殺菌処理は植物や動物組織中のクロロフィル、アントシアニン、カロテノイドなどの色素にはほとんど影響を与えません。果汁では、ポリフェノールオキシダーゼ（PPO）が褐変や色の変化を引き起こす主な酵素です。この酵素は低温殺菌前の脱気工程で酸素を除去することにより不活性化されます。[ 5 ]
牛乳の場合、低温殺菌牛乳と生乳の色の違いは、低温殺菌前に行われる均質化工程に関係しています。低温殺菌前に牛乳は均質化され、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くなります。 [ 1 ]植物性製品の場合、色の劣化は温度条件と加熱時間に依存します。[ 56 ]
低温殺菌では、処理温度が高すぎると、ペクチンの構造における酵素的および非酵素的変化の結果として、食感が損なわれる可能性があります。穏やかな加熱処理による低温殺菌では、温度が80 ℃（176 °F）を超えない限り、食感の損なわれの原因となる野菜の組織の軟化は問題になりません。[ 56 ]
より広義には、低温殺菌とは、パスツール法と同等の量（対数減少）だけ微生物を減少させるあらゆる方法を指します。食品の栄養特性や感覚特性への影響を軽減し、熱に弱い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プロセス（加熱式および非加熱式）が開発されてきました。パスカル化または高圧処理（HPP）[ 1 ] [ 57 ] [ 58 ]、パルス電場（PEF）[ 1 ] [ 57 ] [ 58 ] 、電離放射線、高圧低温殺菌、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加熱低温殺菌法の例です。
[…] 日本酒は低温殺菌されており、低温殺菌技術が仏教僧の日記である多聞人日記に1568年に初めて記載されていることは興味深い。これは、パスツールより約300年も前に日本で低温殺菌が行われていたことを示している。東アジアで低温殺菌法を最初に開発した中国では、このプロセスの最も古い記録は1117年に遡ると言われている。
1810年のニコラ・アペールはおそらく最初の人物でした[...]