柵欄技術的原創(chuàng)為德國肉類研究中心的萊斯特教授（Prof. Dr.Lothar Leistner ）。柵欄技術自從1987年引入我國至今，已經(jīng)在食品加工領域受到廣為研究和廣泛應用。我國食品加工業(yè)迅速發(fā)展，深化對柵欄技術的研究和應用，對提升產(chǎn)業(yè)技術水平，實現(xiàn)提質(zhì)增效，具有作用意義。
柵欄技術的基本概念
食品安全性、以及總的質(zhì)量特性取決于加工及流通過程所涉及的與產(chǎn)品質(zhì)量相關的技術和方法?，F(xiàn)今可用于食品保質(zhì)的技術和方法很多，但無論是傳統(tǒng)和現(xiàn)代法，萊斯特研究認為，按其基本原理可歸結為少數(shù)幾個因子。也就是說，產(chǎn)品的質(zhì)量、保質(zhì)期、營養(yǎng)性等控制主要取決于少數(shù)幾個因子。
食品加工主要防腐保質(zhì)因子：t因子（溫度）、aw因子（水分活度）、pH因子（酸堿度）、Eh因子（氧化還原值）、c.f因子（菌群競爭）、Pres因子（防腐劑）。萊斯特教授（Leistner）將防腐保質(zhì)因子比擬為保證食品的微生物穩(wěn)定性、衛(wèi)生安全性以及總的質(zhì)量特性的“柵欄因子”或“障礙因子”。這既是柵欄因子（Hurdle Factors）的基本概念。
主要防腐保質(zhì)柵欄因子及其對應的技術手段
| 序號 | 因子 | 屬性 | 相應的方法 |
| 1 | t | 溫度 | 高溫（巴氏熱加工、高溫或超高溫滅菌）或低溫（冷藏或凍結貯藏）。 |
| 2 | pH | 酸堿度 | 調(diào)節(jié)酸堿度（酸化或堿化）。 |
| 3 | Aw | 水分活動 | 干燥脫水或添加水分活度調(diào)節(jié)劑等。 |
| 4 | Eh | 氧化還原 | 真空、氣調(diào)、活性包裝、脫氧劑等。 |
| 5 | C.f | 競爭性菌群 | 自然發(fā)酵或添加發(fā)酵菌發(fā)揮乳酸菌等有益性優(yōu)勢菌群。 |
| 6 | Pres | 防腐劑 | 有機酸、乳酸鹽、醋酸鹽、山梨酸鹽、抗壞血酸鹽、異抗壞血酸鹽、葡萄糖醛酸內(nèi)酯、磷酸鹽、丙二醇、聯(lián)二苯、殼二糖、游離脂肪酸、碳酸、甘油月桂酸脂、螯合物、美拉德反應生成物、乙醇、香辛料、亞硝酸鹽、硝酸鹽、臭氧、次氯酸鹽、匹馬菌素、乳桿菌素Nisin、煙熏等。 |
| 7 | 其他（很少采用） | 高壓或低壓，紫外、微波、放射性輻照、阻抗熱處理、高電場脈沖、高頻能量、振動磁場、熒光滅活、超聲、乳化、固態(tài)發(fā)酵等。 | |
在某一食品內(nèi)，如果存在的柵欄因子不足以有效抑菌防腐，也就是說食品內(nèi)柵欄過少或強度太弱，食品在加工或貯藏過程中不利微生物已成功逾越了這些柵欄，則產(chǎn)品為不可貯食品，很快腐敗或氧化變質(zhì)。因此食品的可貯與不可貯以及質(zhì)量的優(yōu)與劣取決于這些柵欄因子在食品內(nèi)的相互作用，這就是食品防腐保質(zhì)的柵欄效應（Hurdle Effect）。
長期的研究揭示了不同食品內(nèi)抑菌、防腐和保質(zhì)的柵欄因子（Hurdle Factors）的相互作用的不同模式：
1)強度相等的柵欄因子互作；
2)Aw和Pres為主的因子互作；
3)初始菌量低的因子互作；
4)高初始菌量的因子互作；
5)富營養(yǎng)食品因子互作；
6)預熱處理食品因子互作；
7)發(fā)酵風干香腸因子互作；
8)協(xié)同累加因子互作。
Leistner團隊對食品內(nèi)柵欄效應的防腐保質(zhì)機制進行長期的探究，研究表明，不同的食品有獨特的防腐保質(zhì)柵欄的相互作用，兩個或兩個以上柵欄的作用不僅僅是其單一柵欄作用的累加。食品的可貯性可通過二個或更多個柵欄因子的相互作用而得到保證，這些因子中任一單一的存在不足以抑制腐敗性微生物或產(chǎn)毒性微生物。
對一種可貯而優(yōu)質(zhì)的食品，柵欄因子的復雜交互作用控制著微生物腐敗、產(chǎn)毒或有益發(fā)酵，氧化酸敗、風味衰減等，這些因子互作對食品的聯(lián)合防腐保質(zhì)作用，Leistner教授將其名命為“ Hurdle Technology”，王衛(wèi)將其翻譯為“柵欄技術”。
柵欄因子防腐保質(zhì)機理
| 序號 | 機制類型 | 調(diào)節(jié)機理 |
| 1 | 內(nèi)平衡（MB） | 微生物內(nèi)平衡調(diào)節(jié)機制被柵欄因子打破 |
| 2 | 代謝衰竭（AE） | 微生物在不利柵欄因子環(huán)境自動衰竭 |
| 3 | 內(nèi)環(huán)境競爭（IEC） | 一類微生物的存在對另一類微生物產(chǎn)生影響 |
| 4 | 多靶共效（EEA） | 不同因子針對微生物不同的“靶子”發(fā)揮作用 |
| 5 | 天平調(diào)控（BR） | 通過因子微調(diào)對產(chǎn)品產(chǎn)生大的天平式影響 |
| 6 | 魔方調(diào)控（RR） | 每一因子的變化對產(chǎn)品特性產(chǎn)生多維影響 |
| 7 | 序列調(diào)控（SR） | 不同階段不同的因子順序發(fā)揮作用 |
內(nèi)平衡
微生物的生長需要特定的t、pH、aw等條件，當這些條件在小范圍變化，微生物可自身調(diào)控能力恢復其內(nèi)平衡，這些條件變動過大，內(nèi)平衡受到不可恢復性破壞，導致微生物死亡。食品防腐就是施加可臨時或永久打破并使之難以恢復其內(nèi)平衡的柵欄因子。
被破壞的內(nèi)環(huán)境的修復需要耗費更多的能量，例如降低Eh值（真空、氣調(diào)等包裝）可阻斷微生物修復內(nèi)環(huán)境時所需能量，而能量提供的限制阻止了微生物的修復機制，使得防腐保質(zhì)柵欄因子間的協(xié)同效應成為可能。因此低aw值、低pH值、和低Eh值之間具協(xié)同作用性。類似的微生物及其菌群內(nèi)環(huán)境的擾亂為食品防腐技術的研發(fā)提供了潛在的可能。
代謝衰竭
在一些具有特定柵欄因子的食品內(nèi)，殘存的受到一定損害的微生物通過可能的修復機制以適應其內(nèi)環(huán)境，以便在不利于微生物的條件下生存，但可能在貯藏過程中耗盡能量而代謝衰竭死亡。因此在某些肉制品的貯藏過程中，當其內(nèi)外環(huán)境的t、aw、Eh或pH處于不利于有害微生物和酶類時，有害微生物可能發(fā)生自動衰竭死亡或酶類失去活性，結果是食品的“自動殺菌”。
簡裝貯藏的肉干，aw低于0.7時，殘留或污染的金黃色葡萄球菌等可因“饑渴”而不斷減少；防腐劑處理的水果：常溫比冷鏈更利于微生物的衰竭死亡； 含豐富益生菌的發(fā)酵香腸：由于競爭性微生物作用，沙門氏菌在常溫下比冷藏下更易死亡；人造黃油：乳化態(tài)和貯藏溫度越高，微生物衰竭越快；巴氏殺菌肉制品：柵欄因子過多不利于微生物的衰竭，低溫和氣調(diào)（t和Eh因子）成為經(jīng)典組合。
內(nèi)環(huán)境競爭
微生物的生長需要能量、營養(yǎng)等基礎物質(zhì)，在一個特定食品的內(nèi)環(huán)境內(nèi)，有限的基礎物質(zhì)只能滿足有限的微生物需求，不同類型和數(shù)量的微生物之間必然形成生存競爭。
在火腿、臘腸等發(fā)酵肉制品風干進程中，以及豆豉、豆瓣、腐乳等菜肴調(diào)味品發(fā)酵進程中，乳酸菌、微球菌、霉菌、酵母菌等益生菌大量生長，通過分解蛋白、脂肪、碳水化合物產(chǎn)生鮮美的風味物，同時這些微生物在產(chǎn)品中處于群體絕對競爭優(yōu)勢甚至產(chǎn)生抑制其他有害菌的物質(zhì)，其他有害菌就失去了生存空間，產(chǎn)品安全性就得到保障。
應激反應
微生物在應激狀態(tài)下某些可產(chǎn)生抗應激蛋白（stress shock protein），變得對環(huán)境條件（例如高溫）更強的抵抗力或更強的毒性。保護性抗應激蛋白是細菌在t（熱處理）、pH、aw、pres (乙醇)等不利環(huán)境，或者處于饑餓狀態(tài)的誘導下產(chǎn)生。這一反應有可能影響食品的防腐性，且為應用柵欄技術防腐保質(zhì)帶來問題。這就是在一些食品中不當或過度的的防腐手段更不利于產(chǎn)品保質(zhì)期的延長。
但在另一些食品中，如果微生物同時面臨多種應激，微生物就需產(chǎn)生更多的抗應激蛋白而需耗用更多的能量，如果施加的柵欄因子有效阻止了能量的提供，微生物抗應激蛋白的基因活性將處于更為艱難的狀態(tài)，這也就可能導致上面所述的微生物代謝衰竭“自動殺菌”的出現(xiàn)。
多靶共效
食品內(nèi)的不同柵欄是有效針對微生物細胞內(nèi)不同目標，既不同靶子，例如是針對細胞膜、DNA或酶系統(tǒng)、以及針對pH、aw或Eh等內(nèi)環(huán)境條件，從數(shù)方面打破其內(nèi)環(huán)境平衡，使細菌抗應激蛋白的形成更為困難，則可實現(xiàn)有效的柵欄交互作用，實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)可貯。
山梨酸鉀類：抑制微生物的脫氫酶系統(tǒng)；迷迭香等：終止自由基,抑制單線態(tài)氧；尼泊金酯類：破壞微生物的細胞膜；食鹽、乳酸鈉等：降低水分活度尼生素；Nisin：抑制微生物DNA、RNA蛋白質(zhì)和多糖等的生物合成；紫外線等輻照：抑制微生物DNA復制與轉(zhuǎn)錄。
柵欄技術應用于食品防腐，其可能性不僅僅是根據(jù)食品內(nèi)不同柵欄所發(fā)揮的累加作用，而進一步是這些柵欄因子的交互作用與協(xié)同效應性。因此在食品內(nèi)應用不同強度和緩和的防腐柵欄，通過這些柵欄的互作效應使食品達到微生物穩(wěn)定性，比應用單一而高強度柵欄更為有效，更益于食品防腐保質(zhì)，這就是建立與柵欄技術之上的“多靶共效防腐”技術，已成為未來最具挑戰(zhàn)性最具應用前景的領域。
在多靶效應上醫(yī)學領域早已走在前列，例證之一對殺菌劑殺菌機理的研究，至少已有12類殺菌劑對微生物細胞的多靶效應作用被揭示。細胞膜常常是受到進攻的第一個靶子，使細菌變得千瘡百孔甚至四分五裂，同時殺菌劑又可阻止酶、蛋白質(zhì)和DNA等的合成。多靶效應性藥劑已在抗細菌性傳染?。ㄈ绮际蠗U菌?。┖筒《拘詡魅静。ㄈ绨滩。┥系玫匠晒谩Ｆ鋿艡谡{(diào)控原理在防腐保質(zhì)上上的應用已受到特別關注。
天平式效應
各種食品內(nèi)都有其不同的柵欄因子的共同作用，達到一種保證微生物、內(nèi)源酶等穩(wěn)定性的平衡。這一平衡如同天平式一樣，那怕是其中一個柵欄發(fā)生微小變化，都可能打破平衡，對食品可貯性和總體質(zhì)量產(chǎn)生影響。
例如對于真空包裝巴氏處理的高水分肉制品安全可貯的條件是：F 0.3～0.4, aw 0.970～0.975, pH 6.2～6.4，其中每個因子的微小變化都對產(chǎn)品質(zhì)量安全的天平發(fā)揮影響。對不同產(chǎn)品中影響其微生物穩(wěn)定性的關鍵因子的數(shù)量化，或?qū)⒊蔀楦挥懈偁幮蕴魬?zhàn)性的研究領域。對食品中t，aw，pH和Eh等各柵欄微調(diào)的實現(xiàn)，可能在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生重大成果，帶來顯著效益。
對于實現(xiàn)食品生產(chǎn)的天平式控制，需加工工程師、微生物學專家、營養(yǎng)學家的密切合作，例如在使用添加劑提高食品中抑制微生物生長的柵欄時，必須判斷此法從毒理學，感官質(zhì)量，營養(yǎng)特性及飲食習慣等上考慮是否可行。又如多種添加劑對肉制品aw有影響，乳化性香腸的aw可通過添加脂肪（約30%）和食鹽（2.0%左右）而調(diào)節(jié)到低于0.96，這一添加量是可接受的，而在低鹽產(chǎn)品開發(fā)中，食鹽量的降低導致aw的變化無疑對產(chǎn)品安全性帶來極大風險。
魔方式效應
食品中的各種柵欄因子，包括pH、t，aw、Eh等，如魔方式變幻構成了肉制品的微生物穩(wěn)定性，這些因素通常是食品的必需柵欄，每一柵欄的變化均如同魔方變幻對整體產(chǎn)生重大影響。根據(jù)魔方式控制原理設計肉品生產(chǎn)，調(diào)節(jié)控制其最佳的柵欄因子，就需要可靠的有關其數(shù)量化資料。
以工業(yè)化菜肴制品紅燒肉軟罐頭為例，在室溫下貯藏時這類產(chǎn)品達到可貯的柵欄相互作用條件是F大于0.4，pH低于6.5，以及Eh應在很低（真空灌裝），如果產(chǎn)品存在pres柵欄亞硝酸鹽，則aw小于0.97即可；但無硝產(chǎn)品aw需小于0.96。在低硝、低鹽、低脂等肉制品開發(fā)中，需探究涉及每一具體產(chǎn)品的各柵欄因子的變化，在柵欄因子強度的下降甚至消失，必須有相應的“頂替”因子，以維持保證產(chǎn)品微生物穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)可貯性的天平的而平衡，以及彌補aw柵欄的變化對整體魔方變幻的影響。
對于發(fā)揮pres因子關鍵作用的硝鹽，除了出色的抑菌防腐抗氧功能，還可賦予產(chǎn)品良好發(fā)色和增香作用。過多添加和殘留導致的安全隱患受到關注。使用原則是嚴格控制其添加量和使用范圍，盡可能少而又能達必需的發(fā)色、防腐、增香等作用。例如NaNO2添加量20～40ppm足以滿足發(fā)色所需，30～50ppm增香，可發(fā)揮防腐功能則需60～150ppm，控制在此范圍，食品的衛(wèi)生安全性完全可得到保證。
在無硝產(chǎn)品開發(fā)中，植物提取物或冷鏈控制替代抑菌防腐抗氧，色素替代發(fā)色，調(diào)味劑替代增香，但至仍然未找到更為安全、有效、廉價的替代物，而其副作用在臨床醫(yī)學及營養(yǎng)學領域甚至被過于放大了，在歐洲添加亞硝或微煙熏甚至允許應用于有機肉制品。
從理論和實踐的觀點出發(fā)，應用柵欄技術對經(jīng)熱加工的熟肉制品的t，aw和Eh柵欄進行調(diào)節(jié)，是最有現(xiàn)實意義的，這樣可開發(fā)出經(jīng)中熱處理而可非冷保存的耐貯存產(chǎn)品（SSP產(chǎn)品）。很多扁平狀包裝巴氏處理的醬鹵、香腸、工業(yè)化菜肴均可以此為原理加工。這類產(chǎn)品只經(jīng)過中熱處理（F值約為0.4），能有效抑制所有營養(yǎng)性微生物的活性，而對細菌芽胞尚未造成致命性損傷，但這些受損的桿菌芽胞再發(fā)芽的繁殖力減小，只需通過aw和pH兩道柵欄已能將其抑制，而無損于肉制品的感官質(zhì)量，輔以真空包裝，即可實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)可貯和有效抑制風味衰減。
aw和pH是肉制品的關鍵因子，當然Eh因子，即有效含氧量也是影響產(chǎn)品的微生物穩(wěn)定性因素，當Eh值低時，不僅好氣菌，甚至兼性厭氧菌也不會很好的生長，因此在Eh值很低的情況下，一些aw耐受性高，在實驗室培養(yǎng)基上中度有氧條件下，aw為0.86時仍生長的桿菌，在產(chǎn)品中aw為0.97～0.96時可受到抑制，基于降低氧化還原值（Eh）對產(chǎn)品中好氣性芽胞桿菌起到重要的抑制作用。pH柵欄因子，以及與pH直接或間接相關的F，aw和Eh因子，如魔方式變幻構成了肉制品的微生物穩(wěn)定性，這4個因素通常是食品的必需柵欄，每一柵欄的變化均如同魔方變幻對整體產(chǎn)生重大影響。
柵欄效應與食品總質(zhì)量
從柵欄技術概念上理解食品防腐技術，似乎僅側重于保證食品的微生物穩(wěn)定性，然而柵欄技術還與食品的總質(zhì)量密切相關。正如動物或植物細胞胞脂質(zhì)氧化受大量正負性內(nèi)在和外在因素景響結果一樣。柵欄技術不僅僅適用于保證食品衛(wèi)生安全性，也保證其總質(zhì)量。有的柵欄，例如在美拉德產(chǎn)品中的美拉德反應，就對產(chǎn)品的可貯性和質(zhì)量都具重要性。食品中可能存在的柵欄將影響其可貯性，感官質(zhì)量，營養(yǎng)性，工藝特性和經(jīng)濟效益。
而柵欄對產(chǎn)品的總質(zhì)量可能是正影響，也可能是負影響，同一柵欄強度不同對產(chǎn)品的作用也可能是相反的。例如t（低溫冷藏）作為水果的防腐保質(zhì)柵欄時，過快過低有損于水果質(zhì)量，而和緩冷卻則有利。又如在可以調(diào)酸的產(chǎn)品中，pH值的降低能抑制腐敗菌，但過低則對感官不利。為保證產(chǎn)品總質(zhì)量，柵欄及其強度應調(diào)控在最佳范圍。
柵欄作用交互作用序列性
在一些肉制品中，其柵欄序列按一定程序固定不變，在這些產(chǎn)品品加工和貯藏的各階段，各柵欄因子相繼發(fā)揮作用或消失。例如對于風干淺發(fā)酵臘腸的柵欄序列，在這類產(chǎn)品加工的某一階段，某一柵欄能最有效的抑制使產(chǎn)品腐敗的微生物（沙門氏桿菌，肉毒桿菌，金色葡萄球菌）以及其他導致食物中毒的細菌，酵母菌和霉菌的繁殖，同時又能有利于對香腸的風味和可貯性起重要作用的aw和競爭性菌落（乳酸桿菌，微球菌等的生長。
防腐保質(zhì)柵欄因子調(diào)控
| 序號 | 因子 | 調(diào)控機理 | 產(chǎn)品舉例 |
| 1 | 初始菌量因子（M） | 原料衛(wèi)生控制是保障產(chǎn)品質(zhì)量和安全的首要因素 | 原料總菌數(shù)在103-104CFU/g的生鮮調(diào)制肉制品比總菌數(shù)在105CFU/g的保質(zhì)期長30%以上 |
| 2 | 溫度閾值因子（t） | 加工貯運不中斷冷鏈，以及充分的殺菌溫度是最佳的防腐保鮮手段 | 2～4℃下貯藏的醬鹵肉比在常溫下貯藏的保質(zhì)期延長3倍以上；121℃殺菌肉品比在110℃的貨架壽命長4倍以上 |
| 3 | 水分活度因子（aw） | 脫水或添加食鹽等天然調(diào)節(jié)劑盡可能降低水分活度，是保障產(chǎn)品安全最有效的方法 | aw值0.90以下的肉品可在常溫下非制冷貯藏，0.92以下的肉品需要嚴格的低溫冷藏條件 |
| 4 | 氧化還原因子（Eh） | 真空、氣調(diào)等包裝降低Eh可有效阻止肉品脂肪氧化酸敗和霉變包安全 | 臘肉常溫貯藏1個月即出現(xiàn)氧化和霉菌滋生，真空包裝可3個月以上保質(zhì) |
| 5 | 酸堿度因子（pH） | 發(fā)酵或食用酸調(diào)低pH值可在一定程度上穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提升安全性 | 添加檸檬酸調(diào)節(jié)pH值至5.0以下的泡椒鳳爪保質(zhì)期可比常規(guī)pH值5.4以上的保質(zhì)期長2倍以上 |
| 6 | 物料抑菌因子（Pr） | 天然植物提取物或食品防腐劑可有效抑制病菌和腐敗菌的生長 | 添加迷迭香提取物、乳酸鈉等防腐劑可將醬鹵肉制品7天的保質(zhì)期延長至14天以上 |
結語
肉制品的衛(wèi)生安全性及其總的質(zhì)量特性，取決于產(chǎn)品加工及貯運流通中采用的方法和技術，按其基本原理歸結為幾個柵欄因子（Hurdle Factors），產(chǎn)品的安全可貯性和總體質(zhì)量特性，主要取決于這些因子互作的柵欄效應（Hurdle Effect），而柵欄因子作用機制涉及到內(nèi)平衡、內(nèi)環(huán)境競爭、自動衰竭、多靶效應、天平式或魔方式調(diào)控等。以現(xiàn)代技術手段為支撐，構建“原料減菌保鮮、關鍵點標準值控制、多因子聯(lián)合防腐”等柵欄技術體系，通過柵欄因子調(diào)控實現(xiàn)產(chǎn)品的安全、優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)和可貯，即是柵欄技術（Hurdle Technology）的核心內(nèi)容。
