食品高新技术-超高压技术

关于超高压技术的研究

万玉莲

（常熟理工学院 生物与食品工程学院 食工121班，060812134）

摘要：超高压技术是目前国际上最热门的食品加工技术之一。超高压技术在食品工业中用于杀毒灭菌, 贮藏与保鲜。并在果蔬制品、肉制品、乳制品、蛋类食品、速冻产品等加工中得到广泛的应用。本文系统介绍了超高压食品处理技术的发展，杀菌机理，超高压技术处理食品的特点，高压处理食品的影响因素，以及超高压技术在食品中的应用等，并对其应用前景进行了展望。

关键词：超高压；机理；特点；影响因素；发展

The Study on ultra high pressure technology

Wan Yu-lian

(Changshu Institute Of Technology School of biotechnology and food engineering ) Abstract:Ultra high pressure technology is one of the most popular food processing technology in the world. It’s in food industry for the sterilization, storage and preservation. And widely used in fruit and vegetable products, meat products, dairy products, eggs, frozen products in food processing. This paper describes the development, high pressure technology for food processing sterilization mechanism, characteristics of ultra high pressure technology of food processing, the influence factors of high pressure processing of foods, and ultra high pressure technology in food application and so on, and the application prospect is discussed. Key Words:Ultra high pressure; mechanism; characteristics; influence factors; development

超高压技术的一个独特性质是它只作用于食品成分的非共价键,从而保证共价键的完好无损,这在保持食品原有品质方面非常有益, 它能够改变食品的凝固点、熔点、浓度等物理性质和改善食品的组成状态以及结构属性等。水在超高压下被压缩,而受压介质中的蛋白质、淀粉等物质也被压缩, 即在高压下形成生物体结构的氢键结合、离子键结合以及疏水键等非共价键结合发生变化,导致酶失活、微生物被杀死;同样,食物中的微生物及香气等低分子化合物也具有共价键结合, 在高压下不发生变化。超高压加工食品的特点大致可以概括为以下几个方面: 具有冷杀菌的作用;保持食品的营养价值;形成食品特有的色泽和风味;具有速冻及不冻冷藏效果;延长食品的保质期;改善生物多聚体的结构,调节食品质构; 简化食品加工工艺,节约能源;原料的利用率高,无“三废”污染。利用超高压加工食品达到灭菌并保持原有营养成分的方法,在国际上受到了学术届的关注,本文主要论述高压灭菌技术,超高压灭菌与传统灭菌技术的比较、在食品工业中的应用以及目前处理食品存在的不足之处。

1超高压灭菌技术 超高压技术简称高压技术或静水压技术，它是将食品密封于弹性容器或置于压力系统中，常以水或其他不可压缩的流体介质作为传递压力的媒介物，在静高压和一定的温度下加工适当的时间，引起食品成分非共价键的破坏或形成，使食品中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质分别失活、变性和糊化，并杀死食品中的微生物，从而达到食品灭菌、保藏和加工的目的。

1.1 超高压灭菌的特点 在当前食品处理领域, 传统的热处理属于食品处理的核

心技术,但食品在进行热处理时由于受高热的影响会产生许多弊病,归纳起来主要有以下几个方面:①加热处理会使食品化学成分发生重大变化。②加热处理破坏食品原有的天然风味;③加热处理严重地损坏食品营养价值;④加热处理会带来高能耗与严重的环境污染。与传统的热处理方法相比, 超高压处理技术在食品加工过程中可实现杀菌均匀、瞬时、高效。由于酶失去活性, 蛋白质中的氨基酸构造不发生变化,使原物质的维生素、色素、香味成分等低分子化合物不会发生变化及产生异臭味, 保持原有的性质,蛋白质、淀粉类物质经超高压处理后可获得具有新特性的食品, 延长食品的贮藏时间。

1.2超高压灭菌的原理

微生物的热力致死是由于细胞膜结构变化(损伤), 酶的失活, 蛋白质的变性, DNA直接或间接的损伤等主要原因引起的。而超高压能破坏氢键之类弱的结合键, 使基本物性变异, 产生蛋白质的压力凝固及酶的失活;还能使菌体内成分产生泄漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤。

食品超高压杀菌, 即将食品物料以某种方式包装好之后, 放人液体介质中, 在100～1000MPa压力下作用一段时间, 使之达到灭菌要求。极高的静压会影响细胞的形态。高压对细胞膜、细胞壁都有影响。在压力作用下, 细胞膜磷脂双分子层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。压力引起的细胞膜功能劣化将导致氨基酸摄取受抑制。食物主要是由蛋白质、淀粉、脂质、核酸、水等分子组成的立体结构。在高压下, 食物中的小分子(如水分子)之间的距离要缩小,而蛋白质等大分子物质仍保持球状, 这时水分子等小子就要产生渗透和填充效果,进入并黏附在蛋白质等大分子周围,使蛋白质等的食物中的生物大分子链在加工压力下,由超高压降为常压后被拉长,从而导致其部分或全部结构被破坏, 这样便改变了蛋白质的性质(简称“变性”)。超高压同样能导致酶的全部或部分结构被破坏, 这样便使酶失去活性(简称“失活”)。

微生物也是由蛋白质组成的, 由于在高压下蛋白质变性, 致使微生物内部组织被破坏而死亡; 另外, 在高压下,食品中某些物质的分子会穿透组成微生物的细胞膜,可致使微生物的细胞膜遭受损坏,甚至被破坏,因此,这就可以达到灭菌消毒的目的（简称为“灭菌”)。

2 超高压处理对食品中营养成分的影响

2.1 对蛋白质的影响

超高压会使蛋白质变性,这是由于压力使蛋白质原始结构伸展,导致蛋白质体积发生改变。无论是热力凝固还是压力凝固, 蛋白质的消化性都很好。加压鸡蛋与未加压前一样鲜艳, 口感仍是生鸡蛋味, 且维生素含量无损失。酶也是蛋白质,100~300MPa 压力作用下失活的某些酶还可以复活,减压后,酶的复活取决于分子的破坏程度,压力超过300MPa后复活的可能性极小。超高压处理山药泥,多酚氧化酶(PPO)活性在压力大于或小于400MPa 时都明显减弱,600MPa时PPO活性最弱。

2.2 对淀粉的影响

超高压可使淀粉改性。压力作为一种能量提供给水分子和淀粉分子, 与热处理淀粉糊化的本质一样,也是通过水合作用来实现淀粉的糊化。常温条件下加压到400～600MPa时,可使淀粉糊化而呈不透明的稠糊状物,且吸水量也发生改变。超高压所致完全糊化的玉米淀粉没有类似于热加工淀粉的老化现象,而超高压未完全糊化的玉米淀粉有类似热加工淀粉的老化现象。 低于700MPa的压力不能像热加工那样使玉米淀粉变色。超高压处理对太白葛根淀粉的增稠能力和回生能力

影响很小,300MPa 处理可明显地改善太白葛根淀粉糊的黏度与热稳定性。 同时, 超高压处理可提高太白葛根淀粉糊黏度对 pH 值的稳定性。

2.3 对油脂的影响

油脂类耐压程度低, 常温条件下加压到100～300MPa后基本上变成固体,但解除压力后仍能由固体恢复到原状。超高压处理对油脂的氧化有一定的影响。试验表明,与热处理相比,加压处理所产生的脂肪氧化增加较小,只有强度很大的高压处理才会产生类似于热处理诱导的脂肪氧化程度。

2.4 对食品中其他成分的影响

超高压处理对食品中的风味物质、维生素、色素及各种小分子物质的天然结构几乎没有任何影响。例如,在生产草莓果酱时,超高压处理可保持原果的独特风味、色泽及营养。在柑橘类果汁的生产中,加压处理对其营养价值与感官质量无影响,可以避免加热后产生的异味,同时还可抑制榨汁后果汁中苦味物质的生成,使果汁保持原果实风味。

3 影响超高压处理食品的因素

3.1 温度

就像在常压下一样。在高压下，低温和高温对微生物也有影响，而且会加剧高压对微生物的影响。这主要是由于微生物对温度的敏感性。在温度作用的协同下，高压杀菌的效果可有很大的提高。

在低温下微生物的耐压程度降低。这主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出而破裂的程度加剧，因此，低温对高压杀菌有促进作用。而在同样的压力下，杀死同等数量的细菌，温度高则所需杀菌时间短。这是因为在一定温度下，微生物中的蛋白质、酶等均会发生一定程度的变性，因此，适当提高温度对高压杀菌也有促进作用。受压时的温度对灭菌效果有明显影响，沙门菌在 20℃、200MPa 的压力下仍有少量存活，当温度为－20℃时，在相同压力下可全部杀灭。280MPa 压力、20℃温度下的灭菌效果与230MPa、40℃或 150MPa、50℃下的灭菌效果相同。因此，采用单纯加压方式处理不是一个有效的途径，采用温度和压力共同处理则会产生协同增效的作用。

3.2 pH

压力一方面会改变介质的 p H 值，如中性磷酸盐缓冲液在 680atm 下，pH 值将降低0.4,另一方面,会缩小微生物生长的pH值适应范围，换句话说，pH值会影响抑制微生物生长所需的压力。在食品允许范围内，改变介质pH，使微生物生长环境劣化，也会加速微生物的死亡速率，使高压杀菌的时间缩短或降低所需压力。

3.3 压力大小和加压时间

一般压力越高，加压时间越长，灭菌效果越好，但应用中压力和加压时间有一定的使用上限，所以有必要进一步研究微生物的耐压性影响因素。试验表明，对肉制品中的腐败菌和致病菌，在25 ℃温度下进行高压处理，大肠杆菌在200MPa 时数量并未减少，随压力的增大大肠杆菌的数量减少速度加快，在 300MPa 以上的超高压下能全部杀灭。

3.4 食品组成

食品的成分复杂，组织形态各异，因而对高压杀菌的影响也非常复杂。一般来说，当食品中富含营养成分或高糖高盐时，高压杀菌就变得困难。一般来说，富含蛋白质、油脂的食品高压杀菌较困难，但在食品中添加适量的脂肪酸酷、糖酷或乙醇后，会增强加压杀菌效果。盐浓度越高，在高压下的致死率越低。

Kajayama 等用大肠杆菌菌悬液做超高压实验，发现当基质中50%的豆油或猪油时，400MPa 灭菌分别需15min或10min；当菌种置于油蛋白质形成的乳浊液中，加压时间则要延长至30 min。实验表明，添加在某些食品（介质）中的大肠杆菌比添加在蒸馏水的大肠杆菌存活机率更大一些。

4 超高压技术在食品加工中的应用

4.1 在肉制品加工中的应用

许多研究人员采用超高压技术对肉类制品进行加工处理, 与常规加工方法比较发现, 经高压处理后的肉制品在柔嫩度、 风味、 色泽及成熟度方面均得到明显的改善, 同时也增加了可贮藏性。例如, 对价廉质粗的牛肉进行常温条件下 250MPa处理后, 可得到嫩化的牛肉制品。经高压 300MPa , 10 min 处理的鸡肉和鱼肉, 可得到类似于轻微烹饪的组织状态。经超高压处理后绵羊肌肉的感官特性发生变化, 随处理压力升高, 绵羊肌肉颜色变淡, 出现轻微的类似蒸煮的成熟风味。 在压力为 400MPa , 处理时间为 10 min 的条件下, 绵羊肌肉显微组织结构变化明显, 试验结果表明, 超高压处理促进了绵羊肉的嫩化。

4.2 在水产品加工中的应用

水产品的加工较为特殊, 要求具有水产品原有的风味、 色泽、良好的口感与质地。常用的热处理、干制处理均不能达到上述要求。试验研究表明, 超高压处理可保持水产品原有的新鲜风味。例如,在600MPa下处理 10 min 可使水产品中的酶完全失活,处理后的甲壳类水产品,外观呈红色,内部为白色, 并完全呈变性状态,细菌量明显减少,但仍能保持原有生鲜味。

4.3 在果汁与果酱加工中的应用

经超高压处理过的果汁、果酱颜色、风味、营养与未经加压处理的新鲜果汁、 果酱无明显差别。日本小川浩史等分别对柑橘类果汁(pH值2.5-3.7)进行100～600MPa、10 min 加压处理灭菌试验。结果表明,细菌、酵母菌和霉菌总数均随加压而减少, 酵母菌、霉菌和无芽孢细菌可以被完全杀死,但仍有棒杆菌属、 枯草杆菌等形成耐热性强的芽孢残留。如果加压至 600MPa , 再结合适当的低温加热, 则可以达到完全灭菌的效果。经超高压杀菌后果汁的风味、 化学组成均未改变。 在果酱生产中,采用高压杀菌不仅可使水果中的微生物致死, 而且还可简化生产工艺, 提高产品品质。以日本明治屋食品公司为例, 该公司采用高压杀菌技术生产果酱, 如番茄、草莓、猕猴桃和苹果酱,在室温条件下以400～600MPa的压力对上述软包装密封果酱处理10～30 min ,所得产品保持了新鲜水果的口味、颜色及风味。

4.4 在有效成分提取中的应用

超高压提取技术是一种全新的天然产物有效成分提取技术。 与传统提取法相比, 超高压提取具有以下优点: 提取时间短, 得率高; 能耗低; 超高压提取过程基本可以在室温条件下进行, 故不会因热效应损失而降低活性; 试验中发现超高压提取液中杂质含量明显低于水煮方法, 且提取液澄清度、稳定性也远远高于水煮。例如,用超高压提取人参皂苷, 提取溶剂为50%乙醇,提取压力为500MPa ,提取时2min ,人参皂苷得率高达7.76% ,较传统乙醇回流提取方法增长 25% 。用超高压提取山楂叶中黄酮类化合物的最佳工艺: 提取溶剂50%乙醇,提取压力400MPa ,提取温度600℃,提取时间3min 。

4.5 在酒类催陈中的应用

超高压处理对酒中高级醇类、有机酸类、酯类和醛酮类物质的含量均有影响。经超高压处理后干红枣酒中高级醇类含量随压力的升高而增高。经300MPa以下

超高压处理后,有机酸类含量增高,经500MPa以上超高压处理后有机酸类含量降低。酯类物质经500MPa以下超高压处理后含量降低,700MPa 超高压处理后含量增高。醛酮类物质经过超高压处理后含量减少。用超高压技术处理的新鲜干红葡萄酒折光率没有改变, 而酒的沸点、相对密度、氧化还原电位、电导率、总酸含量均有所变化。超高压处理对葡萄酒有催陈作用, 经20℃、300 MPa 条件下处理2 h ,酒的口感与风味最佳,压力高于500MPa将破坏葡萄酒的风味。超高压处理技术对山楂酒也有明显的催陈作用,将400MPa超高压处理的产品与对照样品比较, 酒体陈香明显加强, 口感柔和协调, 更加饱满 。

4.6 超高压技术在速冻食品中的应用

蔬菜、水果、豆腐、琼脂凝胶等水分含量多的食品在冻结时，会产生很大的冷冻损伤( 组织损伤),解冻后汁液流失严重，给产品风味带来不良影响,这是因为一般的冻结是在常压下进行的, 食品中的水分在冻结时体积膨胀,从而产生凝胶并组织破坏。利用超高压可以得到0℃以下的不结冰的低温水,加压到 200MPa,冷却到-18℃，水仍不结冰,把此种状态下不结冰的食品迅速解除压力，就可对食品实现速冻，所形成的冰晶体也很细微, 如速冻豆腐的组织十分良好, 这种冷冻方法可称为高压冷冻，这样速冻的食品可以显著改善其汁液的流失。高压冷冻处理后, 有的物料产生硬化现象,有的产生软化现象, 其冷冻耐性也不相同, 一般认为这主要是物料的含水量及成份不同所引起的。把胡萝卜在中性或碱溶液中煮熟，其表皮层中存在的果胶质产生(β - 脱离) 分解，且溶解在煮汁中，从而细胞间失去了结合力产生软化现象。但是，把胡萝卜在700MPa 下加压1h 再煮，果胶质就不会产生分解现象，观察不到细胞间的分离，即不软化，只是稍有一点变形。超高压处理时，果胶质的减少是微乎其微的，可是随着压力的上升，高酯化的果胶量减少，低酯化度果胶的量显著增加。草莓、菠萝等水果经高压冷冻后再加入冰淇淋，其外观、质地、口感也会大大改善。

5 超高压技术现状和展望

目前, 我国超高压技术存在以下若干问题:由于超高压杀菌是一个非常复杂的过程,如一些产芽孢的细菌要达到灭菌的效果有时要求很高的压力; 超高压技术一次性设备投资比较大, 多年来设备的密封、强度、寿命方面产业化难度较大;超高压只对生物高分子物质立体结构中非共价键结合产生影响,有时得不到某些热加工工艺所产生的新的香味, 如不能产生加热时由美拉德反应所产生的特有香味。目前我国相关的食品法规规定的是以热加工为基础的标准参数,从而制约了高压食品的推广;食品超高压设备的工作容器小, 批处理量小且大多属于间歇式加工; 食品工业深加工程度低。

解决超高压技术问题应从以下几个方面考虑: 由于超高压杀菌是一个非常复杂的过程, 针对特定的食品要选择特定的杀菌工艺,为了获得较好的杀菌效果,必须优化压力规格和加压时间、施压方式、处理温度、微生物种类、食物本身的组成和添加物、pH 值、水分活度等因素, 只有积累大量可靠的数据才能保证超高压食品的微生物安全,超高压杀菌技术才能实现商业化。 同时开展超高压杀菌压力的协同措施研究,以解决高压设备的一次性投资成本高的发展对策; 开发出耐高压而价格低廉的超高压容器;与国际接轨更新相关食品法;实现超高压设备的连续化生产,提高生产效率;开展高压对蛋白质、淀粉等高分子物质、溶胶、凝胶等胶体物质影响的研究, 测定高压与食品有关的特性常数等。用高压处理取代热处理尚需进一步研究与试验,以期获得法律认可的必要数据。

高压技术被人们称为当今世界十大类高科技之一,它无疑为食品加工和贮藏

业提供了一个美好的开发应用前景。发达国家十分重视高压食品的开发, 当然还有相当多的课题需进行系统研究。我国在食品加工方面也存在着许多希望以冷加工代替热加工的迫切需求,也许高压处理是目前用于食品加工的最好途径之一。抓住机遇,加快超高压技术的研究与应用,将有利于我国在国际食品市场竞争中取得优势地位。

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