超高压对食品的影响
超高压食品保藏2010-5-18 来源： 安盛联合国际贸易有限公司 一、超高压保藏技术的概念
食品超高压技术是指将软包装或散装的食品放入密封的、高强度的施加压力容器中，以水和矿物油作为传递压力的介质，施加高静压(100~1000 MPa) ，在常温或较低温度(低于100℃) 下维持一定时间后，达到杀菌、物料改性、产生新的组织结构、改变食品的品质和改变食品的某些物理化学反应速度的一种加工方法
二、超高压保藏技术的原理
1. 超高压保藏技术的基本原理
液体(水) 在超高压作用下被压缩，而受压食品介质中的蛋白质、淀粉、酶等产生压力变性而被压缩，生物物质的高分子立体结构中非共价键结合部分(氢键、离子键和疏水键等相互作用) ，即物质结构发生变化，其结果是食品中的蛋白质呈凝固状变性、淀粉呈胶凝状糊化、酶失活、微生物死亡，或使之产生一些新物料改性和改变物料某些理化反应速度，故可长期保存而不变质
2. 超高压杀菌的原理
(1)改变细胞形态
极高的流体静压会影响细胞的形态，包括细胞外形变长，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变厚。上述现象在一定压力下是可逆的，但当压力超过某一点时，便不可逆地使细胞的形态发生变化
(2)影响细胞生物化学反应
按照化学反应的基本原理，加压有利于促进反应朝向减小体积的方向进行，推迟了增大体积的化学反应，由于许多生物化学反应都会产生体积上的改变，所以加压将对生物化学过程产生影响
(3)影响细胞内酶活力
高压还会引起主要酶系的失活，一般来讲压力超过300MPa 对蛋白质的变性将是不可逆的，酶的高压失活的根本机制是：①改变分子内部结构；②活性部位上构象发生变化 通过影响微生物体内的酶，进而会对微生物基因机制产生影响，主要表现在由酶参与的DNA 复制和转录步骤会因压力过高而中断
(4)高压对细胞膜的影响
在高压下，细胞膜磷脂分子的横切面减小，细胞膜双层结构的体积随之降低，细胞膜的通透性将被改变
(5)高压对细胞壁的影响
20~40 MPa 的压力能使较大细胞的细胞壁因受应力机械断裂而松解，200MPa 的压力下细胞壁遭到破坏。真核微生物一般比原核微生物对压力较为敏感
三、超高压技术处理食品的特点
1. 营养成分受影响小
超高压处理的范围只对生物高分子物质立体结构中非共价键结合产生影响，因此对食品中维生素等营养成分和风味物质没有任何影响，最大限度地保持了其原有的营养成分，并容易被人体消化吸收
2. 产生新的组织结构，不会产生异味
超高压处理可改变食品物质性质，改善食品高分子物质的构象，获得新型物性的食品 超高压会消除传统的热加工引起共价键的形成或破坏所致的变色、发黄及加热过程出现的不愉快异味，如热臭等弊端
3. 利用超高压处理技术，原料的利用率高
超高压处理过程是一个纯物理过程，瞬间压缩，作用均匀，操作安全卫生，无工业“三
废”，耗能低，有利于生态环境的保护和可持续发展战略的推进
4. 超高压食品加工技术适用范围广，具有很好的开发推广前景
应用于：
各种食品的杀菌 植物蛋白的组织化
淀粉的糊化 肉类品质的改善
动物蛋白的变性处理 乳产品的加工处理
食品高压速冻 酒类的催陈„„
四、影响超高压杀菌的主要因素
1. 压力大小和受压时间
在一定范围内，压力越高，灭菌效果越好。在相同压力下，灭菌时间延长，灭菌效果也有一定程度的提高
2. 施压方式
超高压灭菌方式有连续式、半连续式、间歇式。研究报道，同持续静压处理相比，阶段性压力变化处理杀菌效果较好
对于易受芽孢菌污染的食物用超高压多次重复短时处理，杀灭芽孢效果好
3. 微生物的种类
不同生长期的微生物对高压的反应不同
处于指数生长期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力反应更敏感
革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对压力更具抗性
孢子对压力的抵抗力则更强
革兰氏阳性菌中的芽孢杆菌属(Bacillus)和梭状芽孢杆菌属(Clostridum)的芽孢最为耐压
芽孢壳的结构极其致密，使得芽孢类细菌具备了抵抗高压的能力，杀灭芽孢需更高的压力并结合其它处理方式
4. 温度
由于微生物对温度有敏感性，在低温或高温下，高压对微生物的影响加剧，因此，在低温或高温下对食品进行高压处理具有较常温下处理更好的杀菌效果
大多数微生物在低温下耐压程度降低的原因：
① 压力使得低温下细胞因冰晶析出而破裂程度加剧
② 蛋白质在低温下高压敏感性提高，致使此条件下蛋白质更易变性，菌体细胞膜的结构也更易损伤
低温下高压处理对保持食品品质，尤其是减少热敏性成分的破坏较为有利 在不同温度—压力组合下酵母菌死亡速率的等高线
研究发现，除芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多数的微生物在 -20℃以下的高压杀菌效果较20℃时好， 适当提高温度对高压杀菌有促进作用
针对芽孢菌的高耐压性，就现阶段研究来看，结合温度处理则是一种十分有效的杀菌手段
5.pH
pH 是影响微生物在受压条件下生长的主要因素之一
在受压条件下，培养基的pH 有可能发生变化，细菌的最适pH 范围也变得较为狭窄 酸性条件下微生物的耐压性较差
对酵母菌类而言，采用超高压处理时pH 值并不是重要的因素
6. 水分活度(Aw)
水分活度(Aw)对灭菌效果影响也很大。低Aw 产生细胞收缩和对生长的抑制作用，从而使更多的细胞在压力中存活下来
控制Aw 无疑对高压杀菌，尤其是固态和半固态食品的保藏加工有重要意义
7. 食品本身的组成和添加物
营养丰富环境中微生物的耐压性较强，蛋白质、碳水化合物、脂类和盐分对微生物具有缓冲保护作用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我修复功能
食品基质含有的添加剂组分对超高压灭菌影响很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加剂，将提高加压杀菌的效果
五、超高压对微生物的影响
1. 微生物超高压杀菌动力学曲线的形状
大多数微生物在超静压杀菌时的死亡规律仍遵循一级反应动力学，杀菌曲线在半对数坐标中大部分呈直线
超高压杀菌曲线的开始阶段均呈“肩形”，即表明杀菌在开始的阶段有一定的滞后 在杀菌曲线的结束阶段(微生物数＜1000cfu/g时) 又常有些“拖尾”
细菌营养体和芽孢的超高压杀菌还经常出现杀菌速率不同的两个阶段
研究发现在升压到指定值的短短几分钟内，微生物的灭活已经从恒速阶段转为降速阶段
2. 微生物的耐压性
一般来讲，革兰氏阳性菌营养体压力抵抗能力强于革兰氏阴性菌营养体
在非芽孢的革兰氏阳性致病菌中，研究最多的对象菌是金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus) 和单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)
从耐压性和食品安全性方面考虑，大肠杆菌O157：H7和沙门菌成为食品超高静压杀菌技术研究中必须关注的焦点之一
肉毒梭状芽孢杆菌(C. botulinum)的芽孢是目前已知的最为耐压的微生物之一
(1)非芽孢细菌的耐压性
细菌的耐压性与处理时的温度有关，为超高静压与适当高温相结合的处理工艺提供了依据
耐热的细菌通常都比热敏性的细菌耐压
基于细菌菌种之间的差异以及悬浮分散介质的不同，细菌对压力的耐受能力也会各有不同
细菌耐压性的差异不仅在于种属的不同，而且还与来源有关，同一种属的菌株之间也可能有较大差异
革兰氏阳性菌超高压杀菌的指示菌：
非致病性的无害李斯特菌代替食源性致病菌单核细胞增生李斯特菌
革兰氏阴性菌超高压杀菌的指示菌：
大肠杆菌科(Enterobacteriaceae)
(2)细菌芽孢的耐压性
一般认为，对于低酸性食品，压力应超过800MPa ，否则超高压处理必须与热处理结合才能有效地杀灭细菌芽孢
芽孢的耐压性和耐热性之间没有任何确定的关系
对芽孢的灭菌可以采用两次超高静压处理法，第一次采用较低的压力处理促使芽孢发芽或者活化芽孢，第二次处理以较高的压力使得营养体细胞和发芽的芽孢失活
细菌的芽孢不仅极为耐压，而且其耐压性的水平差异很大。这种差异与形成芽孢的条件和压力处理的条件有关
细菌芽孢超高压杀菌的指示菌：生芽孢梭状芽孢杆菌 PA 3679(Clostridium sporogenes PA 3679)或枯草芽孢杆菌
(3)酵母和霉菌的耐压性
霉菌的所有营养体细胞只需在相对低温和低压下处理几分钟后就可灭活；而子囊孢子则需要更高的压力
霉菌超高压杀菌对象菌：曲霉类菌株(如黑曲霉)
(4)病毒的耐压性
为杀灭有害细菌而选择的压力条件(如400MPa) 基本上能满足灭活大多数人类病毒的要求
病毒超高压杀菌指示菌：噬菌体(如大肠杆菌噬菌体)
(5)寄生虫的耐压性
寄生虫的耐压性比细菌差
食源性寄生虫超高压指示菌：非致病菌
六、超高压对食品成分与品质的影响
1. 超高压对食品基本成分的影响
(1)超高压对蛋白质的影响
压力导致：①盐键及至少部分疏水键的破坏
② 氢键在某种程度上得到加强
③共价键的可压缩性较小，对压力的 变化不敏感
对四级结构的影响：
适当的压力(＜150 MPa)能促进低聚蛋白质结构的解离，接着可能就是亚单位的聚合或沉淀(＞150~200MPa)
对三级结构的影响：
在200 MPa以上的压力作用下发生显著的变化?
对二级结构的影响：
在很高压力下(＞700 MPa)发生变化，导致非可逆变性
超高压(＜700 MPa)对蛋白质一级结构无影响，有利于二级结构的稳定，但会破坏其三级结构和四级结构
超高压迫使蛋白质的原始结构伸展，分子从有序而紧密的构造转变为无序而松散的构造，或发生变形，活性中心受到破坏，失去生物活性
高压破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集，形成凝胶
蛋白质经过超高压处理，不论在色泽、光泽、风味、透明度上都取得了良好特性，同时在硬度、弹性上也具有很好的特性
超高压可用于蛋白质的化学修饰以产生新的功能
利用压力对蛋白质的影响作用可应用于食品加工处理和保藏的范围：
①通过解链和聚合(低温凝胶化、肌肉蛋白质在低盐或无盐时形成凝胶、乳化食品中流变性变化) 对质地和结构的重组
②通过解链、离解或蛋白质水解提高肉的嫩度
③通过解链(即蛋白质酶抑制剂、漂烫蔬菜) 钝化毒物和酶
④通过解链增加蛋白质食品对蛋白酶的敏感度，提高可消化性和降低过敏性
⑤通过解链增加蛋白质结合特种配基的能力，增加分子表面疏水特性，能够结合风味物质、色素、维生素、无机化合物和盐等
(2)超高压对食品中酶的影响
酶受到高压作用后，维持其空间结构的盐键、氢键、疏水键等遭到破坏，从而使肽键分子伸展成不规则的线形多肽，使其活性部位不复存在，导致了酶的失活
在100~200 MPa的压力下酶的失活是可逆的，压力达到350 MPa以上时，会使酶产生永久性的不可逆失活
超高压对酶的作用效果可分为两方面：一方面较低的压力能激活一些酶；另一方面非常高的压力可导致酶失活
利用高压处理可使果蔬中一些酶被激活或失活，对于食品的色泽、香味及品质都有很大的提高
每种酶都存在最低失活压力，低于这个压力酶就不会失活，当超过这个压力时(在特定时间内) 酶的失活速度会加速，直到完全失活
对于一些酶又存在一个最高压力，高于此压力并不会导致酶的额外失活 在相等的处理时间下，应用循环脉冲压力处理可以改善酶的失活
(3)超高压对淀粉的影响
在常温下把淀粉加压到400~600MPa，并保持一定的作用时间后，淀粉颗粒将会：①溶胀分裂； ②晶体结构遭到某种程度的破坏；③内部有序态分子间的氢键断裂，分散成无序的状态，即淀粉糊化为α-淀粉
高压处理可提高淀粉对淀粉酶的敏感性，从而提高淀粉的消化率
超高压可以提高各种淀粉的胶凝温度
与热处理相比，超高压对淀粉的作用特点为：
高压使淀粉粒膨胀却不破裂；
超高压所致完全糊化的淀粉无老化现象，而超高压所致的未完全糊化的淀粉有老化现象；
低于700 MPa的压力时淀粉不会产生类似热加工的变色
? 超高压可改善陈米的品质：
陈米在20℃吸水润湿后在50～300MPa 处理10min ，再按常规煮制成饭，其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范围，同时光泽和香气也得到改良。还可缩短煮制时间
(4)超高压对脂类的影响
高压对脂类的影响是可逆的
室温下，呈液态的脂肪在高压下(100~200 MPa) 基本可固化，发生相变结晶，促使更稠、更稳定的脂类晶体形成；不过解压后仍会复原，只是对油脂的氧化有一定的影响
(5)超高压对维生素的影响
一般情况下，还原型维生素C 含量经高压处理后出现了下降和上升两种情况 Fe3+对于维生素C 的降解起着重要作用，在高压下会更加明显
Cu2+的存在，在高压下会激活铜酶，铜酶是维生素C 降解的重要酶类之一 在高压作用下，氧化型维生素C 可能会转变成还原型维生素C
总体来看，无论上升还是下降，其幅度都很小，可以认为高压处理对维生素C 的影响很小
(6)高压对风味物质、色素等的影响
食品中的风味物质、维生素、色素及各种小分子物质结合状态为共价键的形式，故而高压处理过程对其几乎没有任何影响
食品的黏度、均匀性及结构等特性对高压较为敏感，但这些变化往往是有益的
2. 超高压对具体食品品质的影响
(1)果蔬原料
高压处理后，果蔬风味、色泽与营养均保持较好
脐橙、葡萄柚榨汁后其果汁经高压处理能有效地抑制苦味的产生
对加热后会失去特有色泽、芳香或产生褐变的果汁最好也采用高压杀菌技术 超高压可对胡萝卜和大蒜品质进行保持和改善
(2)动物性原料
①高压处理用于肉的品质改善
肉类等经高压处理能杀灭肉类细菌，不损坏维生素等营养成分及原风味，改善肉组织
高压嫩化机理
机械力作用使肌肉肌纤维内肌动蛋白和肌球蛋白的结合解离，肌纤维蛋白崩解和解离成小片段，造成肌肉剪切力下降
压力处理使肌肉中内源蛋白酶——钙激活酶的活性增加，加速肌肉蛋白水解，加快肌肉成熟所致
②改善鱼制品品质
采用超高压技术生产鱼糕，在杀菌后其口感、风味都比较理想
(3)淀粉质原料的品质改良
通过高压处理，可使陈米的品质改良 。还可缩短煮制时间
(4)控制食品中酶反应和灭酶
高压除了使酶失活外，还可以使某些在常压下受到抑制的酶激活，提高一些酶的活性 高压也可以加快某些在常压下反应缓慢甚至不进行的反应，现在较为成功的是果汁和生酒在保藏期控制因酶而发生的混浊和品质恶化
在不同高压条件下过氧化物酶的活力变化：
压力在350MPa 以下的范围内，随着压力的提高，酶活性逐渐下降，到350MPa 时酶活力最低，但压力高于350MPa 时，酶活力又有所回升
七、超高压保藏技术
1. 食品超高压的杀菌工艺
(1)一般的超高压杀菌工艺
固态食品：将固态食品装在耐压、无毒、柔韧并能传递压力的软包装内，并进行真空密封包装，然后置于超高压容器中进行加压处理
超高压固态食品的关键处理工艺是：升压→保压→卸压
这种方式通常为不连续式
液态食品：果汁、奶和饮料等液态食品，可以直接以加工物料取代水等传压介质(压媒) 实现进料卸料的连续化生产，但是必须附带设备预杀菌工艺
液态食品超高压处理的核心工艺：升压→动态保压→卸压
液态超高压食品的保压阶段极短
实验室小规模高压处理一般可将果汁(果酱) 脱气、密封包装后放于高压缸内，用油作介质进行实验
(2)分段循环间歇式超高压处理工艺
在低酸性食物中使用这种工艺可取得很好的杀菌效果
对于易受芽孢菌污染的食物，采用超高压多次重复短时处理，芽孢死灭效果明显
(3)脉冲超高压处理工艺
脉冲超高压或者震动超高压处理比相当的间歇式处理或者等时的连续式压力处理更为有效
压力脉冲的形式对于杀菌效果十分关键
(4)超高压处理与其他杀菌技术的结合
超高压处理可以和其他杀菌方式诸如热杀菌、辐射、超声波、抑菌剂等联合使用而取得好的协同效果
(5)超高压杀菌工艺的关键控制因素
①影响加工工艺的关键因素
关键因素有微生物类型、菌龄、食品组分、pH 和水分活度、温度、压力大小等 ②超高压处理效果的指示菌
2. 高压速冻和不冻冷藏
利用高压冰点下降和压力瞬间传递的原理完成食品物料的快速冷冻
高压冻结时一般先将欲冻结的食品加压，达到一定的压力后再降温
实际处理过程中也可先将传压介质降低到所需的低温，然后放入欲冻结的食品，迅速加压
(1)高压空气冻结
在自然对流条件下，用高压空气冷冻食品可有效地提高冻结速度，缩短冷冻时间 加压冷冻可减少冷冻过程中食品的干耗量50%以上
(2)压力移动冻结
把高水分食品物料加压到200 MPa ，同时冷却到-20℃，高水分食品物料中的水分在此温度下未发生冻结
后迅速消除压力降至常压，此时0℃成为冰点，而物料的温度远在冻结点温度以下，-20℃的水呈极不稳定的过冷状态，进而水分瞬间在物料原来位置发生相态变化，产生大量极细微冰晶体且均匀分布于冻品组织中
(3)高压解冻
通过高压使冻结食品中的冰结晶融化，然后再提高融化的食品温度(即提供适当的融化潜热) ，使食品的温度达到常压时的冻结点之上，可以在短时间内实现均一的快速解冻，从而避免常压外部升温解冻时间长和受热不均匀而造成的营养损失和品质变劣的缺点 从解冻条件上看，只有压力达到不冻结区域的压力、温度条件才能达到解冻的目的 高压条件下，冻藏食品的温度会下降
当压力达到恒定时，冻藏食品与传压介质之间的温度差以及此时食品的传热特性决定了解冻速率的快慢
压力升高会使冻藏食品与传压介质之间的温度差增大，从而使解冻的速率加快
(4)低温高压下的不冻结储藏
利用低温高压下水的冻结点下降，可以将高压技术用于食品或生物制品的不冻结储藏
低温高压下的不冻结储藏需要控制好压力和温度，使处在不冻结区域内。对储藏温度而言，在0~209.9 MPa范围内，储藏的温度愈低，所对应的压力就愈高
不冻结储藏过程中食品始终是处在压力容器中，降温前首先将欲储藏的食品加压，然后在保持压力的情况下对食品进行冷却，直至所需的储藏温度
储藏结束时必须是先升温，然后再降压
八、超高压食品的包装设计
高压下只能用软材料包装
在高压处理技术中，对包装材料不要求其具有耐热性，但其气密性一定要好 对包装材料的要求：
(1)能够传递压力
(2)在高压下不被破坏
(3)能防止高压介质的渗入
文章链接：中国化工仪器网 http://www.chem17.com/Tech_news/Detail/61194.html