超高压杀菌

meet第二节超高压杀菌目录背景介绍超高压杀菌原理蛋白质的高压变性高压对微生物的影响高压对酶的影响高压处理影响因素高压对食品的影响对流变性影响对天然风味影响对蛋白质影响酶控制调节对淀粉影响对脂类影响胶体和凝胶高压杀菌设备介绍超高压食品加工装置的结构特点超高压食品加工装置的分类超高压食品加工处理装置超高压杀菌介绍超高压灭菌技术（ultra—highpressureprocessing）简称UHP，又称超高压技术，高静压技术，或高压食品加工技术。定义：食品超高压技术是将包装或无包装的固态或液态食品置于100~1000MPa的高压和一定的温度下处理一段时间，引起食品成分非共价键（氢键、离子键和疏水键等）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，并杀死食品中的细菌等微生物，从而达到食品灭菌、保藏和加工的目的。通常情况液体或气体压力在0.1mpa～1.6mpa称为低压，1.6mpa～10mpa称为中压，10～100MPa称为高压，100MPa以上称为超高压。超高压杀菌是一个物理过程，在食品加工过程中主要是利用LeChace－lier原理和帕斯卡原理。研究进展1899年美国化学家BertHite使用超高压技术杀灭牛奶中的微生物以增长其保质期。1914年美国物理学家P.W.Briagman提出了在静水压下蛋白质变性、凝固的报告。由于当时高压装置制造技术和加工中食品的包装材料尚未成熟，研究被迫中断。1986年日本京都大学林立丸教授率先开展高压食品研究。1990年日本首次将超高压产品果酱投放市场，其独到的风味立即引起了发达国家政府、科研机构及企业界的高度重视。1992年在法国召开高压食品的专题研讨会。1993年法国、英国政府也开始资助高压食品加工的研究，推出高压杀菌鹅肝小面饼、橘子汁、切片火腿、牡蛎等。我国也开展了食品高压技术的研究，并取得不少的成果。中国兵器工业集团公司五二研究所利用超高压技术研制成功了高压西瓜、果肉汁、高压菜花等果蔬新产品，使产品在常温下的包装有效期达6个月以上。二、超高压杀菌的原理高压处理食品是先将食品原料充填到塑料等柔软的容器中，密封后再投入到有数百兆帕静水压的高压装置中加压处理。食品领域利用高压处理和加工主要是基于食品的主成分水的压缩效果，即高压对液体的压缩作用，导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化。1.对水的作用高压下水的冰点会发生一些改变，200MPa压力水的冰点为-20℃左右。通过这种原理，即可以将超高技术用于食品速冻，形成很好的冰晶体结构。2、对蛋白质的影响蛋白质一般具有四级结构。一级结构是由多肽链中的氨基酸顺序决定。二级结构是由肽链内和肽链间的氢键维持，一般高压有利于这一结构的稳定。三级结构是由于二级结构间相互作用而包接在一起形成球形，高压对三级结构有较大影响。一些三级结构的球状蛋白体结合在一起形成四级结构，这一结构靠非共价键间的相互作用来维持，对压力非常敏感。在超高压下，食品中的小分子（如水分子）之间的距离要缩小而蛋白质等大分子组成的物质还仍保持球状，这时，水分子等小分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基团内的氨基酸周围，使蛋白质等的食品中生物大分子链在加工压力下，由超高压降为常压后被拉长，而导致其全部或部分立体结构被破坏，这样便改变了蛋白质的性质。3、对微生物的影响食品中的微生物是食品加工过程中主要考虑对象之一，也是衡量食品贮藏期的关键指标。大量实验证明，高压具有良好的灭菌效果，高压导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜的结构和功能发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆转的变化。大多数细菌能够在20~30MPa下生长，能够在高于40~50MPa压力下生长的微生物称为耐压微生物。超高压产生的极高的静压不仅会影响细胞的形态，还能破坏氢键之类弱结合键，使基本生物活性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活，使菌体内成分产生泄露和细胞膜破裂等多种菌体损伤。其属于冷杀菌。其中细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质，其结构靠氢键和疏水键来保持。在压力作用下，蛋白质在细胞膜内发生变性，抑制了细胞生长所必需的氨基酸。高压增加了细胞膜的通透性，使细胞成分流出，破坏了细胞的功能。4、对酶的影响UHP对酶活性的影响主要是通过酶与底物的构象和性质而起作用，对酶促反应可产生两种结果：抑制：UHP对维持酶蛋白质空间结构的次级键（盐键，氢键，疏水键等）的破坏，导致酶活中心改变或丧失，从而失活。促进：在较低压力下酶活性的上升被认为是压力产生的凝聚作用，完整的组织中酶与底物常常被隔离，而较高的压力可破坏这种隔离，使酶与底物相接触，加速酶促反应。5、高压处理影响因素•压力的大小和受压时间在一定的范围内，压力越高，灭菌效果越好。在相同压力下，灭菌时间延长并不一定能提高灭菌效果。①对于非芽孢菌，压力达到300~600MPa就可以全部致死。②对于芽孢菌，并非压力越高越好，杀灭的有效途径是促使孢子发芽（300MPa以下），然后配合高温杀菌或其他协同杀菌作用。•杀菌效果种间差异不同微生物的耐压性有差别，一般来说，各种微生物的耐压性强弱依次为：革兰氏阳性菌＞革兰氏阴性菌＞真菌。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为敏感。•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处理更好的杀菌效果。研究发现，芽孢菌与金黄色葡萄球菌在100-400MPa下，其-20℃的高压杀菌效果较20℃时好。大多数微生物在低温下耐压程度下降的原因：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。•pH在压力作用下,pH对微生物生长的影响表现在：①压力会改变介质的pH值，且逐渐缩小微生物生长的pH范围；②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，缩短高压杀菌时间或降低所需压力。•食品成分营养丰富的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，如添加脂肪酸脂、蔗糖酯或乙醇等添加剂，将提高加压杀菌的效果。•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，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的意义。生产果酱中，采用高压杀菌，不仅使果酱中的微生物致死，还可简化生产工艺，提高产品品质。这方面最成功的例子是日本明治屋食品公司，该公司采用高压杀菌技术生产果酱，如草莓、猕猴桃和苹果酱。他们采用在室温下以400-600MPa的压力对软包装密封果酱处理10-30min，所得产品保持了新鲜水果的口味、颜色和风味。三、高压对食品的影响1.对流变性影响高压能够以高温相似的方法在食品工业中得到应用，并有很多优点。压力所引起之变性乃由于疏水键和离子键的破坏，蛋白质的伸展不盘结所致。热引起之变性乃由于共价键形成或破坏，而此改变可能为香气改变之原因。②对天然风味的影响利用压力处理柑橘果汁可以产生接近新鲜果汁香味、Vc保存及品质保存17个月以上不变质。果汁pH低，经过高压处理后可以使耐压细菌芽孢被抑制，使得它们最适合以高压杀菌处理达到爆仓的目的。此基于耐压性的细菌孢子生长受到抑制所致。③对蛋白质影响超高压（〈700MPa)对蛋白质一级结构无影响，有利于二级结构的稳定，但也会破坏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，或发生变性，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。UHP对生成蛋白质凝胶的影响蛋白质加热变性时，在高温条件下，蛋白质分子混乱形成团状结构，造成凝胶网状结构不致密，不均匀，还可能使网络结构受到破坏，形成大的空洞，从而形成粗糙的网络结构，进而影响其凝胶强度。UHP条件产生的凝胶强度比热凝胶要高，并且浓稠，柔滑，致密精细，弹性好，且能保持天然的色泽及香味。但蛋白质溶液需达到一定的质量分数才能形成凝胶，且随温度、压力增高而增高。4.酶控制调节压力与热同样的皆为影响酶反应速率的因子，高压能使酶失去活性，有助于生鲜食品的保藏。以嗜热菌蛋白酶作用不同的蛋白质为例，于2000MPa时酪蛋白和大豆蛋白不受压力作用所影响，无论于常压和高压状态下均可强烈分解，而四聚体蛋白之乙醇脱氢酶；血红蛋白；乳球蛋白只有在压力作用下分解，球蛋白因具有许多双硫键，故不易受压力作用而分解。5.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：a)溶胀分裂；b)晶体结构遭到某种程度的破坏；c)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。与热处理相比，超高压对淀粉的作用特点为：a)高压使淀粉粒膨胀却不破裂；b)超高压所致完全糊化的淀粉无老化现象，而热处理所致的未完全糊化的淀粉有老化现象；c)高压处理可提高淀粉对淀粉酶的敏感性及凝胶温度，从而提高淀粉的消化率；d)低于700MPa的压力时，淀粉不会产生类似热加工的变色。6.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（100-200MPa)基本可以固化，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。Aw在0.40-0.55范围时，UHP使油脂氧化速度加快。金属离子可能有促进作用，温度也会有一定的影响。7.胶体和凝胶胶体及凝胶一般由蛋白质或多糖形成，因此高压对胶体及凝胶亦具有较大影响。Okamota等报道，在高压状态下，鸡蛋的蛋白可形成一个强度较高但柔软的蛋白胶体。迄今为止，还罕见关于高压下胶体分子间的相互作用的报道。8.对维生素的影响对果蔬原料在预定的压力时间条件下处理后发现，还原型维生素C含量与其中所含的Fe3+和Cu2+有关：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。此外，在高压作用下，氧化型维生素C可能会转变为还原性维生素C；总体来说，高压处理对维生素C的影响很小。研究表明，在一般的加热处理或热力杀菌后，食品中维生素C的保留率不到40%，即使挤压过程也只是有大约70%的维生素C被保留，而超高压食品加工是在常温或较低温度下进行的，它对维生素C的保留率高达96%以上，从而将营养成分的损失程度降到了最低。9.对感官的影响经高压处理后果汁果酱的风味与营养物质均保持较好。10.对化学反应的影响高压使化学反应向体积减小的方向移动，改变某些生化反应的速度和平衡，使系统一些组分发生量变以致质变，从而影响食品的品质。四、高压杀菌设备简介超高压装置的主要部分是超高压容器和加压装置（高压泵和增压器等),其次是一些辅助设施，包括加热或冷却系统、监测和控制系统及物料的输入输出装置等。1.超高压食品加工装置的结构特点和要求超高压处理设备应能产生并承受要求的超高压（100-1000MPa），保证安全性，有较长的使用寿命，循环载荷次数多；设备的卫生条件要求较高，和食品接触的部分应用不锈钢，传压介质最好采用水；设备有一定的处理能力，生产附加时间短，效率高；设备应价格便宜，操作费用低。高压容器的强度由于压力过高以致简体应力超过了材料的许用应力，因此单靠材料本身是无法满足强度要求的。在结构上，采用多层结构，多层结构的形式主要有三种。a.多层壁（热套）结构b.环带式结构c.缠绕式结构高压容器密封性超高压容器的密封性结构是整个超高压食品加工设备的一个重要组成部分，食品