超高压技术

超高压技术李璐201323104008一、超高压技术的介绍二、超高压技术的应用UHP在食品工业中的应用UHP对食品成分及品质的影响三、超高压食品的包装设计和加工设备四、超高压食品加工工艺五、超高压技术前景展望及开发重点六、超高压技术进展存在的问题一、超高压技术的介绍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。1、食品超高压技术的定义2、超高压技术的研究进展美国化学家BertHite使用超高压技术杀灭牛奶中的微生物以增长其保质期。1899年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，研究被迫中段1986年日本京都大学林力丸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。3、超高压技术作用机理3.1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，即可以将超高压技术用于食品速冻，形成很好的冰晶体结构。3.2对蛋白质的影响在超高压下，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，进入并粘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(简称为“变性”)。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漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤。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。3.3对微生物的作用二、超高压技术的应用超高压食品处理技术超高压生物处理技术超高压在石油化工、压力容器和木材的超强化处理技术中的应用包括病毒的灭活、中药的提取、疫苗的制取、血浆及血液的病原菌、病毒杀灭和处理可使石油化工管道、压力容器抗疲劳寿命大幅度提高，使木材密度、硬度增高，将普通木材改性为高强度、高质量的高档木材。超高压技术在食品中的应用超高压杀菌属于冷杀菌，主要作用方式是破坏氢键之类的弱结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶失活，还能使菌体内成分产生泄露和细胞膜破裂等多种菌体损伤。1、超高压杀菌（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。1.1超高压杀菌原理（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使酶失活的根本机制是：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。一般来讲压力超过300MPa对蛋白质的变性是不可逆的（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20～40MPa的压力能使较大细胞的细胞壁因受力机械断裂而松解，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。1.2.1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，灭菌时间延长并不一定能提高灭菌效果。（1）对于非芽孢菌，压力达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它协同杀菌作用；1.2影响超高压杀菌的主要因素1.2.2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一次为：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敏感。1.2.3.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，芽孢菌和金黄色葡萄球菌在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。1.2.4pH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。1.2.5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意义。1.2.6食品本身的组成和添加物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，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加剂，将提高加压杀菌的效果。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。2、食品的品质和风味改良与新产品开发根据高压能改变食品物料的某些物性的原理，进行葡萄柚汁的去苦、增加蛋白质食品的凝胶特性使肉类变得松软可口；高压还可以使食品中有害蛋白质、一些酶和毒素失活，保证食品安全性，食品营养价值不变。超高压可改变冰和脂类可塑性，利用熔点、冰点和沸点的变化，制造具有不同口感和感官特性的食品，如新型巧克力、冰淇淋等。2.1高压处理脱除热臭味高压处理大豆蛋白提取液，一定条件下（＜500MPa、＜10min）蛋白变性，蛋白液黏度增加，稳定性提高而乳化能力降低。增加压力并长时间加压(500MPa、30min)，蛋白液胶凝成豆腐，硬度大于常规生产方法生产的产品，且对豆腥味和皂体物的亲和性提高，从而降低腥味和苦味。2.2高压处理淀粉通过高压处理可以使淀粉变性，常温下加压到400～500MPa时，可以使淀粉溶液变成不透明粘稠的糊状物质，同时还可以提高淀粉中淀粉酶消化性。通过对大米的软化加工，使陈米的品质改良，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。2.3、高压处理胡萝卜热处理胡萝卜时，果胶在pH＞5时可发生反式同分异构现象，pH＜2时则会水解，而高压处理则不分解；热处理后的胡萝卜硬度低，而高压则不改变硬度；压力大于200MPa，可增加断裂应力，高压处理胡萝卜的总果胶量与加热3min相同，但随压力增加，高甲氧基果胶量减少，低甲氧基果胶量增加。2.4、高压处理大蒜和茶大蒜具有特殊气味和营养及杀菌功能，蒜泥在冷藏状态下一天就变绿，再过一段时间就会产生刺激性的臭味，不能食用。高压处理蒜泥，并在5℃下保存，开始时变成青绿色，香味减弱，但在冷藏中慢慢恢复，没有刺激性气味，原有的香味保留下来。故而对蒜泥高压处理效果较好，可防止变色。茶饮料加压处理时，香气成分虽稍有减少，但保持有香气组成的总体平衡，茶中特有的新鲜、清香被保存，高压处理是茶类饮品杀菌、保香的最适方法。2.5、高压处理肉的嫩化与常规加工方法相比，经高压处理后的肉制品在嫩度、风味、色泽等方面均得到改善，同时也增加了保藏性。例如，对廉价质粗的牛肉进行常温250MPa处理，结果得到嫩化的牛肉制品。300MPa，10min处理鸡肉和鱼肉，结果得到类似于轻微烹任的组织状态。高压嫩化机理1）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。2）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。2.6、制抗过敏奶粉高压可以选择性除去乳清中的过敏原物质，研究发现，在一定高压下，乳清中的球蛋白可被嗜热菌蛋白酶优先分解，从而有选择地除去β-乳球蛋白，制备脱敏原乳清。包括β-乳球蛋白、α-乳白蛋白及酪蛋白中的γ-酪蛋白3、超高压速冻和不冻冷藏食品（如蔬菜、水果、豆腐）常压冷冻储藏时由于食品中水分在冻结时体积膨胀，造成组织细胞破损，解冻后食品中汁液流失，食品的冷冻损伤严重，给产品的风味带来很大的影响。高压冻结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，迅速加压以缩短高压维持的时间，并适于设备的连续使用。3.1.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，如高压冻结牛肉猪肉的冻结时间比常压冷冻缩短约41-45%，黄瓜和桃缩短50%。此外，加压冷冻可减少冷冻过程中食品的干耗量50%以上。3.2.压力移动冻结根据水在200MPa压力下其冻结点下降到-20℃以下的原理，把高水分食品物料加压到200MPa，同时冷却到-20℃，此温度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，使物料迅速、均匀的冻结。3.3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，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。3.4.低温高压下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。在0-209.9MPa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。4、在水产品中的应用•水产品的加工较为待殊，产品要求具有水产品原有的风味、色泽、良好的口感与质地。常规的加热处理、干制处理均不能满足要求。研究表明，高压处理可保持水产品原有的新鲜风味。例如在600MPa下处理10min，可使水产品中的酶完全失活，对甲壳类水产品，其外观呈红色，内部为白色，并完全呈变性状态，细菌量大大减少，却仍保持原