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超高压技术在食品中的应用及发展前景摘要：超高压技术作为一种新兴的食品处理技术，具有广阔的应用前景。本文系统介绍了超高压食品处理技术的发展，杀菌机理，超高压技术杀菌的影响因素，以及超高压技术在食品中的应用等，具体在冷冻食品、食品保藏、肉制品以及果蔬制品中的应用，并对其应用前景进行了展望。关键词：超高压技术；食品；应用；前景随着生活水平的提高，人们对食品的质量及安全性越来越重视并显示出“回归自然”的趋向，越来越多的消费者希望食品中不含有毒的微生物，具有更长的货架期和新鲜的口味，而且防腐剂和其他化学添加剂尽可能少。从传统意义上说，这些要求可以可以通过加热来满足，但是，在追求加热的主要作用的同时，常常产生出不需要的副作用，如破坏维生素等重要营养成分、产生异臭物、色素变化等[1]。为了获得更高质量、最少加工、无化学防腐剂的食品，食品超高压技术正日益引起人们的关注，成为近年研究的热点。1超高压技术的概念、发展历史1.1超高压技术的概念一般所说的超高压（简称高压），指的是超过100兆帕（约为987个大气压）以上的压力。所谓超高压技术（简称高压技术），是指应用超高压（100Mpa~1000Mpa）作用于待处理物质使之发生改变的过程。超高压处理，是指利用压媒（通常是液体介质，例如水）使食品在极高的压力（例如(100～1000)MPa）下产生酶失活、蛋白质变性淀粉糊化和微生物灭活等物理化学及生物效应，从而达到灭菌和改性的物理过程。通常，将用超高压处理的食品称为超高压食品。1.2超高压技术发展历史随着人们对超高压技术了解的深入，超高压技术在食品工业中的应用也越来越广泛。1899年，美国化学家Bert、Hite就证明了牛奶、果蔬和其他食品、饮料中的微生物对压力敏感，并证明高压处理能延长食品的货架期；物理学家Bridgmen从1906年开始对物质的宏观物理行为的高压效应进行了系统的研究；20世纪50年代，Johnson发现麻醉后的蝌蚪经大约10MPa的压力处理后可以复苏[2,3]。超高压技术作为能确保高质量食品生产的非热保藏技术已被关注、研究了很多年。但由于超高压技术上的难题，这一研究成果并没有被实际应用。直到1986年，日本京都大学林立九教授提出超高压技术在食品工业上应用，并使其成为一种可行的商业加工手段，于1990年开发了世界第一高压食品———果酱[4]；除日本外，美国、巴西、韩国和欧洲的许多国家都先后对高压食品加工原理、方法和技术细节及应用前景进行了广泛深入的研究，并已开始向市场提供高压食品；在欧洲，法国是第一个将高压食品商业化的国家，开发了水果和熟食等高压产品。我国许多学者也注意到国外超高压技术的发展趋势并开展了食品高压技术的研究，已取得不少的成果。1.3超高压技术应用现状目前，日本在超高压食品加工方面仍居于国际领先地位，已拥有大量的食品超高处理实验装置和生产设备，果酱、果汁、鱼糜制品等超高压食品已进入超市，并且有了食品超高压加工、杀菌、保鲜的专利技术。日本超高压技术在食品加工上的成功应用，很快引起了德、美、英、法等欧美国家及南朝鲜的高度重视。它们先后投入巨资对高压食品的加工原理、方法、技术细节及应用前景开展了广泛而深入的研究。美国已将超高压技术列为21世纪食品加工、包装的主要研究项目，并已有小规模工业化生产。目前，国外超高压技术已在果酱（草莓酱、猕猴桃酱、苹果酱等）、果汁（橘子汁等）、含果肉的果冻、豆浆、乳蛋白制品、鱼糜鱼糕、鱼肉制品、牛肉制品、甲壳类水产品等开展过系列研究，并取得了产业化效果。如今，日本、美国等一些发达国家在高压加工装置(通用型和专用型的设备)的定型化、标准化、实现批量生产等方面取得了一些新成就，如美国的Wenger公司、日本的明治屋食品公司等都拥有各自的特色产品。中国超高压技术在农产品加工中应用还处于起步阶段，国内对食品超高压技术研究较有影响的科研单位寥寥可数。国内最早应用超高压技术进行食品加工研究的是叶怀义等（1995）和励建荣等（1996），前者就超高压对微生物、酶的灭活机理，果肉饮料和果酱的加工工艺以及对小麦、玉米、绿豆、藕、木薯、甘薯、土豆等淀粉的糊化特性影响进行了详细研究，后者则对橙子、草莓、西瓜、黄瓜、猪肉、牛肉、草鱼、河虾、鸡蛋等超高压处理后灭菌效果、营养品质、风味以及（超）高压催陈黄酒的一系列研究，取得了预期实验效果，获得了超高压保鲜果汁和超高压催陈酒类技术。总体来说，中国超高压技术和超高压装置研制与国外相比存在较大差距。超高压技术在农产品加工中应用还缺乏系统研究，有关处理工艺、处理参数等尚未明了。迄今为止，中国超高压技术尚未实现产业化，还没有自己的超高压食品上市。1.4超高压技术的机理超高压技术能够用于食品的杀菌和抑菌。超高压产生极高的静压不仅会影响细胞的形态，还能破坏氢键等弱结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活，使菌体内成分泄漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤。超高压技术保鲜不会使食品的温度升高，而只是作用于非共价键，共价键基本不被破坏，所以对食品原有的色、香、味及营养成分影响较小。超高压产生极高的静压不仅会影响细胞的形态，还能使形成的生物高分子立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生变化，使蛋白质凝固、淀粉变性，酶失活或激活，细菌等微生物被杀死，也可用来改善食品的组织结构或生成新型食品。1.5超高压设备的简介[5]超高压食品加工装置的特点是承受压力高(150~600MPa)，循环载荷次数多(连续工作，通常为2.5次/h)，因此容器及密封结构材料要有足够的力学强度、高的断裂韧性、低的回火脆性和时效脆性、一定的抗应力腐蚀及腐蚀疲劳性能、效率性。目前国外常见的食品加压装置由高压容器和加压减压系统两大部分组成，高压容器是整个装置的核心，工作条件苛刻，要求严格，为保证安全生产其容积不宜过大，一般为l-100L。密封问题是超高压容器设计所考虑的关键问题。超高压容器的密封结构是整个超高压设备的一个重要组成部分，食品加压装置的有效运行取决于密封结构的合理设计。根据食品加工的特点和开启次数频繁的情况、要求密封结构具有快开快拆、密封可靠、装拆维护方便等特点。密封结构可分三类：强制密封、半自紧密封和自紧密封。由于前二种密封需要很大的预紧力且结构笨重，因此超高压密封现多采用自紧密封。2超高压技术在食品工业中的应用2.1超高压杀菌技术2.1.1超高压杀菌技术的机理食品超高压杀菌，是将食品物料密封于弹性材料或置于无菌压力系统中（常以水或其他流体介质作为传递压力的媒介物），在100MPa～1000MPa压力下作用一段时间后，使之达到灭菌要求，其基本原理是利用了压力对微生物的致死作用。极高的静压会改变细胞的形态，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。高压对细胞膜、细胞壁都有影响，在压力作用下，细胞膜双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。（300～400)MPa下，啤酒酵母的核膜和线粒体外膜受到破坏，加压的细胞膜常常表现出通透性的变化，压力引起的细胞膜功能劣化导致氨基酸摄取受到抑制。（20～40）MPa的压力能使较大的细胞因受应力作用细胞壁机械断裂而松解，200MPa的压力下，细胞壁遭到破坏。上述过程是一个纯物理过程，它与传统的食品加热处理工艺机理完全不同。当食品物料在液体介质中体积被压缩之后，形成高分子物质立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生变化，结果导致蛋白质、淀粉等变性，酶失去活性，细菌等微生物被杀死。但在此过程中，高压对形成蛋白质等高分子物质以及维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键无任何影响，因此，高压食品很好地保持原有的营养价值、色泽和天然风味［6］。2.1.2超高压杀菌效果影响因素[7]影响超高压杀菌效果的因素主要有以下几点：(1)压力的大小和加压时间；(2)施压的方式；(3)温度；(4)pH值；(5)食物自身的组成和添加物；(6)水分活度；(7)微生物的特性和种类。超高压杀菌是一个非常复杂的过程，且针对不同的产品应采用不同的杀菌工艺，而为了获得较好的杀菌效果，必须对以上几个因素进行优化，而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，才能实现超高压杀菌技术的商业化。2.2超高压技术在肉制品中的应用超高压技术应用于肉制品可提高其保水性、乳化性、黏结性等。Macfarlan(2003)报道,添加1%食盐经超高压处理的牛肉泥比添加3%食盐而未经超高压处理的黏性好。Berry(2002)在制作调味牛排时采用100MPa超高压处理,在不加食盐的情况下可制得具有良好组织结构的牛排。超高压还可以直接生产新产品,例如,经400MPa或600MPa的作用保持10min,处理后的生猪肉就可以吃了。其原因是猪肉的蛋白质已经变性,肉色已转白,细菌检查结果表明大肠杆菌为阴性。日本一家公司还利用超高压加工的方法使瘦牛肉变成了肥牛肉。在加工时,事先将乳蛋白沿着牛肉的精细纤维注入牛肉中,然后对牛肉进行超高压加工,这样乳蛋白被处理后其凝胶化性能提高,会附着在瘦肉中间,使牛肉肥瘦相间吃起来风味更佳[8]。2.3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(high-pressure-freezing)，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,如豆腐、魔芋；有的产生软化现象,如白菜,凝胶等，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[9]。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。2.4超高压技术在鱼制品中的应用日本大洋渔业公司研究所,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。将狭鲤鱼糜装人乙烯袋内,放人水中,从四周均匀地加压到400MPa,保持10min,就能制成鱼糕。加压后的鱼糕透明,咀嚼感坚实,破坏强度达1200g,其鱼糕的弹性比原来产品�加热90℃,保持30min高出50%。在日本,超高压技术已经用来诱导不同类型鱼糜的胶凝。优质凝胶可以在400MPa的压力下从青鳍、沙丁鱼中获得。从海产物中获得的凝胶比通过加热所获得的凝胶更柔滑,更具有弹性[10]。日本学者试验表明,贝类经过高压处理,贮存起来是完全可行的[11]。2.5超高压技术在果汁和果酱中的应用超高压技术在食品工业中最成功的应用就是果蔬产品的加工,主要应用于杀菌,经超高压处理的果汁可达到商业无菌,而且处理后的果汁风味及组成成分均未发生太大的变化,产品在室温条件下可贮藏数月。陈复生(2005)生产实践证明,采用600MPa、2min处理可以将油梨汁中的致病菌减少到5个对数周期以下,而且不需添加任何防腐剂,还可使产品的货架期延长40天。果汁变质的主要原因在于果胶甲基酯酶,ACPolydera等(2004)通过对柑橘中果胶甲基酯酶的研究发现,经600MPa、50℃处理的果汁,果胶甲基酯酶已无活性,从而提高了果汁的感官质量与微生物的稳定性。在果酱生产中,采用高压技术杀菌不仅使水果中的微生物致死,还可使酶活力降低。PButz等(2003)研究各种水果时发现,食品经超高压处理后,碳水化合物发生了变化,果糖和蔗糖的含量随着贮藏时间的延长而逐渐降低,从