超高压技术在食品工业中的应用研究

超高压技术在食品工业中的应用研究郭海洋•20070144005摘要：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。现在，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，这些要求可以通过加热来满足。然而，热处理影响食品的风味、质构和色泽。为获得更高质量，最少加工、无化学防腐剂的食品，高压食品加工技术正日益引起人们的关注。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（100~1000MPa），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。利用超高压技术加工食品，有效地克服了传统热加工处理方法带来的种种弊端，较好地保持了物料原有的营养成分，而且加工后的食品口感适宜、色泽鲜艳、保质期较长，而且整个食品加工过程的能量消耗也较传统的加工工艺有着很大程度地降低。本文从食品超高压技术的基本原理、作用特点、影响因素、优点、装备、超高压技术所处理食品的特点等方面进行论述，详细的介绍了超高压技术在食品工业中的广泛应用。关键词：超高压技术；食品加工与保藏；灭菌；装备。我们知道，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，即将食品物料以及某种方式包装好之后，放入液体介质中，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，因此，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。同时，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。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。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。高压处理食品装备类似于传统的热处理，主要有两种类型的工业装置。一种是处理包装食品的批处理系统，一般由10～50升的压力容器和一个压力源组成。包装好的食品被装入高压容器中。压媒通常是水，从底端被泵入容器中。压力通过压媒、食品迅速均匀地传递，由于各个方向的压力是相等的，产品外形不会被破坏，处理时间通常相对较短，不超过15分钟。一旦达到预定的压力，泵停止工作，关闭阀门，不需继续提供能量就可以保持压力。另一种是在半连续系统中，液体食品可以直接置入压力容器中。据报道，最近在美国乔治亚大学安装了这种中试系统，能处理液体或泥状水果产品，使用的压力高达350MPa，流量为15升／分。工业化推广的超高压灭菌设备压力是100-600mpa超高压容器介质为水，部分实验型的可也达到1000mpa或更高，高压腔工作介质是油。国外超高压食品处理设备的研究开发较早，国际上知名的超高压加工设备制造企业有美国Avure和西班牙NCHyperbaric公司。作为一项先进的灭菌技术，超高压处理受到许多外界因素的影响：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。①不同生长期的微生物对高压的反应不同。②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。③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。④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。因此，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。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。因此，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。另外，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。无论如何，与传统的灭菌方法相比，超高压灭菌还是有其独特的优势和特点：（一）压力对病原体的影响同加热处理一样，高压技术处理也可使食品腐败微生物失活。高压微生物失活动力学与热及其他食品加工方法显著不同。当微生物受到高压时，会有许多变化发生，如细胞膜中的分子被修饰，影响膜功能和渗透性；主要的酶，包括涉及DNA复制的那些酶，都会失活；一些细胞蛋白变性。这些结果可能不会使细胞完全失活但会损伤它们。高压处理后产品的贮藏条件能决定这些受伤细胞的命运。300～700MPa的压力能够杀死细菌，但一些细菌一旦形成芽孢就具有更强的耐受力。另一方面，压力能诱导芽孢发芽，这样它们就丧失了抵抗热和压力的能力。加压（400MPa）和加热（60～90℃）组合处理或50～400MPa的压力循环处理都可以杀死大量微生物。尽管大多数酵母菌和霉菌对这些处理都非常敏感，但还有一些微生物，如Bys-sochlamysnivea产生的孢子特别耐压。（二）调整食品质构高压可使蛋白质变性，使脂肪凝固并破坏生物膜，它还能改变蛋白质和肌肉的结构，影响淀粉的糊化。因此，尽管高压在食品保藏领域离商业规模应用还很远，但作为一种食品质构调整的工具，高压技术具有乐观的应用前景。鸡蛋蛋白在高压下和加热一样容易形成凝胶已成为事实。然而，在这两种状态下凝胶形成的本质完全不同，因为化学键破坏和形成的顺序完全不同。有关谷蛋白和大豆蛋白的研究表明，高压加工可以产生一些高品质的新产品。经高压处理，蛋白质系统在高浓度条件下将只形成凝胶。在低浓度时，蛋白质将保持溶液状态但具有不同的功能。例如，乳清蛋白是非常差的起泡剂，但高压处理β－乳球蛋白（乳清中的一种主要成分）可使其具有更强的表面活性从而改善其起泡稳定性。（三）改善乳制品及肉制品质量高压处理能改善乳制品，如酸奶、干酪的品质。大约80％乳蛋白是酪蛋白，这些大的超分子聚合物被称为胶束，它们足够大以至于可以使光线发生散射，从而造成了牛奶的不透明现象。而高压处理可使微胶束破碎，因此，利用高压处理乳制品，可以增加其硬度、强度和乳清分离的阻力。由高压处理牛奶制成的酸奶比常规方法制成的酸奶黏性更大、更稠，或具有“更多奶油”。乳酪是典型的在出售前需熟化数月的产品，某些情况下需要数年。有试验表明，高压处理能加速其熟化。然而，处理过程是复杂的，压力对其的精确影响还不清楚。大量的研究侧重于高压处理肉和鱼。300MPa或更高的压力引起鱼肉或猪肉呈现一种“烹煮”过的现象（但其风味不受影响）。在较低的压力下，酶能被激活，从而改善其嫩度。对于牛肉，80～100MPa的低压诱导产生的变化可以改善其在货架上颜色的稳定性。不像新鲜的肉制品，腌制肉制品的外观不受压力处理的影响，但其质量可以得到改善。正是这个原因，使得压力处理的腌制肉制品和熟肉制品将比压力处理的新鲜肉制品先在市场上出现。（四）改善冷藏、冷冻食品贮藏特性高压处理的另一个潜在应用是低温贮藏。在200MPa压力下，水能被冷至－20℃而不冻结。因此，升高压力可允许食品在零度以下长期贮存，而避免了因形成冰核而引起的问题。然而，长期保持高压所需费用是昂贵的。一个更加吸引人的方面是在200MPa下冷至－20℃，然后释放压力导致水冻结。整个系统由于迅速均匀地进行，冷冻将在整个产品内部发生，而且形成的冰晶很小，从而能获得对食品具有最小损伤的高品质冷冻产品。具有最小损伤的快速解冻通过上述过程的逆过程就可以获得，即升高压力到200MPa，温度升至0℃以上，然后释放压力。既然超高压技术有这么明显的优势，那么经超高压技术处理的食品必然优于传统的化学处理食品：⑴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。⑵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。同时，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。⑶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。⑷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。目前，超高压技术主要应用于：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、酒类的催陈等方面，而且其应用前景相当广阔。自1991年4月世界上第一号高压食品──果酱（七个风味系列）问世，食品超高压处理技术蓬勃发展，被称为“食品工业的一场革命”，可被应用于所有含液体成分的固态和液态食品，如水果、蔬菜、奶制品等。而且，日本、美国的一些果汁饮料厂家已经开始利用这项新技术。下面是超高压技术在食品加工中的应用实例：⑴超高压技术在果蔬产品加工中的应用：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，主要用于该类产品的杀菌作用。日本、美国的一些果汁饮料厂家已经开始利用这种新技术。经过高压处理的果汁可达到商业无菌状态，处理后果汁的风味、组成成分都没有发生改变，在室温下可以保持数月。⑵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与气泡性等功能，可使肉类变得松软可口；高压还可以使食品中的有害蛋白质、一些酶和毒素失活，保持食品安全性，食品营养价值不变。高压技术已经应用于：处理柑橘苦味和热臭味、处理淀粉的糊化、产生新的质构、处理胡萝卜、处理大蒜、肉的嫩化以及制抗过敏奶粉等。⑶控制酶反应和灭酶：对酶的影响不同于对微生物的影响，除了使酶失活外，还可以使某些在常压下受抑制的酶激活，从而提高酶的活性，其中有些对产品是有利的。高压也可以加快某些在常压下反应缓慢或不发生的反应，现在较为成功的是果汁和生酒等在保藏