科技動(dòng)態(tài)作業(yè)-食品超高壓技術(shù)

1、超高壓技術(shù)在食品中的應(yīng)用及發(fā)展前景 摘要：超高壓技術(shù)作為一種新興的食品處理技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)介紹了超高壓食品處理技術(shù)的發(fā)展，殺菌機(jī)理，超高壓技術(shù)殺菌的影響因素，以及超高壓技術(shù)在食品中的應(yīng)用等，具體在冷凍食品、食品保藏、肉制品以及果蔬制品中的應(yīng)用，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超高壓技術(shù)；食品；應(yīng)用；前景隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品的質(zhì)量及安全性越來越重視并顯示出“回歸自然”的趨向，越來越多的消費(fèi)者希望食品中不含有毒的微生物，具有更長(zhǎng)的貨架期和新鮮的口味，而且防腐劑和其他化學(xué)添加劑盡可能少。從傳統(tǒng)意義上說，這些要求可以可以通過加熱來滿足，但是，在追求加熱的主要作用的同時(shí)，常

2、常產(chǎn)生出不需要的副作用，如破壞維生素等重要營(yíng)養(yǎng)成分、產(chǎn)生異臭物、色素變化等1。為了獲得更高質(zhì)量、最少加工、無化學(xué)防腐劑的食品，食品超高壓技術(shù)正日益引起人們的關(guān)注，成為近年研究的熱點(diǎn)。1 超高壓技術(shù)的概念、發(fā)展歷史1.1 超高壓技術(shù)的概念一般所說的超高壓（ 簡(jiǎn)稱高壓），指的是超過100 兆帕（ 約為987 個(gè)大氣壓）以上的壓力。所謂超高壓技術(shù)（簡(jiǎn)稱高壓技術(shù)），是指應(yīng)用超高壓（ 100Mpa1000Mpa）作用于待處理物質(zhì)使之發(fā)生改變的過程。超高壓處理，是指利用壓媒（通常是液體介質(zhì)，例如水）使食品在極高的壓力（例如(1001000)MPa）下產(chǎn)生酶失活、蛋白質(zhì)變性淀粉糊化和微生物滅活等物理化學(xué)及生

3、物效應(yīng)，從而達(dá)到滅菌和改性的物理過程。通常，將用超高壓處理的食品稱為超高壓食品。1.2 超高壓技術(shù)發(fā)展歷史隨著人們對(duì)超高壓技術(shù)了解的深入，超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。1899年，美國化學(xué)家Bert、Hite就證明了牛奶、果蔬和其他食品、飲料中的微生物對(duì)壓力敏感，并證明高壓處理能延長(zhǎng)食品的貨架期；物理學(xué)家Bridgmen 從1906 年開始對(duì)物質(zhì)的宏觀物理行為的高壓效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；20 世紀(jì)50 年代，Johnson發(fā)現(xiàn)麻醉后的蝌蚪經(jīng)大約10MPa的壓力處理后可以復(fù)蘇2,3。超高壓技術(shù)作為能確保高質(zhì)量食品生產(chǎn)的非熱保藏技術(shù)已被關(guān)注、研究了很多年。但由于超高壓技術(shù)上的難題，這一

4、研究成果并沒有被實(shí)際應(yīng)用。直到1986年，日本京都大學(xué)林立九教授提出超高壓技術(shù)在食品工業(yè)上應(yīng)用，并使其成為一種可行的商業(yè)加工手段，于1990年開發(fā)了世界第一高壓食品果醬4；除日本外，美國、巴西、韓國和歐洲的許多國家都先后對(duì)高壓食品加工原理、方法和技術(shù)細(xì)節(jié)及應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛深入的研究，并已開始向市場(chǎng)提供高壓食品；在歐洲，法國是第一個(gè)將高壓食品商業(yè)化的國家，開發(fā)了水果和熟食等高壓產(chǎn)品。我國許多學(xué)者也注意到國外超高壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)并開展了食品高壓技術(shù)的研究，已取得不少的成果。1.3 超高壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀目前，日本在超高壓食品加工方面仍居于國際領(lǐng)先地位，已擁有大量的食品超高處理實(shí)驗(yàn)裝置和生產(chǎn)設(shè)備，果醬

5、、果汁、魚糜制品等超高壓食品已進(jìn)入超市，并且有了食品超高壓加工、殺菌、保鮮的專利技術(shù)。日本超高壓技術(shù)在食品加工上的成功應(yīng)用，很快引起了德、美、英、法等歐美國家及南朝鮮的高度重視。它們先后投入巨資對(duì)高壓食品的加工原理、方法、技術(shù)細(xì)節(jié)及應(yīng)用前景開展了廣泛而深入的研究。美國已將超高壓技術(shù)列為21 世紀(jì)食品加工、包裝的主要研究項(xiàng)目，并已有小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。目前，國外超高壓技術(shù)已在果醬（草莓醬、獼猴桃醬、蘋果醬等）、果汁（橘子汁等）、含果肉的果凍、豆?jié){、乳蛋白制品、魚糜魚糕、魚肉制品、牛肉制品、甲殼類水產(chǎn)品等開展過系列研究，并取得了產(chǎn)業(yè)化效果。如今，日本、美國等一些發(fā)達(dá)國家在高壓加工裝置(通用型和專用型

6、的設(shè)備)的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等方面取得了一些新成就，如美國的Wenger 公司、日本的明治屋食品公司等都擁有各自的特色產(chǎn)品。中國超高壓技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用還處于起步階段，國內(nèi)對(duì)食品超高壓技術(shù)研究較有影響的科研單位寥寥可數(shù)。國內(nèi)最早應(yīng)用超高壓技術(shù)進(jìn)行食品加工研究的是葉懷義等（1995）和勵(lì)建榮等（1996），前者就超高壓對(duì)微生物、酶的滅活機(jī)理，果肉飲料和果醬的加工工藝以及對(duì)小麥、玉米、綠豆、藕、木薯、甘薯、土豆等淀粉的糊化特性影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，后者則對(duì)橙子、草莓、西瓜、黃瓜、豬肉、牛肉、草魚、河蝦、雞蛋等超高壓處理后滅菌效果、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味以及（ 超）高壓催陳黃酒的一系列研究，取得

7、了預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果，獲得了超高壓保鮮果汁和超高壓催陳酒類技術(shù)?？傮w來說，中國超高壓技術(shù)和超高壓裝置研制與國外相比存在較大差距。超高壓技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用還缺乏系統(tǒng)研究，有關(guān)處理工藝、處理參數(shù)等尚未明了。迄今為止，中國超高壓技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還沒有自己的超高壓食品上市。1.4 超高壓技術(shù)的機(jī)理超高壓技術(shù)能夠用于食品的殺菌和抑菌。超高壓產(chǎn)生極高的靜壓不僅會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)，還能破壞氫鍵等弱結(jié)合鍵，使基本物性變異，產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活，使菌體內(nèi)成分泄漏和細(xì)胞膜破裂等多種菌體損傷。超高壓技術(shù)保鮮不會(huì)使食品的溫度升高，而只是作用于非共價(jià)鍵，共價(jià)鍵基本不被破壞，所以對(duì)食品原有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分

8、影響較小。超高壓產(chǎn)生極高的靜壓不僅會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)，還能使形成的生物高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵發(fā)生變化，使蛋白質(zhì)凝固、淀粉變性，酶失活或激活，細(xì)菌等微生物被殺死，也可用來改善食品的組織結(jié)構(gòu)或生成新型食品。 1.5 超高壓設(shè)備的簡(jiǎn)介5 超高壓食品加工裝置的特點(diǎn)是承受壓力高(150600MPa)，循環(huán)載荷次數(shù)多(連續(xù)工作，通常為2.5次/h)，因此容器及密封結(jié)構(gòu)材料要有足夠的力學(xué)強(qiáng)度、高的斷裂韌性、低的回火脆性和時(shí)效脆性、一定的抗應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能、效率性。目前國外常見的食品加壓裝置由高壓容器和加壓減壓系統(tǒng)兩大部分組成，高壓容器是整個(gè)裝置的核心，工作條件苛刻，要求嚴(yán)格，為保

9、證安全生產(chǎn)其容積不宜過大，一般為l-100L。密封問題是超高壓容器設(shè)計(jì)所考慮的關(guān)鍵問題。超高壓容器的密封結(jié)構(gòu)是整個(gè)超高壓設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，食品加壓裝置的有效運(yùn)行取決于密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。根據(jù)食品加工的特點(diǎn)和開啟次數(shù)頻繁的情況、要求密封結(jié)構(gòu)具有快開快拆、密封可靠、裝拆維護(hù)方便等特點(diǎn)。密封結(jié)構(gòu)可分三類：強(qiáng)制密封、半自緊密封和自緊密封。由于前二種密封需要很大的預(yù)緊力且結(jié)構(gòu)笨重，因此超高壓密封現(xiàn)多采用自緊密封。2 超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用2.1 超高壓殺菌技術(shù)2.1.1超高壓殺菌技術(shù)的機(jī)理食品超高壓殺菌，是將食品物料密封于彈性材料或置于無菌壓力系統(tǒng)中（常以水或其他流體介質(zhì)作為傳遞壓力的媒介物

10、），在100MPa1000MPa 壓力下作用一段時(shí)間后，使之達(dá)到滅菌要求，其基本原理是利用了壓力對(duì)微生物的致死作用。極高的靜壓會(huì)改變細(xì)胞的形態(tài)，包括細(xì)胞外形變長(zhǎng)，胞壁脫離細(xì)胞質(zhì)膜，無膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁變厚。高壓對(duì)細(xì)胞膜、細(xì)胞壁都有影響，在壓力作用下，細(xì)胞膜雙層結(jié)構(gòu)的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。（3 0 0400)MPa 下，啤酒酵母的核膜和線粒體外膜受到破壞，加壓的細(xì)胞膜常常表現(xiàn)出通透性的變化，壓力引起的細(xì)胞膜功能劣化導(dǎo)致氨基酸攝取受到抑制。（2 0 4 0 ）M P a 的壓力能使較大的細(xì)胞因受應(yīng)力作用細(xì)胞壁機(jī)械斷裂而松解，200MPa 的壓力下，細(xì)胞壁遭到破壞。上述過程是一個(gè)純物理

11、過程，它與傳統(tǒng)的食品加熱處理工藝機(jī)理完全不同。當(dāng)食品物料在液體介質(zhì)中體積被壓縮之后，形成高分子物質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致蛋白質(zhì)、淀粉等變性，酶失去活性，細(xì)菌等微生物被殺死。但在此過程中，高壓對(duì)形成蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì)以及維生素、色素和風(fēng)味物質(zhì)等低分子物質(zhì)的共價(jià)鍵無任何影響，因此，高壓食品很好地保持原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、色澤和天然風(fēng)味6。2.1.2 超高壓殺菌效果影響因素7影響超高壓殺菌效果的因素主要有以下幾點(diǎn)：(1)壓力的大小和加壓時(shí)間；(2)施壓的方式；(3)溫度；(4)pH值；(5)食物自身的組成和添加物；(6)水分活度；(7)微生物的特性和種類。超高壓殺菌是一

12、個(gè)非常復(fù)雜的過程，且針對(duì)不同的產(chǎn)品應(yīng)采用不同的殺菌工藝，而為了獲得較好的殺菌效果，必須對(duì)以上幾個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，而只有積累大量可靠的數(shù)據(jù)才能保證超高壓食品的微生物安全，才能實(shí)現(xiàn)超高壓殺菌技術(shù)的商業(yè)化。2.2 超高壓技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用超高壓技術(shù)應(yīng)用于肉制品可提高其保水性、乳化性、黏結(jié)性等。Macfarlan(2003)報(bào)道, 添加1%食鹽經(jīng)超高壓處理的牛肉泥比添加3%食鹽而未經(jīng)超高壓處理的黏性好。Berry(2002)在制作調(diào)味牛排時(shí)采用100 MPa 超高壓處理, 在不加食鹽的情況下可制得具有良好組織結(jié)構(gòu)的牛排。超高壓還可以直接生產(chǎn)新產(chǎn)品, 例如, 經(jīng)400MPa或600 MPa的作用保持10

13、 min, 處理后的生豬肉就可以吃了。其原因是豬肉的蛋白質(zhì)已經(jīng)變性, 肉色已轉(zhuǎn)白, 細(xì)菌檢查結(jié)果表明大腸桿菌為陰性。日本一家公司還利用超高壓加工的方法使瘦牛肉變成了肥牛肉。在加工時(shí), 事先將乳蛋白沿著牛肉的精細(xì)纖維注入牛肉中, 然后對(duì)牛肉進(jìn)行超高壓加工,這樣乳蛋白被處理后其凝膠化性能提高, 會(huì)附著在瘦肉中間, 使牛肉肥瘦相間吃起來風(fēng)味更佳8。2.3 超高壓技術(shù)在速凍食品中的應(yīng)用蔬菜、水果、豆腐、瓊脂凝膠等水分含量多的食品在凍結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的冷凍損傷( 組織損傷) , 解凍后汁液流失嚴(yán)重，給產(chǎn)品風(fēng)味帶來不良影響, 這是因?yàn)橐话愕膬鼋Y(jié)是在常壓下進(jìn)行的, 食品中的水分在凍結(jié)時(shí)體積膨脹, 從而產(chǎn)生凝

14、膠并組織破壞。利用超高壓可以得到0 以下的不結(jié)冰的低溫水, 加壓到2 0 0 M P a , 冷卻到- 18 ，水仍不結(jié)冰, 把此種狀態(tài)下不結(jié)冰的食品迅速解除壓力，就可對(duì)食品實(shí)現(xiàn)速凍，所形成的冰晶體也很細(xì)微, 如速凍豆腐的組織十分良好, 這種冷凍方法可稱為高壓冷凍(high-pressure-freezing)，這樣速凍的食品可以顯著改善其汁液的流失。高壓冷凍處理后, 有的物料產(chǎn)生硬化現(xiàn)象, 如豆腐、魔芋；有的產(chǎn)生軟化現(xiàn)象, 如白菜, 凝膠等，其冷凍耐性也不相同, 一般認(rèn)為這主要是物料的含水量及成份不同所引起的9 。把胡蘿卜在中性或堿溶液中煮熟，其表皮層中存在的果膠質(zhì)產(chǎn)生( - 脫離) 分解，

15、且溶解在煮汁中，從而細(xì)胞間失去了結(jié)合力產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。但是，把胡蘿卜在700MPa 下加壓1h 再煮，果膠質(zhì)就不會(huì)產(chǎn)生分解現(xiàn)象，觀察不到細(xì)胞間的分離，即不軟化，只是稍有一點(diǎn)變形。超高壓處理時(shí)，果膠質(zhì)的減少是微乎其微的，可是隨著壓力的上升，高酯化的果膠量減少，低酯化度果膠的量顯著增加。草莓、菠蘿等水果經(jīng)高壓冷凍后再加入冰淇淋，其外觀、質(zhì)地、口感也會(huì)大大改善。2.4 超高壓技術(shù)在魚制品中的應(yīng)用日本大洋漁業(yè)公司研究所, 采用超高壓技術(shù)生產(chǎn)魚糕, 在殺菌后其口感、風(fēng)味都比較理想。將狹鯉魚糜裝人乙烯袋內(nèi), 放人水中, 從四周均勻地加壓到400MPa, 保持10min, 就能制成魚糕。加壓后的魚糕透明, 咀

16、嚼感堅(jiān)實(shí), 破壞強(qiáng)度達(dá)1200g, 其魚糕的彈性比原來產(chǎn)品加熱90 , 保持30min 高出50%。在日本, 超高壓技術(shù)已經(jīng)用來誘導(dǎo)不同類型魚糜的膠凝。優(yōu)質(zhì)凝膠可以在400MPa的壓力下從青鰭、沙丁魚中獲得。從海產(chǎn)物中獲得的凝膠比通過加熱所獲得的凝膠更柔滑,更具有彈性10。日本學(xué)者試驗(yàn)表明, 貝類經(jīng)過高壓處理, 貯存起來是完全可行的11。2.5超高壓技術(shù)在果汁和果醬中的應(yīng)用超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中最成功的應(yīng)用就是果蔬產(chǎn)品的加工, 主要應(yīng)用于殺菌, 經(jīng)超高壓處理的果汁可達(dá)到商業(yè)無菌, 而且處理后的果汁風(fēng)味及組成成分均未發(fā)生太大的變化, 產(chǎn)品在室溫條件下可貯藏?cái)?shù)月。陳復(fù)生( 2005) 生產(chǎn)實(shí)踐證明

17、, 采用600 MPa、2 min 處理可以將油梨汁中的致病菌減少到5 個(gè)對(duì)數(shù)周期以下, 而且不需添加任何防腐劑, 還可使產(chǎn)品的貨架期延長(zhǎng)40 天。果汁變質(zhì)的主要原因在于果膠甲基酯酶, A CPolydera 等( 2004) 通過對(duì)柑橘中果膠甲基酯酶的研究發(fā)現(xiàn), 經(jīng)600 MPa、50 處理的果汁, 果膠甲基酯酶已無活性, 從而提高了果汁的感官質(zhì)量與微生物的穩(wěn)定性。在果醬生產(chǎn)中, 采用高壓技術(shù)殺菌不僅使水果中的微生物致死, 還可使酶活力降低。P Butz 等( 2003) 研究各種水果時(shí)發(fā)現(xiàn), 食品經(jīng)超高壓處理后, 碳水化合物發(fā)生了變化, 果糖和蔗糖的含量隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低, 從而

18、延長(zhǎng)了食物的貯藏時(shí)間。此外, 其分味物質(zhì)也沒有發(fā)生變化。2.6 超高壓技術(shù)在保藏中的應(yīng)用食品貯存技術(shù)越來越受到人們的重視，一些行之有效的方法，如風(fēng)干法、冷凍法、罐頭封裝法等，都會(huì)使食品的鮮味受到不同程度的損害?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種具有劃時(shí)代意義的食品保存技術(shù)，就是超高壓加工法，加工食品為超高壓食品。超高壓加工就是把食品置于數(shù)千個(gè)大氣壓之中，在不損害食品材料本質(zhì)的情況下對(duì)其進(jìn)行調(diào)和、加工、殺菌。食品材料，在超高壓環(huán)境中，淀粉變成糊狀，蛋白質(zhì)變成凝膠狀，類似蜂蜜。雖然淀粉和蛋白質(zhì)失去了本來的面目，變得表面發(fā)光、質(zhì)地細(xì)膩，但色香味都不失原有風(fēng)味。對(duì)新鮮的鱈魚加4000 個(gè)大氣壓，就能變成新鮮魚糕。把水果和

19、砂糖裝入塑料袋中，加高壓能制成果醬。超高壓加工食品，還會(huì)產(chǎn)生奇特的效果，比如對(duì)陳米加1000個(gè)大氣壓，它便具有新米的味道。超高壓食品不但無菌，保鮮時(shí)間長(zhǎng)，而且還能提高食品的附加值。12對(duì)黃酒用50-150MPa，30min 左右高壓處理，其酸度、色澤、風(fēng)格不變，揮發(fā)酯含量提高1020%，呈苦、澀味的氨基酸比重下降，呈甜、鮮味氨基酸比重上升，從總體效果看，處理后酒口味變得更加鮮美、醇和、爽口、醇香更加濃郁，總體催陳效果達(dá)1年以上，經(jīng)對(duì)白酒的催陳研究，總揮發(fā)酯含量可提高30%左右，催陳效果比黃酒還要明顯13。 Krebbes14等人將綠豆用2 次脈沖高壓處理，經(jīng)1 個(gè)月的貯藏后，與常規(guī)保藏方法相比

20、，綠豆的硬度和維生素C 保留較好，且能使99以上的過氧化物酶失活。3 超高壓技術(shù)的前景由于國內(nèi)外有關(guān)超高壓理論與技術(shù)日漸成熟，加工設(shè)備正在逐步完善，超高壓食品的品種將不斷豐富。根據(jù)目前我國實(shí)際情況，超高壓技術(shù)在我國可以從以下方面取得進(jìn)展。超高壓條件下，殺滅微生物，而食品的營(yíng)養(yǎng)、色澤和香味不會(huì)損失，此方法的成熟有利于推動(dòng)我國冷殺菌技術(shù)的進(jìn)步；超高壓技術(shù)可重點(diǎn)應(yīng)用于生鮮魚肉及火鍋用的生魚片、生牛肉條、生肉片等“半烹調(diào)”食品，這些生食先經(jīng)超高壓處理再經(jīng)簡(jiǎn)單加熱即可食用，不但沒有改變?cè)械纳r風(fēng)味，而且大大提高了食用的安全性；超高壓技術(shù)能使魚肉蛋白質(zhì)變性凝膠化，再經(jīng)低溫保存，可得到更高的凝膠強(qiáng)度，采用

21、加壓加熱方式，制造魚糜制品；由于在高的壓力下溶劑沸點(diǎn)提高、溶解能力增強(qiáng)，改變植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有利于溶劑進(jìn)入細(xì)胞器，改變?nèi)軇┖湍繕?biāo)分子間的親和力，改善溶解行為，超高壓技術(shù)還可用于各種天然成分的提取。超高壓食品處理技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已引起了人們的廣泛重視，通過改變細(xì)胞形態(tài)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)使食品殺菌或者變性，具有傳統(tǒng)加熱處理無法比擬的優(yōu)勢(shì)。超高壓食品處理通過其他協(xié)同措施降低處理壓力，必將推進(jìn)超高壓食品的產(chǎn)業(yè)化。參考文獻(xiàn)1黃麗，孫遠(yuǎn)明，陳柏曖等.超高壓和酶抑制劑聯(lián)合處理對(duì)荔枝果肉中過氧化物酶和果膠甲基酯酶的影響J.高壓物理學(xué)報(bào)，2007,21（1）：89-94.2D.E.Johnston and R.J.murphy,“Food macromolecules and colloids”,ed.by E Diskinson and Lorent,Spec.Publ-R,SocJ.Chem156,UK,1995(13):41-40.3 Boynton B B, Sims C ASargent S，et a1.Quality and stability of Precutmangos and carambolas subjected toi5gh-Pressure ProcessingJJ of FoodSci2002，