超高壓技術在食品工業(yè)中的應用研究

1、-作者xxxx-日期xxxx超高壓技術在食品工業(yè)中的應用研究【精品文檔】超高壓技術在食品工業(yè)中的應用研究郭海洋20070144005摘要：隨著生活水平的提高，人們對食品的質量及安全性越來越重視并顯示出“回歸自然”的趨向?，F在，越來越多的消費者希望食品中不含有毒的微生物，具有更長的貨架期和新鮮的口味，而且防腐劑和其他化學添加劑盡可能少。從傳統意義上說，這些要求可以通過加熱來滿足。然而，熱處理影響食品的風味、質構和色澤。為獲得更高質量，最少加工、無化學防腐劑的食品，高壓食品加工技術正日益引起人們的關注。食品超高壓技術是指將軟包裝或散裝的食品放入密封的、高強度的施加壓力容器中，以水和礦物油作為傳遞壓

2、力的介質，施加高靜壓（1001000 MPa），在常溫或較低溫度（低于100）下維持一定時間后，達到殺菌、物料改性、產生新的組織結構、改變食品的品質和改變食品的某些物理化學反應速度的一種加工方法。利用超高壓技術加工食品，有效地克服了傳統熱加工處理方法帶來的種種弊端，較好地保持了物料原有的營養(yǎng)成分，而且加工后的食品口感適宜、色澤鮮艷、保質期較長，而且整個食品加工過程的能量消耗也較傳統的加工工藝有著很大程度地降低。本文從食品超高壓技術的基本原理、作用特點、影響因素、優(yōu)點、裝備、超高壓技術所處理食品的特點等方面進行論述，詳細的介紹了超高壓技術在食品工業(yè)中的廣泛應用。關鍵詞：超高壓技術；食品加工與保藏

3、；滅菌；裝備。我們知道，微生物的熱力致死是由于細胞膜結構變化（損傷）、酶的失活、蛋白質的變性、DNA 直接或間接的損傷等主要原因引起的。而超高壓能破壞氫鍵之類弱的結合鍵，使基本物性變異，產生蛋白質的壓力凝固及酶的失活；還能使菌體內成分產生泄漏和細胞膜破裂等多種菌體損傷。食品超高壓殺菌，即將食品物料以及某種方式包裝好之后，放入液體介質中，在1001000MPa 壓力下作用一段時間，使之達到滅菌要求。極高的靜壓會影響細胞的形態(tài)，因此，高壓對細胞膜、細胞壁都有影響。在壓力作用下，細胞膜磷脂雙分子層結構的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。同時，壓力引起的細胞膜功能劣化將導致氨基酸攝取受抑制。食

4、物主要是由蛋白質、淀粉、脂質、核酸、水等分子組成的立體結構。在高壓下，食物中的小分子（如水分子）之間的距離要縮小，而蛋白質等大分子物質仍保持球狀，這時水分子等小分子就要產生滲透和填充效果，進入并黏附在蛋白質等大分子周圍，使蛋白質等的食物中的生物大分子鏈在加工壓力下，由超高壓降為常壓后被拉長，從而導致其部分或全部結構被破壞，這樣便改變了蛋白質的性質。超高壓同樣能導致酶的全部或部分結構被破壞，這樣便使酶失去活性。微生物也是由蛋白質組成的，由于在高壓下蛋白質變性，致使微生物內部組織破壞而死亡；另外，在高壓下，食品中某些物質的分子會穿透組成微生物的細胞膜，可致使微生物的細胞膜遭受損壞，甚至被破壞，因此

5、，這就可以達到滅菌消毒的目的。高壓處理食品裝備類似于傳統的熱處理，主要有兩種類型的工業(yè)裝置。一種是處理包裝食品的批處理系統，一般由1050升的壓力容器和一個壓力源組成。包裝好的食品被裝入高壓容器中。壓媒通常是水，從底端被泵入容器中。壓力通過壓媒、食品迅速均勻地傳遞，由于各個方向的壓力是相等的，產品外形不會被破壞，處理時間通常相對較短，不超過15分鐘。一旦達到預定的壓力，泵停止工作，關閉閥門，不需繼續(xù)提供能量就可以保持壓力。另一種是在半連續(xù)系統中，液體食品可以直接置入壓力容器中。據報道，最近在美國喬治亞大學安裝了這種中試系統，能處理液體或泥狀水果產品，使用的壓力高達350MPa，流量為15升分。

6、工業(yè)化推廣的超高壓滅菌設備壓力是100- 600mpa 超高壓容器介質為水，部分實驗型的可也達到1000mpa或更高，高壓腔工作介質是油。國外超高壓食品處理設備的研究開發(fā)較早，國際上知名的超高壓加工設備制造企業(yè)有美國Avure和西班牙NC Hyperbaric公司。作為一項先進的滅菌技術，超高壓處理受到許多外界因素的影響：。在一定范圍內，壓力越高，滅菌效果越好。在相同壓力下，滅菌時間延長，滅菌效果也有一定程度的提高。超高壓滅菌方式有連續(xù)式、半連續(xù)式、間歇式。研究報道，同持續(xù)靜壓處理相比，階段性壓力變化處理殺菌效果較好。對于易受芽孢菌污染的食物用超高壓多次重復短時處理，殺滅芽孢效果好。不同生長期

7、的微生物對高壓的反應不同。處于指數生長期的微生物比處于靜止生長期的微生物對壓力反應更敏感。革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對壓力更具抗性孢子對壓力的抵抗力則更強。革蘭氏陽性菌中的芽孢桿菌屬（Bacillus）和梭狀芽孢桿菌屬（Clostridum）的芽孢最為耐壓。芽孢殼的結構極其致密，使得芽孢類細菌具備了抵抗高壓的能力，殺滅芽孢需更高的壓力并結合其它處理方式。由于微生物對溫度有敏感性，在低溫或高溫下，高壓對微生物的影響加劇，因此，在低溫或高溫下對食品進行高壓處理具有較常溫下處理更好的殺菌效果。大多數微生物在低溫下耐壓程度降低的原因： 壓力使得低溫下細胞因冰晶析出而破裂程度加??； 蛋白質在低溫下高壓敏

8、感性提高，致使此條件下蛋白質更易變性，菌體細胞膜的結構也更易損傷。因此，低溫下高壓處理對保持食品品質，尤其是減少熱敏性成分的破壞較為有利 。pH是影響微生物在受壓條件下生長的主要因素之一。在受壓條件下，培養(yǎng)基的pH有可能發(fā)生變化，細菌的最適pH范圍也變得較為狹窄。酸性條件下微生物的耐壓性較差。對酵母菌類而言，采用超高壓處理時pH值并不是重要的因素6.水分活度（Aw）。水分活度（Aw）對滅菌效果影響也很大。低Aw產生細胞收縮和對生長的抑制作用，從而使更多的細胞在壓力中存活下來。因此，控制Aw無疑對高壓殺菌，尤其是固態(tài)和半固態(tài)食品的保藏加工有重要意義7. 食品本身的組成和添加物。營養(yǎng)豐富環(huán)境中微生

9、物的耐壓性較強，蛋白質、碳水化合物、脂類和鹽分對微生物具有緩沖保護作用，而且這些營養(yǎng)物質加速了微生物的繁殖和自我修復功能。另外，食品基質含有的添加劑組分對超高壓滅菌影響很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加劑，將提高加壓殺菌的效果。無論如何，與傳統的滅菌方法相比，超高壓滅菌還是有其獨特的優(yōu)勢和特點：（一）壓力對病原體的影響 同加熱處理一樣，高壓技術處理也可使食品腐敗微生物失活。高壓微生物失活動力學與熱及其他食品加工方法顯著不同。當微生物受到高壓時，會有許多變化發(fā)生，如細胞膜中的分子被修飾，影響膜功能和滲透性；主要的酶，包括涉及DNA復制的那些酶，都會失活；一些細胞蛋白變性。這些結果可能不會使

10、細胞完全失活但會損傷它們。高壓處理后產品的貯藏條件能決定這些受傷細胞的命運。 300700MPa的壓力能夠殺死細菌，但一些細菌一旦形成芽孢就具有更強的耐受力。另一方面，壓力能誘導芽孢發(fā)芽，這樣它們就喪失了抵抗熱和壓力的能力。加壓（400MPa）和加熱（6090）組合處理或50400MPa的壓力循環(huán)處理都可以殺死大量微生物。盡管大多數酵母菌和霉菌對這些處理都非常敏感，但還有一些微生物，如Bys-sochlamysnivea產生的孢子特別耐壓。 （二）調整食品質構 高壓可使蛋白質變性，使脂肪凝固并破壞生物膜，它還能改變蛋白質和肌肉的結構，影響淀粉的糊化。因此，盡管高壓在食品保藏領域離商業(yè)規(guī)模應用還

11、很遠，但作為一種食品質構調整的工具，高壓技術具有樂觀的應用前景。 雞蛋蛋白在高壓下和加熱一樣容易形成凝膠已成為事實。然而，在這兩種狀態(tài)下凝膠形成的本質完全不同，因為化學鍵破壞和形成的順序完全不同。有關谷蛋白和大豆蛋白的研究表明，高壓加工可以產生一些高品質的新產品。經高壓處理，蛋白質系統在高濃度條件下將只形成凝膠。在低濃度時，蛋白質將保持溶液狀態(tài)但具有不同的功能。例如，乳清蛋白是非常差的起泡劑，但高壓處理乳球蛋白（乳清中的一種主要成分）可使其具有更強的表面活性從而改善其起泡穩(wěn)定性。（三）改善乳制品及肉制品質量 高壓處理能改善乳制品，如酸奶、干酪的品質。大約80乳蛋白是酪蛋白，這些大的超分子聚合物

12、被稱為膠束，它們足夠大以至于可以使光線發(fā)生散射，從而造成了牛奶的不透明現象。而高壓處理可使微膠束破碎，因此，利用高壓處理乳制品，可以增加其硬度、強度和乳清分離的阻力。 由高壓處理牛奶制成的酸奶比常規(guī)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數月的產品，某些情況下需要數年。有試驗表明，高壓處理能加速其熟化。然而，處理過程是復雜的，壓力對其的精確影響還不清楚。大量的研究側重于高壓處理肉和魚。300MPa或更高的壓力引起魚肉或豬肉呈現一種“烹煮”過的現象（但其風味不受影響）。在較低的壓力下，酶能被激活，從而改善其嫩度。對于牛肉，80100MPa的低壓誘導產生的變化可

13、以改善其在貨架上顏色的穩(wěn)定性。不像新鮮的肉制品，腌制肉制品的外觀不受壓力處理的影響，但其質量可以得到改善。正是這個原因，使得壓力處理的腌制肉制品和熟肉制品將比壓力處理的新鮮肉制品先在市場上出現。 （四）改善冷藏、冷凍食品貯藏特性 高壓處理的另一個潛在應用是低溫貯藏。在200MPa壓力下，水能被冷至20而不凍結。因此，升高壓力可允許食品在零度以下長期貯存，而避免了因形成冰核而引起的問題。然而，長期保持高壓所需費用是昂貴的。 一個更加吸引人的方面是在200MPa下冷至20，然后釋放壓力導致水凍結。整個系統由于迅速均勻地進行，冷凍將在整個產品內部發(fā)生，而且形成的冰晶很小，從而能獲得對食品具有最小損傷

14、的高品質冷凍產品。具有最小損傷的快速解凍通過上述過程的逆過程就可以獲得，即升高壓力到200MPa，溫度升至0以上，然后釋放壓力。既然超高壓技術有這么明顯的優(yōu)勢，那么經超高壓技術處理的食品必然優(yōu)于傳統的化學處理食品：營養(yǎng)成分受影響小。超高壓處理的范圍只對生物高分子物質立體結構中非共價鍵結合產生影響，因此對食品中維生素等營養(yǎng)成分和風味物質沒有任何影響，最大限度地保持了其原有的營養(yǎng)成分，并容易被人體消化吸收。產生新的組織結構，不會產生異味。超高壓處理可改變食品物質性質，改善食品高分子物質的構象，獲得新型物性的食品。同時，超高壓會消除傳統的熱加工引起共價鍵的形成或破壞所致的變色、發(fā)黃及加熱過程出現的不

15、愉快異味，如熱臭等弊端。利用超高壓處理技術，原料的利用率高。超高壓處理過程是一個純物理過程，瞬間壓縮，作用均勻，操作安全衛(wèi)生，無工業(yè)“三廢”，耗能低，有利于生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進。超高壓食品加工技術適用范圍廣，具有很好的開發(fā)推廣前景。目前，超高壓技術主要應用于：各種食品的殺菌、植物蛋白的組織化、淀粉的糊化、肉類品質的改善 、動物蛋白的變性處理、乳產品的加工處理、食品高壓速凍、酒類的催陳等方面，而且其應用前景相當廣闊。自1991 年4 月世界上第一號高壓食品果醬（七個風味系列）問世，食品超高壓處理技術蓬勃發(fā)展，被稱為“食品工業(yè)的一場革命”，可被應用于所有含液體成分的固態(tài)和液態(tài)食品，

16、如水果、蔬菜、奶制品等。而且，日本、美國的一些果汁飲料廠家已經開始利用這項新技術。下面是超高壓技術在食品加工中的應用實例：   超高壓技術在果蔬產品加工中的應用：超高壓技術在食品工業(yè)中最成功的應用就是果蔬產品的加工，主要用于該類產品的殺菌作用。日本、美國的一些果汁飲料廠家已經開始利用這種新技術。經過高壓處理的果汁可達到商業(yè)無菌狀態(tài)，處理后果汁的風味、組成成分都沒有發(fā)生改變，在室溫下可以保持數月。   食品的品質和風味改良與新產品開發(fā)：根據高壓能改變食品物料的某些物性的原理，進行葡萄柚汁的去苦、增加蛋白質食品的凝膠特性與氣泡性等功能，可

17、使肉類變得松軟可口；高壓還可以使食品中的有害蛋白質、一些酶和毒素失活，保持食品安全性，食品營養(yǎng)價值不變。高壓技術已經應用于：處理柑橘苦味和熱臭味、處理淀粉的糊化、產生新的質構、處理胡蘿卜、處理大蒜、肉的嫩化以及制抗過敏奶粉等。   控制酶反應和滅酶：對酶的影響不同于對微生物的影響，除了使酶失活外，還可以使某些在常壓下受抑制的酶激活，從而提高酶的活性，其中有些對產品是有利的。高壓也可以加快某些在常壓下反應緩慢或不發(fā)生的反應，現在較為成功的是果汁和生酒等在保藏期控制酶發(fā)生的渾濁和品質惡化。   高壓速凍和不凍冷藏：高壓速凍可有效的提高凍結

18、速度，縮短冷凍時間，從而產生盡可能小的冰晶，避免冰晶組織產生不可逆破壞和變性。高壓解凍可以被認為是高壓凍結的逆過程，通過高壓使食品中的冰晶融化，然后再提高融化的溫度，使食品的溫度達到常壓時的凍結點之上，完成解凍過程。高壓解凍比常壓解凍時間縮短13，汁液流失少，色澤鮮艷度稍有增加。   在肉制品加工方面的應用：肉類等經過高壓處理能殺滅肉類中的細菌，包括大腸桿菌、綠膿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、腸菌等，不損壞維生素等營養(yǎng)成分及風味，改善肉組織。   在魚制品方面的應用：日本大洋漁業(yè)公司研究所采用超高壓技術生產魚糕，在殺菌后其口感、風味都比較理

19、想，彈性增加。同時，超高壓技術也用在制作魚醬中，其產品的感觀評價優(yōu)于普通魚醬。   在乳制品方面的應用：目前，超高壓在乳制品中的應用主要集中在對干酪的影響和酸乳的影響。   在烹調方面的應用：把加壓后的玉米用水煮，具有米香味，此外，陳米經過超高壓處理，煮出來的米飯與新米一樣可口：HAYASHIRIKIMARU 等研究高壓處理雞蛋；德國M N Eestiaghi 等用高壓處理馬鈴薯。應用于保健品的加工：采用超高壓技術可以大大縮短營養(yǎng)成分的提取時間，保健食品一般含有較高的熱敏性營養(yǎng)保健成分，同一種功能性保健食品，用超高壓技術進行加工，比熱加工營養(yǎng)成分提高30%左右。當然，任何事物都具有其兩面性。由于超高壓是基于對食品主成分水的壓縮效果，它是利用帕斯卡定律，因此對于不適合這一定律的干燥食品、粉狀或粒狀食品，不能采用超高壓處理技術；由于超高壓下食物