超高壓殺菌技術(shù)的研究與應用

超高壓殺菌技術(shù)的研究與應用

uh1200技術(shù)也被稱為靜水壓技術(shù)，也被稱為uh1200技術(shù)。此外，它還被稱為超高壓殺菌技術(shù)（uh）。超高壓殺菌是指將密封于柔性容器內(nèi)的食品置于壓力系統(tǒng)中,以水或其他液體作為傳壓介質(zhì),采用100MPa以上的壓力處理食品,以達到殺菌、滅酶和改善食品功能特性的目的。由于超高壓殺菌技術(shù)實現(xiàn)了常溫或較低溫度下殺菌和滅酶,保證了食品的營養(yǎng)成分和感官特性,因此被認為是一種最有潛力和發(fā)展前景的食品加工和保藏新技術(shù),并被譽為“食品工業(yè)的一場革命”、“當今世界十大尖端科技”等。目前,超高壓滅菌技術(shù)廣泛的應用于含液體成分的固態(tài)食品或液態(tài)食品的殺菌,如蔬菜、水果、奶類產(chǎn)品、肉類產(chǎn)品、醬油等的殺菌。但目前存在的最大難題是超高壓設備設計相當困難,以及超高壓設備和大流量的高壓泵系統(tǒng)制造費用非常昂貴等。1國外高壓食品的研究與開發(fā)對食品高壓殺菌處理最早的報道是1895年Roger報道的高壓對微生物的作用。1899年Hite發(fā)現(xiàn)了高壓處理牛乳和果汁等能延長其保存期,但他的研究工作并未引起人們的關(guān)注。1914年,美國物理學家P.W.Briagman正式提出了食品超高壓加工技術(shù),他報道了靜水壓500MPa下卵蛋白變性凝固,700MPa下形成凝膠,但在之后的較長時間內(nèi)這一現(xiàn)象并未應用到食品工業(yè)中,直到1986年日本京都大學林立丸助教發(fā)表了高壓食品加工的研究報告后才引起了高壓食品研究的熱潮。1991年日本明治屋食品公司運用這一技術(shù)生產(chǎn)出了世界上第一種高壓果醬食品,并取得了良好的試售效果,被稱為21世紀食品。1998年,美國市場出現(xiàn)了高壓食品鱷梨醬。法國ULTI公司利用高壓生產(chǎn)桔汁和釉汁。目前,日本、美國和歐洲等國家在高壓食品的研究和開發(fā)方面走在了世界前列。我國主要是在果蔬、乳類、肉類等滅菌方面超高壓技術(shù)研究和應用的較多。2壓力對微細胞的影響微生物的熱力致死是由于細胞膜結(jié)構(gòu)變化、酶失活、蛋白質(zhì)變性、DNA損傷等主要原因引起的。而超高壓是破壞氫鍵之類弱結(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,以及使菌體內(nèi)成分產(chǎn)生泄露和細胞膜破裂等多種菌體損傷。高壓會影響細胞的形態(tài)。細胞內(nèi)含有小的液泡、氣泡和原生質(zhì),這些液泡、氣泡和原生質(zhì)的形狀在高壓下會變形,從而導致整個細胞的變形。研究表明,細胞內(nèi)的氣體空泡在0.6MPa壓力下會破裂。埃希氏大腸桿菌的長度在常壓下為1μm~2μm,而在40MPa下為10μm~100μm。高壓對細胞膜和細胞壁也有一定的影響。在壓力作用下,細胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。加壓對細胞膜常常表現(xiàn)出通透性的變化和氨基酸攝取的受阻。當壓力為20MPa~40MPa時,細胞壁會發(fā)生機械性斷裂而松懈;當壓力為200MPa時,細胞壁會因遭到破壞而導致微生物的細胞死亡。壓力對微生物的抑制作用還可能是由于壓力引起主要代謝酶或蛋白質(zhì)的失活。眾所周知,酶是有催化活性的一類特殊蛋白質(zhì),是由多種氨基酸以肽鍵結(jié)合形成鏈狀的高分子物質(zhì)。酶蛋白的高級構(gòu)造除共價鍵外,還有離子鍵、疏水鍵、氫鍵和二硫鍵等較弱的鍵。當?shù)鞍踪|(zhì)經(jīng)高壓處理后,其離子鍵、疏水鍵會因體積的縮小而被切斷,從而導致其立體結(jié)構(gòu)崩潰,蛋白質(zhì)變性,酶失活。一般來說,100MPa~300MPa壓力下引起的蛋白質(zhì)變性是可逆的,但當壓力超過300MPa時,蛋白質(zhì)變性是不可逆的。同樣,凡是以較弱的結(jié)合構(gòu)成的生物體高分子物質(zhì),如核酸、脂肪、糖類等物質(zhì)都會受到超高壓的影響,從而使生物體的生命活動受到影響甚至停止,這就是高壓處理可達到殺菌目的的機理。3不同食品對象的處理條件對食品感官處理效果的影響在超高壓殺菌過程中,由于食品成分和組織狀態(tài)十分復雜,因此要根據(jù)不同的食品對象采取不同的處理條件。一般,影響超高壓殺菌的主要因素有:壓力大小、加壓時間、加壓溫度、pH、水分活度、食品成分、微生物生長階段和微生物種類等。3.1超高壓對發(fā)酵的影響在一定范圍內(nèi),壓力越高,殺菌效果越好。在相同的壓力下,殺菌時間越長,殺菌效果也越好。300MPa以上的壓力會使細菌、霉菌、酵母菌滅活,病毒在較低的壓力下就會失去活力。非芽孢菌在300MPa~600MPa時就可全部致死,芽孢菌在1000MPa壓力下仍可存活。池元斌等人研究了超高壓對鮮牛奶中細菌的影響,鮮牛奶中細菌菌落尺寸取決于加工壓力的高低以及加壓時間的長短。加壓時間越長,壓力越大,細菌菌落直徑越小。3.2溫度和中溫協(xié)同作用溫度是影響微生物生長代謝最重要的環(huán)境因素,在低溫或高溫下,超高壓對微生物的影響加劇。大多數(shù)微生物在低溫下的耐壓程度降低,這主要是由于壓力使得低溫下細胞內(nèi)因冰晶析出而破裂的程度加劇,所以低溫對超高壓殺菌有促進作用。加壓熱殺菌可以減少加熱時間或降低殺菌所需的溫度;同時,適當?shù)闹袦匾矔p少加壓所需的時間和強度。因此,在溫度的協(xié)同作用下,超高壓殺菌效果可大大提高。Havakawa報道,800MPa,60min,在60℃條件下可將嗜熱芽孢桿菌的數(shù)量從106個/mL降到102個/mL,而在室溫下同樣的壓力和時間,菌落則不會發(fā)生變化。3.3pH在壓力作用下,介質(zhì)的pH會影響微生物的生長。據(jù)報道,一方面壓力會改變介質(zhì)的pH,且逐漸縮小微生物生長的pH范圍。另一方面,在食品允許范圍內(nèi),改變介質(zhì)pH,使微生物生長環(huán)境劣化,也會加速微生物的死亡速率使超高壓殺菌時間縮短或降低所需壓力。大腸桿菌在常壓下,pH4.9和pH10.0,生長受到抑制;在27.2MPa下,pH5.8和pH9.0,生長受到抑制;在34.0MPa下,pH6.0和pH8.7,生長受到抑制。3.4低水分活度對酵母粉水分活度的影響水分活度(Aw)對高壓殺菌效果影響也很大。J.J.Rodriguez通過研究證明了水分活度對殺菌效果有顯著的影響作用,其影響作用因壓力大小而異,當壓力為414MPa時,水分活度從0.99降至0.91,殺菌作用減弱。低水分活度產(chǎn)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。因此水分活度大小對微生物抵抗壓力非常關(guān)鍵,對于固體與半固體食品的超高壓殺菌,應充分考慮水分活度的重要性。3.5其他化學成分由于食品成分十分復雜,因而對高壓殺菌的影響情況也很復雜。通常食品中富含高鹽高糖時,其殺菌速率會出現(xiàn)減慢趨勢。富含蛋白質(zhì)、油脂的食品高壓殺菌較困難,但添加適量的脂肪酸酯、糖酯及乙醇后,加壓殺菌效果會增強。在高壓下,食品的化學成分對殺菌效果有明顯的影響。蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類對微生物具保護作用;強化的培養(yǎng)基因富含可供細菌利用的氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質(zhì),從而對細菌在超高壓下具有很好的保護作用。另外,食品基質(zhì)所含的添加劑組分對超高壓滅菌也有很大的影響。3.6革蘭氏陽性菌的耐壓性超高壓殺菌效果還與微生物的種類和生長階段有關(guān)。革蘭氏陰性菌的細胞膜結(jié)構(gòu)復雜且易受壓力等環(huán)境條件的影響發(fā)生結(jié)構(gòu)變化;而革蘭氏陽性菌的耐壓性較強。芽孢類細菌比非芽孢類細菌的耐壓力強。當壓力超過100MPa時,許多非芽孢細菌都失去活性,但芽孢細菌則可在高達1200MPa下存活。因此,殺滅芽孢細菌應需更高的壓力,并適當結(jié)合其他處理方式。微生物在不同的生長階段其對壓力的耐受性不同。研究表明,微生物在生長期,特別是對數(shù)生長期對壓力很敏感。4高壓殺菌技術(shù)傳統(tǒng)的加熱殺菌法處理食品,易造成食品中熱敏性營養(yǎng)成分的破壞,且會發(fā)生食品變褐和產(chǎn)生蒸煮味等,而采用高壓殺菌技術(shù)處理食品,在滅菌的同時較好的保持了食品原有的色、香、味及營養(yǎng)成分。高壓對食品中營養(yǎng)成分的影響主要有以下幾個方面。4.1超高壓處理魚糜的保鮮機理高壓可使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫鍵、離子鍵、疏水鍵等破壞,使蛋白質(zhì)變性。許鐘等人對魚肉蛋白進行高壓處理,發(fā)現(xiàn)魚肉蛋白質(zhì)變性的壓力比其他蛋白質(zhì)低很多。在300MPa~400MPa壓力下處理魚糜可得到具有高彈性、透明和具光澤的凝膠,保持致密的組織性,且放于低溫下,彈力會進一步增強。酶是蛋白質(zhì),超高壓處理對食品中各種酶的活性也有影響。經(jīng)超高壓處理水產(chǎn)品中的蛋白酶、酪氨酸酶等失活,可減緩酶促褐變和降解反應。一般,壓力在350MPa以下范圍內(nèi),隨著壓力的提高酶活逐漸下降,但壓力高于350MPa時,酶活又有所回升,這種現(xiàn)象可能與酶分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活性部位的構(gòu)象有關(guān)。4.2對淀粉的分子發(fā)生了改變超高壓可使淀粉改性。常溫下加壓到400MPa~600MPa可使淀粉酶糊化而呈透明的粘稠狀物,且吸水量也發(fā)生改變。其原因是壓力可使淀粉分子的長鏈斷裂,分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。根據(jù)研究報道,對蜜蜂進行高壓殺菌處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在微生物致死的情況下,對糖類幾乎沒有影響。馬成林等研究了玉米淀粉超高壓糊化后的凍融穩(wěn)定性和色澤變化,并和熱糊化淀粉的老化特性和色澤變化做了比較,發(fā)現(xiàn)超高壓處理完全糊化的淀粉凍融穩(wěn)定性和色澤較好。4.3高壓對油脂是可逆油脂對壓力耐受力較低,常溫下加壓到100MPa~200MPa,基本上變成固體,但高壓對油脂是可逆的。壓力解除后,固體仍能恢復到原狀。Wong利用拉曼(Roman)紅外光譜儀研究了很多種脂類狀態(tài)的變化,發(fā)現(xiàn)主要臨界溫度在壓力每升高100MPa時,升溫20℃,且呈直線關(guān)系。由此可見,高壓對脂類的影響是很明顯的。4.4食品中的其他成分的影響高壓對食品中風味物質(zhì)、維生素、色素及各種小分子物質(zhì)幾乎沒有影響,因此可廣泛適用于各類食品的生產(chǎn)。5國內(nèi)外食品加工中使用的超高壓消毒技術(shù)5.1采用超高壓技術(shù)生產(chǎn)果醬超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中最成功的應用就是用于果蔬產(chǎn)品的滅菌。在生產(chǎn)果醬中,采用超高壓技術(shù)不僅使水果中的微生物殺死,而且還可簡化生產(chǎn)工藝提高產(chǎn)品品質(zhì)。日本明治屋食品公司采用超高壓技術(shù)生產(chǎn)果醬,如草莓醬、蘋果醬等。他們采用室溫下以400MPa~600MPa的壓力對軟包裝果醬處理10min~30min,所得產(chǎn)品具有良好的新鮮口味、顏色和風味。日本、美國等一些國家也紛紛開發(fā)超高壓技術(shù)用于生產(chǎn)果蔬汁。經(jīng)超高壓處理的新鮮果蔬汁顏色、風味、營養(yǎng)成分和未經(jīng)超高壓處理的新鮮果蔬汁幾乎沒有任何差別。5.2高壓技術(shù)取代熱處理超高壓殺菌處理乳制品與傳統(tǒng)的加熱殺菌乳制品比較,可以很大程度的保留食品內(nèi)的營養(yǎng)成分和原有風味,且殺菌時間較短,不產(chǎn)生毒性物質(zhì)。但由于有些技術(shù)還不完善,如果用高壓技術(shù)取代熱處理尚需做進一步的研究。研究證實,100MPa~600MPa的高壓作用5min~10min可以使奶中的細菌和酵母菌減少直至殺滅,但孢子對壓力有一定的耐受性,需要更高的壓力,配合溫度處理則可實現(xiàn)完全滅菌。5.3基本滅活細菌在常溫下,對肉制品進行超高壓滅菌,革蘭氏陰性細菌和酵母菌在400MPa左右的壓力下基本滅活;革蘭氏陽性細菌則需600MPa壓力可基本滅活,但孢子類細菌則較難滅菌。對豬肉和牛肉進行400MPa,20min的超高壓處理,發(fā)現(xiàn)他們的嫩度、風味、色澤及成熟度方面均得到改善,而且保質(zhì)期也大大延長了。5.4不同其他加工工藝對水產(chǎn)品品質(zhì)的影響水產(chǎn)品加工不同于其他食品,不僅要求保持水產(chǎn)品原有的風味、色澤,還要具有良好的口感和質(zhì)地。常規(guī)加熱處理不能滿足水產(chǎn)品加工的要求。采用超高壓技術(shù)對水產(chǎn)品加工處理可保持產(chǎn)品原有的色、香、味。在600MPa下處理10min可使甲殼類水產(chǎn)品的酶完全失活,并保持了其外觀的紅色和內(nèi)部的白色,減少了細菌數(shù)量,保持了原有的鮮味。同時,高壓處理還可增大魚肉的凝膠性。5.5超高壓生酒發(fā)酵超高壓技術(shù)還可用于酒的生產(chǎn),生酒(生啤酒、生果酒等)經(jīng)約400MPa的超高壓處理,將酒中的所有酵母菌及其他部分菌類殺死,從而得到具生酒風味,且能長期保存的超高壓生酒產(chǎn)品。超高壓技術(shù)用于催陳黃酒的研究表明,黃酒經(jīng)高壓處理后色澤和風味不變,酸度基本不變,揮發(fā)酯含量提高20%左右,呈苦、澀味的氨基酸比例下降,呈甜、鮮味的氨基酸比例上升,使得黃酒味更加鮮甜、醇和、爽口,醇香更加濃郁。5.6食品物料冷凍解凍超高壓在速凍、高壓解凍和不凍冷藏方面也有良好的應用。利用高壓條件下冰點下降和壓力瞬間傳遞的原理可實現(xiàn)食品物料的快速冷凍,避免了物料組織的變性和破壞,真正實現(xiàn)了速凍。同樣,在食品物料解凍時也可以采用高壓降低溶點的方法,避免了常壓下外部升溫解凍時間長和受熱不均勻而造成的營養(yǎng)損失和品質(zhì)變化的缺點。這種