超高壓技術在食品工業(yè)中的應用

超高壓技術在食品工業(yè)中的應用

1超高壓食品的定義隨著社會的進步，人們對食品的消費理念發(fā)生了變化，種類豐富、安全、口感簡單的食品更受喜愛。傳統(tǒng)的食品加工技術無法滿足需求。為了較好地保持食品固有的營養(yǎng)品質、質構、風味、色澤、新鮮程度,超高壓技術應運而生,被譽為“當前七大科技熱點”、“21世紀十大尖端科技”、“食品工業(yè)的一場革命”、“當今世界十大尖端科技”等。美國已將超高壓食品開發(fā)列為21世紀食品加工、包裝的主要研究項目。在我國,超高壓技術在食品工業(yè)的應用尚處于起步階段。1.1超聲技術基本原理超高壓技術,可簡稱高壓技術或靜水壓技術,常以水或其他不可壓縮的流體介質作為傳遞壓力的媒介物,在靜高壓(一般不小于100MPa,常用的范圍是100～1000MPa)和一定的溫度下加工適當的時間,引起食品成分非共價鍵(氫鍵、離子鍵和疏水鍵等)的破壞或形成,使食品中的酶、蛋白質、淀粉等生物高分子物質分別失活、變性和糊化,并殺死食品中的微生物,從而達到食品滅菌、保藏和加工的目的。超高壓技術基本原理是帕斯卡定律和LeChatelier原理2。帕斯卡定律是利用超高壓對液體的壓縮作用,即加在液體上的壓力可以瞬時以同樣大小傳到系統(tǒng)的各個部分。因此,干燥食品、粉狀食品或粒狀食品不宜采用超高壓處理。1.2國外高壓食品的研究力度越來越超高壓食品加工技術始于19世紀末,首先應用于食品殺菌。1895年,Royer進行了超高壓處理殺死細菌的研究;1899年,美國化學家BertHite發(fā)現,牛奶、果蔬和飲料中的微生物對壓力敏感,并證明高壓處理能延長食品的貨架期13。超高壓技術雖然出現了100多年,但在很長時間內沒有被實際應用。直到1986年,日本京都大學林立丸教授提出超高壓技術在食品工業(yè)中的應用,才使其成為一種可行的商業(yè)加工手段,并于1990年生產出世界第一個高壓食品——果醬15。隨后又生產出果凍、水果汁和酸乳酪等22。除日本外,美國、巴西、韓國和歐洲的許多國家都先后對高壓食品加工原理、方法和技術細節(jié)及應用前景進行了廣泛深入的研究,同時開始向市場提供高壓食品。我國學者也注意到國外超高壓技術的發(fā)展并開展了食品高壓技術的研究。2003年“超高壓低溫滅菌工藝和設備”被列入國家863計劃。1.3超聲波技術在食品加工中的作用1.3.1延長食品保水性具有冷殺菌作用,可較大程度地提高食品的食用安全性;可延長食品的保質期,滿足食品的工業(yè)化生產;可抑制酶的活性,控制酶反應的程度;可改變水的固液平衡點,用于食品的冰點下解凍和急速凍結。1.3.2對食品品質的影響可保持食品的原有色澤和風味,對色素等小分子物質的天然結構及水解產物均無影響,使美拉德反應速度減緩,多酚反應速度加快,很大程度上改變食品的口感及感官特性7;可最大限度地保存食品的營養(yǎng)成分,由于超高壓技術在中低溫條件下使用,食品中的維生素,蛋白質,脂肪能最大限度地保留下來,并且容易被人體消化吸收;以改變食品大分子功能特性為目的。超高壓可使蛋白質變性、脂肪凝固、淀粉糊化,滿足不同加工需要。1.4高壓處理超高壓食品加工具有自身的特點,表1是超高壓法與加熱法的比較。超高壓處理是一個純物理過程,是液體介質的瞬間壓縮,耗能低,加工強度均勻,環(huán)境污染少,操作時間短且安全,食品的表面和內部性質沒有變化,只是水和冰的平衡點發(fā)生了變化15,可保持食物的天然性狀不變。2超聲技術在食品加工中的應用2.1食品在高溫處理前后的品質變化超高壓技術在食品加工中最成功的應用是果蔬產品的殺菌。傳統(tǒng)的熱力殺菌方式,在保障食品微生物安全、延長貨架期等方面發(fā)揮了巨大的作用,但熱敏性食品在高溫處理后風味、色澤受到很大的影響199,功能性及營養(yǎng)成分等受到破壞,經過熱加工的新鮮產品失去了其原有的新鮮度,甚至還產生異味,與人們對食品的健康要素與最少加工的要求不相符合。2.1.1超高壓處理的草莓醬主要影響了果蔬維生素c、a、b、b、b、b、b、b、b、b、b、e和生物量對黃莓醬的影響,有Butz等233研究了超高壓對部分果蔬產品中的抗誘變物質、抗氧化物質、抗壞血酸、類胡蘿卜素等的影響,通常情況下超高壓不會引起風味物質的丟失。馬永昆458報道,果蔬維生素C、A、B1、B2、E和葉酸不受壓力的影響,超高壓處理的草莓醬能保留95%的維生素C,是熱力加工草莓醬的1.7倍。然而在果汁加工中,果汁濃度越高,超高壓殺菌效果越差12,故對濃縮果汁的加壓殺菌效果不夠理想。2.1.2超高壓殺菌處理超高壓殺菌過程復雜,受微生物種類、壓力、加壓時間、溫度、環(huán)境等影響。一般而言,壓力越高,時間越長,殺菌效果越好。但相同壓力下延長施壓時間,并不都能提高殺菌效果。大多數生物在100MPa以上受壓即死亡;300～400MPa的壓力,可殺滅細菌、酵母菌、霉菌;病毒在稍低的壓力下即失活;寄生蟲的殺滅只要低壓處理;殺滅芽孢需要較高的壓力。潘見等33,30對草莓汁、梨汁進行超高壓殺菌研究。在29℃,草莓汁中大腸菌群、霉菌和酵母菌在壓力為350MPa,分別保壓3min、10min即可全部殺滅;耐壓菌在壓力為500MPa,經保壓15min,菌群總數可降至30cfumL-1。梨汁在壓力為400MPa時,可殺滅所有的大腸菌群,霉菌和酵母菌存活量為10cfumL-1;在500MPa,保壓時間為10min,菌落總數為50cfumL-1,均達到了國家食品衛(wèi)生標準。也有研究342表明,適宜的高壓處理對果蔬汁中的沙門氏菌、李斯特菌、隱孢子蟲等病原微生物均有較強的殺滅作用。目前國外已有超高壓加工果醬、果蔬汁等產品上市。2.1.3超高壓處理對酶蛋白的影響果汁中含有的過氧化物酶導致褐變,影響產品的外觀、口感和風味,熱處理或添加抑制酶活性的化學添加劑會導致營養(yǎng)成分的損失或影響風味。超高壓處理通過改變酶蛋白的構象,即破壞維持酶空間結構的鹽鍵、氫鍵、疏水鍵等抑制酶的活性199,196。曾慶梅等201研究表明,梨汁在50℃、保壓10min、pH5、500MPa時酶的活性下降75%。2.2超高壓技術在蛋白質產品加工中的應用2.2.1液體蛋的保存期熱處理會導致禽蛋營養(yǎng)的損失。各國對液體蛋的熱處理采取了限制,美國、中國分別為60℃保持3.5min,63℃保持2.5min。熱處理的液體蛋,在2℃和9℃下的保存期分別只有12d和15d。李志義96報道,Ponce等在液體蛋中加入5mgL-1乳鏈菌肽進行超高壓滅菌,經450MPa、20℃、15min的處理,在4℃下存放一個月,仍未檢測到大腸桿菌。2.2.2超高壓對大豆溶解率的影響熱處理會使大豆分離蛋白變性200。李汴生等28以大豆分離蛋白為研究對象,發(fā)現高壓處理能改善大豆分離蛋白的溶解性和粘彈性。100～400MPa的處理可使蛋白質分子產生解聚,而400MPa的作用效果最明顯。400MPa處理15min可使其溶解率提高到46.2%。隨著大豆分離蛋白濃度的降低,超高壓對溶解度的影響更明顯24。李汴生等14采用超高壓對豆?jié){凝膠特性的影響進行研究。豆?jié){經大于200MPa的超高壓處理,點漿加熱后出現凝結時間變長,形成的豆腐持水性隨處理壓力的提高而升高,豆腐變得細膩,得率提高,這可能是因為超高壓作用使豆?jié){中蛋白質發(fā)生解聚和伸展,暴露了內部的-SH基團并促進二硫鍵的形成或交換,有利于豆?jié){中蛋白質形成較致密的網狀結構。2.3超高壓技術在食品加工中的應用乳制品含有豐富的營養(yǎng),但在飲用前必須殺菌。傳統(tǒng)的熱力殺菌雖然也能保證飲用安全,但是會破壞其營養(yǎng)成分。2.3.1細菌致病性測定王蕊51報道,生鮮牛奶在14℃、430MPa下施壓15min,能殺死細菌總數的99.5%,殘存活菌數小于2×103cfumL-1,低于我國消毒牛奶衛(wèi)生標準一個數量級;牛奶中大腸桿菌在20℃、100MPa施壓5min,死亡率達70%以上。美國喬治亞州大學Toledo教授使用雙缸殺菌器處理的高壓牛奶可以4個月保持新鮮45。2.3.2超高壓處理對乳液殺菌及酸乳酸乳品質的影響超高壓處理使酪蛋白膠粒直徑變小,乳蛋白表面暴露的疏水性基團增加,引起乳清蛋白變性,使其進入凝塊,從而使干酪產量增加,尤其是使其保水性增強。超高壓處理對脫脂牛乳殺菌作用明顯,殺菌效應在壓力撤除后仍存在,并且超離心沉淀物水化度增大,黏度增加,最佳壓力-時間組合是420MPa-10min215。利用超高壓還可以大大加速奶油中脂肪的結晶速度和提高酸乳產品的質量223。超高壓處理乳品也存在一些副作用31,高壓處理使牛乳分散光的能力下降,使牛乳的透明度上升,在脫脂乳中最為明顯,但對均勻度好的全乳無亮度影響。2.4肉的保鮮處理肉制品在包裝后利用超高壓處理,可防止產品的二次污染,改善肉的嫩度,保持肉制品原有的風味、成分、營養(yǎng)價值和色澤,殺死肉制品中常見的酵母菌、大腸桿菌等,達到商業(yè)無菌的要求31。2.4.1組織狀態(tài)觀察對廉價質粗的牛肉進行常溫250MPa處理,可嫩化牛肉。雞肉、魚肉經300MPa、10min處理,可得到類似于輕微烹飪的組織狀態(tài)61。目前,日本、歐洲、韓國等國采用超高壓處理食品,日本高壓處理的牛肉肉質鮮嫩并富有彈性,出口歐美很受歡迎249。2.4.2提高肉制品的保水性超高壓處理由于使分子間距增大和極性區(qū)域暴露,使肉品的保水性提高,改善了肉制品的出品率。雀巢公司研究表明,用2000MPa高壓處理豬的臀腿肉,再用鹽水注射,可將肉的出品率提高0.7%～1.2%249。2.4.3解凍豬肉1超高壓使水的冰點明顯下降,例如,200MPa水在-20℃仍是液態(tài),從而可在低溫下保持食品的原有狀態(tài),通過加壓也能把肉制品在短時間內解凍129。2.4.4凝膠的形成機理火腿和香腸的彈性及持水性主要是由鹽溶性蛋白質加熱后產生的凝膠形成的。在含鹽量低于2%時,不易形成凝膠狀,使用高壓處理可以獲得含鹽量低于2%,凝膠性良好的低鹽肉制品39。2.5超高壓技術在其他食品加工中的應用2.5.1冷凍損傷的產生蔬菜、水果、豆腐、魔芋、瓊脂凝膠等水分含量多的食品在常壓下凍結時,會產生冷凍損傷,解凍后汁液流失嚴重。利用超高壓可以使水在0℃以下不結冰,把此種狀態(tài)下不結冰的食品迅速解除壓力,可對食品實現速凍,所形成的冰晶體也很細微。2.5.2超高壓處理水產品的加工較為特殊,要求具有水產品原有的風味、色澤、良好的口感與質地。常用的熱處理、干制處理均不能滿足要求。研究表明61,超高壓處理可保持水產品原有的新鮮風味。日本大洋漁業(yè)公司研究所,將狹鱈魚糜裝入乙烯袋,放入水中,從四周均勻加壓到400MPa,保壓10min,制成的魚糕,咀嚼感堅實,破壞強度達1200g,魚糕彈性比原來產品(加熱90℃,保持30min)高出50%232。2.5.3超高壓生酒液酵母菌人日本研制了一種渾濁型生酒,把生酒經400MPa處理,將所有酵母菌及其他菌殺死,得到具有生酒風味且能長期保存的超高壓生酒。西北農林科技大學采用超高壓處理新鮮紅葡萄酒,發(fā)現超高壓處理對葡萄酒有催陳作用。2.5.4茶品質的下降綠茶的傳統(tǒng)加工采用瞬間加熱殺菌法,導致茶品質的下降。超高壓殺菌,較好地保持綠茶特有的爽口、清香風味,有通透的水色,幾乎不會使綠茶的品質和功能有任何變化24。2.5.5玉米淀粉糊化法馬成林等72采用差熱掃描量熱法對玉米在不同壓力及保壓時間下的糊化度進行測試。700MPa,保壓2min可使86.8%的玉米淀粉糊化,達到一般食品加工要求;隨壓力增加,保壓時間延長,玉米糊化度提高,保壓5min,可使玉米淀粉100%糊化。陳米在20℃吸水潤濕后在50～300MPa處理10min,再按常規(guī)煮制成飯,其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范圍,同時光澤和香氣也得到改良,還可縮短煮制時間247。3開發(fā)新型食品加工技術,拓展超高壓技術領域日本在超高壓食品技術的研究和應用方面處于國際領先水平,美國、歐洲等國比較先進,超高壓食品技術在我國的研究和應用還處于起步階段。制約我國食品超高壓技術發(fā)展的因素有15,17:食品超高壓設備投資巨大;超高壓技術復雜,涉及工程材料、機械制造、物理、化學、生物等多學科和領域;我國相關的食品法規(guī)是采用以熱加工為基礎的標準參數;食品超高壓設備的工作容器較小,批處理量