食品超高壓加工技術(shù).ppt

1、第五章 食品超高壓加工技術(shù),1 概述 2 超高壓對(duì)食品中各種成分的影響 3 超高壓對(duì)食品中微生物的影響與超高壓殺菌,一、超高壓食品研發(fā)史,1899年，美國(guó)力學(xué)家Hite發(fā)現(xiàn)450MPa下處理牛奶，可延長(zhǎng)保鮮期； 1914年，美國(guó)物理學(xué)家P.W.Biagman發(fā)現(xiàn)靜水壓下蛋白質(zhì)變性和凝固； 1986年，日本京都大學(xué)林力丸率先開展高壓食品研究； 1991年，日本開始試銷高壓1號(hào)食品果醬； 1992年，在法國(guó)召開高壓食品專題研討會(huì)；,法國(guó)、英國(guó)政府也開始資助高壓食品加工的研究，并于1993年底推出高壓殺菌鵝肝小面餅 ； 美國(guó)已將超高壓食品列為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

2、產(chǎn) ； 高壓技術(shù)在我國(guó)還處于起步、理論研究階段,超高壓技術(shù)受到制約的原因,1、超高壓食品加工技術(shù)是一種昂貴的技術(shù)； 2、 技術(shù)復(fù)雜； 3、我國(guó)食品法規(guī)規(guī)定的是以熱加工為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這就制約了以壓力為基礎(chǔ)的食品的推廣 ； 4、目前有關(guān)超高壓科學(xué)的理論與理論體系尚不完善。,二、概述,1、基本概念,超高壓： 指大于100Mpa 的壓力。 能承受超高壓的容器稱超高壓容器；把生產(chǎn)與維持超高壓的一系列技術(shù)稱超高壓技術(shù)。,2.食品超高壓技術(shù)：是將食品及食品原料包裝后密封于超高壓容器中，以水或其他流體介質(zhì)作為傳遞壓力的媒介物，在靜高壓下（一般100-1000 Mpa）和一定的溫度下加工適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，引起食品

3、成分非共價(jià)鍵（氫鍵、離子鍵、疏水作用）的破環(huán)或形成，使食品中的酶、蛋白質(zhì)、淀粉等高分子物質(zhì)失活、變性、糊化，并殺死食品中的細(xì)菌等微生物，從而達(dá)到食品的滅菌、保藏、加工的目的。,三、超高壓加工處理食品的特點(diǎn),1）根據(jù)帕斯卡原理，超高壓加工食品將受到均一的處理，壓力傳遞速度快，不存在壓力梯度（熱加工不具備此有點(diǎn)），其加工效果與食品的幾何尺寸、形狀、體積等無關(guān)。,2）食品物系是多成分的分散系，以水或油作為分散介質(zhì)，它在物系中是連通的，故稱為連續(xù)相。 3）水等液體既是分散介質(zhì)，又是壓力的均衡傳遞介質(zhì)。,超高壓處理食品的可行性,超高壓處理食品的特點(diǎn),1、營(yíng)養(yǎng)成分損失小； 2、產(chǎn)生新的組織結(jié)構(gòu)，獲得新型食

4、品； 3、超高壓殺菌可以保持食品原有的風(fēng)味； 4、利用超高壓處理技術(shù)，原料的利用率高； 5、滅菌均勻、高效、瞬時(shí)，耗能低； 6、不需向食品中加入化學(xué)物質(zhì)； 7、菌體不產(chǎn)生抗性； 8、殺菌效果穩(wěn)定； 9、改善食品質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味。,應(yīng)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(zhì)的改善 動(dòng)物蛋白的變性處理 乳產(chǎn)品的加工處理 食品高壓速凍 酒類的催陳,四、超高壓處理的原理,液體（水）在超高壓作用下被壓縮，而受壓食品介質(zhì)中的蛋白質(zhì)、淀粉、酶等產(chǎn)生壓力變性而被壓縮，生物物質(zhì)的高分子立體結(jié)構(gòu)中非共價(jià)鍵結(jié)合部分發(fā)生變化，即物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其結(jié)果是食品中的蛋白質(zhì)呈凝固狀變性、淀粉呈膠凝狀糊化、酶

5、失活、微生物死亡，或使之產(chǎn)生一些新物料改性和改變物料某些理化反應(yīng)速度，故可長(zhǎng)期保存而不變質(zhì)。,五、超高壓對(duì)食品成分 與品質(zhì)的影響,1.超高壓對(duì)食品基本成分的影響 （1）超高壓對(duì)蛋白質(zhì)的影響 壓力導(dǎo)致：鹽鍵及至少部分疏水鍵的破壞 氫鍵在某種程度上得到加強(qiáng) 共價(jià)鍵的可壓縮性較小，對(duì)壓力的變化不敏感,對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響：至今未見報(bào)道 對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響： （1）較低壓力下二級(jí)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。（例：羧肽酶抑制劑400Mpa下保持穩(wěn)定），在非常高的壓力下（700Mpa），二級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，導(dǎo)致不可逆變性。 （2）-螺旋對(duì)壓力處理相對(duì)敏感，而-片層，-轉(zhuǎn)角相對(duì)穩(wěn)定。 （3）二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變除取決于壓力強(qiáng)度，還取

6、決于加壓時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間加壓影響更大。,對(duì)三、四級(jí)結(jié)構(gòu)的影響： 1）小于150 Mpa時(shí)，有利于低聚體蛋白的離解，且通常伴隨體積的減小。 2）高于150-200 Mpa的壓力會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的伸展和離解的低聚體亞基的重新組合。 3）在200 Mpa以上的壓力，可觀察到三級(jí)結(jié)構(gòu)的顯著變化,超高壓（700 MPa）對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)無影響，有利于二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但會(huì)破壞其三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 超高壓迫使蛋白質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)伸展，分子從有序而緊密的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序而松散的構(gòu)造，或發(fā)生變形，活性中心受到破壞，失去生物活性； 高壓破壞蛋白質(zhì)膠體溶液，使蛋白質(zhì)凝集，形成凝膠。,UHP對(duì)生成蛋白質(zhì)凝膠的影響 蛋白質(zhì)加熱變性時(shí)

7、，在高溫條件下，蛋白質(zhì)分子混亂形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，造成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不致密，不均勻，還可能使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞，形成大的空洞，從而形成粗糙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其凝膠強(qiáng)度。 UHP條件產(chǎn)生的凝膠強(qiáng)度比熱凝膠要高，并且濃稠，柔滑，致密精細(xì)，彈性好，且能保持天然的色澤及香味 但蛋白質(zhì)溶液需達(dá)到一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能形成凝膠，且隨溫度，壓力增高而增高,應(yīng)用于食品加工處理和保藏的范圍： 通過解鏈和聚合對(duì)質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重組 通過解鏈、離解或蛋白質(zhì)水解提高肉的嫩度 通過解鏈鈍化毒物和酶 通過解鏈增加蛋白質(zhì)食品對(duì)蛋白酶的敏感度，提高可消化性和降低過敏性 通過解鏈增加蛋白質(zhì)結(jié)合特種配基的能力，增加分子表面疏水特性，能夠結(jié)合風(fēng)味

8、物質(zhì)、色素、維生素、無機(jī)化合物和鹽等,（2）超高壓對(duì)食品中酶的影響 酶受到高壓作用后，維持其空間結(jié)構(gòu)的鹽鍵、氫鍵、疏水鍵等遭到破壞，從而使肽鍵分子伸展成不規(guī)則的線形多肽，使其活性部位不復(fù)存在，導(dǎo)致了酶的失活 在100200 MPa的壓力下酶的失活是可逆的，壓力達(dá)到350 MPa以上時(shí)，會(huì)使酶產(chǎn)生永久性的不可逆失活,UHP對(duì)酶活性的影響主要是通過酶與底物的構(gòu)象和性質(zhì)而起作用，對(duì)酶促反應(yīng)可產(chǎn)生兩種結(jié)果: 1）抑制：UHP對(duì)維持酶蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵（鹽鍵，氫鍵、疏水鍵等）的破壞，導(dǎo)致酶活中心改變或喪失，而失活。 2）促進(jìn)：在較低壓力下酶活性的上升被認(rèn)為是壓力產(chǎn)生的凝聚作用，完整的組織中酶與底物常

9、常被隔離，而較低的壓力可破壞這種隔離，使酶與底物相接觸，加速酶促發(fā)應(yīng)。,每種酶都存在最低失活壓力，低于這個(gè)壓力酶就不會(huì)失活，當(dāng)超過這個(gè)壓力時(shí)（在特定時(shí)間內(nèi)）酶的失活速度會(huì)加速，直到完全失活 對(duì)于一些酶又存在一個(gè)最高壓力，高于此壓力并不會(huì)導(dǎo)致酶的額外失活 在相等的處理時(shí)間下，應(yīng)用循環(huán)脈沖壓力處理可以改善酶的失活,（3）超高壓對(duì)淀粉的影響 在常溫下把淀粉加壓到400600MPa，并保持一定的作用時(shí)間后，淀粉顆粒將會(huì)： 溶脹分裂； 晶體結(jié)構(gòu)遭到某種程度的破壞； 內(nèi)部有序態(tài)分子間的氫鍵斷裂，分散成無序的狀態(tài)，即淀粉糊化為-淀粉,與熱處理相比，超高壓對(duì)淀粉的作用特點(diǎn)為： 1）高壓使淀粉粒膨脹卻不破裂；

10、2）超高壓所致完全糊化的淀粉無老化現(xiàn)象，而超高壓所致的未完全糊化的淀粉有老化現(xiàn)象； 3）低于700 MPa的壓力時(shí)淀粉不會(huì)產(chǎn)生類似熱加工的變色。,超高壓可改善陳米的品質(zhì)： 陳米在20吸水潤(rùn)濕后在50300MPa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(shí)光澤和香氣也得到改良。還可縮短煮制時(shí)間,（4）超高壓對(duì)脂類的影響 高壓對(duì)脂類的影響是可逆的，室溫下呈液態(tài)的脂肪在高壓下（100200MPa）基本可固化。 發(fā)生相變結(jié)晶，促使更稠、更穩(wěn)定的脂類晶體形成；不過解壓后仍會(huì)復(fù)原。,UHP對(duì)油脂氧化的影響： （1）Aw在0.400.55范圍時(shí)，UHP使油脂氧化速度加快

11、。金屬離子可能有促進(jìn)作用。 （2） Aw不在上述范圍，結(jié)果相反。且溫度對(duì)該氧化速度有影響。,（5）超高壓對(duì)維生素的影響 一般情況下，還原型維生素C含量經(jīng)高壓處理后出現(xiàn)了下降和上升兩種情況 Fe3+對(duì)于維生素C的降解起著重要作用，在高壓下會(huì)更加明顯 Cu2+的存在，在高壓下會(huì)激活銅酶，銅酶是維生素C降解的重要酶類之一,在高壓作用下，氧化型維生素C可能會(huì)轉(zhuǎn)變成還原型維生素C 總體來看，無論上升還是下降，其幅度都很小，可以認(rèn)為高壓處理對(duì)維生素C的影響很小,（6）高壓對(duì)風(fēng)味物質(zhì)、色素等的影響 食品中的風(fēng)味物質(zhì)、維生素、色素及各種小分子物質(zhì)結(jié)合狀態(tài)為共價(jià)鍵的形式，故而高壓處理過程對(duì)其幾乎沒有任何影響 食

12、品的黏度、均勻性及結(jié)構(gòu)等特性對(duì)高壓較為敏感，但這些變化往往是有益的,2.超高壓對(duì)具體食品品質(zhì)的影響 （1）果蔬原料 高壓處理后，果蔬風(fēng)味、色澤與營(yíng)養(yǎng)均保持較好,臍橙、葡萄柚榨汁后其果汁經(jīng)高壓處理能有效地抑制苦味的產(chǎn)生 對(duì)加熱后會(huì)失去特有色澤、芳香或產(chǎn)生褐變的果汁最好也采用高壓殺菌技術(shù) 超高壓可對(duì)胡蘿卜和大蒜品質(zhì)進(jìn)行保持和改善,（2）動(dòng)物性原料 高壓處理用于肉的品質(zhì)改善 肉類等經(jīng)高壓處理能殺滅肉類細(xì)菌，不損壞維生素等營(yíng)養(yǎng)成分及原風(fēng)味，改善肉組織,高壓嫩化機(jī)理 機(jī)械力作用使肌肉肌纖維內(nèi)肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的結(jié)合解離，肌纖維蛋白崩解和解離成小片段，造成肌肉剪切力下降 壓力處理使肌肉中內(nèi)源蛋白酶鈣激活酶

13、的活性增加，加速肌肉蛋白水解，加快肌肉成熟。,改善魚制品品質(zhì) 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 （3）淀粉質(zhì)原料的品質(zhì)改良 通過高壓處理，可使陳米的品質(zhì)改良。還可縮短煮制時(shí)間,（4）控制食品中酶反應(yīng)和滅酶 高壓除了使酶失活外，還可以使某些在常壓下受到抑制的酶激活，提高一些酶的活性 高壓也可以加快某些在常壓下反應(yīng)緩慢甚至不進(jìn)行的反應(yīng)。,在不同高壓條件下過氧化物酶的活力變化： 壓力在350MPa以下的范圍內(nèi)，隨著壓力的提高，酶活性逐漸下降，到350MPa時(shí)酶活力最低，但壓力高于350MPa時(shí)，酶活力又有所回升,第二節(jié) UHP對(duì)食品中微生物的影響及UHP殺菌,高壓殺菌：就是將食

14、品物料以某種方式包裝以后， 置于高壓（200MPa以上）裝置中加壓 處理，使之達(dá)到滅菌要求的目的。,一、超高壓殺菌的原理,基本原理： 高壓導(dǎo)致微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)反應(yīng)、基因機(jī)制以及細(xì)胞壁膜發(fā)生多方面的變化，從而影響微生物原有的生理活動(dòng)機(jī)能，甚至使原有功能破壞或發(fā)生不可逆變化。,（1）改變細(xì)胞形態(tài) 極高的流體靜壓會(huì)影響細(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。,（2）影響細(xì)胞生物化學(xué)反應(yīng) 按照化學(xué)反應(yīng)的基本原理，加壓有利于促進(jìn)反應(yīng)朝向減小體積的方向進(jìn)行，推遲了增大體積的化學(xué)反應(yīng)，由于許多生物化學(xué)反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生體積上的改變，所以加壓將對(duì)生物化學(xué)過程產(chǎn)生影響。,（3）影

15、響細(xì)胞內(nèi)酶活力 高壓還會(huì)引起主要酶系的失活，一般來講壓力超過300MPa對(duì)蛋白質(zhì)的變性將是不可逆的，酶的高壓失活的根本機(jī)制是： 改變分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 活性部位上構(gòu)象發(fā)生變化通過影響微生物體內(nèi)的酶，進(jìn)而會(huì)對(duì)微生物基因機(jī)制產(chǎn)生影響。,（4）高壓對(duì)細(xì)胞膜的影響 在高壓下，細(xì)胞膜磷脂分子的橫切面減小，細(xì)胞膜雙層結(jié)構(gòu)的體積隨之降低，細(xì)胞膜的通透性將被改變。 （5）高壓對(duì)細(xì)胞壁的影響 2040 MPa的壓力能使較大細(xì)胞的細(xì)胞壁因受應(yīng)力機(jī)械斷裂而松解，200MPa的壓力下細(xì)胞壁遭到破壞。 真核微生物一般比原核微生物對(duì)壓力較為敏感。,（6） UHP對(duì)微生物遺傳過程的影響 a、核酸耐受高壓遠(yuǎn)超過蛋白質(zhì) b、雖DN

16、A在高壓下穩(wěn)定，但DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶在高壓下易失活 c、超高壓直接作用于生物合成過程,二、 UHP殺菌影響因素,1、壓力大小和加壓時(shí)間、加壓方式 （1）對(duì)于非芽孢菌，壓力達(dá)300600MPa就可以全部致死，且在此范圍壓力越高殺菌效果越好，相同壓力下，殺菌時(shí)間延長(zhǎng)，殺菌效果也有一定程度提高； （2）對(duì)于芽孢菌并非壓力越高越好，殺滅的有效途徑是促使孢子發(fā)芽（300MPa以下）然后配合高溫殺菌或其它協(xié)同殺菌作用； （3）間歇式處理好于等壓連續(xù)處理（尤其對(duì)芽孢） （4）酵母菌，霉菌的耐壓性G陰細(xì)菌 G陽細(xì)菌,2、溫度 超高壓在低溫和較高溫度下殺菌效果均比常溫好。 大多數(shù)微生物在低溫下的耐壓程度降

17、低，主要是由于壓力使得低溫下細(xì)胞內(nèi)因冰晶析出而破裂的程度加劇，所以低溫對(duì)高壓殺菌有促進(jìn)作用。 對(duì)一定濃度糖液在不同溫度下進(jìn)行高壓殺菌，在同樣的壓力下，殺死同等數(shù)量的細(xì)菌，溫度高的所需殺菌時(shí)間短。,3、pH值 在壓力作用下， pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)在： a、壓力會(huì)改變介質(zhì)的pH值，且逐漸縮小微生物生長(zhǎng)的pH值范圍； b、在食品允許范圍內(nèi)，改變介質(zhì)pH，使微生物生長(zhǎng)環(huán)境劣化，也會(huì)加速微生物的死亡速率，縮短高壓殺菌時(shí)間或降低所需壓力。,4、有機(jī)酸對(duì)微生物耐壓性的影響 相同濃度，有機(jī)酸的種類不同，對(duì)加壓殺菌效果影響不大，醋酸殺菌效果略強(qiáng)于乳酸和檸檬酸。,5、Aw 對(duì)酵母細(xì)胞，Aw0.94,室溫，4

18、00MPa處理15min致死作用會(huì)受到抑制，失活不足2個(gè)數(shù)量級(jí)，Aw0.91時(shí)，幾乎沒有失活現(xiàn)象 。,6、食品組分 UHP殺菌中，由于各種食品的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，使用的壓力要求不同 （1）有實(shí)驗(yàn)表明：NaCl、蛋清、葡萄糖、豬油在不同溫度、壓力處理，均可提高微生物存活率；Pro、碳水化合物、脂類對(duì)微生物均有保護(hù)作用，AA、Vit等亦然; 高鹽高糖或Pr濃度越高，營(yíng)養(yǎng)成分越豐富，細(xì)菌對(duì)UHP耐性越大，殺菌效果下降。 （2）食品含有的一些添加劑、抑菌劑可產(chǎn)生協(xié)同殺菌效果，降低要求的殺菌壓力。,三、食品超高壓的殺菌工藝,超高壓處理工藝,壓力范圍：1001000MP 溫度范圍：20100 傳壓介質(zhì)：

19、飲用水,1.一般的超高壓殺菌工藝 固態(tài)食品：將固態(tài)食品裝在耐壓、無毒、柔韌并能傳 遞壓力的軟包裝內(nèi)，并進(jìn)行真空密封包 裝，然后置于超高壓容器中進(jìn)行加壓處理。 超高壓固態(tài)食品的關(guān)鍵處理工藝是：升壓保壓卸壓 這種方式通常為不連續(xù)式,液態(tài)食品：果汁、奶和飲料等液態(tài)食品，可以直接以 加工物料取代水等傳壓介質(zhì)（壓媒）實(shí)現(xiàn) 進(jìn)料卸料的連續(xù)化生產(chǎn)，但是必須附帶設(shè) 備預(yù)殺菌工藝。 液態(tài)食品超高壓處理的核心工藝： 升壓動(dòng)態(tài)保壓卸壓 液態(tài)超高壓食品的保壓階段極短 實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模高壓處理一般可將果汁（果醬）脫氣、密封包裝后放于高壓缸內(nèi)，用油作介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,日本果汁工藝示例,2. 分段循環(huán)間歇式超高壓處理工藝 在低酸

20、性食物中使用這種工藝可取得很好的殺菌效果； 對(duì)于易受芽孢菌污染的食物，采用超高壓多次重復(fù)短時(shí)處理，芽孢殺滅效果明顯。,低酸性食品：指內(nèi)容物達(dá)平衡后，其pH值4.6及Aw 0.85的非酒精性飲料及罐頭食品。,3. 超高壓處理與其他殺菌技術(shù)的結(jié)合 超高壓處理可以和其他殺菌方式諸如熱殺菌、輻射、超聲波、抑菌劑等聯(lián)合使用而取得好的協(xié)同效果。,4. 超高壓殺菌工藝的關(guān)鍵控制因素 影響加工工藝的關(guān)鍵因素 關(guān)鍵因素有微生物類型、菌齡、食品組分、pH和水分活度、溫度、壓力大小等 超高壓處理效果的指示菌,5、超高壓食品的包裝設(shè)計(jì),超高壓食品的包裝設(shè)計(jì) 高壓下只能用軟材料包裝 在高壓處理技術(shù)中，對(duì)包裝材料不要求其具有耐熱性，但其氣密性一定要好 對(duì)包裝材料的要求： （1）能夠傳遞壓力 （2）在高壓下不被破壞 （3）能防止高壓介質(zhì)的滲入,第三節(jié) 超高壓技術(shù)加工設(shè)備,超高壓處理設(shè)備的特點(diǎn)和要求 超高壓裝置的主要部分是超高壓容器和加壓裝置（高壓泵和增壓器等），其次是一些輔助設(shè)施，包括加熱或冷卻系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)及物料的輸入輸出裝置等。,加壓裝置,（1）超高壓處理設(shè)備應(yīng)能產(chǎn)生并承受要求的超高壓（1001000 MPa），保證安全性，有較長(zhǎng)的使用壽命，