超高压技术在食品工业中的应用毕业论文.doc

超高压技术在食品工业中的超高压技术在食品工业中的应用应用 目录目录 毕业论文（设计）任务书I 开题报告II 摘要 1 前言 1 1 超高压技术-定义 .1 2 超高压技术-类型 .1 2.1 超高静压技术.1 2.2 超高压水射流技术.2 2.3 等静压技术.2 2.4 超高压水刀.2 2.5 超高压灭菌技术.2 3 超高压技术对食品中微生物的影响.3 4 超高压对食品中酶的影响4 4.1 超高压对过氧化物酶的影响4 4.2 超高压对多酚氧化酶的影响4 5 超高压技术-典型应用5 5.1 在乳制品中的应用.5 5.2 在肉制品中的应用.6 6 小结.6 II 参考文献8 致谢 9 I 开题报告开题报告 1 1 研研究究背背景景 超高压加工是一个物理过程，在加工过程中使形成生物体结构的氢键、离 子键以及疏水键等非共价键结合发生变化，导致酶失活、微生物被杀死，但对 食品中的色素、维生素、氨基酸、多肽等以共价键结合的小分子物质的破坏作 用较小，所以有着完好保留食品中的营养物质，保持食物自然风味、增长食物 保质期、节约能源、食品卫生安全性高、有利环保等优点，经超高压处理的食 品，符合现代食品“天然、营养、卫生、安全”的发展方向，是一种有着很好 发展前景的食品加工技术。 2 2、研究内容、研究内容 （1）超高压技术的定义、种类 （2）超高压在食品工业中的应用 3 3目目的的和和意意义义 随着超高压技术和超高压装置的日趋完善，超高压食品或保健品必将风靡 全球。可以相信，以当今超高压食品科学技术与传统中华饮食文明相结合，必 将为人类翻开食品加工历史的新一页，使食品加工业由传统的单一“热”处理 为主跨入“热” ， “压”并举的新时代。抓住机遇，加快超高压技术的研究与应 用，必将提高我国食品在国际食品市场上的竞争力 4 4研研究究方方法法 通过查阅资料对超高压技术及其在食品工业中的应用进行了综述。 5 5 计计划划进进度度 （1）2011 年 6 月 15 日-2011 年 6 月 20 日 下达毕业论文设计任务书。 （2）2011 年 7 月 21 日-2011 年 7 月 25 日 指导教师审核开题报告。 （3）2011 年 7 月 25 日-2011 年 10 月 10 日 整理资料、撰写、修改论 文。 （4）2011 年 10 月 19 日-2011 年 10 月 20 日 论文完成定稿。 1 超高压技术在食品工业中的应用 摘要摘要：研究证明应用超高压技术加工食品与传统的热加工技术相比，既可以有 效地达到杀菌和灭活酶的目的，又能良好地保持原有的营养成分。本文综述了 超高压技术对食品中微生物、酶的影响，并对超高压灭活微生物、钝化食品酶 的机制进行了阐述，最后对超高压食品加工技术的发展前景进行了展望。 关键词关键词：超高压；食品；微生物；酶 前言 传统的热加工技术虽然在食品加工中应用广泛，但是由于它存在着破坏食 物营养成分、造成能源浪费等众多问题，所以需要新的食品加工技术来克服热 加工技术的缺陷，超高压技术作为一项物理冷加工技术，恰恰顺应这一趋势， 成为近年来研究的热点。超高压加工是一个物理过程，在加工过程中使形成生 物体结构的氢键、离子键以及疏水键等非共价键结合发生变化，导致酶失活、 微生物被杀死，但对食品中的色素、维生素、氨基酸、多肽等以共价键结合的 小分子物质的破坏作用较小，所以有着完好保留食品中的营养物质，保持食物 自然风味、增长食物保质期、节约能源、食品卫生安全性高、有利环保等优点， 经超高压处理的食品，符合现代食品“天然、营养、卫生、安全”的发展方向， 是一种有着很好发展前景的食品加工技术。 1 超高压技术-定义 一般情况液体或气体压力在 0.1MPa1.6MPa 称为低压， 1.6MPa10MPa 称为中压，10100MPa 称为高压，100MPa 以上称为超高压 .本 文阐述的 UHP 技术的压力通常在 1001000MPa 或更高。而把液体或气体加 压到 100MPa 以上的技术称为 “超高压技术”（ultra-high pressure， 简 称 UHP） 2 超高压技术-类型 2.1 超高静压技术 静态超高压是指可以相对长期维持的高压强。所谓相对长期是指有足够的 时间，把压缩功所产生的热量通过热传导的方式与环境温度平衡。因此静态高 2 压是等温压缩过程。 在这个领域粉末冶金的用的等静压设备在 150630MPa， 食品杀菌在 350600MPa ，试验机型在 100MPa3GPa， 金刚石压机大都在 5GPa 以上。 世界人工超高静压是 550GPa， 超过地心最高压强 360 GPa 2.2 超高压水射流技术 普通水经过一个超高压加压器，将水加压至 413700KPa，然后通过一个细 小的喷嘴(其直径为 0.004 英寸至 0.016 英寸)，可产生一道每秒达 915 公尺(约 音速的三倍)的水箭，此道水箭可做各种表面处理及切割各种非金属物质如纸 类、纸尿裤、玻璃、纤维、海绵等。 2.3 等静压技术 等静压技术是一种利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态 下成型的超高压液压先进设备，等静压工作原理为帕斯卡定律：“在密闭容器 内的介质（液体或气体）压强，可以向各个方向均等地传递。 ” 等静压技术已 有 70 多年的历史，初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；近 20 年来，等静压 技术已广泛应用于陶瓷 铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石 墨等领域。等静压技术按成型和固结时的温度高低，分为冷等静压、温等静压、 热等静压三种不同类型。 2.4 超高压水刀 超高压水刀（水切割）的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至 60，000 PSI(或以上)并且从一小开孔通过时， 它可切割各种软质材料包括食 品， 纸张， 纸尿片， 橡胶及泡棉. 而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与 其混合时， 所产生之加砂水射流， 实际上可切割任何硬质材料包括金属， 复 合材料， 石材及玻璃. 超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如 船身清洗及汽车喷漆设备清洗 2.5 超高压灭菌技术 （HPP)食品超高压灭菌就是在密闭的超高压容器内，用水作为介质对软 包装食品等物料施以 400600MPa 的压力或用高级液压油施加以 1001000MPa 的压力。从而杀死其中几乎所有的 细菌、霉菌和酵母菌，而 且不会像高温杀菌那样造成营养成分破坏和风味变化。 根据目前的研究发现，超高压灭菌的机制与破坏细菌的细胞壁和细胞膜， 3 抑制酶的活性和 DNA 等遗传物质有关，高压对细胞膜和细胞壁有一定的影响。 在压力作用下，细胞膜的磷脂双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩 小而收缩。加压对细胞膜常常表现出通透性的变化和氨基酸摄取的受阻。当压 力为 2040 MPa 时，细胞壁会发生机械性断裂而松懈；当压力为 200 MPa 时， 细胞壁会因遭到破坏而导致微生物的细胞死亡1。超高压可以破坏非共价键， 如破坏氢键之类弱结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失 活，高压抑菌是由于主要酶类的变性。一般说来，超过 300 MPa 压力引起酶类 的变性是不可逆的，酶失活的主要原因是高压引起的酶分子内部结构的破坏和 活性部位构象的变化2。由于高压处理时料温随着加压(卸压) 而升高(降低)，一 般高压处理每增加 100 MPa 压力，温度升高 24 ，故近年来也认为超高压 对微生物的致死作用是压缩热和高压联合作用的结果3。在超高压灭菌过程中， 灭菌效果受到压力大小、加压时间、施压方式、处理温度、微生物种类、食物 本身的组成及添加物、pH 值和水分活度等许多因素的影响。 3 超高压技术对食品中微生物的影响 潘庆梅等4对西瓜汁的超高压杀菌研究表明，在处理温度为 30 和保压时 间为 10 min 的条件下，大部分微生物在 300 MPa 下处理时即可杀灭，耐受压 力超过 300 MPa 的微生物数量不多。处理压力为 400 MPa ，同样保压 10 min 时，西瓜汁中菌落总数从 12 000 cfu/mL 减少到 46 cfu/mL，在 30 ，处理压力 达到或超过 400 MPa 时，西瓜汁中微生物含量达到国家食品卫生标准要求。为 了增强高压杀菌效果，实验中还采用了脉动施压的方式对西瓜汁进行超高压杀 菌处理，即以加压保压(10 min) 卸压停顿(5 min)为一个高压处理循环， 对处理西瓜汁样品进行多次循环高压处理，在处理温度为 30 的条件下，发现 随着脉动施压次数的增加，微生物存活量减少，但微生物存活量减少值与循环 次数之间不是线性关系。田晓琴等5研究了超高压对鲜牛奶杀菌效果，影响超 高压处理鲜牛奶杀菌效果的主次因素依次为:处理压力 处理时间。超高压处理 鲜牛奶的最优处理工艺操作参数是:500 MPa 下处理 30 min，鲜牛奶中的细菌总 数最少，杀菌效果最好。潘见等6的研究发现在温度为 29 下，草莓汁中大肠 菌群对压力非常敏感，压力为 350 MPa，保压 3 min 即可全部杀灭；霉菌和酵 母菌较大肠菌群耐压，压力为 350 MPa，保压 10 min，可全部杀灭；果汁中虽 4 含多种耐压菌，但经 500 MPa，保压 15 min 处理，菌落总数还可降至 30 cfu/mL，达到了国家食品卫生标准要求。 4 超高压对食品中酶的影响 酶的化学本质是蛋白质，其生物活性与其三维结构有关。酶的生物活性产 生于活性中心，活性中心是由分子的三维结构产生的，即使是一个微小的变化 也能导致活力的丧失，并改变酶的功能性质7。超高压处理也是通过影响酶蛋 白的三级结构来影响其催化活性。由于蛋白质的三级结构是形成酶活性中心的 基础，高压作用导致三级结构崩溃时，使酶活性中心的氨基酸组成发生改变或 丧失活性中心，从而改变其催化活性。而在较低压力值下时酶活的上升则被认 为是压力产生的凝聚作用，完整的组织中酶和基质经常被隔离，而较低的压力 可以破坏这种隔离，使酶与基质相接触，加速酶促反应8。超高压影响酶活性 的因素主要与压力及处理时间、体系温度、体系 Ph、介质成分和酶的种类有关 9。 4.1 超高压对过氧化物酶的影响 过氧化物酶通常被认为是食品热处理中酶灭活的指示酶， 。曾庆梅等10研究 了超高压处理对砀山梨汁中过氧化物酶活性的影响， 比较了不同试验压力、处 理温度、保压时间及 Ph 处理对酶活性的影响。实验结果表明， 在处理温度为 50 、保压时间为 10 min 和梨汁 Ph 为 5 的条件下， 300 MPa 以下压力范围内 高压处理时，酶活性增加；大于 300 MPa 时酶的活性随压力增大而下降。高压 处理时， 温度低于 40 对酶的活性影响不大；有效影响高压处理的最小温度 为 40 。保压时间超过 10 min 后时间延长对酶的活性影响甚微，认为保压时 间不是影响酶活性的主要因素。pH 小于 5 或大于 6 时酶的活性降低；当 pH 为 6 时， 梨汁中过氧化物酶最耐压。处理条件为 500 MPa、50 、pH=3 和 保压 10 min 时可以较好地钝化过氧化物酶活性。陈玮等11的研究发现，在较 低的压力下(396 MPa)，胡萝卜过氧化物酶的稳定性较常压下高，在 506 MPa、40 时则观察不到再生，在 600 MPa、45 下几乎钝化，但超高压对维 生素 C 或蛋白质的失活没有明显的影响。温度和压力对胡萝卜中过氧化物酶的 钝化有重要的作用。在温度和压力之间也有显著的相互作用，胡萝卜过氧化物 酶的活性在所有的温度下都随着压力的增加而逐渐减小，在胡萝卜处理中超高 5 压结合轻微的加热处理比在高温下的热处理更容易使过氧化物酶失活。 4.2 超高压对多酚氧化酶的影响 多酚氧化酶是水果中促进褐变的主要酶类，也是耐高压的酶类之一。赵光 远等12人研究发现，使用超高压技术单独或协同加热处理鲜榨梨汁，结果 200600 MPa 的压力处理对果汁中多酚氧化酶活性影响不大，400 MPa 的压力 对多酚氧化酶有激活作用；高于 600 MPa 的压力使多酚氧化酶显著失活，而且 压力协同热处理对多酚氧化酶的失活作用强于压力或热的单独处理。实验还研 究了加入维生素 C 对超高压处理效果的影响，在 500 MPa 以下对果汁中多酚氧 化酶有激活作用，在 600 MPa 以上或热处理结合高压时有钝化多酚氧化酶的 作用。500 MPa 60 或 750 MPa 50 以上的处理条件可使鲜榨梨汁中的多 酚氧化酶失去 60 % 以上的活性，750 MPa 50 的处理条件下果汁颜色变化不 显著。但维生素 C 对多酚氧化酶的作用机制还有待进一步研究，可能与维生素 C 影响酶的活性中心的结构有关。证实梨的多酚氧化酶是耐高压的酶，有效的 控制酶促褐变需要结合添加防褐变剂、热处理、低温贮藏以及脱气处理等其他 手段。谭俊峰13等人对超高压处理后茶鲜叶多酚氧化酶比活性的测定结果发现， 在处理温度为 37 ，处理压力在 400 MPa 以下时，茶鲜叶中多酚氧化酶比活 性只稍有下降。当压力达到 500 MPa 时，多酚氧化酶比活性下降近 50 %。600 MPa 的压力下，多酚氧化酶活性进一步降低。经 500 MPa 以上超高压处理的茶 鲜叶，多酚氧化酶比活性已发生显著下降，若在杀青工艺前通过超高压处理， 则能使多酚氧化酶等酶活性受到部分抑制，后续加工过程便可通过使用较少的 热量达到抑制酶活性的目的，从而为最大程度地保留茶叶中的功能活性成分提 供了条件。 5 超高压技术-典型应用 5.1 在乳制品中的应用 1965 年，Tin son 和 Short 研究了在 20100范围内，压力由常压 升升至 1000 M Pa 时，乳中微生物的变化情况 .并从乳的微生物菌落中分离 鉴定出许多耐压性微生物，尤其是芽孢均属，同时发现在低Ph 和高 Ph 环 境下，都有助于杀灭微生物 .1991 年，Hoover 等发现，23时经 340 M Pa 高压处理生乳 60min.乳中单细胞增生李斯特是氏菌的致死量达10cfu/ml. 6 在高压处理能改善乳制品的质量，如酸奶 ，干酪的品质，牛奶大约 80%乳蛋 白是酪蛋白，这些大的超分子聚合物被称为胶束，它们足够大以至于可以使 光线发生散射，从而造成牛奶的不透明现象。而高压处理可使微胶束破碎， 因此，利用高压处理乳制品，可以怎加其硬度，强度和乳清分离的阻力。乳 酪是典型的出售前需熟化数月的产品，某些情况下需要数年。由实验表明， 高压处理能加速其熟化。 Shibauchi 等报道，压力在 200M Pa400M Pa 下作 用 5min，可明显减少凝乳酶凝乳时间。 Tanaka 和 Hatanaka 采用提高酸乳 成品的质量。为避免包装后酸度增加引起的脱水收缩作用，将酸乳成品用 200M Pa300M Pa，10 摄氏度到 20处理 10min.这样并未改变酸乳的质构， 也未减少活乳酸菌。 5.2 在肉制品中的应用 高压通过影响肌肉组织的肌原蛋白而提高肉的嫩度。同时，高压技术能 有助于保留僵肉的内在性质且提高肉质，免除屠杀后的突然冷却，避免能量 的损失还可以提高肉本身的内在性质，代替一些肉质品中用来提高结合力的 添加剂。这项技术可以提高货架期且不损失营养成分。内蒙古农业大学将高 压技术与气调保鲜技术相结合用于牛肉保鲜的研究取得进展。该项研究利用 高浓度 co2 来杀灭和抑制微生物，再配以其他气体来保持鲜肉的色泽以及超 高压对生物大分子具有破坏作用来杀灭微生物，探索出一条鲜肉保鲜的新途 径。吉林工业大学采用高压方法对育成牛肉进行加工处理，并从嫩度，色 泽，气味，脂肪，微生物指标等各个角度综合考虑 ，欲筛选出一套改良牛肉 品质的高压加工条件 .高压解冻是高压技术在食品工业中应用的一个新领域 .目 前研究不多，但已有的报道显示 :高压解冻可缩短解冻时间，提高食品质量。 研究发现肉在高压下解冻只需常压下 1/3 的时间。牛肉在高压下解冻滴水损 失减少，对感官品质无不良影响。目前，高压解冻不能应用于商业的主要原 因是成本太高。切片真空包装熟制火腿因pH 较高，水分活度高，切片包装 过程中的交叉污染不可避免，故易腐败变质。降低交叉污染的方法主要是良 好生产规范和包装后的巴氏杀菌。如果用600 M Pa 的高压处理切片真空包 装熟制火腿 6min，可显著抑制腐败微生物的生长，感官形状可保持 60d 不变。 7 6 小结小结 综上所述，超高压技术在食品灭菌、钝化酶、保持营养素等方面都有着非 常理想的效果。尽管这项新技术目前还存在着生产成本过高，研究理论尚不成 熟等问题，但是由于它有着诸多无可比拟的优势，在部分食品加工领域逐步取 代传统热加工技术已成为可能，作为食品加工技术的新领域，超高压加工技术 在未来将得到更大的发展与应用。超高压技术被誉为当前七大科技热点，21 世 纪十大尖端科技，食品工业的一场革命，美国已将开发超高压食品列为 21 世纪 食品加工，包装的主要研究项目。它的发展无疑为食品加工提供了一个美好的 应用前景。超高压食品色，香，味以及营养成分完整性的保存以及安全，卫生 的优点迎合了消费者的心理需求，符合当前绿色食品的要求。目前，超高压技 术在食品方面的基础研究与产品开发方兴未艾，除少数超高压食品已投入食品 生产外，绝大多数超高压食品还有待研发。随着超高压技术和超高压装置的日 趋完善，超高压食品或保健品必将风靡全球。可以相信，以当今超高压食品科 学技术与传统中华饮食文明相