食品中超高压杀菌技术的研究及分析

食品中超高压杀菌技术的研究及分析摘要：超高压技术被认为是现代食品工程的高新技术之一。本文从超高压技术的作用机理，经超高压处理后对食品品质的改变和影响超高压技术的因素的方面全面的对这一技术进行了解。关键词：超高压技术；作用机理；食品品质；影响因素传统的热处理极易破坏食品中热敏性的营养成分，而且加工过程使褐变反应加剧，影响色泽，食品中挥发性的风味物质也会因加热而有所损失。利用超高压技术加工食品, 能有效地克服传统热处理所带来的种种弊端，经超高压处理后的食品，在完成杀菌的同时还能较好地保持原有的营养成分，且加工后的食品口感佳、色泽鲜艳、保质期延长。超高压食品加工能耗也较传统工艺有很大降低。不但能保证食品在微生物方面的安全，也能较好地保持食品中固有的营养品质、质构、风味、色泽、新鲜程度。业界的广泛关注。1. 超高压技术及其机理1.1 超高压技术的概念及应用的基本原理超高压（Ultra High Pressure,UHP）杀菌技术，是在密闭容器内，用水或其他液体作为传压介质对软包装食品等物料施以100Mpa1000Mpa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。超高压杀菌的机理是通过破坏菌体蛋白中的非共价键，使蛋白质高级结构破坏，从而导致蛋白质凝固及酶失活。超高压还可造成菌体细胞膜破裂，使菌体内化学组分产生外流等多种细胞损伤，这些因素综合作用导致了微生物死亡。根据Le Chatelier 定律，外部高压会使受压系统的体积减小( 即V( 0，V= 产物的体积-反应物的体积)，反之亦然成立。因此食品的加压处理会使食品成分中发生的理化反应向着最大压缩状态的方向进行，反应速度常数k的增加或减小则取决于反应的“活性体积”(V*=反应复合物体积-反应物体积) 是正还是负。再根据帕斯卡定律，外加在液体上的压力可以在瞬时以同样的大小传递到系统的各个部分，故而如果对液体在外部施以高压的话，将会改变液态物质的某些物理性质。同样，食品的高压处理过程中, 高压也会改变食品中某些生物高分子物质的空间结构，使生物材料发生某些不可逆的变化。研究发现，食品在液体中, 当加压到1001000MPa，并保持一定的作用时间之后食品中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质将分别失活、变性和糊化，对食品达到了杀死其中细菌等微生物的灭菌目的。上升过程是一个纯物理过程，它与传统的食品加热处理工艺机理完全不同。当食品物料在液体介质中体积被压缩之后，形成高分子物质立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键即发生变化，结果导致蛋白质、淀粉等发生变性，酶失去活性, 细菌等微生物被杀死。但在此过程中，高压对形成蛋白质等高分子物质以及维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键无任何影响，故此高压食品很好地保持了原有的营养价值、色泽和天然风味，这一特点正好迎合了现代人类返朴归真、崇尚自然、追求天然低加工食品的消费心理。1.2 超高压食品的技术优势相比于传统的食品加工工艺，高压食品加工有着其独具特色的优点。1) 经高压处理的食品，最大程度地保持了其原有的营养成分，并容易被人体消化吸收。传统的加热方式，甚至是高温短时的挤压膨化过程，均伴随有一个食品在较高温度下受热的过程，都会对食品中的营养成分有不同程度的破坏。实验研究报告，在一般的加热处理或热力杀菌后，食品中维生素C的保留率不到40%，即使挤压加工过程也只是有大约70%的维生素C被保留。而超高压食品加工是在常温或较低温度下进行的，它对维生素C的保留率可高达96%以上，从而将营养成分的损失程度降到了最低。2) 经过超高压处理的食品无“回生”现象，杀菌效果良好，便于长期保存。以食品中的淀粉为例, 传统的热加工或蒸煮加工方法处理后的谷物食品中糊化后的淀粉，在保存期内，会慢慢失水，淀粉分子之间会重新形成氢键而相互结合在一起，由糊化后的无序分子排布状态重新变为有序的分子排布状态，即A-淀粉B化( 即俗称的“回生”现象) 。而超高压处理后的食品中的淀粉属于压致糊化，不存在热致糊化后的老化、“回生”现象。与此同时，食品中的其他组分的分子在经一定的高压作用之后，也同样会发生一些不可逆的变化。超高压技术的应用现以杀菌为主，其杀菌的效果已完全被食品业界所肯定。3) 超高压食品在最大程度地保持其原有营养成分不变的同时，感官特性有了较大的改善。超高压会使食品组分间的美拉德反应速度减缓，多酚反应速度加快, 而食品的粘度均匀性及结构等特性变化较为敏感，这将在很大程度上改变食品的口感及感官特性，消除传统的热加工工艺所带来的变色发黄及热臭性等弊端。并且当人们食用前在加热时，会获得高质量原有风味的食物。该特点也是超高压技术最突出的优势所在。4) 超高压食品加工技术适用范围广，具有很好的开发推广前景。超高压技术不仅被应用于各种食品的杀菌，而且在植物蛋白的组织化、淀粉的糊化、肉类品质的改善、动物蛋白的变性处理、乳产品的加工处理以及发酵工业中酒类的催陈等领域均已有了成功而广泛的应用，并以其独特的领先优势在食品各领域中保持了良好的发展势头。5) 利用超高压处理技术, 原料的利用率高，无“三废”。超高压处理过程是一个纯物理过程，瞬间压缩，作用均匀，操作安全、耗能低，有利于生态环境的保护和可持续发展战略的推进。该过程从原料到产品的生产周期短，生产工艺简洁，污染机会相对减少，产品的卫生水平高。此外，超高压处理后的食品物料的各种理化指标将不同于其他加工方法处理的食品，从而可以期待获取具有新物性的食品。1.3 超高压技术对食品品质影响的机理1.3.1 超高压对食品微生物活性的影响高压将对食品中微生物的活性产生很大的影响，这正是超高压技术广泛应用于杀菌的重要原因。食品中存在大量的细菌、霉菌、酵母菌等微生物，其中有些会导致食品的腐坏、变质，或引起食物中毒。实验发现，在高压下，细胞膜磷脂分子的横切面减小，细胞膜双层结构的体积随之降低，细胞膜的通透性将被改变。超高压杀菌正是通过高压破坏其细胞膜，抑制酶的活性和DNA等遗传物质的复制来实现的。影响高压杀菌的主要因素有压力的大小及受压时间、温度、PH值、食品成分等。1.3.2 超高压对蛋白质和酶的影响生物学的研究表明：在蛋白质的四级结构中，二级结构是由肽链内和肽链间的氢键来维持的，而超高压的作用有利于氢键的形成。故而超高压对蛋白质一级结构无影响，有利于二级结构的稳定，但会破坏其三级和四级结构，迫使蛋白质的原始结构伸展，从而导致蛋白质的变性，使其可消化性变好。酶也是蛋白质的一种，但其压致失活的根本机制在于高压将改变分子的内部结构并使其活性部位上的构象发生变化。酶受到高压作用后，维持其空间结构的盐键、氢键、疏水键等遭到破坏，从而使肽键分子伸展成不规则的线形多肽，则其活性部位不复存在，导致了酶的失活。并且，一般来讲，只有处理压力达到350MPa以上时，才会使酶产生永久性的不可逆失活，否则在压力撤除之后会有酶的再生现象发生。此外, 值得注意的是高压固然对一些酶的活性起到了抑制作用，但对某些酶却起到了相反的激活作用。1.3.3 超高压对淀粉的影响超高压可使淀粉改性。压力作为一种能量提供给水分子和淀粉分子, 与热处理淀粉糊化的本质一样,也是通过水合作用来实现淀粉的糊化。常温条件下加压到400600MPa时,可使淀粉糊化而呈不透明的稠糊状物,且吸水量也发生改变。超高压所致完全糊化的玉米淀粉没有类似于热加工淀粉的老化现象, 而超高压未完全糊化的玉米淀粉有类似热加工淀粉的老化现象。低于700MPa的压力不能像热加工那样使玉米淀粉变色。超高压处理对太白葛根淀粉的增稠能力和回生能力影响很小,300MPa处理可明显地改善太白葛根淀粉糊的黏度与热稳定性。同时,超高压处理可提高淀粉糊黏度pH值的稳定性。1.3.4 超高压对脂类、风味物质、维生素、色素等的影响研究发现，超高压处理后，豆浆中的脂肪球将会增大，从而豆浆的粘度降低。经高压脂类的耐压能力较低，通常100200MPa即基本使其固化，不过解压后其仍会复原，只是对油脂的氧化有一定的影响。如前所述食品中的风味物质、维生素、色素及各种小分子物质结合状态为共价键的形式，故而高压处理过程对其几乎没有任何影响。2. 超高压杀菌的影响因素在超高压杀菌过程中, 由于食品成分和组织状态十分复杂, 因此要根据不同的食品对象采取不同的处理条件。一般情况下,影响超高压杀菌的主要因素有:压力大小、加压时间、加压温度、pH值、水分活度、食品成分、微生物生长阶段和微生物种类等。2.1 压力大小和加压时间一般说来，在一定范围内，加压时间越长，压力越高，灭菌效果就越好。在研究了环境条件对抑制大肠杆菌的作用，用300、500、700MPa压力处理，加压时间较长时，大肠杆菌会被抑制5个数量级。但是，由于每一种微生物都有自身耐受压力的上限值，在该压力下，增加加压的时间对微生物的失活率没有多大影响。而只要达到或超过该压力，增加保压时间，微生物数量减少效果明显，灭菌效果也有一定程度的提高。细菌、霉菌、酵母菌在300MPa以上就可被杀灭，病毒在较低的压力下也可失去活力。对于芽孢菌，有的在1000MPa的压力下还可生存。而用低压处理芽孢菌，反而会促进芽孢发芽。2.2 加压温度由于微生物对温度具有极强的敏感性，在食品处理过程中，受压时的温度对于杀菌效果的影响非常明显。通过对超高压技术研究的不断深入，已经通过实验证实了，在低温或高温下对食品进行高压处理都具有较常温下处理更好的杀菌效果。在一定的温度下，微生物中的蛋白质、酶等成分均会受到影响，发生一定程度的变性。经试验研究证明在低温范围内高压处理对保持食品的品质较为有利，特别是在减少热敏性成分破坏的方面。因此，在低温范围内用高压处理食品引起了人们特别的关注。而对于包括芽孢菌等常见致病菌在内的16种微生物的低温高压杀菌研究显示，除了芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多数微生物在-20条件下的高压杀菌效果较20条件下的好。2.3 pH不同微生物对pH值的要求不一样，不同的微生物也各自有最适宜的pH值。每种微生物在其最适生长的pH值范围内时酶活性最高，如果其他条件适合，微生物的生长速率也最高。因此，pH值是影响微生物在受压条件下生存的因素之一。一般的微生物都适合在弱酸性至中性条件下生长。随着环境pH值的不断变化，微生物生长受阻。当超过最适pH值的最高或最低值时，微生物的耐压性降低, 将引起微生物的死亡，有利于超高压对微生物的灭活。2.4 水分活度不同类群微生物生长繁殖的最低水分活度范围不同，大多数细菌为0.990.94，大多数霉菌为0.940.80，大多数耐盐细菌为0.85，耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母为0.650.60。在水分活度低于0.60时，绝大多数微生物就无法生长。水分活度(Aw)对高压杀菌效果影响也很大。微生物的耐压程度与含有的Aw大小有密切的关系，当用超高压杀菌技术处理固体与半固体食品时，考虑Aw的大小十分关键。2.5 食品组分各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求也不一样。在高压下，食品的化学成分对杀菌效果有显著的影响。蛋白质、碳水化合物以及脂类对微生物具有保护作用。实验研究低温下共存物对超高压杀菌效果的影响，选用的物质有氯化钠，蛋清等，在不同的压力和温度下处理，均证明这些物质的存在可以提高微生物的存活率。一般而言，食品中盐和蛋白质的浓度越高，营养成分越丰富，食品中的微生物在高压下的耐压性就越强。食品基质中含有的添加剂组分对超高压杀菌结果影响也很大。在利用超高压对食品进行杀菌处理时，适当的考虑使用天然抑菌剂，可以降低处理压力，提高效率。另外，添加脂肪酸酯、蔗糖酯或者乙醇等添加剂，也将提高加压杀菌的效果。2.6 施压方式超高压杀菌方式有连续式、半连续式、间歇式。低压处理对芽孢有活化作用，促使芽孢发芽，从而使其丧失耐压性，重复压力处理具有明显杀灭孢子的作用。采用振动式间歇重复超高压处理芽孢菌可以取得比连续超高压杀菌处理更好的杀菌作用。因而对于易受芽孢菌污染的食品利用超高压多次重复短时处理，杀灭芽孢效果好。2.7 微生物的种类由于不同微生物的耐压性有差别，一般来说，各种微生物的耐压性强弱依次为革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌，而耐高温的微生物耐高压的能力也较强，各种食品微生物的耐压性一般较差。但革兰氏阳性菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢最耐压，可高达1000MPa。微生物在不同的生长时期，对高压的耐受情况也不一样。对同种微生物而言，处于对数指数期的微生物比处于静止生长期的微生物对压力更为敏感。由于芽孢耐压性强，杀死芽孢则需要更高的压力或结合其他处理方式。3. 超高压技术的应用前景展望超高压杀菌技术在国内外已经日渐成熟，从在我国的应用来看，也从各个方面取得了进展。超高压食品处理技术已历经几十年的发展，引起了人们的广泛重视。超高压技术具有传统热加工处理技术无法比拟的优势。美国已将超高压食品列为21世纪食品加工、包装的主要研究项目，并正在逐步形成工业化。由于超高压杀菌技术处理过的食品，没有化学变化，故不产生副作用，食品的色、香、味均优于传统方法加工的食品，杀菌效果也比食品烹煮和热力杀菌更好，所以在世界各地颇受欢迎。在科学技术日新月异的时代，抓住机遇，加快超高压技术的研究和应用，对我国参与国际竞争有着极为重要的意义。 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