食品超高压加工技术.ppt

第五章 食品超高压加工技术,1 概述 2 超高压对食品中各种成分的影响 3 超高压对食品中微生物的影响与超高压杀菌,一、超高压食品研发史,1899年，美国力学家Hite发现450MPa下处理牛奶，可延长保鲜期； 1914年，美国物理学家P.W.Biagman发现静水压下蛋白质变性和凝固； 1986年，日本京都大学林力丸率先开展高压食品研究； 1991年，日本开始试销高压1号食品果酱； 1992年，在法国召开高压食品专题研讨会；,法国、英国政府也开始资助高压食品加工的研究，并于1993年底推出高压杀菌鹅肝小面饼 ； 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，并已有小规模工业化生产 ； 高压技术在我国还处于起步、理论研究阶段,超高压技术受到制约的原因,1、超高压食品加工技术是一种昂贵的技术； 2、 技术复杂； 3、我国食品法规规定的是以热加工为基础的标准参数，这就制约了以压力为基础的食品的推广 ； 4、目前有关超高压科学的理论与理论体系尚不完善。,二、概述,1、基本概念,超高压： 指大于100Mpa 的压力。 能承受超高压的容器称超高压容器；把生产与维持超高压的一系列技术称超高压技术。,2.食品超高压技术：是将食品及食品原料包装后密封于超高压容器中，以水或其他流体介质作为传递压力的媒介物，在静高压下（一般100-1000 Mpa）和一定的温度下加工适当的时间，引起食品成分非共价键（氢键、离子键、疏水作用）的破环或形成，使食品中的酶、蛋白质、淀粉等高分子物质失活、变性、糊化，并杀死食品中的细菌等微生物，从而达到食品的灭菌、保藏、加工的目的。,三、超高压加工处理食品的特点,1） 根据帕斯卡原理，超高压加工食品将受到均一的处理，压力传递速度快，不存在压力梯度（热加工不具备此有点），其加工效果与食品的几何尺寸、形状、体积等无关。,2） 食品物系是多成分的分散系，以水或油作为分散介质，它在物系中是连通的，故称为连续相。 3）水等液体既是分散介质，又是压力的均衡传递介质。,超高压处理食品的可行性,超高压处理食品的特点,1、营养成分损失小； 2、产生新的组织结构，获得新型食品； 3、超高压杀菌可以保持食品原有的风味； 4、利用超高压处理技术，原料的利用率高； 5、灭菌均匀、高效、瞬时，耗能低； 6、不需向食品中加入化学物质； 7、菌体不产生抗性； 8、杀菌效果稳定； 9、改善食品质构和风味。,应用于： 各种食品的杀菌 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 食品高压速冻 酒类的催陈,四、超高压处理的原理,液体（水）在超高压作用下被压缩，而受压食品介质中的蛋白质、淀粉、酶等产生压力变性而被压缩，生物物质的高分子立体结构中非共价键结合部分发生变化，即物质结构发生变化，其结果是食品中的蛋白质呈凝固状变性、淀粉呈胶凝状糊化、酶失活、微生物死亡，或使之产生一些新物料改性和改变物料某些理化反应速度，故可长期保存而不变质。,五、超高压对食品成分 与品质的影响,1.超高压对食品基本成分的影响 （1）超高压对蛋白质的影响 压力导致：盐键及至少部分疏水键的破坏 氢键在某种程度上得到加强 共价键的可压缩性较小，对压力的变化不敏感,对一级结构的影响：至今未见报道 对二级结构的影响： （1）较低压力下二级结构保持稳定。（例：羧肽酶抑制剂400Mpa下保持稳定），在非常高的压力下（700Mpa），二级结构将发生变化，导致不可逆变性。 （2）-螺旋对压力处理相对敏感，而-片层，-转角相对稳定。 （3）二级结构的改变除取决于压力强度，还取决于加压时间，长时间加压影响更大。,对三、四级结构的影响： 1）小于150 Mpa时，有利于低聚体蛋白的离解，且通常伴随体积的减小。 2）高于150-200 Mpa的压力会导致蛋白质的伸展和离解的低聚体亚基的重新组合。 3）在200 Mpa以上的压力，可观察到三级结构的显著变化,超高压（700 MPa）对蛋白质一级结构无影响，有利于二级结构的稳定，但会破坏其三级结构和四级结构 超高压迫使蛋白质的原始结构伸展，分子从有序而紧密的构造转变为无序而松散的构造，或发生变形，活性中心受到破坏，失去生物活性； 高压破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集，形成凝胶。,UHP对生成蛋白质凝胶的影响 蛋白质加热变性时，在高温条件下，蛋白质分子混乱形成团状结构，造成凝胶网状结构不致密，不均匀，还可能使网络结构受到破坏，形成大的空洞，从而形成粗糙的网络结构，进而影响其凝胶强度。 UHP条件产生的凝胶强度比热凝胶要高，并且浓稠，柔滑，致密精细，弹性好，且能保持天然的色泽及香味 但蛋白质溶液需达到一定的质量分数才能形成凝胶，且随温度，压力增高而增高,应用于食品加工处理和保藏的范围： 通过解链和聚合对质地和结构的重组 通过解链、离解或蛋白质水解提高肉的嫩度 通过解链钝化毒物和酶 通过解链增加蛋白质食品对蛋白酶的敏感度，提高可消化性和降低过敏性 通过解链增加蛋白质结合特种配基的能力，增加分子表面疏水特性，能够结合风味物质、色素、维生素、无机化合物和盐等,（2）超高压对食品中酶的影响 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，使其活性部位不复存在，导致了酶的失活 在100200 MPa的压力下酶的失活是可逆的，压力达到350 MPa以上时，会使酶产生永久性的不可逆失活,UHP对酶活性的影响主要是通过酶与底物的构象和性质而起作用，对酶促反应可产生两种结果: 1）抑制：UHP对维持酶蛋白质空间结构的次级键（盐键，氢键、疏水键等）的破坏，导致酶活中心改变或丧失，而失活。 2）促进：在较低压力下酶活性的上升被认为是压力产生的凝聚作用，完整的组织中酶与底物常常被隔离，而较低的压力可破坏这种隔离，使酶与底物相接触，加速酶促发应。,每种酶都存在最低失活压力，低于这个压力酶就不会失活，当超过这个压力时（在特定时间内）酶的失活速度会加速，直到完全失活 对于一些酶又存在一个最高压力，高于此压力并不会导致酶的额外失活 在相等的处理时间下，应用循环脉冲压力处理可以改善酶的失活,（3）超高压对淀粉的影响 在常温下把淀粉加压到400600MPa，并保持一定的作用时间后，淀粉颗粒将会： 溶胀分裂； 晶体结构遭到某种程度的破坏； 内部有序态分子间的氢键断裂，分散成无序的状态，即淀粉糊化为-淀粉,与热处理相比，超高压对淀粉的作用特点为： 1）高压使淀粉粒膨胀却不破裂； 2）超高压所致完全糊化的淀粉无老化现象，而超高压所致的未完全糊化的淀粉有老化现象； 3）低于700 MPa的压力时淀粉不会产生类似热加工的变色。,超高压可改善陈米的品质： 陈米在20吸水润湿后在50300MPa处理10min，再按常规煮制成饭，其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范围，同时光泽和香气也得到改良。还可缩短煮制时间,（4）超高压对脂类的影响 高压对脂类的影响是可逆的，室温下呈液态的脂肪在高压下（100200MPa）基本可固化。 发生相变结晶，促使更稠、更稳定的脂类晶体形成；不过解压后仍会复原。,UHP对油脂氧化的影响： （1）Aw在0.400.55范围时，UHP使油脂氧化速度加快。金属离子可能有促进作用。 （2） Aw不在上述范围，结果相反。且温度对该氧化速度有影响。,（5）超高压对维生素的影响 一般情况下，还原型维生素C含量经高压处理后出现了下降和上升两种情况 Fe3+对于维生素C的降解起着重要作用，在高压下会更加明显 Cu2+的存在，在高压下会激活铜酶，铜酶是维生素C降解的重要酶类之一,在高压作用下，氧化型维生素C可能会转变成还原型维生素C 总体来看，无论上升还是下降，其幅度都很小，可以认为高压处理对维生素C的影响很小,（6）高压对风味物质、色素等的影响 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 食品的黏度、均匀性及结构等特性对高压较为敏感，但这些变化往往是有益的,2.超高压对具体食品品质的影响 （1）果蔬原料 高压处理后，果蔬风味、色泽与营养均保持较好,脐橙、葡萄柚榨汁后其果汁经高压处理能有效地抑制苦味的产生 对加热后会失去特有色泽、芳香或产生褐变的果汁最好也采用高压杀菌技术 超高压可对胡萝卜和大蒜品质进行保持和改善,（2）动物性原料 高压处理用于肉的品质改善 肉类等经高压处理能杀灭肉类细菌，不损坏维生素等营养成分及原风味，改善肉组织,高压嫩化机理 机械力作用使肌肉肌纤维内肌动蛋白和肌球蛋白的结合解离，肌纤维蛋白崩解和解离成小片段，造成肌肉剪切力下降 压力处理使肌肉中内源蛋白酶钙激活酶的活性增加，加速肌肉蛋白水解，加快肌肉成熟。,改善鱼制品品质 采用超高压技术生产鱼糕，在杀菌后其口感、风味都比较理想 （3）淀粉质原料的品质改良 通过高压处理，可使陈米的品质改良。还可缩短煮制时间,（4）控制食品中酶反应和灭酶 高压除了使酶失活外，还可以使某些在常压下受到抑制的酶激活，提高一些酶的活性 高压也可以加快某些在常压下反应缓慢甚至不进行的反应。,在不同高压条件下过氧化物酶的活力变化： 压力在350MPa以下的范围内，随着压力的提高，酶活性逐渐下降，到350MPa时酶活力最低，但压力高于350MPa时，酶活力又有所回升,第二节 UHP对食品中微生物的影响及UHP杀菌,高压杀菌：就是将食品物料以某种方式包装以后， 置于高压（200MPa以上）装置中加压 处理，使之达到灭菌要求的目的。,一、超高压杀菌的原理,基本原理： 高压导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化。,（1）改变细胞形态 极高的流体静压会影响细胞的形态，包括细胞外形变长，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变厚。,（2）影响细胞生物化学反应 按照化学反应的基本原理，加压有利于促进反应朝向减小体积的方向进行，推迟了增大体积的化学反应，由于许多生物化学反应都会产生体积上的改变，所以加压将对生物化学过程产生影响。,（3）影响细胞内酶活力 高压还会引起主要酶系的失活，一般来讲压力超过300MPa对蛋白质的变性将是不可逆的，酶的高压失活的根本机制是： 改变分子内部结构； 活性部位上构象发生变化通过影响微生物体内的酶，进而会对微生物基因机制产生影响。,（4）高压对细胞膜的影响 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。 （5）高压对细胞壁的影响 2040 MPa的压力能使较大细胞的细胞壁因受应力机械断裂而松解，200MPa的压力下细胞壁遭到破坏。 真核微生物一般比原核微生物对压力较为敏感。,（6） UHP对微生物遗传过程的影响 a、核酸耐受高压远超过蛋白质 b、虽DNA在高压下稳定，但DNA复制和转录有关的酶在高压下易失活 c、超高压直接作用于生物合成过程,二、 UHP杀菌影响因素,1、压力大小和加压时间、加压方式 （1）对于非芽孢菌，压力达300600MPa就可以全部致死，且在此范围压力越高杀菌效果越好，相同压力下，杀菌时间延长，杀菌效果也有一定程度提高； （2）对于芽孢菌并非压力越高越好，杀灭的有效途径是促使孢子发芽（300MPa以下）然后配合高温杀菌或其它协同杀菌作用； （3）间歇式处理好于等压连续处理（尤其对芽孢） （4）酵母菌，霉菌的耐压性G阴细菌 G阳细菌,2、温度 超高压在低温和较高温度下杀菌效果均比常温好。 大多数微生物在低温下的耐压程度降低，主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出而破裂的程度加剧，所以低温对高压杀菌有促进作用。 对一定浓度糖液在不同温度下进行高压杀菌，在同样的压力下，杀死同等数量的细菌，温度高的所需杀菌时间短。,3、pH值 在压力作用下， pH对微生物生长的影响表现在： a、压力会改变介质的pH值，且逐渐缩小微生物生长的pH值范围； b、在食品允许范围内，改变介质pH，使微生物生长环境劣化，也会加速微生物的死亡速率，缩短高压杀菌时间或降低所需压力。,4、有机酸对微生物耐压性的影响 相同浓度，有机酸的种类不同，对加压杀菌效果影响不大，醋酸杀菌效果略强于乳酸和柠檬酸。,5、Aw 对酵母细胞，Aw0.94,室温，400MPa处理15min致死作用会受到抑制，失活不足2个数量级，Aw0.91时，几乎没有失活现象 。,6、食品组分 UHP杀菌中，由于各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求不同 （1）有实验表明：NaCl、蛋清、葡萄糖、猪油在不同温度、压力处理，均可提高微生物存活率；Pro、碳水化合物、脂类对微生物均有保护作用，AA、Vit等亦然; 高盐高糖或Pr浓度越高，营养成分越丰富，细菌对UHP耐性越大，杀菌效果下降。 （2）食品含有的一些添加剂、抑菌剂可产生协同杀菌效果，降低要求的杀菌压力。,三、食品超高压的杀菌工艺,超高压处理工艺,压力范围：1001000MP 温度范围：20100 传压介质：饮用水,1.一般的超高压杀菌工艺 固态食品：将固态食品装在耐压、无毒、柔韧并能传 递压力的软包装内，并进行真空密封包 装，然后置于超高压容器中进行加压处理。 超高压固态食品的关键处理工艺是：升压保压卸压 这种方式通常为不连续式,液态食品：果汁、奶和饮料等液态食品，可以直接以 加工物料取代水等传压介质（压媒）实现 进料卸料的连续化生产，但是必须附带设 备预杀菌工艺。 液态食品超高压处理的核心工艺： 升压动态保压卸压 液态超高压食品的保压阶段极短 实验室小规模高压处理一般可将果汁（果酱）脱气、密封包装后放于高压缸内，用油作介质进行实验。,日本果汁工艺示例,2. 分段循环间歇式超高压处理工艺 在低酸性食物中使用这种工艺可取得很好的杀菌效果； 对于易受芽孢菌污染的食物，采用超高压多次重复短时处理，芽孢杀灭效果明显。,低酸性食品：指内容物达平衡后，其pH值4.6及Aw 0.85的非酒精性饮料及罐头食品。,3. 超高压处理与其他杀菌技术的结合 超高压处理可以和其他杀菌方式诸如热杀菌、辐射、超声波、抑菌剂等联合使用而取得好的协同效果。,4. 超高压杀菌工艺的关键控制因素 影响加工工艺的关键因素 关键因素有微生物类型、菌龄、食品组分、pH和水分活度、温度、压力大小等 超高压处理效果的指示菌,5、超高压食品的包装设计,超高压食品的包装设计 高压下只能用软材料包装 在高压处理技术中，对包装材料不要求其具有耐热性，但其气密性一定要好 对包装材料的要求： （1）能够传递压力 （2）在高压下不被破坏 （3）能防止高压介质的渗入,第三节 超高压技术加工设备,超高压处理设备的特点和要求 超高压装置的主要部分是超高压容器和加压装置（高压泵和增压器等），其次是一些辅助设施，包括加热或冷却系统、监测和控制系统及物料的输入输出装置等。,加压装置,（1）超高压处理设备应能产生并承受要求的超高压（1001000 MPa），保证安全性，有较长的使用寿命