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中温协同瞬变高压对牛乳中微生物及理化性质的影响 摘要 瞬变高压加工技术结合了传统热力加工和超高压加工技术的优点，是一项新的食 品加工技术，尤其适于液态食品的加工。本文以食品高压技术产业化为目标，选择牛 乳作为研究对象，采用中温协同瞬变高压加工方法，在工作压力1 0 - - 1 0 0m p a 、进料 温度2 5 - - 5 5 、处理时间2 1 0m i n 的范围内，试验考察工作压力、进料温度和处理时 间等因素对牛乳杀菌效果及其理化性质的影响，并探索了评价指标与各影响因素之间 的相互关系。 研究结果表明，中温条件下，引入瞬变高压，可明显提高细菌的致死率。进料温 度为5 5 、处理时间4m i n 和2 0m p a 工作压力的条件下，杀菌效果较理想。工作压力 与进料温度、工作压力与处理时间、处理时间和进料温度对杀菌效果的影响均存在着 交互作用，其中工作压力对杀菌效果影响显著。瞬变高压对牛乳色度、酸度、浊度及 水化度等理化性质均有影响，但对牛乳的冰点没有影响。其中工作压力对牛乳的酸度、 色度影响显著，且在2 0 1 0 0m p a 范围内，牛乳的酸度和色度均随压力的升高而降低； 进料温度对牛乳的色度和酸度有显著影响，在2 5 - - 5 5 范围内，随进料温度的升高，牛 乳的酸度降低而色度增大。瞬变高压处理的工作压力和进料温度、进料温度和处理时 间、工作压力和处理时间对牛乳色度、浊度、酸度、水化度的影响均存在交互作用。 综合杀菌效果及理化性质的影响，中温协同瞬变高压处理牛乳的适宜条件为：工作压 力2 0m p a 、进料温度2 5 、处理时间2m i n 。 关键词：瞬变高压；中温；微生物：理化性质；牛乳 e f f e c t so fc o m b i n e di n s t a n t a n e o u sh i g h p r e s s u r ea n dm e d i u m t e m p e r a t u r eo nm i c r o o r g a n i s m sa n dp h y s i c a l - c h e m i c a l p r o p e r t i e so fm i l k a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lt h e r m a l p r o c e s s i n ga n du l t r a h i g hp r e s s u r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i n s t a n t a n e o u sh i g h p r e s s u r ei san e wf o o dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fc o m b i n e dm e d i u mt e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ew a ss t u d i e di n t h em i l ki no r d e rt h a th i g hp r e s s u r ei n d u s t r i a l i z a t i o nc a nr e a l i z e dt h ea i m t h ee f f e c t so f m i c r o o r g a n i s m sa n dp h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sb yh i g h p r e s s u r eo fp r e s s u r e ，m a t e r i a l t e m p e r a t u r e ，p r o c e s s i n gt i m ei nt h em i l kw e r ei n v e s t i g a t e du n d e r2 0 10 0m p a , 2 5 5 5 a n dp r o c e s s i n gt i m e2 一l0m i n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee s t i m a t i o ni n d e xa n dt h e i n f l u e n c ef a c t o r sw a sa l s od i s c u s s e d r e s u l t ss h o w e dt h a tc o m b i n e dm e d i u mt e m p e r a t u r eh i g 1 p r e s s u r ec o u l d e v i d e n t l y p r o m o t eb a c t e r i c i d a le f f e c t w i t ht h em a t e r i a lt e m p e r a t u r eo f55 a n dt h ep r o c e s s i n g t i m eo f4m i n ，t h eb e s tb a c t e r i c i d a le f f e c tw a sa c h i e v e da t2 0m p a t h e r ew a sa ni n t e r a c t i o n i n f l u e n c eb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e ，t i m ea n dp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo n b a c t e r i c i d a le f f e c t a m o n gt h e m ，t h ep r e s s u r em a d ea s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nb a c t e r i c i d a l e f f e c t i n s t a n t a n e o u sh i g h - p r e s s u r eh a da ni n f l u e n c eo nt h ea c i d i t y , l i g h t n e s s ，t u r b i d i t y , h y d r a t i o no fm i l k ，b u td i d n ta f f e c tt h ef r e e z i n gp o i n to fm i l k t h ep r e s s u r eh a da s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ea c i d i t y , l i g h t n e s so fm i l k w h e nc h a n g e da tt h er a n g eo f2 0 - - 10 0m p a ，t h ei n c r e a s e dp r e s s u r em a d ea c i d i t ya n dl i g h t n e s so fm i l kr e d u c e t h e 诧e d t e m p e r a t u r ea l s oh a das i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ea c i d i t ya n dl i g h t n e s so fm i l k w h e n c h a n g e da tt h er a n g eo f2 5 - - 5 5 t h et e m p e r a t u r em a d et h ea c i d i t yr e d u c ea n dl i g h t n e s s i n c r e a s e b yt h ei n s t a n t a n e o u sh i g h p r e s s u r et r e a t m e n t ，t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eh a da ni n t e r a c t i o ni n f l u e n c eo na c i d i t y , l i g h t n e s s ， t u r b i d i t y , h y d r a t i o no fm i l k g e n e r a l l yc o n s i d e r e dt h ee f f e c t so fc o m b i n e di n s t a n t a n e o u s h i g h p r e s s u r e a n dm e d i u m t e m p e r a t u r eo nm i c r o o r g a n i s m sa n dp h y s i c o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm i l k ，t h eb e s tc o n d i t i o no fi n s t a n t a n e o u sh i g h p r e s s u r et r e a t m e n tw a sa s f o l l o w s ：廿1 ew o r kp r e s s u r eo f 2 0m p a , t h ef e e dt e m p e r a t u r eo f2 5 t h et r e a t m e n tt i m eo f 2m i n k e yw o r d s ：i n s t a n t a n e o u sh i g h - p r e s s u r e ，m e d i u mt e m p e r a t u r e ，m i c r o o r g a n i s m s ， p h y s i c a l - c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，m i l k 插图清单 图1 1 蛋白质变性示意图”6 图2 1 瞬变高压与热力协同杀菌试验台原理图l l 图2 2 瞬变高压与热力杀菌效果的比较 1 2 图2 3 工作压力对乳中微生物的影响l3 图2 4 进料温度对乳中微生物的影响1 4 图2 5 处理时间对乳中微生物的影响15 图2 - 6 工作压力与进料温度对牛乳细菌总数的综合影响效果17 图2 7 进料温度与处理时间对牛乳细菌总数的综合影响效果1 8 图2 8 工作压力与处理时间对牛乳细菌总数的综合影响效果1 8 图3 1 工作压力对色度的影响2 3 图3 2 进料温度对色度的影响2 3 图3 3 处理时间对色度的影响2 4 图3 4 温度和压力对色度的交互作用2 6 图3 5 温度和时间对色度的交互作用2 7 图3 - 6 压力和时间对色度的交互作用2 7 图3 7 工作压力对浊度的影响2 8 图3 8 进料温度对浊度的影响2 9 图3 - 9 处理时间对浊度的影响2 9 图3 1 0 压力和温度对浊度的交互作用”3 l 图3 11 温度和时间对浊度的交互作3 l 图3 1 2 压力和时间对浊度的交互作用“3 2 图3 1 3 工作压力对酸度的影响3 3 图3 1 4 进料温度对酸度的影响3 3 图3 15 处理时间对酸度的影响3 4 图3 1 6 压力和温度对酸度的交互作用”3 5 图3 17 温度和时间对酸度的交互作用3 6 图3 1 8 压力和时间对酸度的交互作用“3 6 图3 1 9 工作压力对水化度度的影响一3 8 图3 2 0 进料温度对水化度的影响”3 8 图3 2 l 处理时间对水化度的影响3 9 图3 2 2 压力和温度对水化度的交互作用”4 0 图3 2 3 压力和时间对水化度的交互作用一4 1 图3 2 4 温度和时间对水化度的交互作用“4 1 图3 2 5 工作压力对冰点的影响一4 3 图3 2 6 进料温度对冰点的影响”4 3 图3 2 7 处理时间对冰点的影响一4 4 表格清单 表1 - 1 瞬变高压与超高压处理的比较一9 表2 1 压力产生的累积热效应13 表2 2 回归正交试验方案表16 表2 3 回归正交试验方差分析结果l7 表3 1 回归正交试验处理条件表2 5 表3 2 回归正交试验结果表2 5 表3 3 回归正交试验方差分析表 2 6 表3 4 回归正交试验方差分析表3 0 表3 5 回归正交试验方差分析表 3 5 表3 6 回归正交试验方差分析表4 0 表4 1 指标综合评分表4 5 表4 2 工作压力试验条件筛选结果表4 5 表4 3 进料温度试验条件筛选结果表 4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲声妒字胁如巧年 瑚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目曼王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 每鑫 签字日期聊7 年丫月咖 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师陈从贵教授的悉心指导下完成的，从论文的选 题、研究重点的确定到论文的定稿，都得到了陈老师的精心指点。在此， 由衷感谢陈从贵老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身 教中学到的为人品质和道德情操。老师渊博的知识、严肃的科学态度、严 谨的治学精神、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，使我受益 匪浅。 同时，感谢方红美老师、王武老师、周存六老师、吕顺老师、杨毅老 师，是他们在试验过程中给予我热情的帮助，让我能够顺利完成了试验研 究。感谢升华楼5 2 5 实验室的全体同学，在我课程学习和论文撰写期间， 给予我的大力支持。 真诚感谢我的家人，是他们给予我一如既往的支持和理解。 作者：左君 2 0 0 9 年4 月0 8 日 1 绪论 随着社会经济的发展、人民生活水平的提高以及食品安全意识的普及，人们对 所消费食品的营养特性、风味等要求越来越高，传统方法加工、保藏的食品已不能完 全满足人们的消费需求。探寻能保持食品天然风味、色泽、营养和改善食品质构的加 工方法，己成为食品加工业追求的理想目标。近年来，食品的非热杀菌( 也称冷杀菌) 受到人们越来越多的关注。在诸多冷杀菌技术中，超高压加工技术是一项非常有前途 的杀菌技术i ij ，被誉为21 世纪食品加工的十大高新技术之一。 1 1 食品超高压加工技术简介 超高压加工技术( u l t r a h i g hp r e s s u r ep r o c e s s i n gu h p p ) ，简称高压技术( h i g h p r e s s u r ep r o c e s s i n g ，h p p ) 或静态高压技术( h y d r o s t a t i ch i 曲p r o c e s s i n g ，h h p ) ，即：将 食品物料用弹性材料包装，然后置于高压系统中( 常以水或其它流体作为传压介质) ， 在1 0 0m p a 以上的压力下进行处理，使之达到杀菌、灭酶或改性目的的加工技术p 。j 。 超高压下，生物材料中的蛋白质、淀粉、d n a 和r n a 等生物大分子向体积减小的 方向发展，使维持分子立体结构的氢键、硫氢键、水化结构等发生变化或破坏，导致 蛋白质变性、酶失活、淀粉糊化、d n a 和r n a 构象发生改变或断裂，最终导致生命活 动的停止【4 】。而生物材料中的糖、游离氨基酸、维生素、香气成分等低分子化合物在 高压下几乎不发生变化。因此，超高压加工不会造成营养成分损失、风味变化等食品 加工的劣化现象，也不会产生有毒、有害因子，能更好地保持食品原有的营养与风味 【5 j 。近年来，超高压技术已得到国内外食品行业人士的极大注视。 1 1 1 超高压技术原理与特点 食品超高压技术是利用帕斯卡定律，即利用加在液体中的压力( 1 0 0m p a 1 0 0 0 m p a ) ，通过介质，以压力作为能量因子，将放在专门密封超高压容器内的食品，在常 温或较低温度( 低于l o o c ) 下，以液压作为压力经传递介质对食品加压，达到杀菌、 物料改性、产生新的组织结构、改变食品的品质等【6 j 。超高压处理过程中，生物物料 的体积被压缩，进而影响到细胞的形态，并可改变维持生物高分子立体结构的氢键、 离子键和疏水键等非共价键作用，致使蛋白质凝固，淀粉变性，酶失活或激活，细菌 等微生物被杀死；或者改善食品的组织结构，形成新型食品【7 j 。 超高压处理基本是一个物理过程，其进行食品加工具有的独特之处在于它不会使 食品的温度升高，而只是作用于非共价键，共价键基本不被破坏，所以对食品原有的 色、香、味及营养成分影响较小。这也是目前高压技术在各种食品杀菌、加工技术领 域所独具的特点：瞬间压缩、作用均匀、时间短、操作安全和耗能低；污染少；更好 的保持了食品的原有的风味和天然营养；通过组织变性，得到新物性食品。 1 1 2 食品超高压加工技术的研究现状及存在的主要问题 1 1 2 1 食品超高压加工技术的研究现状 1 ) 超高压在食品杀菌、灭酶中的应用 超高压技术在食品中最早是用来杀菌，替代热杀菌。微生物的代谢和酶的作用是 食物腐败变质的主要原因。传统杀菌、灭酶的方法如热处理和添加化学防腐剂均有其 不足之处。热处理杀菌、灭酶使一些热敏性的营养素和风味物质受到破坏，降低了食 品的营养价值，并使产品天然色泽发生变化，改变食品原有风味。而化学添加剂虽然 能抑菌或杀菌，但可能对人体健康有危害【8 j 。随着人们对营养、卫生、天然绿色食品 的需求越来越高，需要采取更加安全有效的杀菌方式。超高压可在较低温度下达到杀 菌、灭酶的效果，避免热处理引起食品品质变化，同时可以节约能源，减少环境污染。 超高压对微生物的致死作用是通过改变细胞形态，破坏细胞壁和细胞膜，改变细胞膜 的通透性，抑制酶的活性和d n a 以及r n a 等遗传物质的复制来实现【9 j ，即超高压使 微生物的形态、结构、生化反应、基因机制以及细胞壁、细胞膜发生变化，从而引起 微生物原有的生理代谢障碍，导致微生物死亡而达到杀菌目的i j 。超高压对不同食品 的灭菌效果受压力、加压温度、保压时间、加压方式、食品组成成分以及食品的浓度、 p h 、菌种的类别及所处状态等因素的影响j 。一般情况下，压力越大，杀菌效果越 好；而压力一定的情况下，受压环境温度越高，保压时间越长，杀菌效果越好引。 在食品杀菌保藏中，芽孢菌的残留是超高压杀菌处理的最大挑战。尤其是革兰氏 阳性菌中的芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢最为耐压，但对梭状芽孢杆菌属的研 究较少f l3 1 。目前，己有相当一部分酸性超高压产品面市，而低酸性的产品很少见。这 主要是由于酸性食品中的芽孢细菌不耐压，采用适当的压力配合加压时间可以达到商 业杀菌的目的【1 4 】。而在低酸性食品中的芽孢细菌非常耐压，单纯的压力处理难以达到 商业杀菌要求，杀灭芽孢需要更高的压力以及与其它处理方式的共同作用。温度和低 压处理可以促使芽孢细菌发芽，然后再结合高压处理杀死其营养体细胞。在不影响产 品质量的情况下，超高压与适当加温协同处理既可提高灭菌效率，降低处理压力，又 能获得非热杀菌的效果【15 | 。一般认为，低压处理结束后的快速卸压使得芽孢和细胞产 生了空化作用，导致物理损伤而致死。而且超高压和辐射、超声波协同处理时，不但 可以增强杀菌效果，还可以降低处理压力和处理时间。此外，多种抗菌剂被己经用于 超高压的协同处理，例如，溶菌酶、壳聚糖、细菌素、乳链球菌素等【l 6 | 。 2 ) 超高压在食品改性方面的应用 超高压对食品大分子( 蛋白质、脂类、多糖等) 理化特性的影响，是通过破坏稳定 大分子高级结构的非共价键，从而影响到食品的结构和功能特性。食品超高压技术己 经被应用于植物蛋白的组织化、淀粉的糊化、肉类品质的改善、动物蛋白的变性。 超高压可使淀粉改性，常温下加压至u 4 0 0m p a 一6 0 0m p a 下可以使淀粉糊化，使淀 粉吸水量增加。而且经过超高压糊化以后的玉米淀粉没有与热加工糊化淀粉相同的老 化现象，且不变色1 1 7 j 。 超高压可改善米饭的质构，研究发现在1 0 0m p a 下陈米可获得最好的改善，制成 的米饭硬度下降、粘度上升、平衡值提高到新米的范围，同时光泽和香气也得到改良， 具有人们喜爱的新米饭口味。此外，经高压处理还可缩短炊饭时间。高压处理将成为 2 未来米加工的一项新方法。最近，日本市场上已经推出了超高压处理的米制品如方便 米饭和米饼等工业化产品。 高压可使淀粉改性、糊化，生成透明的粘稠糊状物，且吸水量也发生改变。原因 是超高压使得淀粉的长链分子断裂，分子结构发生改变1 1 引。经过压力处理，淀粉糊化 会变得在室温或适当的温度( 4 5 5 0o c ) - g x 寸淀粉酶敏感i i 。 超高压处理可导致蛋白质的水合性质、表面特性和凝胶特性等发生变化。高压是 一种温和的处理方式，不会破坏蛋白质的共价结合，但有利于向体积缩小的方向变化。 由于疏水作用和静电作用使蛋白质分子体积变大，因此分子内疏水作用对压力较为敏 感，超高压可破坏蛋白质的三级结构和四级结构，活性s h 基团形成二硫键，有利于蛋 白质的聚集。蛋白质的结构和分子之间的相互作用对环境条件( 如温度、p h 、离子强 度等) 敏感，可通过改变这些条件来改变超高压处理蛋白质的功能特性【2 。 超高压也可使油脂变性，但它对油脂的影响是可逆的。甘油三脂的熔点随着压力 的升高而升高。在常温下存在的液体状态的油脂在更高的压力下将发生结晶。高压有 利于最高温度状态晶体的形成。通过拉曼光谱和红外光谱研究多种脂类状态的变化， 发现压力每升高1 0m p a ，主要临界温度就会升高2 0 ，且呈线性关系。关于油脂熔点 ( ) 和压力( k b a r ) 的关系，有两个比较认可的经验公式，分别是：t = 1 3 9 p + 2 6 6 ( 椰子油) ， t = 1 2 1 p 1 0 。9 ( 大豆油) 。一家日本公司已经证实，通过压力循环处理可以更好地提高巧 克力的韧度( 和热循环处理相比) “。 超高压处理可嫩化肌肉组织。1 0 0m p a 以上的压力处理僵硬后的牛肉骨骼肌5m i n ， 可降低肌肉的硬度，同时使肌原纤维小片化怛2 l 。1 9 9 0 年研究发现在1 0 0m p a 、1 5 0m p a 和3 0 0m p a 压力下，压力处理后肌肉的硬度分别降低到原来的6 0 、2 0 和1 0 ，而其 弹性没有变化。有研究发现发现高压处理只稍微改善鸡肉的嫩度，和热处理相比，经 高压处理的鸡肉糊具有较低的硬度。经2 5 0m p a 或更高压力处理1h ，牛肉的破断能力 增加，而压力处理时间的延长( 直到3 h ) ，并不会导致断裂应力的进一步增加l z j 。研究 指出，同未经超高压处理的焙烤牛肉相比，经过超高压预处理( 2 0 5m p a ，2 0 ，3 h ) 的焙烤牛肉( 2 8 0 * ( 2 ，7m i n ) ，具有更高的嫩度和低的烹饪损失，且不发生变色现象， 这些特性可以一直保持至冷冻储存状态【2 4 | 。 经压力处理后的肌浆网状组织的三磷酸腺苷酶活性轻微地降低，同时，肌浆网状 组织的膜结构被损坏，高亲合力的蛋白质被释放。这两种现象导致对c a 2 + 的摄取能力 的全面减少，这也许是压力诱导肉嫩化的原因。通过扫描电镜观察指出，压力导致的 分子间结缔组织的变化与老化的肌肉变化不同【2 引。 1 1 2 2 食品超高压加工技术存在的主要问题 利用超高压加工技术对食品进行杀菌灭酶，可在杀菌、灭酶的同时，较好地保留 食品的营养品质和色泽，体现出不可比拟的技术优势。但就技术的工业化而言，还存 在着所需工作压力过高( 多为3 0 0m p a 以上) 等问题，由此引发工程设备投资大、操作要 求严格、设备运行费用高、连续化生产困难，生产效率低下等技术经济难题，从而限 制了超高压技术的工业化应用。为此，许多学者就在寻求超高压与其它处理方法的结 合上开展了研究，以期找到食品高压加工技术商业化推广应用的可能捷径，并在利用 超高压与温度、酸度( p h 值) 、添加剂等因子的结合杀菌方面，以及改变加压方式，进 行间歇式加压杀菌方面都获得了一些突破性研究结果，为降低操作压力，促进食品高 压加工技术的产业化开辟了新的研究思路。超高压与众多因子的协同杀菌己成为食品 高压加工技术研究的主要趋势【2 6 之8 1 。 1 1 3 食品超高压加工技术的发展趋势 近年来，许多科学家已经认识到单纯使用超高压的局限性，开始探索新的方法， 以期降低其工作压力，缩短加工时间，相对提高超高压食品加工的生产效率。因此， 超高压技术领域的研究焦点越来越集中于超高压与其它处理方法的结合，并通过研究 取得了一系列的成果。 1 1 3 1 超高压与温度的结合 温度是微生物生长代谢最重要的外部条件，它对超高压灭菌效果影响很大。由于 微生物对温度极具敏感性，在低温或高温下对食品进行超高压处理具有较常温下处理 更好的杀菌效果。 ( 1 ) 超高压与中温的结合 超高压与中温的结合处理可以生产出更安全的产品【2 9 3 0 1 。适当提高处理温度对超 高压灭菌有促进作用。一定温度下，加压杀菌可以减少加热时间或降低灭菌所需的温 度：同时，适当的中温也会减少加压所需的时间和强度，对解决细菌芽孢的耐热耐压 性尤为重要1 3 1 1 。 ( 2 ) 超高压与低温的结合 低温对超高压杀菌的促进效果引人注目，因为低温下超高压处理对保持食品品质， 尤其是减少热敏性成分的破坏较为有利。 1 1 3 2 超高压与添加剂的结合 添加剂的使用也会影响超高压杀菌灭酶的效果。微生物种类不同，水分活度对微 生物生命活力的影响程度有显著差异，但总体上来说，降低水分活度会减弱杀菌效果。 采用抑菌剂和超高压协同作用在低抑菌剂浓度时较为明显，而且不同的抑菌剂混合使 用时又有增效作用1 3 2 。 1 1 3 3 加压方式的改变 超高压处理过程中加压方式的改变也会影响杀菌效果。众多研究发现间歇式处理 比连续处理的杀菌效果好。女n h a y a k a w a 等人研究了嗜热脂肪芽孢杆菌的失活情况，发 现采用脉冲加压( o s c i l l a t o r yp r e s s u r i z a t i o n ，o p ) 法，即使用6 0 0m p a 的压力7 0 。c 条件下 处理5r a i n ，重复6 次，可使含嗜热脂肪芽孢杆菌量为1 0 6 个m l 的样品全部灭菌l j 川。 a l e m e n 采用频率较低的矩形波式脉冲高压处理也取得了比连续超高压处理更好的杀 菌效果( 3 4 】。f u r u k a w a 等的研究结果表明，交互加压( r e c i p r o c a lp r e s s u r i z a t i o n , r p ) 法优 于连续加压( c o n t i n u o u sp r e s s u r i z a t i o n ，c p ) 法，r p 法能在获得相同杀菌效果的前提下， 4 显著降低使芽孢失活所需的处理压力与温度3 引。 1 2 超高压杀菌的机理 1 2 1 超高压致死微生物的机理 室温下超高压对微生物的致死作用，主要是通过破坏细胞膜、抑制微生物中酶的 活性和影响d n a 等遗传物质的复制来实现的0 6 1 。 极高的静压能影响细胞形态结构。3 0 4 5m p a 压力会导致假单细胞菌菌株 ( p s e u d o m o n e s ) 细胞个体变长、细胞壁脱离细胞质膜、无膜结构的细胞壁变厚、细胞质 中海绵状或网状结构的光亮区和核糖体数量减少【37 i 。细胞壁维持微生物细胞的硬度和 形状，2 0 4 0m p a 压力会导致较大细胞的细胞壁因受压而发生机械裂断【3 圳。细胞膜主 要由磷脂和蛋白质构成，其结构通过氢键和疏水键保持，在细胞传递和呼吸方面起着 重要作用。如果细胞膜受损严重，则细胞面临死亡。超高压力作用下，细胞膜的双层 结构的体积随每个磷脂分子横切面积的缩小而收缩【39 | ，表现出细胞膜通透性的变化； 4 0m p a 以上时，核蛋白、k + 和n a + 的流出随压力升高而呈线性下降1 5 叫；超高压引起 的细胞膜功能劣化也会使氨基酸的摄取受到限制【4 0 1 。一般认为，对于微生物，压力引 起损失的前沿部位主要是细胞膜1 4 。 压力对微生物的抑制作用，也可能是由于压力引起主要酶系的失活形成的。一般 地，1 0 0 3 0 0m p a 弓i 起的蛋白质变性是可逆的，超过3 0 0m p a 三j 起的变化常常不可逆。 压致酶失活的根本机制是分子内结构的改变和活性部位上构象的变化。这种压力效应 还受到环境p h 值、底物浓度、酶的多肽链结构、酶的脂质质量和温度等因素影响1 4 2 。 超高压对微生物的基因机制也有影响。因为d n a 螺旋结构大部分来自氢键形成， 压力的上升必然有助于氢键形成时所固有的体积变小作用，导致在压力下d n a 稳定， 但由酶中介的d n a 复制和转录步骤却会因压力而中断【4 3 1 。例如，超高压能使大肠杆菌 的诱导、翻译、转录受到影响，2 7m p a 下诱导停止；而6 8m p a 下翻译受到抑制；但压 力解除后，这些过程都将恢复正常m j 。 1 2 2 高压与中温复合杀菌技术的理论基础 在影响微生物生长繁殖的各种物理因素中，温度起着重要的作用。每种微生物都 有其适应的生长温度；超过其适宜生长温度，微生物就会被抑活，甚至被杀灭。美国 物理学家、诺贝尔获得者b r i d g m a n 发现，压力和温度复合能够在低温、低压下获得与 高压及高温单独处理相同的灭菌效果。s u z u k i 在1 9 6 0 年亦用p 、t 、k 图表述了他的成 果，如图1 1 。 超高压杀菌是依据超高压对构成微生物的蛋白质的影响来实现的。图2 一l 显示， 就超高压对蛋白质的影响而言，其压力水平与加压介质温度之间存在着交互作 用，一定范围内，蛋白质会随着所受压力的提高而表现出更强的耐受温度的能 力( 即变性温度相应提高) ；换言之，在较低或较高的温度下，蛋白质容易受到 超高压的影响而变性，由此改变微生物的活力。在通常温度范围内( 如3 0 5 0 。c ) ， 蛋白质则表现出较强的耐受压力的能力”l 。由此可见，工作压力和温度的有效 结合将有利于强化杀菌效果，这也为高压和中温的复合杀菌提供了理论依据。 e n a t u r e d 到1 _ i 蚩内质变性示意图 f i gi - 1s k e t c hm a po f p r o t e i nd e na i u r a t i o n 注：( 1 ) 图中椭圆形阴影为天然蛋白质区域，阴影外为变性区域 ( 2 ) h 热变性，p 一压力变性，c 冷变性 1 3 食品超高压技术在乳品加工中的应用 乳和乳制品是微生物的良好培养基，牛乳生产过程中，来自于牛体、空气、挤奶 工具等微生物不可避免地污染鲜奶，若不进行及时处理，乳中的微生物就会大量繁殖， 分解蛋白质、糖和脂肪，产生酸性产物、色素、气体、有碍产品风味与卫生的小分子 产物，甚至产生毒素，从而导致乳品出现酸凝固、色泽与风味异常等腐败变质现象， 降低了乳品品质与卫生状况，甚至使其失去食用价值。因此，在乳品工业生产中要严 格控制微生物污染与繁殖。 1 3 1 超高压在液态乳加工中的应用 1 9 9 1 年，h o o v e r 等i o i 发现，2 3 时经3 4 0m p a 高压处理生乳6 0r a i n ，乳中单细胞增 生李斯特氏菌的致死量达1 0 6 c f u m l 。还发现高压处理时，单细胞增生李斯特氏菌在乳 中比在磷酸缓冲液中易受到保护，可能由于高压会改变磷酸缓冲液体系的p h 值。在缓 冲液和食物系统中，因高压引起微生物致死率不同的原因还有待进一步探索。 研究者还注意到高压对乳物化特性的影响h “。压力达2 3 0m p a ，乳的浊度和亮 度未改变，胶柬略有溶解，但对乳的光学特性和感官特性影响不大；压力在2 3 0 - 4 - 3 0 m p a 时，酪蛋白胶束构象改变，发生重排、压缩，致使乳的浊度和光亮度逐渐降低， 并趋于稳定。乳样散光力可用亮度值( l ) 来测定，试验发现高压作用于混合均匀的全 乳，其光度值几乎无明显改变，而作用于脱脂乳时，亮度值变化显著。当全乳静置会 形成奶油层，上层与下层的亮度对比非常明显，其下层的透明度与超高压作用于脱脂 乳的透明度相一致”。 除酪蛋白胶束外，j o h n s t o n 等 4 4 1 采用离心法( 7 0 k g ) ，测定非酪蛋白氮和乳清氮。发 现高压会引起某些蛋白质之间的相互作用。随着压力升高，非酪蛋白氮和乳清氮都减 少。表明高压可使乳清蛋白发生变化，致使离心时发生沉降，p h 值为4 6 时凝集。目 前尚不清楚是否由于乳清蛋白间还是酪蛋白间的相互作用。 1 3 2 食品超高压在干酪加工中的应用 蛋白分解酶凝乳酶用于干酪的制造由来已久。s h i b a u c h i 等报道，压力在2 0 0 4 0 0 m p a 下作用5r a i n ，可明显减少凝乳酶凝乳时间( r c t ) ，而当压力升至1 0 0 0m p a 时，并 未产生其它变化。乳的p h 值和温度是影响r c t 的主要因素。早期试验采用2 0 0 m p a ( 3 0 。c ，p h 值为6 4 5 ) 的高压乳，证实r c t 减少；然而当压力升高、作用时间延长时， r c t 又会增加【5 。 o h m i y a 等1 5 1 5 2 1 研究了高压( 1 3 0m p a ) 下，由凝乳酶引起乳凝固的反应。发现高 压对酪蛋白水解的初级阶段无影响，而酪蛋白胶束形成的第二阶段时间延长，乳凝块 形成的第三阶段时间缩短。 1 3 3 食品超高压在酸乳和奶油加工中的应用 1 9 9 3 年，j o h n s t o n 5 3j 研究了用葡萄糖酸一8 内脂作用于高压处理的牛乳，其酸凝固 的特性。高压使凝块表面弹性系数增加了8 倍，切割凝块作用力增大4 倍。随压力增大 和处理时间延长。b u c h h e i m 等采用高压( 1 0 0 5 0 0m p a 2 3 ，1 1 5m i n ) 处理奶油，可大 大增加奶油中脂肪结晶速度。 1 4 食品瞬变高压加工技术 1 4 1 瞬变高压加工技术的简介 瞬变高压的概念是基于射流均质机工作原理的基础上发展起来的。它借助高压泵 的增压和瞬时卸压作用，实现对液态物料的瞬时加压、食品微生物等的疲劳破坏，以 期产生杀菌、灭酶、改性等功能。尽管它仍属高压范畴，但相对于超高压处理来说， 这里的“超高压”应属于低压。 瞬变高压杀菌技术是一种连续常温动压杀菌技术，作为低温物理作用杀菌，它能 够避免常规热杀菌处理造成的对食品品质的劣化，从营养、风味、色泽等方面最大限 度地保全食品的自然特性，更有效地利用食品原料中的有效成分，是加工鲜果汁饮料、 鲜牛乳等产品的理想预杀菌方法。在崇尚天然低温加工食品、保全食品营养性的今天， 这种技术的研究与发展更具有现实意义。 1 4 2 瞬交高压加工技术的研究现状 r o s a l b al a n c i o t t i 等研究了在15 0 2 0 0m p a 范围内连续瞬变高压处理对于病源和腐 败微生物存活的影响，发现改变瞬变压力可以使芽孢杆菌和酵母瞬间大量减少，并且 使细胞产生不可逆的损伤，经高压杀菌后的橙汁保存六个月后仍然无菌1 5 4 5 5 。 瞬变高压对于微生物的影响随着细菌的种类结构、大小形状和生长状况的不同而 不同，细菌结构对于微生物的高压处理有重要的影响。细菌结构随着菌种、菌龄和营 养状况的不同而改变很大，这种差别以革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之间最为明显。 通常认为革兰氏阳性菌的细胞壁比革兰氏阴性菌的细胞壁更为坚固，这是因为厚的肽 聚糖层占了革兰氏阳性菌细胞壁干重的9 0 ，而革兰氏阴性菌细胞壁仅含有1 0 的肽 聚糖。不过革兰氏阴性菌细胞壁外层另外覆盖有一层薄的脂多糖层，有助于它们的化 学和免疫行为。所以，一般认为瞬变高压对于革兰氏阴性菌有更强的影响，l u t zp o p p e r 和d i t r i c hk n o r r 5 6 l 选择e c o l i 作为革兰氏阴性菌的代表，s 1 a c t i s 和b s u b t i l i s 作为革兰氏 阳性菌的代表，用1 0 0m p a 压力处理后发现e c o l i 和b s u b t i l i s 大约减少到原来数目的0 1 ，而s 1 a c t i s l b b s u b t i l i s 对机械作用有更强的抵抗力。破碎的难易还与细菌的生长状 态有关。有试验表明，革兰氏阴性菌a l i c a l i g e n c ee u t r o p h u s 随着生长速率的增加而越容 易破碎【57 | 。另外，培养状况如培养基的成分也会影响破碎率。 1 4 3 瞬变高压技术与超高压技术的比较 超高压杀菌所使用的压力比较高，对设备的要求也比较高，而瞬变高压杀菌技术 使用的压力仅为后者的下限压力，在技术措施和工程措施上更具可操作性，更利于实 现液态食品真正的连续生产。瞬变高压杀菌与超高压杀菌的比较结果如表1 - 1 。 1 4 3 1 承受的压力不同 在超高压杀菌过程中，物料所承受的压力是静压，而在瞬变高压杀菌过程中，物 料乃是流体，所承受的压力是动压。而且二者压力大小也不同，超高压一般在2 0 0m p a 以上，而瞬变高压作用杀菌的压力大小一般是超高压的下限，小于2 0 0m p a 。 1 4 3 2 处理的原理不同 超高压杀菌的基本原理是压力对微生物的致死作用，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的变化1 5 引。而瞬变高压杀菌是利 用超高压对液体食品造成挤压，以及压力释放、强烈剪切和高速撞击等联合作用，使 其中杂菌的细胞结构发生破坏和改变，从而失去或钝化其生物活性，达到杀菌目的。 1 4 3 3 处理工艺不同 超高压杀菌是在一定温度下，把食品装入塑料等材料中，且可在外部加压的容器 中，用热封或蜡封后，投入水中对水进行高压处理的过程【5 9 1 。其处理工艺难以实现工 业化上的连续化，处理量较小。而瞬变高压杀菌可连续化操作，也可借助高压均质机 来实现，为连续化操作工艺。 1 4 3 4 选用的设备不同 超高压杀菌设备需要专门的、大容量的超高压容器，有的还需要设置一个中间增 压器( 倍加器) ；高压管路长、超高压阀门较多；高压容器承受的压力可达数百甚至 上千兆帕【6 0 】；设备的造价也很高。而瞬变高压装置所需的超高压容器小，甚至仅以管 路代替高压杀菌；所需高压阀门较少，仅1 2 个；设备结构相对简单，造价较低。 表1 一l 瞬变高压与超高压处理的比较 超高压 瞬变高压 加压原理