超高壓殺菌技術(shù)的研究與應(yīng)用

超高壓殺菌技術(shù)的研究與應(yīng)用

uh1200技術(shù)也被稱為靜水壓技術(shù)，也被稱為uh1200技術(shù)。此外，它還被稱為超高壓殺菌技術(shù)（uh）。超高壓殺菌是指將密封于柔性容器內(nèi)的食品置于壓力系統(tǒng)中,以水或其他液體作為傳壓介質(zhì),采用100MPa以上的壓力處理食品,以達(dá)到殺菌、滅酶和改善食品功能特性的目的。由于超高壓殺菌技術(shù)實(shí)現(xiàn)了常溫或較低溫度下殺菌和滅酶,保證了食品的營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性,因此被認(rèn)為是一種最有潛力和發(fā)展前景的食品加工和保藏新技術(shù),并被譽(yù)為“食品工業(yè)的一場(chǎng)革命”、“當(dāng)今世界十大尖端科技”等。目前,超高壓滅菌技術(shù)廣泛的應(yīng)用于含液體成分的固態(tài)食品或液態(tài)食品的殺菌,如蔬菜、水果、奶類產(chǎn)品、肉類產(chǎn)品、醬油等的殺菌。但目前存在的最大難題是超高壓設(shè)備設(shè)計(jì)相當(dāng)困難,以及超高壓設(shè)備和大流量的高壓泵系統(tǒng)制造費(fèi)用非常昂貴等。1國(guó)外高壓食品的研究與開發(fā)對(duì)食品高壓殺菌處理最早的報(bào)道是1895年Roger報(bào)道的高壓對(duì)微生物的作用。1899年Hite發(fā)現(xiàn)了高壓處理牛乳和果汁等能延長(zhǎng)其保存期,但他的研究工作并未引起人們的關(guān)注。1914年,美國(guó)物理學(xué)家P.W.Briagman正式提出了食品超高壓加工技術(shù),他報(bào)道了靜水壓500MPa下卵蛋白變性凝固,700MPa下形成凝膠,但在之后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這一現(xiàn)象并未應(yīng)用到食品工業(yè)中,直到1986年日本京都大學(xué)林立丸助教發(fā)表了高壓食品加工的研究報(bào)告后才引起了高壓食品研究的熱潮。1991年日本明治屋食品公司運(yùn)用這一技術(shù)生產(chǎn)出了世界上第一種高壓果醬食品,并取得了良好的試售效果,被稱為21世紀(jì)食品。1998年,美國(guó)市場(chǎng)出現(xiàn)了高壓食品鱷梨醬。法國(guó)ULTI公司利用高壓生產(chǎn)桔汁和釉汁。目前,日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)家在高壓食品的研究和開發(fā)方面走在了世界前列。我國(guó)主要是在果蔬、乳類、肉類等滅菌方面超高壓技術(shù)研究和應(yīng)用的較多。2壓力對(duì)微細(xì)胞的影響微生物的熱力致死是由于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化、酶失活、蛋白質(zhì)變性、DNA損傷等主要原因引起的。而超高壓是破壞氫鍵之類弱結(jié)合鍵,使基本物性變異,產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活,以及使菌體內(nèi)成分產(chǎn)生泄露和細(xì)胞膜破裂等多種菌體損傷。高壓會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)。細(xì)胞內(nèi)含有小的液泡、氣泡和原生質(zhì),這些液泡、氣泡和原生質(zhì)的形狀在高壓下會(huì)變形,從而導(dǎo)致整個(gè)細(xì)胞的變形。研究表明,細(xì)胞內(nèi)的氣體空泡在0.6MPa壓力下會(huì)破裂。埃希氏大腸桿菌的長(zhǎng)度在常壓下為1μm~2μm,而在40MPa下為10μm~100μm。高壓對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞壁也有一定的影響。在壓力作用下,細(xì)胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。加壓對(duì)細(xì)胞膜常常表現(xiàn)出通透性的變化和氨基酸攝取的受阻。當(dāng)壓力為20MPa~40MPa時(shí),細(xì)胞壁會(huì)發(fā)生機(jī)械性斷裂而松懈;當(dāng)壓力為200MPa時(shí),細(xì)胞壁會(huì)因遭到破壞而導(dǎo)致微生物的細(xì)胞死亡。壓力對(duì)微生物的抑制作用還可能是由于壓力引起主要代謝酶或蛋白質(zhì)的失活。眾所周知,酶是有催化活性的一類特殊蛋白質(zhì),是由多種氨基酸以肽鍵結(jié)合形成鏈狀的高分子物質(zhì)。酶蛋白的高級(jí)構(gòu)造除共價(jià)鍵外,還有離子鍵、疏水鍵、氫鍵和二硫鍵等較弱的鍵。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)經(jīng)高壓處理后,其離子鍵、疏水鍵會(huì)因體積的縮小而被切斷,從而導(dǎo)致其立體結(jié)構(gòu)崩潰,蛋白質(zhì)變性,酶失活。一般來說,100MPa~300MPa壓力下引起的蛋白質(zhì)變性是可逆的,但當(dāng)壓力超過300MPa時(shí),蛋白質(zhì)變性是不可逆的。同樣,凡是以較弱的結(jié)合構(gòu)成的生物體高分子物質(zhì),如核酸、脂肪、糖類等物質(zhì)都會(huì)受到超高壓的影響,從而使生物體的生命活動(dòng)受到影響甚至停止,這就是高壓處理可達(dá)到殺菌目的的機(jī)理。3不同食品對(duì)象的處理?xiàng)l件對(duì)食品感官處理效果的影響在超高壓殺菌過程中,由于食品成分和組織狀態(tài)十分復(fù)雜,因此要根據(jù)不同的食品對(duì)象采取不同的處理?xiàng)l件。一般,影響超高壓殺菌的主要因素有:壓力大小、加壓時(shí)間、加壓溫度、pH、水分活度、食品成分、微生物生長(zhǎng)階段和微生物種類等。3.1超高壓對(duì)發(fā)酵的影響在一定范圍內(nèi),壓力越高,殺菌效果越好。在相同的壓力下,殺菌時(shí)間越長(zhǎng),殺菌效果也越好。300MPa以上的壓力會(huì)使細(xì)菌、霉菌、酵母菌滅活,病毒在較低的壓力下就會(huì)失去活力。非芽孢菌在300MPa~600MPa時(shí)就可全部致死,芽孢菌在1000MPa壓力下仍可存活。池元斌等人研究了超高壓對(duì)鮮牛奶中細(xì)菌的影響,鮮牛奶中細(xì)菌菌落尺寸取決于加工壓力的高低以及加壓時(shí)間的長(zhǎng)短。加壓時(shí)間越長(zhǎng),壓力越大,細(xì)菌菌落直徑越小。3.2溫度和中溫協(xié)同作用溫度是影響微生物生長(zhǎng)代謝最重要的環(huán)境因素,在低溫或高溫下,超高壓對(duì)微生物的影響加劇。大多數(shù)微生物在低溫下的耐壓程度降低,這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)超高壓殺菌有促進(jìn)作用。加壓熱殺菌可以減少加熱時(shí)間或降低殺菌所需的溫度;同時(shí),適當(dāng)?shù)闹袦匾矔?huì)減少加壓所需的時(shí)間和強(qiáng)度。因此,在溫度的協(xié)同作用下,超高壓殺菌效果可大大提高。Havakawa報(bào)道,800MPa,60min,在60℃條件下可將嗜熱芽孢桿菌的數(shù)量從106個(gè)/mL降到102個(gè)/mL,而在室溫下同樣的壓力和時(shí)間,菌落則不會(huì)發(fā)生變化。3.3pH在壓力作用下,介質(zhì)的pH會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道,一方面壓力會(huì)改變介質(zhì)的pH,且逐漸縮小微生物生長(zhǎng)的pH范圍。另一方面,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使超高壓殺菌時(shí)間縮短或降低所需壓力。大腸桿菌在常壓下,pH4.9和pH10.0,生長(zhǎng)受到抑制;在27.2MPa下,pH5.8和pH9.0,生長(zhǎng)受到抑制;在34.0MPa下,pH6.0和pH8.7,生長(zhǎng)受到抑制。3.4低水分活度對(duì)酵母粉水分活度的影響水分活度(Aw)對(duì)高壓殺菌效果影響也很大。J.J.Rodriguez通過研究證明了水分活度對(duì)殺菌效果有顯著的影響作用,其影響作用因壓力大小而異,當(dāng)壓力為414MPa時(shí),水分活度從0.99降至0.91,殺菌作用減弱。低水分活度產(chǎn)生細(xì)胞收縮和對(duì)生長(zhǎng)的抑制作用,從而使更多的細(xì)胞在壓力中存活下來。因此水分活度大小對(duì)微生物抵抗壓力非常關(guān)鍵,對(duì)于固體與半固體食品的超高壓殺菌,應(yīng)充分考慮水分活度的重要性。3.5其他化學(xué)成分由于食品成分十分復(fù)雜,因而對(duì)高壓殺菌的影響情況也很復(fù)雜。通常食品中富含高鹽高糖時(shí),其殺菌速率會(huì)出現(xiàn)減慢趨勢(shì)。富含蛋白質(zhì)、油脂的食品高壓殺菌較困難,但添加適量的脂肪酸酯、糖酯及乙醇后,加壓殺菌效果會(huì)增強(qiáng)。在高壓下,食品的化學(xué)成分對(duì)殺菌效果有明顯的影響。蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類對(duì)微生物具保護(hù)作用;強(qiáng)化的培養(yǎng)基因富含可供細(xì)菌利用的氨基酸和維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而對(duì)細(xì)菌在超高壓下具有很好的保護(hù)作用。另外,食品基質(zhì)所含的添加劑組分對(duì)超高壓滅菌也有很大的影響。3.6革蘭氏陽性菌的耐壓性超高壓殺菌效果還與微生物的種類和生長(zhǎng)階段有關(guān)。革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜且易受壓力等環(huán)境條件的影響發(fā)生結(jié)構(gòu)變化;而革蘭氏陽性菌的耐壓性較強(qiáng)。芽孢類細(xì)菌比非芽孢類細(xì)菌的耐壓力強(qiáng)。當(dāng)壓力超過100MPa時(shí),許多非芽孢細(xì)菌都失去活性,但芽孢細(xì)菌則可在高達(dá)1200MPa下存活。因此,殺滅芽孢細(xì)菌應(yīng)需更高的壓力,并適當(dāng)結(jié)合其他處理方式。微生物在不同的生長(zhǎng)階段其對(duì)壓力的耐受性不同。研究表明,微生物在生長(zhǎng)期,特別是對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)壓力很敏感。4高壓殺菌技術(shù)傳統(tǒng)的加熱殺菌法處理食品,易造成食品中熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分的破壞,且會(huì)發(fā)生食品變褐和產(chǎn)生蒸煮味等,而采用高壓殺菌技術(shù)處理食品,在滅菌的同時(shí)較好的保持了食品原有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分。高壓對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)成分的影響主要有以下幾個(gè)方面。4.1超高壓處理魚糜的保鮮機(jī)理高壓可使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫鍵、離子鍵、疏水鍵等破壞,使蛋白質(zhì)變性。許鐘等人對(duì)魚肉蛋白進(jìn)行高壓處理,發(fā)現(xiàn)魚肉蛋白質(zhì)變性的壓力比其他蛋白質(zhì)低很多。在300MPa~400MPa壓力下處理魚糜可得到具有高彈性、透明和具光澤的凝膠,保持致密的組織性,且放于低溫下,彈力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。酶是蛋白質(zhì),超高壓處理對(duì)食品中各種酶的活性也有影響。經(jīng)超高壓處理水產(chǎn)品中的蛋白酶、酪氨酸酶等失活,可減緩酶促褐變和降解反應(yīng)。一般,壓力在350MPa以下范圍內(nèi),隨著壓力的提高酶活逐漸下降,但壓力高于350MPa時(shí),酶活又有所回升,這種現(xiàn)象可能與酶分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活性部位的構(gòu)象有關(guān)。4.2對(duì)淀粉的分子發(fā)生了改變超高壓可使淀粉改性。常溫下加壓到400MPa~600MPa可使淀粉酶糊化而呈透明的粘稠狀物,且吸水量也發(fā)生改變。其原因是壓力可使淀粉分子的長(zhǎng)鏈斷裂,分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。根據(jù)研究報(bào)道,對(duì)蜜蜂進(jìn)行高壓殺菌處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在微生物致死的情況下,對(duì)糖類幾乎沒有影響。馬成林等研究了玉米淀粉超高壓糊化后的凍融穩(wěn)定性和色澤變化,并和熱糊化淀粉的老化特性和色澤變化做了比較,發(fā)現(xiàn)超高壓處理完全糊化的淀粉凍融穩(wěn)定性和色澤較好。4.3高壓對(duì)油脂是可逆油脂對(duì)壓力耐受力較低,常溫下加壓到100MPa~200MPa,基本上變成固體,但高壓對(duì)油脂是可逆的。壓力解除后,固體仍能恢復(fù)到原狀。Wong利用拉曼(Roman)紅外光譜儀研究了很多種脂類狀態(tài)的變化,發(fā)現(xiàn)主要臨界溫度在壓力每升高100MPa時(shí),升溫20℃,且呈直線關(guān)系。由此可見,高壓對(duì)脂類的影響是很明顯的。4.4食品中的其他成分的影響高壓對(duì)食品中風(fēng)味物質(zhì)、維生素、色素及各種小分子物質(zhì)幾乎沒有影響,因此可廣泛適用于各類食品的生產(chǎn)。5國(guó)內(nèi)外食品加工中使用的超高壓消毒技術(shù)5.1采用超高壓技術(shù)生產(chǎn)果醬超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中最成功的應(yīng)用就是用于果蔬產(chǎn)品的滅菌。在生產(chǎn)果醬中,采用超高壓技術(shù)不僅使水果中的微生物殺死,而且還可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝提高產(chǎn)品品質(zhì)。日本明治屋食品公司采用超高壓技術(shù)生產(chǎn)果醬,如草莓醬、蘋果醬等。他們采用室溫下以400MPa~600MPa的壓力對(duì)軟包裝果醬處理10min~30min,所得產(chǎn)品具有良好的新鮮口味、顏色和風(fēng)味。日本、美國(guó)等一些國(guó)家也紛紛開發(fā)超高壓技術(shù)用于生產(chǎn)果蔬汁。經(jīng)超高壓處理的新鮮果蔬汁顏色、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)成分和未經(jīng)超高壓處理的新鮮果蔬汁幾乎沒有任何差別。5.2高壓技術(shù)取代熱處理超高壓殺菌處理乳制品與傳統(tǒng)的加熱殺菌乳制品比較,可以很大程度的保留食品內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)成分和原有風(fēng)味,且殺菌時(shí)間較短,不產(chǎn)生毒性物質(zhì)。但由于有些技術(shù)還不完善,如果用高壓技術(shù)取代熱處理尚需做進(jìn)一步的研究。研究證實(shí),100MPa~600MPa的高壓作用5min~10min可以使奶中的細(xì)菌和酵母菌減少直至殺滅,但孢子對(duì)壓力有一定的耐受性,需要更高的壓力,配合溫度處理則可實(shí)現(xiàn)完全滅菌。5.3基本滅活細(xì)菌在常溫下,對(duì)肉制品進(jìn)行超高壓滅菌,革蘭氏陰性細(xì)菌和酵母菌在400MPa左右的壓力下基本滅活;革蘭氏陽性細(xì)菌則需600MPa壓力可基本滅活,但孢子類細(xì)菌則較難滅菌。對(duì)豬肉和牛肉進(jìn)行400MPa,20min的超高壓處理,發(fā)現(xiàn)他們的嫩度、風(fēng)味、色澤及成熟度方面均得到改善,而且保質(zhì)期也大大延長(zhǎng)了。5.4不同其他加工工藝對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的影響水產(chǎn)品加工不同于其他食品,不僅要求保持水產(chǎn)品原有的風(fēng)味、色澤,還要具有良好的口感和質(zhì)地。常規(guī)加熱處理不能滿足水產(chǎn)品加工的要求。采用超高壓技術(shù)對(duì)水產(chǎn)品加工處理可保持產(chǎn)品原有的色、香、味。在600MPa下處理10min可使甲殼類水產(chǎn)品的酶完全失活,并保持了其外觀的紅色和內(nèi)部的白色,減少了細(xì)菌數(shù)量,保持了原有的鮮味。同時(shí),高壓處理還可增大魚肉的凝膠性。5.5超高壓生酒發(fā)酵超高壓技術(shù)還可用于酒的生產(chǎn),生酒(生啤酒、生果酒等)經(jīng)約400MPa的超高壓處理,將酒中的所有酵母菌及其他部分菌類殺死,從而得到具生酒風(fēng)味,且能長(zhǎng)期保存的超高壓生酒產(chǎn)品。超高壓技術(shù)用于催陳黃酒的研究表明,黃酒經(jīng)高壓處理后色澤和風(fēng)味不變,酸度基本不變,揮發(fā)酯含量提高20%左右,呈苦、澀味的氨基酸比例下降,呈甜、鮮味的氨基酸比例上升,使得黃酒味更加鮮甜、醇和、爽口,醇香更加濃郁。5.6食品物料冷凍解凍超高壓在速凍、高壓解凍和不凍冷藏方面也有良好的應(yīng)用。利用高壓條件下冰點(diǎn)下降和壓力瞬間傳遞的原理可實(shí)現(xiàn)食品物料的快速冷凍,避免了物料組織的變性和破壞,真正實(shí)現(xiàn)了速凍。同樣,在食品物料解凍時(shí)也可以采用高壓降低溶點(diǎn)的方法,避免了常壓下外部升溫解凍時(shí)間長(zhǎng)和受熱不均勻而造成的營(yíng)養(yǎng)損失和品質(zhì)變化的缺點(diǎn)。這種