食品工業中超高壓處理技術研究進展

譚屬瓊，陳厚榮，劉雄

(西南大學食品科學學院，重慶，400715)

食品工業中超高壓處理技術研究進展

譚屬瓊，陳厚榮，劉雄

(西南大學食品科學學院，重慶，400715)

超高壓作為一種新興的食品加工技術是將食品在加壓到100 MPa以上的壓力，并在常溫或較低溫度(＜60℃〕下達到殺菌和處理的效果。文中主要闡述了超高壓處理技術對食品中微生物、酶、組織結構、色澤、風味和營養成分(主要包括蛋白質、油脂和維生素)的影響;對高壓技術在食品中的應用做出了總結，并展望了它在食品加工工業中的發展前景。

食品，超高壓，微生物，酶，營養成分

超高壓處理技術是利用高壓介質(一般為水，壓力100～1 000 MPa)的高擠壓力作用，在常溫或較低溫度下作用于物料，達到滅菌、改性和改變物料某些理化反應速度的效果。超高壓技術在食品中的應用研究開始于100多年前的1897年，但直到20世紀90年代，人們才又重新開始考慮它在食品加工中的應用價值。1914年美國物理學家Brigment發明了食品超高壓處理技術。而日本是最先將高壓技術應用到食品工業的國家，世界上第一個高壓食品——果醬就是由日本于1991年首先開發出來的。

超高壓會改變液態物質某些物理性質，如水加壓至200 MPa，其冰點降至－20℃，室溫水加至100 MPa體積減少19%，30℃的水快速加至400 MPa時會產生12℃的溫升等。超高壓也會改變某些生物高分子物質的空間結構，使生物材料發生不可逆變化。如蛋白質、核酸、脂質、淀粉等生物高分子立體結構都會受到破壞，使蛋白質變性、淀粉糊化、酶失活、細菌等微生物被殺死。但在此過程中，高壓對蛋白質等高分子物質及維生素、色素、風味物質等低分子化合物的共價鍵無任何影響，從而使食品保持其原有的營養價值、色澤和風味。

1 超高壓處理對食品微生物的影響

大量研究已證明，多數微生物經100 MPa以上加壓處理立即死亡，一般細菌、霉菌、酵母菌的營養體在300～400 MPa壓力下可被殺死;病毒、寄生蟲和其他生物體相近，只要低壓處理即可殺死。對細菌而言，其耐壓性在穩定期要比對數生長早期強。革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌的耐壓性大，這是由于革蘭氏陽性菌含有磷壁酸，增加了細胞壁的強度。

超高壓對微生物的殺滅效果，與施加的壓力大小和作用的時間有關。Milan Hou?ka等［1］研究表明，在5℃下貯存30 d的蘋果西蘭花汁在500 MPa下處理10 min能夠使得在原果汁中超過5個對數期的大腸桿菌、細菌、酵母、霉菌和沙門氏菌滅活，該高壓處理的蘋果西蘭花汁與冷凍的果汁相比存儲達能70 d。Gao［2］等研究表明，在牛奶食品模矩中，在壓力479 MPa和溫度46℃下處理14 min，其結果是不同的，大豆蛋白(P ＜ 0.000 1)，蔗糖(P ＜ 0.000 1)和 pH 值(P=0.000 6)枯草芽孢桿菌的減少有顯著的效果。縱偉等在超高壓處理對蘋果醬質量的影響中，采用不同壓力對蘋果醬細菌總數進行測定，說明在處理壓力≤200 MPa的條件下，對細菌的殺滅能力有限;在400和600 MPa處理時，菌落總數分別為30 CFU/mL和0 CFU/mL，當施加壓力達到400 MPa，保壓時間10 min，菌落總數可達到國家食品衛生標準。Hote認為需要680 MPa條件下處理7 d才能完全殺死由于每種微生物細胞結構的差異，其耐壓性也有不同。超高壓單獨處理鮮榨蘋果汁時，300 MPa處理10 min后檢測不到霉菌和酵母菌，400 MPa處理10 min后檢測不到霉菌、酵母菌和大部分細菌，500 MPa處理10 min后檢測不到霉菌、酵母菌和細菌。同時高壓處理(400～700 MPa，20～60 min)可明顯延長牛肉的保藏期，但無法完全殺滅牛肉中的微生物，其殘存的微生物主要是革蘭氏陽性桿菌。經400 MPa和600 MPa高壓處理煙熏切片火腿中能使產品保質期分別延長至8和10周，壓力處理能夠抑制煙熏切片火腿中的乳酸菌，使其處于相當長的低水平期(＜104CFU/g)，致使整個貯藏期內腸桿菌數低于102CFU/g［3］。

此外，高壓對微生物的殺滅效果，還受環境pH值、溫度、離子強度、營養物質豐富與否等條件影響。Michelle等［4］研究了牛奶在高壓處理下對恢復李斯特菌次生長溫度，富集介質類型，溫度和儲藏時間的影響。結果表明，高壓處理(450 MPa、900s或者600 MPa、90 s)對次生長溫度有顯著的影響(P＜0.05)。高壓處理的單增李斯特菌在4、15、30℃存儲后利用富集液肉湯培養可以得到恢復，在存儲24～72 h后可以恢復到最大值，然而在4℃和30℃下繼續存儲恢復率降低到0%。相反，仍然是在15℃下存儲14 d的恢復率急劇增加并達到100%。李宗軍［5］研究壓力(300 MPa，15 min)、溫度(5，20，35，50 ℃) 共同處理滅活肉制品中微生物(細菌總數、乳酸細菌、葡萄球菌、假單胞菌和腸桿菌)的效果。當加壓溫度為50℃時，滅活微生物的效果更好。Moerman［6］報道，在50℃下壓力處理，豬肉制品中的芽孢菌不能有效殺滅，需要采用其他方法結合使用才會有更好效果。Daniela D Voigt［7］對藍莓奶酪研究表明在 400 MPa 和600 MPa下處理，乳酸菌、乳酸球菌、酵母菌、霉菌、腸球菌和總好氧菌顯著下降，同時也得出600 MPa下效果更好。

2 高壓處理對酶的影響

超高壓對酶的作用效果可以分為2個方面:一方面較低的壓力能激活一些酶，酶激活主要是由于壓力產生的凝聚作用;另一方面非常高的壓力可導致酶的失活，酶失活的主要原因是酶分子內部結構的破壞和活性部位上構象的變化，這些效應受pH值、底物濃度、酶中脂質的性質、酶亞單元結構和溫度的影響。

Esmaeil Riahi［8］等研究了蘋果汁中 pH 值、壓力和溫度對酶失活的影響，表明20℃下，分別在pH值為3.0，3.5 和壓力為 518，646和705 MPa 下處理蘋果汁，幾乎所有的酶在較低的pH值，較高的壓力和較高的溫度組合處理下都有完全失活的可能。Rauh［9］等研究了酶在短時高壓處理下的失活性，表明不同的臨界熱和初始條件在短時高壓處理(壓力梯度400 MPa/s，處理時間120s，壓力700 MPa)過程中影響了酶失活的同質性。具有不同的壓力和敏感溫度的酶(β－葡聚糖酶，α－淀粉酶，脂肪氧化酶，多酚氧化酶)被用來研究熱流體動態非同質性的最后處理結果作用。Cristina Bilbao－Sáinz［10］等結合溫度(40～60℃)、高壓(300～600 MPa)以及均質化對控制牛奶中蛋白酶的活性進行了研究。結果表明，蛋白酶耐高壓能力強，且原料奶的壓力穩定性高于巴氏殺菌奶，而均質化似乎對酶具有保護作用。壓力和溫度單獨處理效果與色差L值和牛奶的外觀有關。高溫和壓力有明顯的拮抗作用，即在常溫常壓下能迅速滅活微生物，當壓力達到600 MPa時滅活作用失效。通過調節溫度、壓力和均質化的處理條件能使牛奶中蛋白酶(枯草芽孢桿菌中的外源酶)失活，進而延長牛奶保質期。

高壓處理后牛肉中鈣激活酶的總活性顯著下降，但高壓處理后牛肉中的酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性與對照組相比沒有顯著性差異。夏遠景［11］等以橙汁中的過氧化物酶(POD)為研究對象，發現在室溫條件下，當壓力低于200 MPa時，POD酶的活性隨壓力的增加而增加;當壓力高于200 MPa，隨著壓力增加而下降。且當壓力較高時(500 MPa)，酶的活性隨著保壓時間的增加而降低，而在較低的壓力(200 MPa)時，其活性隨著保壓時間的增加而升高。黃麗［12］等也發現，荔枝果汁POD的活性在500 MPa壓力處理下活性下降約55%。

3 高壓處理對食品組織結構、色澤、風味的影響

高壓處理為冷處理，產品風味保持較好，但也有例外。María Eugenia Bárcenas 等［13］研究表明，在功能壓力(50～250 MPa)下處理1～4 min，小麥面團的微生物(細菌，霉菌和酵母菌)、物理結構(顏色和質地)發生了變化。高壓優先處理增加了面團的硬度和附著力，而處理時間則降低了其黏性。電鏡掃描表明，當壓力高于50 MPa時蛋白質會受到影響，而淀粉的改變則需要更高的壓力。高壓處理發酵面團導致小麥面包具有不同的外觀和技術特征。由于高壓處理后新的面包結構，面包所需的褐色和充實面包的氣體都得以提升。Loc T Nguyen Abdullatif Tay等［14］研究了壓力和熱處理的各種組合對胡蘿卜，南瓜，杏，紅蘿卜，和西葫蘆紋理保存的效果。條件組合設置為壓力輔助加熱(600 MPa，105℃)，高壓處理(600 MPa，25℃)和熱處理(105℃，0.1 MPa)。并對保存產品的壓力大小、壓力輔助加熱、壓力處理順序和處理過程中溫度升高(105℃)進行了比較。在處理中，熱處理紋理保持最差，壓力輔助加熱處理能很好地保留質地和顏色。西葫蘆是受影響最小的樣品，質地退化的是南瓜和杏，其他3種樣品的脆度指數和感官數據基本保持一致。在500和600 MPa(室溫，12 min)壓力誘導的全反式番茄紅素在正己烷異構化過程中觀察，這種現象是沒有的，然而在番茄醬中，它的顏色在高壓(高達700 MPa)、65℃下處理1h色彩依然沒有改變［15－16］。高壓處理可以影響食物的流變學特性，其處理效果取決于高壓處理的條件和果蔬的類型。Ahmed等［17］研究表明，在100～200 MPa高壓(20℃，15或30 min)處理下，芒果果肉的黏度增加。但是，當壓力升高到300～400 MPa(20℃，15或30 min)后黏度下降。關于高壓處理(600 MPa，環境溫度，5 min)與熱處理(80℃，5 min)草莓醬并結合電子鼻技術分析表明，高壓處理草莓醬的味道不同于熱處理和未處理的草莓醬。十字電子鼻數據表明，熱處理變化改變易揮發成分超過高壓處理［18］。高壓處理在減少質量損失方面較傳統處理方法有較好的潛力，Ximenita I Trejo Araya 等［19］對高壓處理(600 MPa，2 min)生的、燙漂的(90 °C，5 min)和熟的(100 °C，20 min)胡蘿卜條之間感官評價和質量變化進行了比較。研究結果表明，高壓處理與燙漂處理在甜度、風味和顏色紋理方面都相同。此外，高壓處理的胡蘿卜條與其他處理相比有顯著的橙色和纖維素，且有類似熟制胡蘿卜條的色澤和生胡蘿卜條的風味。通過在4°C下貯藏14 d，表明高壓處理的樣品與其他處理方法處理的樣品相比有更好的保存效果。Luscher［20］研究發現，在低溫凍結條件下，高壓處理對馬鈴薯細胞膜和組織結構的破壞程度降低，可能是低鈍化了細胞溶解酶活性;還發現，在高壓下，凍結成的高密度冰晶體比常壓凍結形成的冰晶體對細胞膜的破壞更小;對細胞破壞度最低的相變過程是在34 MPa下凍結成冰態Ⅲ(介于液態與固態間的亞態水)。

高壓處理時壓力和溫度存在拮抗作用。當利用50℃和60℃協同500 MPa處理鮮榨梨汁后，其中檢測不到微生物，梨汁色差L值顯著升高，褐變減輕。單獨使用高壓處理可以控制鮮榨梨汁中的微生物，但由于梨汁的多酚氧化酶(PPO)屬耐壓酶，很難改善鮮榨梨汁顏色。采用0.1、200、400 MPa和 600 MPa在常溫下(20℃)對蘋果果漿處理10 min發現:隨著壓力的增加，果醬的L值下降且a值增大。高壓處理導致肉的變色是一個復雜的現象，色澤變白可能是由于高壓導致肌紅蛋白的變性所致，意味著產品不能以鮮肉形式出售。所以，在保持產品色澤方面，在保證其他產品質量指標的基礎上，應盡量采用較低的壓力。高壓技術能在不影響肉類風味和營養成分的前提下改善肌肉的組織結構(主要是嫩化肌肉)，延長保存期。

高壓處理對產品風味成分會產生一定的影響。杏原汁在500 MPa壓力、25℃溫度條件下處理20 min后，香氣成分的有較明顯影響，其中己醛、2－己烯醛、糠醛、己醇、葉醇、芳樟醇、橙花醇、β－苯乙醇等香味成分的質量分數分別增長了 68.14%、95.26%、46.76%、61.11%、58.56%、35.75%、37.75% 和42.30%。酯類、內酯類的香氣成分的含量有所降低;酮類香味成分的含量則沒有明顯變化。感官評定表明［21］:超高壓處理不僅能很好地保持了杏的特征香氣，而且使杏汁的青鮮香氣更加突出，有利于產品風味品質的提高。同時，超高壓處理對橙汁中的檸檬烯成分影響很顯著，經500 MPa的壓力處理15 min后其含量下降了75%，而月桂烯和α－蒎烯受高壓影響較小;α－松油醇、香芹酮含量經高壓處理后迅速增加;醛類特征香氣成分基本不受高壓影響;酯類成分在高壓下會發生變化，但總體變化不顯著。超高壓處理橙汁使其中檸檬烯在高壓下發生水合、氧化反應，分別生成 α－松油醇和香芹酮［22］。大蒜經過 200、400 和600 MPa保壓處理20 min后，大蒜中的揮發性風味成分的種類、含量都發生顯著的變化，其中硫醚類物質的相對含量由處理前的54.46%變化為處理后的59.39%、41%～38%和 22.73%［23］。

4 高壓處理對營養成分的影響

4.1 對蛋白質影響

早在1914年美國物理學家Brigment就指出，蛋白質在500 MPa壓力作用下凝固，在700 MPa壓力作用下變成硬的凝膠狀態。在300 MPa和高壓低溫下，或者在200 MPa下結合紫外光譜處理蛋白質(如三維結構的β－乳球蛋白、酪蛋白膠束)，其結構變化是可逆的。在300 MPa、0℃左右處理2%β－乳球蛋白在壓力釋放后有較小的聚合反應，并且在該低溫下處理使得酪蛋白膠束尺寸減小［24］。Puppo［25］研究了 70g/L的不同大小和聚合度的大豆分離蛋白液不會因溫度和壓力聯合處理而使流變性能改變，這種乳液沒有絮凝或合并。同時，由于溫度升高，觀察到表觀黏度隨壓力的增加而急劇增加，這種現象可能是由于高壓下非吸附性大豆蛋白凝膠而導致的。此外，溫度對凝膠化過程有改善效果，但是當壓力超過400 MPa時，溫度和壓力共同作用引起蛋白質聚集的離解，降低凝膠。Zhang［26］等研究了高壓處理對大豆球蛋白的影響，高壓處理后大豆球蛋白被解離成亞基并且這些亞基的構象改變了。同時DSC分析結果表明，在400 MPa下處理10 min后，大豆球蛋白已完全變性;圓二色譜分析表明，在500 MPa下處理10 min后，一些有序結構的a－螺旋和b－結構被破壞并轉換為無規則卷曲。Daniela D Voigt［7］研究表明在 400 MPa和600 MPa下處理藍莓奶酪，β－酪蛋白由于高壓處理而被破壞。

趙紅霞［27］等也發現，鮮蛋液在400M Pa壓力處理后蛋白會發生變性。王苑［31］等研究利用高壓處理制備肌原纖維蛋白和大豆分離蛋白混合凝膠，結果表明，無論是硬度還是彈性新型凝膠均優于傳統的熱凝膠，且凝膠質地光滑、致密、略帶透明感。48h后凝膠質構性質趨于穩定，但是其保水性明顯低于熱凝膠。

4.2 對油脂的影響

高壓對脂類的影響是可逆的，當對脂類加壓時，壓力每升高100 MPa其溫度升高20℃，且呈直線關系。脂類耐壓程度較低，常壓100～200 MPa下基本上可變成固體，但解壓后會再復原。Daniela D Voigt［7］研究表明，在 400 MPa和600 MPa 下處理blueveined奶酪，游離脂肪酸水平在高壓處理下比對照奶酪低，但差異不顯著。Ma［28］等研究了牛肉和雞肉在4℃下貯存7 d后，在不同的溫度(20～70℃)下高壓處理(0.1～800 MPa)20 min，貯存后在室溫下壓力處理牛肉樣品導致TBARS值升高，然而，在大于400 MPa下處理的遠比在較小壓力下處理的樣品的TBARS值升高明顯。類似的結論也可以在40℃處理的樣品下得出，但是在60℃和70℃下壓力對肌肉氧化穩定性有一定的作用。在所有溫度下，600 MPa和800 MPa處理誘導脂質氧化雞肉速度增加，但在一般情況下，壓力處理下雞肉比牛肉穩定，同時壓力處理的催化作用仍然在50，60和70℃下可見。

超高壓處理對油脂的氧化有一定的影響，高壓和熱結合處理對牛肉脂肪氧化的影響，發現無論是熱處理、高壓處理還是兩者結合處理，都能導致脂肪氧化過程的加速，而且氧化程度遠遠高于本實驗結果。Angsupanich和Ledward也曾報道，鱈魚肉在400 MPa以上壓力處理時，脂肪的氧化穩定性顯著下降，導致TBA值顯著增加。壓力作用下脂肪(甘油三酯)的熔化溫度會發生可逆上升，其幅度為壓力每增加100 MPa，脂肪的熔化溫度大約升高10℃。因此，室溫下液態脂肪在壓力下會發生結晶壓力能促進高密度和更穩定晶體結構的形成。雖然壓力和熱結合處理導致肌肉脂肪氧化作用的原因還不清楚，但可以肯定的是脂肪氧化與蛋白質結構的破壞和金屬離子(主要是鐵)釋放有關。Cheah和Ledward通過對豬肉餡壓力處理后的脂肪氧化情況研究后發現，300 MPa以下的壓力處理時，脂肪的氧化穩定性沒有受到顯著的影響，但高于此壓力，脂肪氧化的速度急速上升，TBA值顯著增加。

4.3 對維生素的影響

試驗表明，超高壓對食品中的維生素及各種小分子物質的天然結構影響很小。在食品中，基于蔬菜的抗壞血酸的穩定性較基于水果的差，如在室溫、500 MPa下處理10 min后，萌芽的苜蓿種子在檸檬酸環境中浸泡后抗壞血酸初始含量降低了77%。當在25℃、400 MPa下處理番茄醬15 min，其中抗壞血酸含量和總的抗壞血酸量分別降低了40%和30%。同時，在室溫，300～500 MPa下處理豇豆15 min，發芽后4 d和6 d后總的VC分別降低了10%～28%和9%～14%［29－31］。此外，在高壓處理過程中也能夠引起異構化，有研究表明在室溫，500和600 MPa下處理12 min后，由于番茄紅素的反式異構化，導致在正己烷作用下全反式番茄紅素含量降低。但是這一現象在諸如番茄醬類的食品中并沒有被觀察到。此外，在400 MPa、40℃下處理1 min橙汁，似乎VA增加了38.74%，或者在壓力50～350 MPa下結合溫度30～60℃之間處理2.5、5和15 min，VA含量可以最大增加45%。這可以解釋為適當的壓力有強化提取的作用［32－34］。荔枝果汁VC含量在400 MPa以上的壓力下出現下降趨勢，500 MPa壓力下約下降20%，遠遠小于熱處理的損失。趙光遠［35］等研究的高壓處理對鮮榨蘋果汁中還原型Vc的保留率隨著處理壓力的增大，呈先下降后略有上升的趨勢，損失幅度不大，即使在600 MPa處理下，還原型Vc也僅損失7.9%。采用0.1、200、400和600 MPa 在常溫下(20℃)對蘋果醬處理10 min，蘋果醬Vc損失不明顯，即使經過600 MPa處理，Vc的保持率仍然在95.8%。

5 展望

高壓技術常用于食品的殺菌和食品的各種加工和深加工中，應用的效果也較理想。但高壓處理設備成本太高、容積太小，所生產出的產品附加值很高，大多數消費者難以接受。所以已投產的高壓儀器推廣銷售十分困難，這是當前存在的一個重要問題。另外，高壓食品的研究雖然取得了一些成果，但仍然需要從理論上繼續探討。比如在高壓下一些食品成分發生性質改變的機理或者某些成分的性質結構是否改變等等，有待于進行進一步的試驗研究。高壓處理技術本身不夠完善，還有許多技術細節也有待于進一步的研究開發。總之，高壓加工技術有著能耗低、效率高、能最大限度保持食物原有風味等特點，應用前景廣泛，必將對食品工業的發展提供有力的技術支持。

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The New Research Progress of Ultra-high Pressure Treatment in Food Industry

Tan Shu－qiong， Chen Hou－rong，Liu Xiong
(College of Food Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China)

Ultra－high pressure is a new food processing technology where food is subjected to high pressure－more than 100 MPa in room temperature or lower temperature( ＜60℃)，to achieve the sterilization or to alter the food attributes.The effects of ultra high pressure on food microorganisms，enzymes，organizational structure，color and flavor and nutrition(mainly about protein，fat and vitamin)were discussed.The application of high－pressure technology is also summarized and the prospects，research and development of high－pressure in food processing industry are proposed.

food，ultra－high pressure，microbe，enzyme，nutrition

碩士研究生(劉雄教授為通訊作者，E－mail:Liuxiong 848@hatmail.cm)。

2010－07－03，改回日期:2010－10－14