基于環境壓強控制的浸漬技術在食品業的應用

徐學明 ， 楊 哪 ， 金亞美 ， 馬 倩 ， 趙娟娟 ， 金征宇

（1.食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

浸漬技術在食品工業中應用廣泛，其代表性產品主要包括腌漬和功能性食品。傳統浸漬食品按加工性質分為5類，即鹽漬、醬漬、糟漬、糖漬和酸漬[1-5]。浸漬加工的產品種類繁多，代表性商品有泡菜、泡黃瓜、濕腌魚、咸肉、泡椒鳳爪、醉蝦、鹽蛋和泡山椒等[6-9]。在自然條件下，溶液中的各類離子和分子滲透到食品組織空隙以及細胞中是一個非常緩慢的過程。為了縮短生產時間，提高生產效率，從業人員一般采用以下3種手段加速浸漬過程[10-12]：1）提高體系溶質濃度；2）提高環境溫度；3）改變環境壓力。若提高溶質濃度，容易使產品過咸，咸胚需經歷后期脫鹽處理。提高溫度易造成微生物滋生，使產品酸敗變質，故腌漬溫度通常在5℃左右。通過改變環境壓強來提高浸漬效率是目前常用的手段。真空浸漬技術是利用往復壓力差引起的流體動力學機理和變形松弛現象來提高溶質的滲透速率[13]，針對不同厚度的農產品原料通常可在數小時內快速完成食品浸漬處理，設備主要包括真空泵和浸漬罐。除了應用于鹽漬產品的生產，也常用于功能食品的開發，如礦物質營養強化[14]、益生菌富集[15]、涂膜功能化[16]、脫水處理[17]和抗氧化褐變[18]。近年來也有少量報道指出脈動壓力和超高壓技術可實現食品的快速浸漬，依靠提高體系壓強來實現溶質的快速滲入[19-20]。可見，基于環境壓強控制的浸漬技術應用廣泛，很有必要對國內外該技術的研究方法及其應用領域作一綜合述評。

1 主要影響因素

改變浸漬體系環境壓強是加快溶質滲透的主要手段之一，其工藝參數可通過控制環境壓強來實現，包括3類循環方式（見圖1）：1）高壓—常壓—高壓；2）負壓—常壓—負壓；3）高壓—負壓—常壓。改變浸漬體系壓強環境，可導致溶質在細胞內外壓差和毛細管效應的共同作用下的快速滲入。農產品屬于多孔性材料，特別是在負壓環境中物料會發生膨脹，導致細胞間距增大，能顯著加快溶質的滲透和擴散速度，使加工效率提高。其優點包括[21]：1）負壓中物料膨脹，可去除細胞間隙中的部分氧氣而防止褐變；2）短時大量的溶質迅速滲入細胞，聚集于細胞間隙中，能減少物料塌陷和細胞破裂，防止后續單元操作如干燥和凍結中的物料汁液損失，提高產品品質。通過控制環境壓強而實現溶質的快速滲透的研究多集中在以下4個方面：壓強、物料多孔狀特性、浸漬液濃度、體系壓強保持時間。

圖1 浸漬溶液體系的循環壓強控制方式Fig.1 Cycle control method of pressure in impregnation solution

1.1 壓強

浸漬液中的溶質擴散進入樣品的過程中，毛細管機制占主導地位，即當樣品內部氣體壓縮時毛細管滲透發生，此時進入樣品的浸漬液體積分數與毛細管張力（Xc）相關，且與毛細管壓強（pc），環境壓強（p）和樣品有效孔隙率（εe）呈現一定函數關系

可知，體系壓強越低則越有利于毛細管滲透，這是實現溶質快速滲透的主要理論[22]。當環境壓強從負壓（p2）提升到常壓（p1）的過程中，流體動力學機制發生作用，浸漬液再次向物料組織快速滲透。此時進入樣品的浸漬液的體積分數

而固體樣品的壓縮比率

毛細管直徑決定毛細管張力大小，對于已知的負壓環境體系，相對于壓縮比率，則毛細管張力可忽略，壓縮比率可由浸漬環境的負壓壓強值和恢復到常壓時的壓強值得出[23]。因此，抽真空時的負壓水平越高，則當環境壓力再次恢復到常壓時，浸漬效果就越佳。食品中的基質多具有黏彈性，環境壓力改變時會伴隨一定的基質形變發生，其形變程度與負壓次數和壓縮時長有關[24]。樣品壓縮伴隨著局部基質孔隙塌陷，會削弱毛細管滲透效應。若浸漬溶液黏度較高且樣品的毛細管直徑較小，則在溶質滲透過程中樣品的形變程度就較顯著。Fito教授提出的公式（4）可用于計算樣品孔隙率εe，其中X為樣品最終相對體積，γ為最終樣品的相對形變率，γ1為樣品在負壓處理后的相對形變率[25]。

從負壓恢復到常壓時，樣品形變率越高則表示其彈性基質儲存的機械能就越高，并會伴隨更好的溶質滲透效果。因此，在外部壓強不變的情況下，變形松弛現象使流體動力學效應加強，這與農產品原料的彈性特質有關[26]。

1.2 多孔狀材料特性

農產品原料的孔隙率與浸漬處理時其溶質的滲透效率關系密切。植物原料的孔隙率較高，普遍為20%～30%，細胞間隙多為氣體占據，如蘋果、菌類和梨類[27]。而動物性原料如奶酪、火腿、魚肉組織的孔隙率較低，其細胞間隙多為自由液體占據，但都可以通過環境壓力的改變將其緩慢置換出來。圓柱形的曼切格奶酪中的游離水可以在負壓50 mbar下緩慢釋出，并與鹽漬液交換，其最大置換出的液體量占樣品體積的3.4%。有人對不同體積的豆腐塊也進行了類似的實驗，研究發現豆腐也具有相似的鹽漬液和樣品自由液體置換體積比例[28]。這些研究說明浸漬效率與孔隙率相關，而與樣品的體積形狀關系不大。

在禽肉和魚肉制品中，原料由肌肉結構和血管網絡構成，肌肉組織由肌原纖維組成（約30 cm長的細胞），具有磷脂雙分子層結構的肌膜。雖然在動物宰殺和分割過程中，血管作為與外界相連通的通道可吸收一定氣體，但動物性原料內部實際只含有極少量的氣體，故孔隙率較小[29]。目前，在環境壓強改變的情況下其肌肉對浸漬液的響應機理還不明朗。Ftio建立的真空浸漬理論與常規浸泡用到的溶質自由擴散機理差異巨大，這是因為在建模時引入了物料孔隙率、變形率及不同壓強環境下物料內外氣液相置換體積分數等多個參數。盡管如此，真空浸漬理論使研究人員可以通過精確測量以上參數后實現對樣品浸漬效果的預測，并能夠進行分析和優化。

1.3 浸漬液濃度

浸漬液的濃度是影響溶質滲透效率的重要因素之一，一般常使用飽和溶液進行浸漬處理。設改變浸漬環境壓強時溶質滲入樣品液相區域的質量分數為z，根據樣品最后的體積分數和體積形變率X和γ，樣品中溶質和水分的初始質量分數x0和x0w，浸漬液密度與其溶質濃度ρs和y，樣品最初質量和體積m00和V00，則溶質滲入量可通過式（5）進行計算[23]：

由式（5）可知，y值越高則浸漬效率越高。然而，當使用不同濃度的浸漬液來處理樣品，在達到相同的溶質滲入量時，其溶質在樣品中液相區域的分布可能并不一致。溶質在樣品液相區域的分布與樣品基質和水分子的結合能力、樣品內部液相區到其表面的距離、樣品表面積和體積尺寸及形狀有關。肉制品腌漬過程中，肌肉蛋白質與水的結合能力與鹽漬液濃度相關[30]。當肉制品達到某鹽分水平時，肌肉蛋白質表現出開放的結構，此時大量的自由水被滯留其中。肉中肌原纖維蛋白質的聚合也可導致水分從此結構中被驅除，從而造成樣品總質量和總體積的減少[31]。

1.4 體系壓強保持時間

控制浸漬環境中不同壓強的保持時間，可使樣品內部和外部的溶質快速平衡，這是物料內部氣液相與浸漬液的置換過程。若浸漬體系環境壓強及時間控制不當，會降低樣品壓縮率或削弱流體動力學效應而減少溶質滲入。相對于溶質自然擴散，流體動力學效應可促使樣品孔隙更快速地“吸入”溶質，這也取決于物料內部壓強下降的程度，并與浸漬液濃度和毛細管直徑有關[22]。厚度為2 cm的植物原料樣品其組織內部具有大量的間隙，每次負壓時間至少保持5 min以上并進行多次循環，這樣可使一些高黏度的浸漬液如糖漿等實現充分的浸漬[32]。若當樣品體積更大且毛細管直徑更細時，其內部的氣體更難去除，為達到樣品內外環境溶質平衡則需進一步延長負壓時間。同時，相對于較軟的樣品基質，硬質樣品所需的浸漬時間更長，這是由于在相同的環境壓強差下硬質樣品內部壓強下降更大且氣體排出時間更長[33]。

2 快速浸漬技術在食品領域的應用

2.1 腌漬食品加工

2.1.1 植物類原料 真空浸漬可應用于蔬菜的快速鹽漬處理。通過分析溶質的遷徙，Chiralt[32]表述通過控制負壓時間、溫度、材料厚度，可提高植物性材料的鹽漬效率，同時可使產品的鹽分分布更均勻。H.Mújica-Paz[34]發現將墨西哥黑椒先在真空度666 mbar下浸漬5 min再常壓浸漬，可使腌漬時間由原來30 d縮減至15 d，且產品的水分含量更低。Derossi[33]將胡蘿卜和茄子分別于真空度400 mbar和200 mbar下處理2 h，再常壓浸漬12 h，發現相較于傳統腌漬處理，脈動真空浸漬可有效提高酸漬效率，產品的pH值更快地降低。浸漬環境壓強的梯度提升或者梯度下降，也可促進溶質的滲透。王曉拓[11]采用脈動加壓力的方式快速鹽漬雙孢菇，在130 kPa，脈動比 0.5（3 min/6 min）下，27 min 處理后使得產品的脫水率為52.84%，表明采用脈動壓力鹽漬該產品可使加工效率大幅提高。由于原料在加壓下的組織形變率會有最大限度，所以當環境壓強繼續提升并不利于鹽分繼續滲入。孫元賓等[35]利用脈動負壓加工并開發低鹽的甜葫蘆腌菜產品，該法處理下其鹽分滲透速度快且乳酸菌生長較佳，在常溫及真空度85 kPa加工條件下，產品的脆度和可食性、感觀品質和營養性方面均優于傳統腌制的產品，且生產周期最多可縮短3/4。

2.1.2 肉制品原料 鹽漬加工是腌肉制品常見的預處理手段，為達到快速鹽漬效果，國內外有諸多關于改變浸漬環境壓強的研究報告。Villacis等[36]探究了超高壓浸漬對火雞肉中NaCl擴散系數的影響，研究表明NaCl的擴散系數與壓力大小和維持時間有關，即火雞肉在150 MPa下處理15 min，NaCl的擴散系數達到最大且肉的硬度、咀嚼性、黏性顯著降低。Fulladosa[37]等考察了超高壓對火腿安全性和品質的影響，發現在高壓600 MPa維持6 min后火腿中的微生物數量顯著下降，產品顏色、亮度、鹽分含量顯著提高。Francois等[38]采用脈動真空浸漬處理火雞，發現鹽分在雞肉組織中的分布更加均勻，縮短了火雞的腌漬時間。張爽等[20]研究了在0.1～300 MPa環境下的鴨胸脯肉腌漬效果，發現在150 MPa下腌漬速度最快且高壓腌漬造成肌原纖維斷裂，有助于浸漬液體系和物料間的NaCl快速達到平衡。對于魚肉制品的調味，羅環等[39]采用間歇真空浸漬處理魚肉，可將風味物質快速地滲入組織，在真空度0.05 MPa、時間10 min及常壓25 min時，循環處理4次，可提高調味效率且避免了長時間泡制造成的魚肉質構軟爛現象。而目前的醉魚調味都是在真空包裝前通過添加調料來實現，通常要放置一個月以上香氣風味才會散發出來。滾揉腌制是畜肉制品通常采用的處理手段。采用脈動加壓的方式腌漬，在脈動壓力150 kPa，時間25 min和常壓保持21 min的情況下，相對于常規濕法腌漬，在處理相同時間下可使豬肉的滲鹽量提高33.9%[40]。

2.1.3 禽蛋類原料 咸蛋為典型的非發酵腌制品，其產品的快速腌漬方法集中在脈動加壓浸漬上。因腌蛋產品地域性強，故目前都為國內工作者作研究。劉國慶等[9]采用加壓裝置快速腌漬鴨蛋，發現環境壓強水平是影響NaCl滲透率高低的最主要因素，在0.13 MPa的環境壓力下可將鴨蛋的腌制時間從30 d縮短至5 d，并提出若再提高環境壓強水平還可以進一步提高鹽漬效率。王曉拓等[19]采用自行研制的脈動加壓禽蛋腌制器，通過控制環境壓力的周期性變化，比較了不同的脈動頻率和壓強下鴨蛋的腌漬效率，發現在高壓幅值140 kPa和0.5（2.5 min/5 min）脈動比下，加入檸檬酸后可明顯促進鹽分的滲透，并能在4 d時間腌漬出合格咸蛋。其他專利如一種環保型快速咸蛋腌制生產方法及裝置，快速壓力腌蛋方法及設備，也是基于對腌漬環境的脈動加壓應用[41-42]，其主要裝備都為空壓機和壓力罐。

2.2 功能性食品加工

2.2.1 礦物質營養強化 對于營養強化食品的開發，國內外采用真空浸漬手段可使微量礦物質快速滲入到組織內部，研究多集中于對植物性原料的浸漬。Gras[43]等人配制乳酸鈣和蔗糖等滲溶液，對胡蘿卜、平菇、茄子采用真空浸漬的方式制備鈣強化蔬菜，采用X衍射分析發現鈣離子主要分布于平菇和茄子的細胞間隙中，而對于胡蘿卜則鈣離子分布于木質部位，即非細胞間隙。在研究各自樣品的形變程度時，發現真空浸漬下由于茄子和胡蘿卜細胞含有果膠質而具有一定的形變響應，但平菇不具備此特性。Fito[14]則根據人體對鈣、鐵元素的需求量，將蔗糖、葡萄糖酸鋅、葡萄糖酸鈣配制成混合溶液，對茄子進行真空浸漬處理，使每200 g產品所含有的鈣和鐵含量達到每日平均攝入量的需求。Park等人[44]研究了乳酸鋅和酪蛋白鈣溶液真空浸漬鮮切富士蘋果的礦物質增值情況，采用真空度13.332 kPa（100 mmHg）保持 15 min，常壓保持 30 min，發現樣品礦物質含量提高了20倍，且在7 d的儲藏時間內樣品的微生物數量均達到工業要求。Moraga等人[45]采用蔗糖配制的等滲溶液浸漬柚子，采用脈動負壓處理180 min，真空度50 mbar，發現產品貨架期比未做滲透處理的對照樣延長5～8 d，而當等滲溶液中添加質量分數2%的乳酸鈣時，貨架期可延長11 d。徐珠潔等[46]于常溫下采用乳酸鈣、葡萄糖酸鋅和蔗糖混合溶液浸漬處理蘋果片，負壓處理分別為30 min和25 min時，可使每200 g蘋果樣品中的鈣和鋅元素含量達到每日參考攝入量的16.53%和37.67%，并發現負壓處理時間長短與礦物質滲入量具有相關性，在實現果蔬礦物質強化的同時也利于產品的顏色穩定。

2.2.2 益生菌富集 植物類原料中的細胞直徑為50～500 μm，間隙距離為 210～350 μm，這樣的空間足以讓微生物在食材中容納富集。但關于肉制品的益生菌快速富集還未見研究報道，這是由動物性原料的低孔隙率特性所致。Betoret等人[15]分別采用含108 cfu/mL干酪乳桿菌的全脂乳和蘋果汁浸漬柱狀蘋果條，在真空度50 mbar保持10 min，常壓保持10 min時，發現處理后蘋果條的干酪乳桿菌菌數含量均達到107cfu/g左右，再結合熱風干燥成功制備了益生菌含量在107～108cfu/g的脫水蘋果產品。Wunwisa[47]則采用含干酪乳桿菌數108cfu/mL、固形物含量分別為15°Brix和30°Brix的果汁作浸漬液，在真空度50 mbar下處理番石榴和木瓜，得到了益生菌含量在107～108cfu/g的產品，并發現浸漬液的固形物含量對益生菌滲入有最適的效量關系。Vidal[48]等人也采用干酪乳桿菌浸漬液處理胡蘿卜，利用50 mbar真空度保持10 min以及常壓保持10 min的方法，開發了菌數含量在107cfu/g的鮮切胡蘿卜益生菌產品。國內的高蕙文[49]等也采用真空浸漬的手段將保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌快速滲入到多孔狀的蘋果肉組織中，開發乳酸菌蘋果粒產品，并在溫度35℃，負壓保持80 min條件下，使乳酸菌進入果肉組織的比率最高達到80%以上，從而使產品具備高的活菌數。

2.2.3 抗氧化褐變 鮮切果蔬片為了保持良好的品相需進行抗氧化和抗褐變處理，其中常見的手段是熱燙和滅酶。有研究報道，采用真空浸漬手段可將抗氧化劑快速注入果蔬片表層的組織以達到抑制褐變的效果。Lin等人[50]將維生素E與體積分數20%的蜂蜜混合作為浸漬液對新鮮梨片進行真空浸漬處理，在13.332 kPa（100 mmHg）的真空度下保持15 min并在常壓下保持30 min，于溫度2℃和88%的濕度下儲藏2周，經感官評定，發現真空浸漬的梨片具有較低的褐變指數和較高的感觀接受程度，并成功開發了維生素E強化鮮切梨片。Hironaka等人[51]也利用體積分數10%的抗壞血酸溶液對土豆進行真空浸漬處理，得到的土豆抗壞血酸含量比經過常壓浸泡的土豆高10倍，同時褐變現象得到一定程度抑制。Perez-Cabrera等人[18]利用真空浸漬方法將抗褐變復合溶液（EDTA、4-己基間苯二酚、檸檬酸鹽、抗壞血酸鹽）注入梨細胞組織間隙中，發現儲藏期間梨片的顏色變化差異不大，表明負壓處理可有效抑制梨片褐變并延長其貨架期。

2.2.4 涂膜與功能化 對于高黏度的浸漬液同樣可采用改變環境壓強的方式進行涂膜處理，這樣可確保產品在儲藏期間與外界環境隔絕，使產品具有防腐、抗凍性能并改善風味。高樂怡等人[52]分別利用真空和脈動加壓技術對草莓進行奶油快速浸漬處理，通過對比發現，在負壓保持30 min，常壓保持50 min，循環處理3次，能使草莓中的奶油滲入量最大，另外經脈動加壓處理后的草莓，其奶油分布的均勻性要優于真空浸漬的草莓，并且隨著溫度的提高，草莓的奶油滲入量也增加，但溫度過高會導致草莓中的維生素和營養物質的損失。Vargas等人[53]采用可食用的殼聚糖等滲溶液作為浸漬液，對比了經過真空浸漬和常壓浸泡處理后的新鮮胡蘿卜塊的品質變化情況，研究發現與常壓浸泡相比，鮮切胡蘿卜塊的保水性、色澤和呼吸速率指標都有較大提升，產品色澤較為穩定。Rui等[16]利用真空-壓力循環處理的方式將抗凍蛋白質快速浸入到西洋菜組織中，58 kPa環境壓強下浸漬5 min，再常壓浸漬5 min，可使抗凍蛋白質溶液均勻地快速浸入到西洋菜組織內部，降低其細胞內游離水的凝固點，減小冰晶大小，改善了產品解凍后的質地。

3 結語

為加快浸漬液中的目標溶質向農產品組織擴散，目前都采用改變環境壓強的手段。國外已建立了一套完整的分析方法和數理模型。應用領域大量集中在肉制品腌漬和果蔬功能性改善中。我國在快速浸漬領域的研究起步相對較晚，研究形式和產品較為單一。國內功能食品多為重組產品，如重組的營養強化米、復合配方膨化谷物、功能性奶粉，均采用直接添加方式實現功能性改善。因此，針對浸漬液的不同特性，可通過改變浸漬環境的大氣壓強，實現對食品的非破壞性營養強化和功能化開發。

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