高靜水壓處理技術及其在食品工業應用的研究進展

段夢雯，吳雪娥，車黎明，何寧，梁達奉，陸登俊

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004；2.廈門大學 化學化工學院，福建 廈門 361005；3.廣東省科學院生物工程研究所 廣東省酶制劑與生物催化工程技術研究中心，廣州 510316)

高靜水壓技術是一種新型的非熱環境友好技術，能滅活病原微生物及酶，相比其他加工方式，其對食品中營養物質與感官品質的損害較小，可以很好地保持食品的色、香、味及營養成分。將壓力作為食品加工過程處理手段的首次嘗試可以追溯到1899年，當時海特觀察到牛奶和其他食品在加壓后可以延長保質期。然而，近一個世紀過去了，該領域的大量研究才得以繼續。隨著對超高壓食品領域研究的持續深入，人們發現超高壓技術在一定的壓力范圍內可以保持食品的營養成分、色澤及風味，而且不使用熱量，產品的感官和營養特性幾乎不受影響，因而產品質量優于傳統加工方法所生產的，這也推動了超高壓技術在食品工業中的廣泛研究及應用。正因如此，有學者用“當前七大科技熱點”、“21 世紀十大尖端科技”、“食品工業的一場革命”等來形容超高壓技術。美國現已將超高壓食品開發與應用列為目前食品加工、包裝的主要研究項目[1]。在國內，超高壓技術的研究主要在果蔬、水產品、肉類、乳制品、蛋類、煙、酒、茶、調味品等方面，主要應用于殺菌鈍酶、提取、誘變育種等[2]。另外，近年來超高壓技術在蛋白質等其他生物大分子的修飾與改性上的研究也是炙手可熱。在現如今各方面都飛速發展的時代背景下，全球的食品工業正朝著科技化、現代化的方向前進，所以高靜水壓技術作為一種高效、科學綠色的技術手段將會更好地推動食品工業的發展，這對于整個食品行業來說意義非凡[3]。本文從目前國內外高靜水壓技術在食品工業中的應用與研究進行了有關的介紹，綜述了其在食品工業中多個領域的研究現狀，并對其未來的發展趨勢進行了展望。

1 高靜水壓處理技術的概述及原理

1.1 超高壓簡介

在食品工業中，超高壓技術(ultra-high pressure technology，UHP)指在常溫或較低溫度時，通過施加100 MPa以上的壓力(一般商業用裝置壓力最高可達700 MPa)，使食品中某些生物大分子的性質或結構產生變化，與此同時，也能殺死微生物，起到滅菌效果的一直是物理加工方法，而在此過程中食品自身風味及營養價值幾乎不受影響[4]。高壓處理技術一般分靜態高壓處理、高壓均質處理和微射流高壓均質處理3種形式。其中靜態高壓技術，即高靜水壓技術(high hydrostatic pressure，HHP)由于其獨特的性能，目前在國內外食品行業中有著廣泛的應用，成為國內外專家學者研究的熱點方向之一[5-6]。

1.2 超高壓處理機制及原理

在食品工業中，原料在進行超高壓處理的過程中遵循兩個基本原理：帕斯卡原理與勒夏特樂原理。依據帕斯卡原理，過高的壓力可在短時間內快速且均勻地傳遞至整個體系中的食品分子，在這一過程中，加工效果與食品的形貌無關，這使得食品超高壓加工的過程便捷迅速，并有效減少能耗。勒夏特樂原理是如果壓力發生變化，則平衡會朝著體積減小的變化趨勢的方向移動。因此，伴隨著體積減小的任何現象(相變、分子構型變化、化學反應)都會因壓力而增強。傳統的熱處理會使得分子劇烈運動并伴隨化學變化，這不僅改變了食品中如蛋白質、淀粉這類大分子的原有結構，也會對維生素、色素以及風味物質等小分子物質的結構造成影響，而使用超高壓處理食品避免了過高溫度的產生，有效保持了食物的營養成分，另外，從經濟的角度來看，超高壓處理過程耗能較低，且可重復性強、成本低，所以被廣泛應用在食品工業領域[7]。

1.3 高靜水壓系統

靜態高壓技術(HHP)是指在一個封閉的空間(壓力容器)中進行加壓，容器中包含作為壓力傳遞介質的流體(一般情況下為水)。HHP處理系統主要由壓力容器、增壓系統和產品處理裝置組成。處理過程中壓力是均衡地施加，固體食物基本能保持原有的形狀。因此相對于傳統的熱處理，HHP優勢之一就是物料的尺寸與幾何形狀不受限制。另一方面，高壓作用也改變物料的性質，可以實現滅菌，使酶變性或者失活，從而延長食品的貨架期，保持食品的營養及感官特性的新型食品加工技術。傳統的立式HHP裝置工作示意圖見圖1。

圖1 高靜水壓立式裝置圖Fig.1 HHP equipment of vertical installations注：a為將食物浸入加壓介質(通常為水)中；b為蓋上蓋子施加HHP；c為打開蓋子，取出食物。

2 高靜水壓處理技術在食品保鮮中的應用

微生物是影響食品品質的的重要因素之一。近年來，人們對于高質量食品的需求呈上升的趨勢，此類食品既能保證消費者在食用時的安全性，又可以在很大程度上維持食物本身天然的新鮮度，從而延長了食品的保質期。因此，HHP處理技術作為一種新型的物理加工方法來實現對微生物的抑制在食品工業中逐漸受到人們的關注與重視。該技術使微生物失活主要是使其細胞受損，微生物抗性變化很大，主要取決于生物體的類型和所涉及的食物基質[8]。超高壓主要作用于細菌的細胞膜，在對食品施加一定壓力時，細菌細胞膜和蛋白質的結構遭到破壞，細胞膜磷脂雙分子層的體積與橫截面面積均減少，使得細胞膜通透性發生變化[9]，從而改變細胞形態與細胞本身正常的代謝、生化反應以及遺傳機制等，從而抑制食品中微生物的生長與繁殖，最終達到保鮮的效果。

2.1 果蔬及果蔬汁的保鮮

新鮮的水果蔬菜營養價值高、口感品質優越且營養安全，但由于在采摘或者運輸等加工過程中不可避免會受到機械損傷而導致果蔬細胞衰老，使得品質變差，營養與風味受到損失。另一方面，果蔬類食品可以為微生物生長和繁殖提供良好的營養源，因此還會導致微生物的繁殖，引起食物變質。上述加工引起的改變是與食品新鮮度高度相關的重要因素，因此高靜水壓處理作為一種應用于蔬菜產品的商業化技術是一個食品行業備受關注的工業問題。朱悅夫[10]研究表明，將荔枝果肉在400 MPa下保壓15 min以及在500 MPa下保壓9 min可使荔枝果肉中微生物含量降低6個數量級。Yuan等[11]將HHP與微波處理相結合應用于水煮竹筍的加工工藝中，研究結果表明，高壓處理過的竹筍中微生物失活率明顯提高。Izumi[12]研究表明鮮切的蓮藕和鳳梨在室溫下用400 MPa高壓處理5～10 min，細菌、霉菌和酵母的數量降至不可檢測的水平，可在商業上替代化學滅菌和熱處理。因此，HHP技術在果蔬的滅菌與保藏方面有著良好的發展前景。

對于現今社會來說，大眾對于營養食品的追求更加多元化，隨著人民生活水平的提高，消費者要求在不含添加劑的基礎上最低限度地加工食品，并且要達到延長保質期的目的。果蔬汁的營養豐富且食用方便，因此廣受大眾的青睞。果蔬汁的滅菌工藝也成為科研工作者的研究熱點方向之一。熱處理是果汁中滅活微生物和酶的傳統方法，然而，加熱會破壞果蔬汁中的抗壞血酸，加速花青素、多酚及風味成分的分解，降低水果的理化性質。HHP處理不僅可以達到巴氏滅菌的目的，同時由于其較低的加工溫度還可最大程度地保留果蔬汁的天然成分和生物活性物質。HHP處理對部分果蔬汁中菌落數的影響見表1，結果說明HHP能將微生物數量減少到安全水平之下，且符合國家飲料食品衛生標準。

表1 HHP處理對果蔬汁中微生物的影響研究Table 1 Effect of HHP treatment on microorganisms in fruit and vegetable juice

由表1可知，高靜水壓保鮮技術可以在很大程度上保護果蔬汁的營養價值，對各組成成分的影響小，還能很好地保存果蔬原有的風味，并有效地遏制微生物細菌等的生長繁殖，減緩了褐變的發生，是一種優良的處理技術。

2.2 乳品及酒類的保鮮

乳類飲品被認為是人類各類營養元素攝入的最佳來源之一，如蛋白質、脂肪、氨基酸、脂肪酸、乳糖、礦物質、維生素等。為滿足消費者對乳制品天然、營養、安全的需求，需要引入新的加工工藝來確保和提高加工乳品的安全性和營養性。傳統的乳制品加工工藝通常選擇熱處理作為滅菌方式，通常為巴氏滅菌、超高溫滅菌。而熱處理在有效殺滅食品腐敗菌和病原菌的同時，可能會對熱敏性的營養物質起到破壞的作用，如維生素、蛋白質以及一些揮發性的風味物質等，此外，熱處理對其他生理活性成分也將造成不同程度的損失，喬長晟等[21]研究了高靜水壓技術與巴氏殺菌技術對牛乳品質的影響，證明了超高壓殺菌更有助于延長牛乳的保質期，且壓力越高，保壓時間越長時殺菌效果越好。趙越等[22]就超高壓技術對鮮駝乳品質的影響進行了探討，結果發現隨著壓力和時間的增加其殺菌效果得到提升，樣品溫度為55 ℃時在600 MPa保壓20 min所處理的鮮駝乳微生物、理化性質與感官特性最優。Rocha-Pimienta J等[23]研究采用響應面法測定了人乳中金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌最大失活的HHP條件，在實驗范圍內達到最大細菌失活的條件是壓力強度為593.96 MPa下施壓 233 s，這對乳品工業上延長貨架期以及日后的蓬勃發展提供了理論支撐。

此外，超高壓滅菌在酒類生產過程中也有一定的作用，如今超高壓技術在釀酒領域中的作用的研究包括白酒、啤酒、葡萄酒、果酒等。如章翌等[24]將原漿白啤酒在470 MPa保壓14 min后進行超高壓滅菌，實驗結果表明，處理后的啤酒風味物質接近殺菌前的啤酒，且顯著優于巴氏殺菌處理，抗老化能力更強，酒精度也得到了很好的保持。故而，高靜水壓技術在造酒業中的應用可見一斑。

2.3 肉類及水產品的保鮮

優質的肉制品具有風味獨特、營養價值高、食用方便等特點，可以加工制作成味道鮮美的菜肴，但肉類若受到微生物感染會引發腐敗變質，將會影響其食用安全性。李新等[25]以熟制鴨胸脯肉為研究對象，證明鴨胸脯肉中菌落總數殘余比例與超高壓壓強、時間與溫度呈反相關，在600 MPa、28 ℃下處理25 min時殺菌效果最好，處理過的熟制鴨肉的菌落總數為159 CFU/g。Hereu等[26]將乳酸鏈球菌肽(生物防腐)與HHP處理結合，研究即食腌火腿中李斯特菌的影響，結果顯示高靜水壓技術作為后期殺菌處理，比使用乳酸鏈球菌肽作為抗菌措施更有效(即時和長期)。HHP加工熟火腿已在西班牙生產，保質期長達8周。然而，超高壓對不同肉制品中有致病性、腐敗性的微生物的抑菌效果以及關于這些微生物的抗壓性的報道不多，因此超高壓的應用安全性還有待更加廣泛及深入的研究。

海鮮及水產品蛋白質含量高，富含多種礦物質以及各種維生素，營養價值非常高，且脂肪含量較低，因此深受消費者的喜愛。高靜水壓對印度白蝦的滅菌效果：HHP處理技術可以顯著降低對蝦的菌落總數及大腸菌群。Kaur等[27]研究了HHP對斑節對蝦的滅菌效果，同樣得出結論：超高壓對菌落總數、金黃色葡萄球菌以及大腸桿菌均有抑制作用。

3 高靜水壓處理技術對食品品質的影響

3.1 HHP在改善食物品質方面的研究

相對于傳統熱加工方式，超高壓加工能夠更好地保持食品的色澤、風味、香氣及營養成分等，因此具有很好的優勢。 Feng等[28]研究了超高壓處理對果汁品質的影響，結果表明，與超聲和熱處理過的樣品相比，經高壓處理的混合果汁在4 ℃下保存10 d，總酚、總花青素、抗壞血酸、抗氧化能力、顏色和感官值都得到了更好的保持。Xu等[29]比較了HHP和高溫短時處理對富硒獼猴桃汁品質的影響，結果顯示：經HHP處理過的樣品色澤以及抗壞血酸和葉綠素保持較好。

另外，HHP處理對于食品口感的改善也有一定的促進作用[30]，Sikes等[31]研究了HHP技術對低鹽牛肉香腸面糊質地的影響，發現在所有鹽濃度(0%～2%)下，與未經加壓的樣品相比，經加壓處理(400 MPa，10 ℃，2 min)過的低鹽香腸的硬度和膠黏性更高，水分保持力顯著提高，且鹽含量較低的加壓處理香腸在外觀和質地上有更高的優勢。高壓處理可以實現肉的嫩化，Suzuki等[32]的研究表明，超過150 MPa的壓力對牛肉的嫩度有明顯的影響。Hu等[33]的研究發現，超高壓引發的果膠特性、膜完整性和組織形態的改變會共同影響著南瓜的質地，中等壓力(300～400 MPa)處理后的樣品比加熱后的樣品能更好地保持南瓜原有的組織學性質。另外，一定程度上使用高壓處理果蔬類制品可起到提高其穩定性的作用[34]，Qiu等[35]在不同壓力下處理番茄，將樣品在避光條件下保存在冰箱溫度數日，發現在400 MPa處理時番茄紅素在番茄紅素溶液中顯示出最高的穩定性，500 MPa下可增加番茄泥中番茄紅素的總含量，因此HHP可作為穩定番茄制品的一種方法。

高壓處理同時也可改善酒類產品各方面的品質，在催陳、維持風味與感官品質上也有一定的效果。Yang等[36]將葡萄酒在600 MPa下處理10 min發現葡萄酒的感官性能與未處理的相比有顯著提高。

3.2 HHP與食物脫敏

一般所說的食物過敏是指機體自身免疫系統在感受到食物中所含的特異性蛋白而發生的變態反應。食物過敏已經被世界衛生組織列為一種新的食品安全問題及國際性的公共衛生問題。而諸如油炸、烘烤、蒸、水煮等傳統的加工工藝并不能很好地消除食品中的過敏原，因此HHP技術作為一種新型的食品脫敏技術為開發低敏或脫敏食物帶來希望。目前研究者們普遍認為高靜水壓處理可達到脫敏的效果是由于其可誘導過敏原蛋白變性，使得蛋白質的空間構象發生變化。目前，HHP技術在魚、蝦、乳制品、蛋類、肉類、花生、大豆等動植物食物過敏原的脫敏技術研究上已經越來越多。

海鮮是優質蛋白質的主要來源，此外，海鮮還能提供結構多樣的抗氧化、抗炎、抗增生性營養物質，以及許多其他生物活性成分，對機體具有潛在的生理功能。然而，海鮮過敏是世界范圍內最常見、最嚴重和最持久的食物過敏之一。賈瑩等[37]以南美白對蝦為原料，研究超高壓處理影響蝦仁的致敏性，實驗結果表明在壓力600 MPa、40 ℃時處理30 min，可消減蝦仁的致敏性(消減率為45.66%)。另外，花生也是引起過敏反應的食物之一，其過敏原的致敏性和致死量表現出較高的水平，因其產生過敏的人數越來越多，在食品與醫療領域引起了廣泛的關注[38]。Pan等[39]報道，HHP處理(≥400 MPa)后Ara h1的免疫反應性隨保壓時間的延長而顯著降低，在600 MPa、1200 s條件下，最大降幅可達74.32%。大豆過敏比花生過敏的發生率要低，但全球仍有約0.5%的人對大豆過敏， Li等[40]研究發現，HHP會影響大豆分離蛋白的致敏性，與未經處理的蛋白相比，經300 MPa、15 min處理后，其致敏性降低了48.6%。

4 高靜水壓處理技術在生物活性成分提取中的應用

傳統的生物活性成分提取方法有酸提取法、煎煮法、索氏提取法、水蒸氣蒸餾法等，這些提取工藝的不足之處在于提取時間長、提取過程效率低、有效成分損失、雜質較多等缺點，尤其不適合熱敏性生物活性物質的提取。HHP在食品工業中物質提取方面的應用廣泛，已經用于包括多糖、多酚、蛋白質、黃酮、有機酸、有機醛、酯類物質等功能性組分的提取。HHP可增強從生物基質中提取有價值的化合物的能力。提取率主要取決于壓力、處理時間和所用溶劑的類型，可促進抗氧化劑和其他生物活性化合物的提取。壓力會破壞萃取基質的弱化學鍵，使某些化合物可用于萃取。

4.1 HHP用于多糖類物質的提取

多糖類物質有著抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗凝血、降血糖、免疫調節等良好功效，可在維持生命活動方面發揮重要作用，應用前景廣闊，因此天然多糖的高效提取就變得尤為重要[41]。傳統的一些提取方法，如水提取法，提取溫度高、提取時間長，而微波法、超聲法都會造成多糖活性降低。近年來，HHP在天然多糖的提取方面得到應用。王新新等[42]采用超高壓技術提取瓜蔞多糖，正交實驗結果顯示：瓜蔞多糖的最佳提取工藝條件為以水為提取劑、料液比為1∶40 (g/mL)時，100 MPa處理3 min，其提取率達19.11%。超高壓提取多糖得率比加熱回流提取多糖得率低0.32%，比超聲波輔助提取高1.00%，提取時間大大縮短，僅為加熱回流提取和超聲波輔助提取的1/10和1/20，被認為是提取瓜蔞多糖的適宜方法。敬思群等[43]以金雞菊多糖提取率和純度為指標，對超高壓處理金雞菊多糖提取工藝條件進行優化，結果表明，在壓力300 MPa、pH 9、料液比1∶16、保壓時間4 min的條件下，金雞菊多糖提取率最優，為6.42%，純度達37.43%，證實了高靜水壓提取金雞菊多糖手段是高效可行的。這些研究結果表明高靜水壓技術在天然多糖的提取工藝上有著更為良好廣闊的應用前景。

4.2 HHP用于多酚類物質的提取

多酚具有許多生物活性和促進健康的益處，可抗氧化、保護心臟、抗癌、抗炎、抗衰老和抗菌等[44]。由于多酚類物質在溫度較高時極不穩定，而高靜水壓技術在常溫條件下即可進行提取，因此這就為提取多酚類化合物提供了一種新的方法與途徑。Corrales M等[45]采用高靜水壓等新興技術從葡萄副產品中提取花青素，與傳統提取方法相比，總酚含量提高了50%。Torres-Ossandón Maria José等[46]結合HHP和超臨界CO2萃取(SFE-CO2)從獼猴桃中提取具有抗氧化能力的生物活性化合物，研究結果表明在400 MPa、保壓3 min處理樣品時總酚含量最高，在300 MPa、保壓3 min時β-胡蘿卜素含量最高，證明HHP處理結合SFE-CO2可以促進水果基質中活性成分的釋放，增加其生物活性。Casquete Rocío等[47]采用超高壓提取技術提取不同橘皮中的酚類成分，研究表明，在壓力 300 MPa、保壓時間3 min、液固比6的工藝條件下，總酚含量最大。這些研究都對提高食品工業附加值、提升副產品的綜合利用率起到理論支撐的作用。

4.3 其他物質的提取

高靜水壓技術除了在多糖、多酚的提取上有應用，在其他天然活性物質的提取上也有所研究。Zhang等[48]采用6種不同方法提取西洋參皂苷，與索氏提取法、熱回流提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、超臨界 CO2萃取相比，超高壓提取用時少、效率高，表明超高壓技術提取西洋參皂苷具有更大優勢。谷微微[49]以亞麻籽為主要原料，采用高靜水壓對其中的油脂進行提取，優化后亞麻籽中的油脂提取率為97.42%。而采用超聲波法輔助提取亞麻籽油的研究表明，在55 ℃、超聲波功率400 W下超聲50 min，亞麻籽油提取率最高，僅為37.43%。郭文晶[50]將HHP技術應用于胸腺肽的提取，研究表明，在液固比為3∶1，pH 3.5時350 MPa高壓提取1 min，提取率為6.14 mg/g，且通過E-玫瑰花環試驗測定活性，活性均合格。在相同條件下采用凍融法在-20 ℃凍融3次時胸腺肽提取率為5.51 mg/g，HHP法雖未顯著提高提取率，但大大縮短了提取時間，提升了提取率，且提取工藝流程也較為簡便。

以上都說明相較其他傳統的提取方法，HHP技術提取天然活性成分具有高效率、高得率、高純度等諸多優點，重要的是整個提取過程都在常溫下完成，可以有效避免熱效應對天然活性組分的破壞，因此得到很多研究者的青睞。

5 結語

高靜水壓處理技術(HHP)作為當今社會食品工業的尖端科技應用之一，是目前科研工作者與企業研究的熱點，其優良的性能可以保持食品本身的性能，這符合現代消費者對“純天然、綠色、無公害”的需求。雖然，目前我國在高靜水壓的研究上已取得了一定的研究成果，但是我國對于超高壓處理技術的相關研究仍未達到國際領先水平，理論基礎比較欠缺，與國內食品市場的需求不匹配。因此還應加快對超高壓技術的深入研究，為生產提供更好的理論支持，降低高靜水壓應用的技術門檻，加快HHP的商業化步伐。