第七章-食品加工新

第七章食品加工新技术第一节超高温杀菌技术

超高温杀菌技术（ultrahightemperature,UHT）是利用热交换器或将热蒸汽直接与食品接触，使食品在135-150℃下，保持2-4s加热杀菌后，迅速冷却的杀菌方法。系英国1956年首创，荷兰Stork公司在20世纪50年代率先研制开发了杀菌装置。该乳的基本特点是达到商业无菌的要求同时，牛乳的品质变化较小。一．UHT杀菌法的特点UHT杀菌温度为135-150℃，在数秒间可完全杀死牛奶、豆奶及番茄沙司等食品中的微生物，杀菌效率特别高。物料经杀菌后产生的物理、化学变化小，对外观、风味、营养成分变化等无明显影响。UHT杀菌法常常和无菌包装技术结合在一起，使食品保持无菌状态，在无需冷藏条件下保存数月。二．UHT杀菌对产品品质的影响由于UHT杀菌是瞬间受热，不足以引起牛乳化学成分的变化。但另一方面，存在着对酶钝化不利这一问题。有的UHT杀菌牛乳在保存过程中，风味发生变化而使产品品质变劣，其主要原因是由于脂肪氧化酶的残存而使脂肪分解，产生氧化臭。另外，有的产品在存放3-6个月后，出现凝胶化现象，这与蛋白酶的残存有关。第二节微胶囊技术微胶囊技术（microencapsulationtechnology），是在一个微小封闭胶囊中包埋液体、气体或固体的技术。被包埋的物质称为核心，胶囊化的材料称为壁材。微胶囊的直径的大小通常可分为超细胶囊（mm）、微胶囊（μm）和纳米胶囊（nm），它们基本技术都与微胶囊技术有关。微胶囊的理想性状为球形，但受原有材料结构的影响，有时呈米粒状、块状、针状或折叠状等不规则形态。微胶囊技术出现与20世纪30年代，最初应用于医药工业。食品工业的微胶囊技术应用主要是通过包埋一些风味物质、营养物质、色素、调味料、具生理活性物质等，有效提高食品产品的质量，其优点在于：1.隔离活性成分，保护敏感物质，有效减少这类物质受外界环境因素（如光、氧气、水等）影响而失效的程度。2.减少芯材向环境的扩散或蒸发。3.控制芯材的释放。4.掩蔽芯材的异味。5.改变芯材的物理性质（如颜色、性状、密度、分散性能）、化学性质等。6.对食品材料的质构有改善作用，可提高风味物质的利用率。一．微胶囊的壁材与芯材1.即使在高浓度下也具有良好的流动性，保证在微胶囊化过程中有良好的可操作性。2.能够乳化芯材并能稳定所产生的乳化体系。3.在加工过程以及贮藏过程中能够将芯材完整的包埋在其中。4.易干燥、易脱落。5.具有良好的溶解性。6.安全性高、经济性好。（一）微胶囊壁材的性能1.碳水化合物类（1）环状糊精最常用的壁材之一，其结构是α-1，4糖苷键连接的D-吡喃葡萄糖环状聚糖，分子结构形成一个无还原基的闭合环形分子，中心部分为疏水基，而葡萄糖单体的氢原子朝向环状糊精的空腔，形成疏水性，能与有机分子形成包结络合物。有机化合物分子的疏水性愈强，其复合物的结合能力愈大，在干燥无水状态时非常稳定，只有在200℃才能分解，而且耐酸、碱，不易受酶分解。葡萄糖单体的羟基指向环状糊精的外侧，使其具有水溶性，α-环状糊精、β-环状糊精、γ-环状糊精的空腔直径分别为47-53nm,60-65nm,75-83nm，要形成良好的络合物，必须使环状糊精空腔壁与客体分子相互匹配。普通的环状糊精在有机溶剂中几乎不能溶解，在水中的溶解度也很有限，而在环状糊精结构体上引入甲基或羟脯氨基等，生成歧化环状糊精，对提高溶解度很有帮助。（2）变性淀粉变性淀粉是以植物淀粉经化学修饰而得到的具有不同理化性能的产品，如用环状双羧酸酐或辛烯基琥珀酸酐等烷基、烷烯基酸酐进行酯化反应，可得到具有亲油性的变性淀粉，有良好的包埋物质，对易挥发成分的保留性很好。与阿拉伯胶相比，变性淀粉黏度要低得多，制备的乳状液更稳定，进料时的固形物浓度可以更高。如用阿拉伯胶的固形物一般限制在35%，而用变性淀粉时固形物可达50%，这可使香料的损失显著减少。2.植物胶类（1）阿拉伯胶在各种天然植物胶中，天然阿拉伯胶溶液的黏度最低，乳化性能最好，是唯一一种浓度达到50%以上而仍具有较好流动性的胶体，其黏度受pH影响较大，pH6-7时黏度最大。另外一个优点是其对乳化的稳定性，因此常作为乳化剂的稳定剂，这对微胶囊液的制备很有利。天然阿拉伯胶含有氧化酶和过氧化酶，这对包埋易氧化的芯材不利，可先在80℃以上加热1h以钝化酶活性。（2）海藻酸钠3.蛋白质类明胶既是亲水胶体，也是一种重要的蛋白源，其成膜性良好，而且明胶的凝胶具有胶冻力，胶凝后的明胶溶液具有承受一定压力的能力，故明胶为壁材后具有良好的弹性和抗挤压性能。酪蛋白的乳化能力较强，但溶解性不够好，不适于单独做壁材。乳清蛋白在宽广的pH值、温度和离子强度范围内具有良好的溶解度与很好的微胶囊化特性，常用于微胶囊化的乳清蛋白是乳清分离蛋白和乳清浓缩蛋白。（二）微胶囊材料和工艺选用原则微胶囊方式的选择要根据产品的最终用途、释放方式、安全方便及形态和囊壁的生物降解需要和成本来确定。1.确定工艺时要考虑的因素（1）芯材的溶解性在凝聚法中，芯材和壁材单体不能互溶，脂溶性芯材应选用水溶性壁材，反之亦然，而且聚合生成的囊壁在芯材中的溶解度也很低。（2）芯材的润湿性芯材能够被壁材润湿，二者才能有附着力，形成包埋，否则只能形成各自独立的二相。对凝聚法而言，芯材的可润湿性是微胶囊化成败的关键。（3）壁的渗透性和其他流变性能不同制备工艺得到的囊壁厚度有很大差别，对产品的塑性、压力破碎范围和膜孔大小都有很大影响。（4）产品的制造成本2.在确定微胶囊壁材时要考虑的因素（1）微胶囊的释放形式需要溶解释放的微胶囊应选用水溶性高的壁材，如天然蛋白质、亲水胶等，通过控制壁材在一定条件下的溶解速度来控制芯材的释放，而以压力释放的微胶囊应选择聚合材料等。（2）微胶囊的渗透性壁材的化学组成会明显影响囊壁上的孔径大小，形成不同的渗透性能，这是影响微胶囊产品保质期的最主要指标。（3）囊壁材料的黏度和干燥特性原料的黏度影响到设备的运行能力，而设备能力又限制了原料的配制浓度，从而影响微胶囊的包埋率和生产能力。壁材还必须能在设定的干燥条件下完全干燥，最终产品应该是流动性良好的不粘粉末。作为食品的微胶囊还要求壁材可完全降解性。（4）壁材的机械强度壁材应有一定的机械强度，以便于加工处理，但必须能在预定的压力范围发生破裂。（5）表面张力的影响芯材、壁材和介质的分子在界面上所受的力与在本体内的受力不同，这种力的不平衡使物体有将表面积缩小，力求趋向平衡的趋势，也就是表面张力。在两相中制备微胶囊，当囊芯是液体时，囊芯的表面张力是一恒值，该值与壁材的差值越大，微胶囊化容易进行，囊芯的微胶囊化效率就越高，囊芯所占质量比可以越高。一般只要壁材的表面张力小于囊芯的都能进行，但若囊芯的表面张力小于壁材的时，微胶囊化的效率低，囊壁的孔隙大，制备的条件苛刻，需要使用表面活性剂改变表面张力。二．微胶囊化技术方法（一）喷雾干燥法先将芯材物质分散在已经液化的壁材溶液中，使之充分混合，然后将混合液送入干燥室。喷雾是依靠机械力（高压或离心力）的作用，通过雾化器将物料破碎为雾状微粒（其直径约为10-1000μm），并与干燥介质接触，在接触瞬间进行强烈的热交换与质交换，使浓缩物料中的水分绝大部分在短时间内被干燥介质带走而完成干燥。喷雾干燥的过程包括浓缩物料微粒加热、表面水分汽化、微粒内部水分向表面扩散以及对干物料的加热，可分为预热、恒速干燥和降速干燥三个阶段。其特点是干燥过程迅速、干燥温度较低。2.喷雾冷冻法其原理与喷雾干燥法相似，都是先将芯材物质分散在已经液化的壁材溶液中，使之充分混合，不同之处是溶剂的去除采用喷雾冷冻的方式。该法的工艺特点是与使用远低于壁材凝固点的低温空气，雾化液滴与低温空气接触后凝固，水分以升华的方式被除去。此法可用于水溶性芯材如酶、水溶性维生素等的微胶囊化，其主要优点是能包埋保护一些热敏性物质和易挥发物质。3.界面聚合法是将两种含有双（多）官能团的单体分别溶解在不相混容的两种液体中，在两相界面上两种单体发生缩聚反应。在不加搅拌的情况下，几分钟后即可在界面上形成缩聚产物的薄膜或皮层。这种缩聚纤维可以连续抽拉成薄膜或长丝，而在暴露出的新界面上继续进行缩聚反应，直到单体完全耗尽为止。通过加热、搅拌、溶剂萃取、冷冻、干燥等方法将壁材中的溶剂去除，形成囊壁，再与介质分离得到微胶囊产品。4.分子包埋法主要是利用具有特殊分子结构的β-环状糊精（β-CD）做壁材，包埋其他物质的一种分子水平的微胶囊技术。β-CD是由7个葡萄糖分子以α-1，4糖苷键结合形成的具有环状结构的麦芽低聚糖，其独特的环状空间结构形成了中间部位疏水，外表亲水的特性，当被包埋物的分子尺寸和理化性质与空腔匹配时，在范德华力和氢键的作用下形成稳定的包含物。分子包埋法生产的微胶囊产品，在干燥状态下稳定，温度达到200℃也不会分解；在湿润状态下，芯材容易释放出来，适应于食品的加香，如包埋香精、香料等，也可包埋微生物、色素、油脂等。三．微胶囊囊芯材料的释放机理微胶囊的释放原理有多种，主要有扩散释放、压力活化释放、溶液活化释放、pH敏感释放、熔融活化释放等。扩散释放是囊芯在浓度梯度下扩散到微胶囊颗粒表面；压力活化释放是依赖压力使囊壁破损以释放活性芯材，无碳复写纸便是一例；溶剂活化释放可以将胶囊完全溶解释放出内容物，或者仅仅使其溶胀从而加快活性物的释放，溶液活化控释是食品工业中应用最广泛的控释机制；pH敏感释放是胶囊系统能对pH值变化做出反应，当pH值变化时胶囊破裂释放出囊芯材料；熔融活性释放是指胶囊外壁熔融从而释放出活性材料，如喷雾冷凝微胶囊的释放；生物降解的释放是利用生物酶降解大分子壁材，可分为瞬间打破释放和缓慢释放两种。四．微胶囊技术在食品工业中的应用微胶囊在食品工业中有广泛的应用前景，将食品及原料微胶囊化可以把液态食品固体化，使用更方便，质量更可靠；食品添加剂和营养素的微胶囊化可使添加剂和营养素免受环境影响而变质，而且微胶囊的缓释功能使添加剂和营养素的效能发挥更充分。（一）食品及原料的微胶囊1.粉末油脂微胶囊化能够对油脂进行有效的保护，降低在保存过程中的氧化哈败，而且极大地提高油脂的使用方便性，最广泛应用的粉末油脂是人们熟悉的咖啡伴侣，产品的保质期可达1年。此外如深海鱼油、小麦胚芽油、γ-亚麻酸、DHA、EPA等含高度不饱和脂肪酸的油脂极易氧化变质，而且带有特殊腥味或异味。通过微胶囊化使其成为固体粉末，不但能有效降低其氧化变质的可能，而且异味也可得到掩蔽。

2.固体饮料饮料中总固体的含量一般不超过10%，饮料中的水占据了产品包装、运输的绝大部分，固体饮料则能克服这一缺点，而且可以长期保存。市场上常见的果珍、雀巢柠檬茶、菊花晶、高乐高等都属于固体饮料。（二）食品添加剂的微胶囊1.粉末香精粉末香精已广泛用于固体饮料、固体汤料、快餐食品和休闲食品中，能起到减少香味损失、延长留香时间的作用。如焙烤制品在高温焙烤时香料易被破坏或蒸发，形成微胶囊后香料的损失大为减少，如果制成多层壁膜的微胶囊，而且外层为非水溶性壁材，那么在烘烤的前期香料会受到保护，仅在到达高温时才破裂释放出香料，因而可减少香料的分解损失。糖果食品，特别是口香糖需要耐咀嚼，常使用含溶剂少的高浓度香料微胶囊。固体汤粉调味品中，使用微胶囊形式的固体香辛料可以把葱、蒜等的强刺激气味掩盖起来。2.食用色素的微胶囊如番茄红素微胶囊（喷雾干燥法）蔗糖和食用明胶为壁材，质量比为9：1，芯材：壁材=1：14。壁材以400mL蒸馏水溶解，番茄红素用氯仿溶解，氯仿用量为1g番茄红素溶于10mL氯仿；均质30min，在均质的同时将氯仿挥发掉，再将此乳化液溶于水，使其固形物含量为10-15%。喷雾干燥进风温度120-140℃，出风温度为80-100℃。（三）营养强化剂的微胶囊1.大豆磷脂微胶囊（喷雾干燥法）称取100g粉末状大豆磷脂，加入1000ml温水搅拌乳化后，在40℃水浴恒温下加入100g微孔淀粉在搅拌下进行吸附，然后缓慢加入10%明胶溶液400ml，定容至1500ml，充分混合均匀。喷雾干燥工艺条件为：进料温度50-60℃，进风温度160℃左右，出风温度90℃左右。2.薏苡仁酯微胶囊（锐孔-凝固浴法）壁材：海藻酸钠，初始溶液的质量浓度为10g/L；芯材：薏苡仁酯；芯材/壁材的质量比为0.6：1；乳化剂在壁材与芯材乳化分散液中的质量浓度为单甘脂1g/L，蔗糖酯0.5g/L；固化液：质量浓度为10g/L的CaCl2。芯材和壁材乳化液保持在50-60℃，分散注入冷却的CaCl2固化液中形成微胶囊，并在4℃左右的低温下固化10min，筛分分离后用清水洗去胶囊表面的CaCl2残留，脱水后的微胶囊置于45℃恒温箱中干燥至质量恒定。用该工艺条件制得的微胶囊产品，薏苡仁酯的包埋率达81.8%。第三节食品膜分离技术膜（membrane）分离技术最早可追溯到1854年，英国人Graham发明了透析现象开始。透析法是基于膜两侧的溶质浓度差，以扩散现象作为分离的驱动力，因而分离速度较慢。选用孔径小的滤材，就有可能分离小于通常粒子的胶质和蛋白质之类的微小物体。这种分离方法最初由Schmidt在1861年报道，称之为超滤（utrafliration）。反渗透（reverseosmosis）法最早作为海水淡化技术之一，1953年由佛罗里达大学Reid提出。1960年Loeb和Sourirajan发明了以醋酸纤维素为素材的非对称膜（反渗透膜）制造法，使反渗透技术得到了快速的发展。进入20世纪70年代，随着各种麽材料及膜组件的相继开发，膜分离技术开始走向工业化，并涉及各个领域。食品工业的膜分离技术最初用于糖和牛乳的浓缩以及啤酒的无菌过滤，后来较多应用于橙汁和苹果汁的浓缩，膜分离法浓缩苹果汁已形成工业大规模生产，不少国家已建成反渗透浓缩果汁（或番茄）生产线、果汁超滤生产线或葡萄酒、啤酒超滤生产线。二．膜分离机理给溶液施加大于溶液渗透压的压力，使溶液中的水反向移动而被除去，简称反渗透。超滤的分离机理一般认为是筛孔分离过程，即选择膜的孔径，使水及小分子物质可透过膜，大分子物质被截留，从而达到澄清或浓缩的目的，故又成为高分子化合物的选择性过滤。反渗透法和超滤法简单的可以认为是依靠具有离子水平或分子水平的膜而进行的过滤。超滤膜孔径一般在5-12nm之间，蛋白质等大分子不能通过，糖、离子、氨基酸等小分子可以通过。20世纪80年代出现纳滤膜，弥补了反渗透和超滤之间的空白。其膜的截留相对分子量界限为200-1000，相对应的膜孔径为1-3nm。纳滤膜可以截留糖类等低分子质量有机物和高价无机盐（如MgSO4等），但对单价无机盐的截留率仅为10-80%，即具有相当大的透过能力，因而膜两侧因离子浓度不同造成的渗透压远远低于反渗透膜。纳滤膜独特的分离性能，决定了它的应用范围，即适用于对单价盐分离的截留率要求不高、需对不同价态离子进行分离或对高分子有机物与低分子有机物进行分离时等几种情况下的物质分离。三.膜分离技术在食品加工中的应用（一）功能性低聚糖的分离纯化大豆低聚糖是大豆中所含寡糖类化合物的总称，主要成分为水苏糖、棉籽糖和蔗糖，是从大豆乳清中分离提取的。大豆乳清液中含有大量的残留蛋白会影响浓缩，并与糖类发生美拉德反应而使得大豆低聚糖浆色黑味苦，质量极差。通过超滤去除残留蛋白、反渗透除盐、纳滤精制分离低聚糖的分批操作，可将废液浓度从10%浓缩到22%。（二）对茶汁的过滤澄清茶提取液中含有蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质和茶多酚类及其氧化产物，容易产生浑浊和沉淀现象。消除浑浊和沉淀是茶饮料生产中的关键技术之一，传统的工艺技术是采用低温沉淀后离心去除，或采用添加碱性物质、酶、吸附剂等方法进行转溶或吸附去除，不仅损失了茶汁中的许多有效成分，而且造成风味的严重损失。而采用UF技术可有效去除茶汁中的大部分蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质，而茶多酚、氨基酸、儿茶素、咖啡碱含量损失较少，而且醇不溶性物质可以去除38-70%，澄清效果明显。第四节超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术（supercriticalfluidextraction,SFE）是用超临界流体作为萃取溶剂，利用其特殊的物理化学性质对混合物进行萃取分离的一种高新技术。该现象的发现和研究已有一个多世纪的历史，但应用于食品领域还是近30年的事。一．超临界流体的性质及超临界流体

萃取的特点（一）超临界流体的特有性质进行超临界流体萃取时，对超临界流体的要求首先是具有良好的溶解性，其次是具有良好的选择性。选择超临界流体的基本原则有两条：①工艺操作温度与超临界流体的临界温度接近；②超临界流体的化学性质与待萃取成分的化学性质相似。符合上述原则，一般会取得较好的分离效果。目前常用的超临界流体有乙烷、乙烯、丙烷、亚氧化氮气（笑气）、二氧化碳等。其中因二氧化碳具有以下5个特点而被作为利用最多的超临界流体。1.临界温度在31.1℃、临界压力7.3MPa，具有处于容易操作位置的临界点。2.为不活性气体，无臭、无味、无毒、无引火性和化学反应性，对人体无害。3.容易得到高纯度的流体，来源广泛，价格便宜，且能循