超高压杀菌工艺的应用

超高压杀菌工艺的应用

随着经济的发展和人们生活水平的提高，天然和不含香料的新鲜食品开始受到欢迎。由于传统热杀菌技术在杀死微生物的同时,也对食品的风味、色泽、质构及营养成分产生显著影响,因此非热力加工技术作为替代传统热加工技术的手段之一得到了人们的普遍重视。目前研究较多的非热力加工技术主要有超高压、脉冲电场、离子辐照、高压电孤放电、低压电流脉冲、振荡磁场、高密度二氧化碳。其中超高压(ultra-highpressureprocessing,UHP)技术多指利用超高压(100~1000MPa)杀死食品中微生物(腐败菌、致病菌与产毒菌)的一种灭菌技术,是目前研究最多、商业化程度最高的非热力加工技术。1涂膜保鲜系统微生物细胞由细胞壁、细胞膜、细胞质及细胞核组成,各部分结构通过协调运作维持细胞正常的形态和功能,保证细菌新陈代谢以及生长繁殖能够顺利进行。细胞膜将细胞内的组分与周围环境分隔开,不仅负责细胞内外的物质运输,还是细菌有氧代谢的场所。超高压主要通过两种途径导致微生物细胞失活。1.1改变肠膜明一、五超高压处理可破坏细胞膜结构,导致细胞膜通透性发生变化,进而使得细胞质流失,导致微生物死亡。超高压处理(345MPa、5min、5℃)可以改变肠膜明串珠菌(L.mesenteroides)细胞壁结构以及细胞膜的通透性,从而降低细胞膜两侧的电位梯度,导致细菌无法合成ATP,进而激活细胞内的自溶酶使细胞壁发生降解。Gaenzle等利用荧光染色技术对超高压引起的大肠杆菌膜破裂现像进行了研究,发现可逆的细胞膜破损发生的速度较快,与压力大小关系密切,而不可逆的膜损伤则与处理时间长短有关。1.2超高压处理对高压处理表面活性剂的初步电泳图谱Ritz等研究了鼠伤寒沙门氏菌(S.typhimurium)细胞膜在超高压作用下的性状变化。电泳图谱显示未经超高压处理的外层细胞膜蛋白含有3种主要蛋白和12种次要蛋白,但经过超高压处理的外层细胞膜蛋白只能观察到2种次要蛋白。据此笔者认为超高压对膜蛋白有破坏作用,而且提出研究不同条件下(pH值、aw)细胞膜蛋白对压力的稳定性有助于进一步推广超高压灭菌技术。2对超高压灭菌效果的模拟超高压技术起源于化工领域,当这项技术应用于食品工业时,需要有一套可行的行业标准。但是,这种所谓的标准并不存在。Hoogland等建议超高压灭菌时预先将原料加热至60~90℃,再利用绝热加压时迅速升高的温度及高压对细胞的破坏作用使原料中的细菌、孢子及酶蛋白失去活性,但这方面的研究工作还远远不够。为此,国际食品微生物标准鉴定委员会(ICMSF)提出基于“食品安全目标”(foodsafetyobjectives)概念的“等效性”原则,试图建立起不同食品加工工艺之间的可比性。“等效性”原则认为所有能够使食品的安全风险降低到一定程度以下的加工方法都是可接受的。这一原则为超高压灭菌技术及其他新型灭菌技术在食品工业中的推广应用奠定了理论基础。超高压灭菌过程中的动力学数据以及由此得到的数学模型可用于比较不同的工艺条件对食品中微生物的灭活效果。值得注意是,微生物经过亚致死条件的超高压处理后可能会重新恢复活性,后期检测所使用的培养条件不同,结果可能也会存在差异,从而最终影响超高压灭菌效果的评价及模型建立。Balasubramaniam等认为研究超高压设备及样品的传热性质非常重要:不同的研究人员因为所使用的超高压设备不同,而且在文献中往往缺乏对各自设备传热性质的研究以及对实验方法的细致描述,使得他们的研究成果不能得到很好地交流。Balasubramaniam等还列举出了一些从事超高压研究时可能会遇到的问题,并建议在超高压灭菌的研究文献中对设备传热性质、样品处理过程、样品性质及样品包装材料、微生物培养等方面进行详细描述,希望在不限制创新的基础上能够使超高压灭菌的研究方法标准化。关于食品超高压处理过程中的热效应问题,Balasubramanian等、王标诗等己有详细的论述,在此不再赘述。大多数微生物在高温灭菌时的死亡规律遵循一级反应动力学,曲线在半对数坐标中大部分呈直线。超高压灭菌动力学曲线大多数情况下并不符合一级反应的规律,无论是食品原料中天然存在的微生物还是专门接种到物料中的微生物,其超高压灭菌曲线的开始阶段均为“肩形”,表明在开始阶段有一定的滞后;后期总有“拖尾”现象出现,显示出少量耐压菌群的存在。这种滞后和拖尾现象可能是由于超高压处理后、微生物检测前这一段时间过长造成的,也可能是因为设备内部有残留细菌、或者物料中原先存在的芽孢在超高压处理过程中萌发;有时灭菌曲线末端会呈现近似水平的状态,表明在此压力下延长加压时间,对残存活菌的杀灭效果很弱。log-logistic模型、修正的Gompertz模型、Baranyi模型、Weibull模型都被用于解释热杀菌实验结果。其中,Weibull模型曾成功地解释了枯草芽孢杆菌(B.subtilis)及肉毒梭状芽孢杆菌(C.botulinum)的热杀菌结果。Chen等发现log-logistic模型及Weibull模型能够比线性模型以及修正的Gompertz模型更好地解释超高压灭菌的实验结果。Koseki等运用Ratkowsky等提出的平方根模型成功地预测了大肠杆菌(E.coli)的超高压灭菌动力学数据,他还认为该模型可进一步扩展,将影响灭菌结果的其他因素——温度、pH值、aw、样品营养组成等考虑在内。下面总结几个超高压灭菌文献中涉及较多的模型。2.1微生物耐压性参数一级动力学模型假定所有的细菌细胞或孢子对致死因素的抵抗力相同,细菌的死亡依赖于致死条件施加在其细胞上的概率,此时处理时间与存活菌数的对数值呈线性关系。一级动力学方程可表示为式中:N为微生物的残存活菌数(个/ml或个/g);N0为微生物的初始活菌数(个/ml或个/g);k为死亡速率常数(1/min);t为超高压处理时间(min)。类似于热杀菌时的微生物耐热性参数,微生物的耐压性参数也可以用D值、Z值等表示。D值定义为某一压力下,微生物的活菌数每减少90%所需的时间(min),又称为指数减菌时间(decimalreductiontime)。D值和k值的关系是D=2.303/k。Z值定义为微生物的D值每减少至原来的1/10(减少一个数量级)所需提高的压力值(MPa),是衡量压力变化时影响微生物死亡速率的一个参数。2.2俄罗斯排汗行为的模型Weibull模型提出致死作用以一定的概率施加在细菌或孢子上,并假设样品中细菌或孢子对致死因素的抵抗力不同[25,26,27,28,29,30]。尽管有人根据以上这些假设也提出其他一些模型,但Weibull模型还是因为其简洁、灵活的特点得到广泛认同。Weibull模型曾成功解释了蜡状芽孢杆菌(B.cereus)、短小芽孢杆菌杆菌(B.pumilus)、肉毒梭状芽孢杆菌(C.botulinum)的热杀菌结果,以及单核细胞增生李斯特氏菌(L.monocytogenes)的超高压灭菌结果。Weibull模型表达式为:式中:b和n分别为尺度参数和形状参数。Chen等的研究成果证明log-logistic模型及Weibull模型能够比一级模型更好地解释超高压杀灭小肠结肠炎耶尔森氏菌(Y.enterocolitica)的实验结果,而且Weibull模型更加简洁、易用。2.3y.国际习惯法对不同温度下c.n.生物和n.colio5h值的热灭活效果的影响log-logistic模型由Cole提出,用于描述单核细胞增生李斯特氏菌(L.monocytogenes)的非线性灭活曲线。它假定样品中的细菌对温度的敏感性不同,而且这种差异是永久性的。log-logistic模型还曾用于描述非最适pH值及温度条件下Y.enterocolitica的生长曲线、加热速率对L.monocytogenes灭活效果的影响、C.botulinum的热灭活效果、沙门氏菌(Salmonella)以及E.coliO157:H7在以pH值和NaCl作为控制条件下的热灭活效果。log-logistic模型的表达式为:式中:α为上渐近线[lg(CFU/ml)];ω为下渐近线[lg(CFU/ml)];σ为最大灭活速率[lg(CFU/ml)/lgmin];τ为最高灭活速率处时间的lg值。Chen等对于N0进行了定义,因为t=0时lgt无意义,所以作者使用了一个接近于0的t值(t=10-6min)进行替代,由此得到:所以,Chen等还对该模型进行了简化,令A=ω-α=-14,简化后的模型与完整的模型有着极为相近的拟合度,而且更加容易使用。2.4超高压灭菌动力学模型Ratkowsky等提出的平方根模型最初用于描述温度与微生物生长速率平方根之间的关系,Ross等将其扩展,用以解释温度、pH值、水分活度、乳酸含量对大肠杆菌生长的影响情况。Koseki等创造性地用其描述压力与细菌灭活速率之间的关系,这对简化其他动力学模型有着重要的意义,而且Koseki认为该模型也可以扩展,用于研究原料组成对超高压灭菌效果的影响。Koseki假设所有细菌的超高压灭活曲线都应当符合一级动力学规律,但因为不同“亚群”(sub-population)对压力的敏感性不同,所有“亚群”灭活曲线所表现出的整体结果表现出拖尾现象。Koseki定义:式中:N(t)为t时刻时细菌数量;kmax为最大灭活速率;Nmin为灭菌最后阶段细菌数量;m是描述曲线形状的参数;N0是起始细菌数,表示该式积分后t=0时N(t)的取值;P是压力值;Pmin为理论上灭活细菌的最小压力;b为常数。该模型不仅可以解释超高压灭菌的实验结果,还可以预测动态压力条件下(梯度加压或脉冲加压)微生物的灭活情况,表现出很强的实用性。既使是同一菌种的不同菌株,对压力的敏感性也有很大的差异,而且压缩造成的升温也会对灭菌效果产生影响,所以尽管某些菌株在特定条件下可以表现出一级反应的特征,但正如“滞后”及“拖尾”现像所表现出的那样,一级动力学模型并不适合对超高压灭菌结果进行分析。log-logistic模型以及Weibull模型都可以很好地解释超高压灭菌的实验结果,但它们都不具有预测实验结果的功能。Koseki等建立的平方根模型在考虑加压时间、压力变化等因素后,可用于预测超高压灭菌动力学参数,有着更为广阔的应用前景。Chen等比较其与Fernandez等实验结果之间的差异,提出针对某种食品所建立的模型对于另一种食品可能并不适用,说明目前对于超高压灭菌机理的研究还很不充分,这也在某种程度上限制了动力学研究的发展。对于模型的选择,Baranyi等认为应当使用尽可能简单的数学模型:一个简单的模型不仅便于使用,也能更好地拟合实验结果。尽管多参数模型对数据的拟合度可能会更好,但过多的参数也可能会将实验中的细节性误差放大。2.5模型评价模型建立以后,需要定量地对模型的拟合度进行评价,常见的评价指标有MSE、R2、Af、Bf。2.5.1平均平方误差mseMSE值越小,数据对模型的符合度越高。式中:n为观测次数;p为模型中参数个数。2.5.2r2回归系数R2值越高,模型描述数据的精确性越好。2.5.3精确因子af精确因子,用于评价预测值与观测值之间的偏离度。式中:n为观测次数;Af值越接近1,表明模型拟合度越好。2.5.4偏离因子bf偏差因子,用于表示实测值是大于预测值(Bf>1)或者小于预测值(Bf<1)或者等于预测值(Bf=1);n为观测次数。3关于食品品质的研究传统热加工技术不仅会杀死食品中的微生物,对食品中的营养成分及风味物质也有非常大的破坏作用,破坏程度主要取决于热处理的温度高低及时间长短。人们研究、开发新的食品加工技术,是为了在保证食品安全的前提下,尽可能地改善加工后食品的品质。迄今为止,绝大多数关于超高压对食品品质的研究都是在中等温度条件下进行的,即使如此,这方面的研究还是很少。中低温条件下超高压如何影响食品品质还需进一步研究。关于超高压对果蔬汁品质影响的研究进展,张文佳等、黄琴等已有较为详细的论述,在此只从营养成分、色泽、香气、质构4个方面进行简单介绍。3.1超高压的影响因为高压不会对分子中的共价键产生破坏作用,所以理论上超高压技术可以保持食品的色泽、风味及营养成分,许多研究已经证明超高压对水果及蔬菜中的维生素没有破坏作用或只有轻微的影响。近年来,高压与高温(起始温度>70℃)结合的灭菌技术日益引起人们的重视,该技术对食品中营养成分的破坏作用也成为了一个研究热点。3.1.1超高压处理3.2许多研究人员对超高压状态下VC的稳定性进行了研究,他们发现降低原料中的氧气含量可以明显提高VC的稳定性。原料中的氧气在加压过程中被大量消耗,提高压力或延长处理时间对VC降解速率的影响并不明显,这是因为VC的需氧降解速率比厌氧降解速率要快很多。但是,长时间(6h以上)处于高温、高压条件下(850MPa,65~80℃),VC含量会大量减少,降解规律符合一级动力学方程,增加压力及温度可以提高VC的降解速率。Krebbers等研究发现四季豆经1000MPa超高压非连续处理两次(每次30s,中间间隔30s,0.1MPa)后的VC残留量(76%)高于热处理(90℃,4min)后的VC残留量(10%),说明高压对VC的破坏作用小于高温。VC在高压条件下不稳定,在温度超过65℃时尤为明显,这主要是在绝热加压过程中VC被溶解在原料中的氧气氧化所致。因此,预先减少原料中的氧气含量是减少VC损失的最有效办法。文献中关于VC在高压条件下稳定性的差异,可能是由于原料中氧的初始浓度不一致所致。此外,原料中的糖类可以降低溶解氧的含量,进而在高压处理时对VC起到保护作用,食品中的内源性助氧化剂(金属离子、酶)会加速VC降解。3.1.2高温条件下的超高压处理在食品体系中,超高压对类胡萝卜素的稳定性影响很小,4℃下将超高压处理后的番茄汁保存21d,其中的类胡萝卜素含量保持恒定。在高温条件下对以胡萝卜为原料的产品进行超高压处理(600MPa,75℃,40min),胡萝卜素最多损失5%。因为超高压对原料质构的破坏作用,研究人员发现超高压处理可以提高类胡萝卜素的提取率。例如,600MPa、25℃、10min可使胡萝卜中的类胡萝素提取率提高40%以上,60MPa、30~60℃处理2.5、5、15min,橙汁中的类胡萝卜素提取率提高20%~43%。3.2超高压对不同ph值下番茄汁品质的影响食品的色泽是评价食品品质的重要指标之一,超高压在中等温度下对食品颜色的影响取决于原料。Rodrigo等研究了超高压对不同pH值下的蕃茄汁、草霉汁的影响情况。证明300~700MPa、65℃、60min条件下番茄汁颜色降解动力学与新鲜番茄汁相同,且与番茄汁的pH值无关;超高压对pH2.5的草霉汁颜色影响不显著,但会加快pH3.7、5.0的草霉汁的颜色降解速率。3.3超高压技术加工牡蛎食品在热加工过程中会发生气味的变化,研究人员希望冷加工技术可以减少加工过程中食品香气成分的损失,最大限度地保留其原有风味。鳄梨调味酱是超高压灭菌技术工业化的一个成功案例,500MPa、2min既可以杀死果酱中的微生物,又不会影响其风味。也有人将超高压技术应用于牡蛎加工,250~350MPa、1~3min不仅可以杀死牡蛎中的弧菌,还可以松弛附着在甲壳上的内收肌,使得后续加工变的更为容易,而且新鲜牡蛎的外观及风味也得以保持。Krebbers等利用罗勒研究了超高压灭菌对物料香气成分的破坏情况:新鲜的罗勒样品被预热至超高压处理温度,利用860MPa、75℃及700MPa、85℃处理物料两次,每次30s,中途间隔30s,压力为0.1MPa。因为采用绝热加压技术,第一次加压物料温度最高达到112℃。这两次超高压处理都保留了90%左右的香气成分,而热处理对照组(蒸气热烫20s、75℃预热2h、85℃加热200s、112℃加热120s、20℃冷却120s)却破坏了60%~90%的香气成分。但值得注意的是,超高压处理后的罗勒在材质及颜色上都更接近于热处理后的原料,与新鲜原料相差较大。3.4温度和热处理时间高压及高温会引起细胞壁破裂,从而使得物料结构变得松散、皱缩。但是Leadley等