超高压技术在食品工业中的应用

超高压技术在食品工业中的应用

1超高压食品的定义随着社会的进步，人们对食品的消费理念发生了变化，种类丰富、安全、口感简单的食品更受喜爱。传统的食品加工技术无法满足需求。为了较好地保持食品固有的营养品质、质构、风味、色泽、新鲜程度,超高压技术应运而生,被誉为“当前七大科技热点”、“21世纪十大尖端科技”、“食品工业的一场革命”、“当今世界十大尖端科技”等。美国已将超高压食品开发列为21世纪食品加工、包装的主要研究项目。在我国,超高压技术在食品工业的应用尚处于起步阶段。1.1超声技术基本原理超高压技术,可简称高压技术或静水压技术,常以水或其他不可压缩的流体介质作为传递压力的媒介物,在静高压(一般不小于100MPa,常用的范围是100～1000MPa)和一定的温度下加工适当的时间,引起食品成分非共价键(氢键、离子键和疏水键等)的破坏或形成,使食品中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质分别失活、变性和糊化,并杀死食品中的微生物,从而达到食品灭菌、保藏和加工的目的。超高压技术基本原理是帕斯卡定律和LeChatelier原理2。帕斯卡定律是利用超高压对液体的压缩作用,即加在液体上的压力可以瞬时以同样大小传到系统的各个部分。因此,干燥食品、粉状食品或粒状食品不宜采用超高压处理。1.2国外高压食品的研究力度越来越超高压食品加工技术始于19世纪末,首先应用于食品杀菌。1895年,Royer进行了超高压处理杀死细菌的研究;1899年,美国化学家BertHite发现,牛奶、果蔬和饮料中的微生物对压力敏感,并证明高压处理能延长食品的货架期13。超高压技术虽然出现了100多年,但在很长时间内没有被实际应用。直到1986年,日本京都大学林立丸教授提出超高压技术在食品工业中的应用,才使其成为一种可行的商业加工手段,并于1990年生产出世界第一个高压食品——果酱15。随后又生产出果冻、水果汁和酸乳酪等22。除日本外,美国、巴西、韩国和欧洲的许多国家都先后对高压食品加工原理、方法和技术细节及应用前景进行了广泛深入的研究,同时开始向市场提供高压食品。我国学者也注意到国外超高压技术的发展并开展了食品高压技术的研究。2003年“超高压低温灭菌工艺和设备”被列入国家863计划。1.3超声波技术在食品加工中的作用1.3.1延长食品保水性具有冷杀菌作用,可较大程度地提高食品的食用安全性;可延长食品的保质期,满足食品的工业化生产;可抑制酶的活性,控制酶反应的程度;可改变水的固液平衡点,用于食品的冰点下解冻和急速冻结。1.3.2对食品品质的影响可保持食品的原有色泽和风味,对色素等小分子物质的天然结构及水解产物均无影响,使美拉德反应速度减缓,多酚反应速度加快,很大程度上改变食品的口感及感官特性7;可最大限度地保存食品的营养成分,由于超高压技术在中低温条件下使用,食品中的维生素,蛋白质,脂肪能最大限度地保留下来,并且容易被人体消化吸收;以改变食品大分子功能特性为目的。超高压可使蛋白质变性、脂肪凝固、淀粉糊化,满足不同加工需要。1.4高压处理超高压食品加工具有自身的特点,表1是超高压法与加热法的比较。超高压处理是一个纯物理过程,是液体介质的瞬间压缩,耗能低,加工强度均匀,环境污染少,操作时间短且安全,食品的表面和内部性质没有变化,只是水和冰的平衡点发生了变化15,可保持食物的天然性状不变。2超声技术在食品加工中的应用2.1食品在高温处理前后的品质变化超高压技术在食品加工中最成功的应用是果蔬产品的杀菌。传统的热力杀菌方式,在保障食品微生物安全、延长货架期等方面发挥了巨大的作用,但热敏性食品在高温处理后风味、色泽受到很大的影响199,功能性及营养成分等受到破坏,经过热加工的新鲜产品失去了其原有的新鲜度,甚至还产生异味,与人们对食品的健康要素与最少加工的要求不相符合。2.1.1超高压处理的草莓酱主要影响了果蔬维生素c、a、b、b、b、b、b、b、b、b、b、e和生物量对黄莓酱的影响,有Butz等233研究了超高压对部分果蔬产品中的抗诱变物质、抗氧化物质、抗坏血酸、类胡萝卜素等的影响,通常情况下超高压不会引起风味物质的丢失。马永昆458报道,果蔬维生素C、A、B1、B2、E和叶酸不受压力的影响,超高压处理的草莓酱能保留95%的维生素C,是热力加工草莓酱的1.7倍。然而在果汁加工中,果汁浓度越高,超高压杀菌效果越差12,故对浓缩果汁的加压杀菌效果不够理想。2.1.2超高压杀菌处理超高压杀菌过程复杂,受微生物种类、压力、加压时间、温度、环境等影响。一般而言,压力越高,时间越长,杀菌效果越好。但相同压力下延长施压时间,并不都能提高杀菌效果。大多数生物在100MPa以上受压即死亡;300～400MPa的压力,可杀灭细菌、酵母菌、霉菌;病毒在稍低的压力下即失活;寄生虫的杀灭只要低压处理;杀灭芽孢需要较高的压力。潘见等33,30对草莓汁、梨汁进行超高压杀菌研究。在29℃,草莓汁中大肠菌群、霉菌和酵母菌在压力为350MPa,分别保压3min、10min即可全部杀灭;耐压菌在压力为500MPa,经保压15min,菌群总数可降至30cfumL-1。梨汁在压力为400MPa时,可杀灭所有的大肠菌群,霉菌和酵母菌存活量为10cfumL-1;在500MPa,保压时间为10min,菌落总数为50cfumL-1,均达到了国家食品卫生标准。也有研究342表明,适宜的高压处理对果蔬汁中的沙门氏菌、李斯特菌、隐孢子虫等病原微生物均有较强的杀灭作用。目前国外已有超高压加工果酱、果蔬汁等产品上市。2.1.3超高压处理对酶蛋白的影响果汁中含有的过氧化物酶导致褐变,影响产品的外观、口感和风味,热处理或添加抑制酶活性的化学添加剂会导致营养成分的损失或影响风味。超高压处理通过改变酶蛋白的构象,即破坏维持酶空间结构的盐键、氢键、疏水键等抑制酶的活性199,196。曾庆梅等201研究表明,梨汁在50℃、保压10min、pH5、500MPa时酶的活性下降75%。2.2超高压技术在蛋白质产品加工中的应用2.2.1液体蛋的保存期热处理会导致禽蛋营养的损失。各国对液体蛋的热处理采取了限制,美国、中国分别为60℃保持3.5min,63℃保持2.5min。热处理的液体蛋,在2℃和9℃下的保存期分别只有12d和15d。李志义96报道,Ponce等在液体蛋中加入5mgL-1乳链菌肽进行超高压灭菌,经450MPa、20℃、15min的处理,在4℃下存放一个月,仍未检测到大肠杆菌。2.2.2超高压对大豆溶解率的影响热处理会使大豆分离蛋白变性200。李汴生等28以大豆分离蛋白为研究对象,发现高压处理能改善大豆分离蛋白的溶解性和粘弹性。100～400MPa的处理可使蛋白质分子产生解聚,而400MPa的作用效果最明显。400MPa处理15min可使其溶解率提高到46.2%。随着大豆分离蛋白浓度的降低,超高压对溶解度的影响更明显24。李汴生等14采用超高压对豆浆凝胶特性的影响进行研究。豆浆经大于200MPa的超高压处理,点浆加热后出现凝结时间变长,形成的豆腐持水性随处理压力的提高而升高,豆腐变得细腻,得率提高,这可能是因为超高压作用使豆浆中蛋白质发生解聚和伸展,暴露了内部的-SH基团并促进二硫键的形成或交换,有利于豆浆中蛋白质形成较致密的网状结构。2.3超高压技术在食品加工中的应用乳制品含有丰富的营养,但在饮用前必须杀菌。传统的热力杀菌虽然也能保证饮用安全,但是会破坏其营养成分。2.3.1细菌致病性测定王蕊51报道,生鲜牛奶在14℃、430MPa下施压15min,能杀死细菌总数的99.5%,残存活菌数小于2×103cfumL-1,低于我国消毒牛奶卫生标准一个数量级;牛奶中大肠杆菌在20℃、100MPa施压5min,死亡率达70%以上。美国乔治亚州大学Toledo教授使用双缸杀菌器处理的高压牛奶可以4个月保持新鲜45。2.3.2超高压处理对乳液杀菌及酸乳酸乳品质的影响超高压处理使酪蛋白胶粒直径变小,乳蛋白表面暴露的疏水性基团增加,引起乳清蛋白变性,使其进入凝块,从而使干酪产量增加,尤其是使其保水性增强。超高压处理对脱脂牛乳杀菌作用明显,杀菌效应在压力撤除后仍存在,并且超离心沉淀物水化度增大,黏度增加,最佳压力-时间组合是420MPa-10min215。利用超高压还可以大大加速奶油中脂肪的结晶速度和提高酸乳产品的质量223。超高压处理乳品也存在一些副作用31,高压处理使牛乳分散光的能力下降,使牛乳的透明度上升,在脱脂乳中最为明显,但对均匀度好的全乳无亮度影响。2.4肉的保鲜处理肉制品在包装后利用超高压处理,可防止产品的二次污染,改善肉的嫩度,保持肉制品原有的风味、成分、营养价值和色泽,杀死肉制品中常见的酵母菌、大肠杆菌等,达到商业无菌的要求31。2.4.1组织状态观察对廉价质粗的牛肉进行常温250MPa处理,可嫩化牛肉。鸡肉、鱼肉经300MPa、10min处理,可得到类似于轻微烹饪的组织状态61。目前,日本、欧洲、韩国等国采用超高压处理食品,日本高压处理的牛肉肉质鲜嫩并富有弹性,出口欧美很受欢迎249。2.4.2提高肉制品的保水性超高压处理由于使分子间距增大和极性区域暴露,使肉品的保水性提高,改善了肉制品的出品率。雀巢公司研究表明,用2000MPa高压处理猪的臀腿肉,再用盐水注射,可将肉的出品率提高0.7%～1.2%249。2.4.3解冻猪肉1超高压使水的冰点明显下降,例如,200MPa水在-20℃仍是液态,从而可在低温下保持食品的原有状态,通过加压也能把肉制品在短时间内解冻129。2.4.4凝胶的形成机理火腿和香肠的弹性及持水性主要是由盐溶性蛋白质加热后产生的凝胶形成的。在含盐量低于2%时,不易形成凝胶状,使用高压处理可以获得含盐量低于2%,凝胶性良好的低盐肉制品39。2.5超高压技术在其他食品加工中的应用2.5.1冷冻损伤的产生蔬菜、水果、豆腐、魔芋、琼脂凝胶等水分含量多的食品在常压下冻结时,会产生冷冻损伤,解冻后汁液流失严重。利用超高压可以使水在0℃以下不结冰,把此种状态下不结冰的食品迅速解除压力,可对食品实现速冻,所形成的冰晶体也很细微。2.5.2超高压处理水产品的加工较为特殊,要求具有水产品原有的风味、色泽、良好的口感与质地。常用的热处理、干制处理均不能满足要求。研究表明61,超高压处理可保持水产品原有的新鲜风味。日本大洋渔业公司研究所,将狭鳕鱼糜装入乙烯袋,放入水中,从四周均匀加压到400MPa,保压10min,制成的鱼糕,咀嚼感坚实,破坏强度达1200g,鱼糕弹性比原来产品(加热90℃,保持30min)高出50%232。2.5.3超高压生酒液酵母菌人日本研制了一种浑浊型生酒,把生酒经400MPa处理,将所有酵母菌及其他菌杀死,得到具有生酒风味且能长期保存的超高压生酒。西北农林科技大学采用超高压处理新鲜红葡萄酒,发现超高压处理对葡萄酒有催陈作用。2.5.4茶品质的下降绿茶的传统加工采用瞬间加热杀菌法,导致茶品质的下降。超高压杀菌,较好地保持绿茶特有的爽口、清香风味,有通透的水色,几乎不会使绿茶的品质和功能有任何变化24。2.5.5玉米淀粉糊化法马成林等72采用差热扫描量热法对玉米在不同压力及保压时间下的糊化度进行测试。700MPa,保压2min可使86.8%的玉米淀粉糊化,达到一般食品加工要求;随压力增加,保压时间延长,玉米糊化度提高,保压5min,可使玉米淀粉100%糊化。陈米在20℃吸水润湿后在50～300MPa处理10min,再按常规煮制成饭,其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范围,同时光泽和香气也得到改良,还可缩短煮制时间247。3开发新型食品加工技术,拓展超高压技术领域日本在超高压食品技术的研究和应用方面处于国际领先水平,美国、欧洲等国比较先进,超高压食品技术在我国的研究和应用还处于起步阶段。制约我国食品超高压技术发展的因素有15,17:食品超高压设备投资巨大;超高压技术复杂,涉及工程材料、机械制造、物理、化学、生物等多学科和领域;我国相关的食品法规是采用以热加工为基础的标准参数;食品超高压设备的工作容器较小,批处理量