超高壓殺菌技術研究

摘要摘要：高壓殺菌近些年被廣泛的應用在食物生產加工的過程中，并且取得了一定的成就。它主要采用高壓的方式，將食物類對于人體產生危害的細菌進行殺死，從而更好的保證食品的安全性。超高壓殺菌對于食物生產來說是至關重要的。截止到目前為止，國內外有關的學者對于超高壓殺菌的研究比較匱乏，所以將超高壓殺菌應用在食物生產的過程中缺乏一定的理論上的借鑒。針對于此，對于該課題進行了相關的研究。本文首先對于本文的研究背景和研究意義進行分析，為本文的研究指明了研究的方向。然后再對于超高壓殺菌技術進行概述，分析了超高壓殺菌的作用。然后在進行分析超高壓殺菌在食品工業(yè)上的應用進行分析，在本文的最后闡述了闡述了超高壓殺菌技術在食品工業(yè)中的應用前景。希望本文的研究結果能夠將超高壓殺菌技術更好的在食品工業(yè)上進行應用。關鍵詞：超高壓殺菌；食品生產；殺菌ABSTRACTABSTRACT：Inrecentyears，high-pressuresterilizationhasbeenwidelyusedintheprocessoffoodproductionandprocessing，andhasmadesomeachievements.ItmainlyUSESthehighpressureway，willthefoodkindproducestheharmbacteriumtothehumanbodytocarryonthekilling，thusbetterguaranteesthefoodsafety.Ultrahighpressuresterilizationisessentialforfoodproduction.Uptonow，relatedscholarsathomeandabroadarelackofresearchonultra-highpressuresterilization，sotheapplicationofultra-highpressuresterilizationintheprocessoffoodproductionlackscertaintheoreticalreference.Inviewofthis，relatedresearchiscarriedoutonthissubject.Firstly，thispaperanalyzestheresearchbackgroundandsignificanceofthispaper，andpointsouttheresearchdirectionofthispaper.Thenitsummarizestheultrahighpressuresterilizationtechnologyandanalyzesthefunctionofultrahighpressuresterilization.Thenintheanalysisoftheapplicationofultra-highpressuresterilizationinthefoodindustryforanalysis，inthelastpartofthispaperdescribedtheapplicationofultra-highpressuresterilizationtechnologyinthefoodindustryprospects.Itishopedthattheresearchresultsofthispapercanbeusedinthefoodindustryinabetterway.KEYWORDS:Ultrahighpressuresterilization；Foodproduction；Thesterilization目錄TOC\o"1-3"\h\u1.引言 12.超高壓殺菌技術概述 22.1超高壓殺菌技術 22.2超高壓技術殺菌機理及特點 22.3超高壓殺菌影響因素 32.3.1施壓數(shù)值與恒壓時間 32.3.2介質溫度 32.3.3酸堿環(huán)境 42.3.4微生物類別 43.超高壓殺菌的作用 53.1對微生物的殺滅作用 53.2超高壓技術對食品中酶的作用 54.超高壓殺菌在食品工業(yè)上的應用 74.1超高壓殺菌在果汁飲料生產中的應用 74.2超高壓殺菌技術在水產品保鮮的應用 74.3超高壓殺菌技術在水產品保鮮的應用 85.超高壓殺菌技術在食品工業(yè)中的應用前景 10謝辭 11參考文獻 121.引言食品超高壓殺菌技術這些年被廣泛的應用在食品生產的過程中，通過采用這種技術對于食品進行加工，能夠更好的對一些市民進行處理，減少了細菌對于食品造成的損害，加大了食品的安全性。并且通過這種方式能夠更好的降低化學污染，減少資源的浪費。所以將在食品生產過程中是至關重要的。通過采用這種技術，能夠更好的保證食品的營養(yǎng)成分，減少了食品的營養(yǎng)成分的流失。使得食品的色澤更加鮮艷，保質期將延長，提高了食品的安全性。目前，食品安全性問題日益突出，而消費者要求食品安全、營養(yǎng)、原汁原味?，F(xiàn)在常用的高溫熱力保鮮處理技術，盡管技術設備成熟，卻會導致食品中生物活性物質失活、各種風味和營養(yǎng)物質損失。如在水果中含有多種醇、醛、酸等熱敏性風味和其它熱敏性營養(yǎng)物質，高溫處理則會導致產品分層、色澤暗淡、產生不良氣味，難以讓消費者接受，給希望生產高質量產品的企業(yè)增加了技術難度，甚至無法生產。如何解決強熱敏性食品處理中營養(yǎng)成分損失、色香味變化嚴重等問題，尋找既能殺菌鈍化酶、處理溫度又低的食品保鮮加工方法。截止到目前為止，國內外有關的學者對于超高壓殺菌的研究比較匱乏，所以將超高壓殺菌應用在食物生產的過程中缺乏一定的理論上的借鑒。針對于此，對于該課題進行了相關的研究。希望本文的研究結果能夠將超高壓殺菌技術更好的在食品工業(yè)上進行應用。2.超高壓殺菌技術概述2.1超高壓殺菌技術超高壓殺菌技術簡稱UHP，又稱超高壓技術，高靜壓技術，或高壓食品加工技術。超高壓殺菌技術應用廣泛，已經深入到了我們食品工業(yè)的許多行業(yè)[1]。食品超高壓殺菌技術是以水或其他液體介質為傳遞壓力的媒介物質，加在液體中的壓力（100～1000MPa），通過介質，以壓力作為能量因子，將放在專門密封超高壓容器內的食品，在常溫或者低溫(低于100℃)下對食品加壓，壓力達到數(shù)百兆帕，從而達到殺菌的目的。高壓會影響細胞的形態(tài)，如使液泡破裂，從而使形態(tài)發(fā)生變化，且這種破壞是不可逆的。另外，高壓也會引起食品原料及所含微生物主要酶系的失活。一般情況下，當壓力超過300MPa后，會對蛋白質造成不可逆的變性。超高壓還會破壞細胞膜，通過高壓改變細胞膜的通透性，從而抑制酶的活性和DNA等遺傳物質的復制來實現(xiàn)殺菌[2]。2.2超高壓技術殺菌機理及特點超高壓殺菌是利用高壓產生的極高的靜壓破壞細胞膜中的磷脂分子結果，從而影響細菌細胞膜的流動性及滲透性，改變細胞膜的部分生理功能；改變非共價鍵如氫鍵、離子鍵和疏水鍵等空間結構，導致淀粉變性、蛋白質凝固以及酶失活等，從而達到殺菌的目的[3]。超高壓殺菌過程主要遵循平衡原理和帕斯卡原理。平衡移動原理，在一個化學反應中，當影響反應平衡的一個因素發(fā)生改變時，平衡將向削弱這種改變的方向移動。高壓處理過程中，隨著處理壓力的增大，某些致使平衡系統(tǒng)體積減小的作用將會加強，例如相變、化學反應和分子構象[4]；同時提升壓力有助于氫鍵形成，減小原子之間的間隔距離，并損壞離子鍵與疏水鍵間的相互作用。帕斯卡原理是流體靜力學定律之一，指在不可壓縮的靜止流體中，任何一點承受的壓力增大，增值的壓力都會瞬間傳送到流體的各個點。因此，在超高壓處理過程中，液體壓力能夠瞬間均勻地傳送到整個食品樣品，不存在壓力梯度，避免了熱處理過程導致加熱點和表面局部過熱的現(xiàn)象[5]。超高壓殺菌技術的主要特點:超高壓殺菌利用液體的壓縮過程，不會危害食品的安全性，同時當壓力增加到一定數(shù)值后，可以保持壓力不變，不需要提供更多能量即可滿足殺菌要求，能量消耗少；超高壓殺菌技術又稱非熱殺菌，在殺菌過程中在常溫或較低溫度下進行，相對與常規(guī)巴氏殺菌、超高溫瞬時殺菌，此殺菌方式可以有效保持食品本身的營養(yǎng)成分及風味物質；由于殺菌介質常為液態(tài)，所以殺菌對象的大小、形狀對殺菌效果影響不明顯，且操作簡便，易實現(xiàn)工業(yè)化生產對接；超高壓殺菌技術具有廣闊的應用前景，在食品領域具有獨特的發(fā)展優(yōu)勢[6]。2.3超高壓殺菌影響因素2.3.1施壓數(shù)值與恒壓時間殺菌效果與施壓數(shù)值及恒壓時間在一定范圍內呈正相關。研究發(fā)現(xiàn)，壓力600MPa時，牛奶中細菌殘留總數(shù)隨著保壓時間的延長而逐漸減少。殺菌壓力達到300MPa時，細菌、霉菌、酵母菌能夠被完全殺死，病毒在較低的氣壓下即會失去活性。非芽抱類微生物在壓力300-600MPa范圍時可能全部死亡。但對于芽抱類微生物，殺菌壓力在300MPa以下有助于芽抱發(fā)芽，達到1000MPa時有的依然能夠存活HsinYunHsu等人研究了高壓處理對新鮮草毒漿中大腸埃希氏菌的影響，隨著壓力增大，滅菌效果越好，壓力350MPa、處理5min以上，由8-logCFU/g到6-logCFU/g[7]。H.Calik等研究了超高壓殺菌對牡蝠中副溶血弧菌的滅菌效果，發(fā)現(xiàn)500MPa滅菌30s后，副溶血弧菌存活量從109cfu/mL降至10cfu/mL[8]。2.3.2介質溫度溫度是影響微生物生長代謝的重要環(huán)境因素之一，微生物對其具有極強的敏感性。大量研究表明，高壓處理在低溫或高溫條件下進行時，壓力對微生物的影響程度顯著高于其在常溫下的影響程度。這是因為在較低的溫度下，大多數(shù)微生物由于壓力作用使冰晶析出導致其破裂程度加劇，耐壓程度下降，蛋白質對高壓的敏感性提高，導致此條件下蛋白質更易變性。考慮到低溫高壓處理可以降低對食品中熱敏性物質的破壞，有利于保持食品品質。因此，目前對食品進行高壓處理時主要采用中溫協(xié)同殺菌[9]。2.3.3酸堿環(huán)境在高壓環(huán)境下，樣品酸堿pH數(shù)值是影響微生物生長繁殖的主要因素。每種微生物都有適合生長的pH值范圍，氫離子濃度過高導致微生物菌體表面的蛋白質及核酸發(fā)生水解，引起酶類活性下降。研究發(fā)現(xiàn)，壓力的增大導致介質的pH值發(fā)生改變，適合微生物生長的pH范圍逐漸縮小[10];同時，介質的pH值發(fā)生改變，會引起微生物死亡速率的增大，降低殺菌壓力作用效果或縮短殺菌時間。姜斌等人研究了超高壓對鮮榨果蔬汁的殺菌效果，發(fā)現(xiàn)果蔬汁的pH、殺菌壓力和保壓時間顯著影響殺菌效果，降低鮮榨蘋果汁pH值殺菌效果更為明顯優(yōu)[11]。2.3.4微生物類別每種微生物都有自己的耐壓閡值，耐壓閡值越低說明對壓力敏感性越高。從微生物的種類看，革蘭氏陽性菌的耐壓性高于革蘭氏陰性菌，細菌中革蘭氏陰性菌的耐壓性比酵母菌、霉菌的耐壓性更低;與非芽抱類的細菌相比，芽抱細胞耐壓性更強，尤其是革蘭氏陽性菌中的梭狀芽抱桿菌和芽抱桿菌。這主要是因為酵母菌屬真核生物，具有完整的細胞壁、細胞膜結構;革蘭氏陽性菌細胞壁較厚，肚聚糖含量高，網絡結構緊密，而革蘭氏陰性菌膚聚糖層很薄，高壓作用時細胞壁受到損傷更容易，死亡也更容易，芽抱較營養(yǎng)細胞更耐壓，需要在更高的壓力或者與其他殺菌方式共同作用下才可以殺滅。不同生長時期微生物對壓力的反應不同，一般而言指數(shù)生長期的微生物對壓力反應敏感性高于靜止生長期微生物。JoshuaA.Scheinberg研究發(fā)現(xiàn)，壓力550MPa，處理60s時，沙門菌和大腸桿菌0157:H7的致死級數(shù)分別為6.83和4.45，處理革蘭氏陽性菌時1.28和1.32李氏特菌和金黃色葡萄球菌[12]。3.超高壓殺菌的作用3.1對微生物的殺滅作用HHP殺菌的基本原理是高壓力對微生物的致死或抑制作用，高壓強使微生物的細胞結構遭到破壞、甚至影響遺傳基因的轉錄表達，或者通過改變外界環(huán)境條件(如pH等)，因此影響到微生物原有的生理活動機能，甚至使原有功能破壞或發(fā)生不可逆變化。超高壓還能使菌體內的生物成分外溢和使細胞膜破裂等造成菌體損傷，從而殺滅或者抑制食品中的微生物[13]。目前，超高壓技術作為延長食品貨架期的一種新型滅菌加工技術已被科學家廣泛認可和研究。Plyderat在研究超高壓(600MPa，400C，4min)處理的臍橙汁與巴氏殺菌的臍橙汁比較發(fā)現(xiàn)，超高壓可以有效的提高臍橙汁的貯藏期，150C的條件下貯藏期延長到原來的1.49倍，80C的貯藏條件貯藏期延長到原來的2.12倍。而且超高壓殺菌后的臍橙汁比熱巴氏殺菌的臍橙汁具有更高的原始風昧和更好的感官評價[14]。Lavina等在用400MPa的壓強處理腰果梨汁3min時發(fā)現(xiàn):自然菌群無法檢出，并且在40C的條件下貯藏八周，腰果梨汁中仍未檢測出菌落總數(shù)。日韓科學家Sasagawa等在超高壓處理的韓國泡菜的研究中發(fā)現(xiàn)300MPa，5min即可完全殺滅酵母菌，400MPa，10min殺菌后的泡菜在200動勺環(huán)境下貯藏4周，其菌落總數(shù)小于103CFU/mL。所以超高壓技術對食品在貯藏期間微生物的抑制效果良好[15]。3.2超高壓技術對食品中酶的作用酶的本質主要是具有催化功效的蛋白質，蛋白質的三級結構對酶活性的保持具有關鍵性的作用。超高壓處理會影響維持蛋白質分子三級結構的氫鍵、疏水鍵、離子鍵等次級鍵，使酶活中心的氨基酸構造發(fā)生轉變，很可能造成蛋白的活性結構部位發(fā)生位移，從而使酶的活性發(fā)生變化酶的活性不會隨著超高壓壓強的升高而出現(xiàn)規(guī)律性的升高或者下降，如超高壓對過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)的影響。夏遠景等在研究超高壓對橙汁中過氧化物酶的影響時發(fā)現(xiàn)二在低于200MPa壓力范圍內，過氧化物酶的活性隨著壓強的升高而上升;當超高壓壓力超過200MPa時[16]，酶活隨著壓強的升高而下降。Fang等在研究超高壓對彌胡桃過氧化物酶的影響時發(fā)現(xiàn):在超高壓壓力超過4L10MPa時，對過氧化物酶的鈍化作用隨著壓強的升高而加強，繼續(xù)延長超高壓處理時間，其酶活并沒有發(fā)生顯著變化。超高壓激活酶的原因主要有以下三個方面:（1）超高壓處理使酶的分子構造或構象發(fā)生限制性改變，使酶更有利于與底物分子相接觸，從低活性態(tài)向高活性態(tài)轉變;（2）超高壓處理導致蛋白質分子的部分解離，使酶分子的二級結構部位暴露，從而使活性上升;（3）超高壓處理使酶分子從一個處于抑制態(tài)的復合物中釋放出來，轉變?yōu)榛钚詰B(tài)，即由一種潛在形式的酶轉變?yōu)橐环N具有催化活性的酶分子。4.超高壓殺菌在食品工業(yè)上的應用4.1超高壓殺菌在果汁飲料生產中的應用超高壓殺菌技術最適合于果汁飲料、濃縮果汁和果醬等液體的殺菌。超高壓處理過的果汁，其顏色、風味、營養(yǎng)與未經加壓處理的新鮮果汁幾乎無任何差別。日本專家對柑桔類果汁(PHZ.5-3.7)經過5-10min加壓滅菌，試驗研究結果表明:細菌、酵母菌和霉菌總數(shù)均隨壓力增大而減少，酵母菌和霉菌及無芽抱細菌可以被完全殺死，但仍有棒桿菌、枯草桿菌等能形成耐熱性強的芽抱而有殘留。但如果加壓至6再結合適當?shù)牡蜏丶訜?47-57℃)，則可以達到完全滅菌。超高壓殺菌后的果汁其風味、化學組成成分均沒有發(fā)生變化。微生物檢驗可知，引起酸性(PH<4.0)果汁飲料腐敗變質的主要菌是:酵母菌、霉菌和部分腐敗細菌，而耐熱性強的芽抱菌在此酸性條件下無法生長繁殖，因此采用超高壓殺菌最為合適，在《力Mpa下加壓10而n，PH值在4.0以下的果汁即可達到商業(yè)無菌狀態(tài)，在室溫下放置幾個月甚至一年半而無任何微生物引起的腐敗變質現(xiàn)象。試驗研究表明，超高壓對于濃縮果汁的殺菌效果有降低的現(xiàn)象。超高壓殺菌生產果汁飲料的工藝流程是:果實，榨汁-加人砂糖、果膠-配料混合-罐裝密封-加壓殺菌-成品。4.2超高壓殺菌技術在水產品保鮮的應用生鮮海產品常見的細菌、酵母、霉菌種類有不動細菌、棒桿菌、大腸桿菌、腸道菌、乳酸菌、羅氏隱球酵母、絲孢酵母、青霉菌、出芽短梗菌等。通常來說，生鮮水產品的菌相構成可以在一定程度上反應其所在水域微生物的存在情況。健康生鮮水產品的組織內部是無菌的，微生物通常生存在水產品的外層粘液、魚鰓以及魚體腸內三處。通常來說，淡水魚、溫水魚嗜溫型革蘭氏陽性菌樹立較多，冷水魚中的革蘭氏陰性菌數(shù)量則相對更多。超高的流體靜壓會對細胞的形態(tài)造成一定的影響。0.6MPa的壓力會導致細菌中細胞內的氣體空泡破裂，20~40MPa的壓力會導致細胞的細胞壁破裂，其中的原生質體出現(xiàn)溶解。在超過300MPa的情況下會導致酶失活。一般來說，在水產品保鮮中配合一的輔助太哦啊金在500MPa以下就能夠殺死絕大部分細菌。超高壓技術能夠強力殺滅水產品中的有害微生物，并且抑制會對水產品質量造成影響的霉菌活性，在不添加保鮮劑等添加劑的情況下有效延長水產品的保存時間，并且能完整保持水產品外觀的完整性以及內部的影響成本。在食品安全形勢持續(xù)嚴峻的當代社會，安全營養(yǎng)的水產品不僅僅能夠迎合消費者對水產品食用要求，更加能夠滿足綠色產品的生產要求。雖然當前超高壓技術在水產品保鮮的應用仍然處于初步成熟階段，但是相信在未來的發(fā)展中超高壓技術的應用范圍必將得到拓展，為消費者帶來更加健康、更加安全的食品。4.3超高壓殺菌技術在水產品保鮮的應用低溫肉制品除了用各種腸衣進行包裝外，還必須進行二次包裝。隨著包裝技術的進步，除了常用的真空包裝，還有活性包裝。Church把活性包裝分為脫氧、清除、調濕、抗菌、氣體檢測器、釋放CO2、釋放保存劑(如乙醇發(fā)生器)、釋放芳香物質、去除乙烯、去除腐敗氣味、時間－溫度顯示器及可食性膜等十二類。Begonya等和AnnaJofré等均采用抗菌包裝方式與超高壓處理相結合分別對火腿中的單核增生李斯特菌和沙門氏菌進行抑制。結果都表明，這種結合的處理方式都可以明顯地抑制有害菌，延長火腿的保藏期。在超高壓殺菌處理中，采用間歇式的重復加壓處理，也可提高殺菌效果。Yuste等對Mechanicallyrecoveredpoultrymeat施以兩種不同的高壓處理，一種是在350或450MPa，2℃條件下持續(xù)增加處理15min;另一種方法是這兩種壓力變化處理，進行三次循環(huán)，每次循環(huán)持續(xù)5min。然后在2℃條件下冷藏，并在第1天、第15天、第30天測定細菌總數(shù)。結果表明，第二種處理方法明顯優(yōu)于第一種。這主要是因為快速升壓和降壓可減小微生物的細胞壁、細胞膜、代謝酶和核酸對環(huán)境條件的響應能力，并對它們的損失造成累積，從而降低微生物的適應性。超高壓殺菌技術作為一種新興的冷殺菌技術，最大的優(yōu)點是可以在達到殺菌，延長肉制品貯藏期的同時，能較好地保持肉制品的色、香、味及營養(yǎng)成分，這正好符合了消費者追求的安全、綠色及營養(yǎng)的消費理念。將其應用于低溫肉制品的殺菌及加工，可以解決當前低溫肉制品生產的難點，一方面推動超高壓技術在肉制品的應用，另一方提高低溫肉制品的市場競爭力。但從對低溫肉制品的貯藏保鮮方面講，將超高壓殺菌技術與其他貯藏保鮮技術相結合，發(fā)揮各種技術的優(yōu)勢，揚長避短，這是一種系統(tǒng)技術，還需要大量的試驗研究。5.超高壓殺菌技術在食品工業(yè)中的應用前景目前，國內的食品超高壓技術研究還處于起步階段，注重于食品滅菌、大分子變性等研究，如果蔬汁超高壓滅菌、高壓糊化淀粉等，雖取得一定的研究成果，但還沒有成熟的超高壓滅菌技術可投入食品行業(yè)生產中。根據(jù)國外研究的動態(tài)和我國的實際情況，可以預期食品超高壓加工技術將在以下幾方面取得進展:（1）超高壓技術用于加工我國的特色產品。如我國的肉類、魚類資源很豐富，而其加工與保鮮技術又落后，如果采用超高壓技術加工，將可得到味鮮而保存時間長的食品。其他如各種水果亦可采用此技術加工成新的食品。（2）超高壓技術用于消毒殺菌。超高壓環(huán)境下，蛋白質會發(fā)生變性，利用這一特點，可用于殺菌消毒，這是一種新穎的不用加溫，也不用加殺茵劑的消毒殺茵方法，其優(yōu)點在于完全保留了食品原有的營養(yǎng)、色澤和香味，在醫(yī)學與食品領域均有很大的應用前景。（3）超高壓技術用于提取各種貴重原料。如從植物中提取香精，從竹葉中提取黃田素，從茶葉中提取茶多酚等。由于高壓下分子運動的加劇，可大大加快反應速度，縮短提取時間，對提高產品得率也十分有效。（4）超高壓技術還可應用于食品致密性結構的加工。如可利用超高壓技術對食品進行膨化，或把一些食品進行超高壓處理后，使其質地變得松軟等。（5）超高壓處理的另一個潛在應用是低溫貯藏。在200MPa壓力下，水能被冷至-20℃而不凍結。因此，升高壓力可允許食品在零度以下長期貯存，而避免了因形成冰核而引起的問題。然而，長期保持高壓所需的費用是昂