食品工业中的超高压灭菌技术

　　随着人们生活水平的提高，人们对食品的质量及安全性越来越重视，要求营养、原汁原味、具有更长的货架期和新鲜的口味，防腐剂和其他化学添加剂尽可能少用，利用超高压技术加工食品是一个物理过程，它能顺应这一趋势，被誉为“食品工业的一场革命”，引起了人们的高度重视。利用超高压技术加工食品，有效地克服了传统热加工处理方法带来的种种弊端，较好地保持了物料原有的营养成分，而且加工后的食品口感适宜、色泽鲜艳、保质期较长，而且整个食品加工过程的能量消耗也较传统的加工工艺有着很大程度地降低。

    1.超高压灭菌技术

    超高压灭菌技术的特点：

    超高压杀菌技术是20 世纪90 年代由日本明治屋食品公司首创的杀菌方法，它同加热杀菌一样，经100MPa 以上超高压处理后的食品，可以杀死其中大部分或全部的微生物、钝化酶的活性，从而达到保藏食品的目的，它是一个物理过程，在食品加工过程中主要是利用Le Chace－lier 原理和帕斯卡原理。

    根据帕斯卡原理，在食品杀菌过程中的液体可以瞬间均匀地传递到整个食品，与食品的几何尺寸、形状、体积等无关，食物受压均一，压力传递速度快，而且不存在压力梯度，使得杀菌过程较为简单，能耗也明显降低。

    固态食品和液态食品的处理工艺不同。固态食品如肉、禽、鱼、水果等需装在耐压、无毒、柔韧并能传递压力的软包装内，进行真空密封包装，以避免压力介质混入，然后置于超高压容器中，进行加压处理。处理工艺是升压－保压－卸压三个过程，通常进料、卸料为不连续方式生产。液态食品如果汁、奶、饮料、酒等，一方面可像固态食品一样用容器由压力介质从外围加压处理，也可以直接以被加工食品取代水作为压力介质，但密封性要求严格，处理工艺为升压－动态保压－卸压三个过程，用第二种方法可进行连续方式生产。

    食品超高压灭菌原理：我们知道微生物的热力致死是由于细胞膜结构变化（损伤），酶的失活，蛋白质的变性，DNA 直接或间接的损伤等主要原因引起的。而超高压能破坏氢键之类弱的结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活；还能使菌体内成分产生泄漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤。

    食品超高压杀菌，即将食品物料以及某种方式包装好之后，放入液体介质中，在100－1000MPa 压力下作用一段时间，使之达到灭菌要求。极高的静压会影响细胞的形态。高压对细胞膜、细胞壁都有影响。在压力作用下，细胞膜磷脂双分子层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。压力引起的细胞膜功能劣化将导致氨基酸摄取受抑制。

    食物主要是由蛋白质、淀粉、脂质、核酸、水等分子组成的立体结构。在高压下，食物中的小分子（如水分子）之间的距离要缩小，而蛋白质等大分子物质仍保持球状，这时水分子等小分子就要产生渗透和填充效果，进入并黏附在蛋白质等大分子周围，使蛋白质等的食物中的生物大分子链在加工压力下，由超高压降为常压后被拉长，从而导致其部分或全部结构被破坏，这样便改变了蛋白质的性质（简称“变性”）。超高压同样能导致酶的全部或部分结构被破坏，这样便使酶失去活性（简称“失活”）。

    微生物也是由蛋白质组成的，由于在高压下蛋白质变性，致使微生物内部组织破坏而死亡；另外，在高压下，食品中某些物质的分子会穿透组成微生物的细胞膜，可致使微生物的细胞膜遭受损坏，甚至被破坏，因此，这就可以达到灭菌消毒的目的（简称为“灭菌”）。

    2.食品工业中的超高压技术

    在全球范围内，食品的安全问题日益突出，消费者要求营养、天然高质量、无化学防腐剂的食品的呼声很高，超高压食品加工技术正是在这一形势下发展起来的，它不仅能保证食品在微生物方面的安全，而且能较好地保持食品固有的营养品质、风味、色泽、新鲜程度。

    超高压技术处理食品的特点：超高压技术的一个独特的性质是它只作用于食品成分的非共价键，从而保证共价键的完好无损，这在保持食品原有品质方面是非常有益的。利用超高压加工食品达到灭菌并保持原有营养成分的方法，在国际上受到了学术界的关注。

    超高压对食品成分的保持有重要的作用，能够改变食品的凝固点、熔点、浓度等物理性质和改善食品的组成状态以及结构属性等。水在超高压下被压缩，而受压介质中的蛋白质、淀粉等物质也被压缩，即在高压下形成生物体结构的氢键结合、离子键结合以及疏水键等非共价键结合发生变化，导致酶失活、微生物被杀死；同样，食物中的微生物及香气等低分子化合物也具有共价键结合，在高压下不发生变化。超高压加工食品的特点大致可以概括为以下几个方面：具有冷杀菌的作用；保持食品的营养价值；形成食品特有的色泽和风味；具有速冻及不冻冷藏效果；延长食品的保质期；改善生物多聚体的结构，调节食品质构；简化食品加工工艺，节约能源；原料的利用率高，无“三废”污染。

    超高压灭菌与传统灭菌技术的比较：在当今的食品加工领域，虽然热加工技术是食品加工的核心技术之一，是一种自古以来根据经验而确定的加工技术，特别是近130 多年的研究和发展，已经确立了雄厚的科学理论基础和成熟的加工技术基础。当前的食品加工、食品卫生法规、食品加工设备设计都是以热处理技术为基础的，但是食品在进行热处理时由于受到高温的影响会产生许多缺陷，归结起来主要有以下几个方面：

    加热处理使食品化学成分发生重大变化，甚至产生有害成分；加热处理破坏食品原有天然风味和颜色，甚至产生异味；加热处理严重损害食品的营养价值，造成食物资源的浪费；热处理所带来的高能耗和环境污染问题与传统的热加工技术相比，超高压具有如下优点：

    超高压加工可以在保持食品原有风味条件下杀菌，这种食品可再经简单加热后食用，从而扩大半调理食品的用途；压力加工可以使食品加工过程多样化，能开发各种新食品及工艺；超高压的处理过程是一个纯物理的过程，它对食品中的风味、色素等各种小分子物质的天然结构及水解物质均无影响，加压既可以达到杀菌的目的，又能保持原有的新鲜风味；超高压能实现速冻的效果；经超高压处理的食品无“回生”现象，杀菌效果良好，便于长期保存；超高压能瞬间以同样大小向各个方向传递，瞬间传递到食品的中心，节约能源；超高压食品的加工过程是一个纯物理过程，瞬间加压、作用均匀、操作安全、耗能低。

    高压与传统的化学处理食品（即添加防腐剂）比较，优点在于：一、不需向食品中加入化学物质，克服了化学试剂与微生物细胞内物质作用生成的产物对人体产生的不良影响，也避免了食物中残留的化学试剂对人体的负面作用，保证了食用的安全。二、化学试剂使用频繁，会使菌体产生抗性，杀菌效果减弱，而超高压灭菌为一次性杀菌，对菌体作用效果明显。三、超高压杀菌条件易于控制，外界环境的影响较小，而化学试剂杀菌易受水分、温度、pH 值、有机环境等的影响，作用效果变化幅度较大。四、超高压杀菌能更好地保持食品的自然风味，甚至改善食品的高分子物质的结构，如作用于肉类和水产品，提高了肉制品的嫩度和风味；作用于原料乳，有利于干酪的成熟和干酪的最终风味，还可使干酪的产量增加，而化学试剂没有这种作用。

    综上所述，高压技术在杀菌方面的优点是无化学添加剂；压力作用迅速均匀；在常温或低温下进行，口味和风味得以保持；营养损失小，工艺简化，节约能源，无“三废”污染。

    3.超高压灭菌技术的应用

    1991 年4 月世界上第一号高压食品──果酱（七个风味系列）问世，并在日本取得良好的试售效果，引起了整个日本国内的轰动，被人们誉为21 世纪食品，食品超高压处理技术也被称为“食品工业的一场革命”，可被应用于所有含液体成分的固态和液态食品，如水果、蔬菜、奶制品等。日本、美国的一些果汁饮料厂家已经开始利用这项新技术。下面是超高压技术在食品加工中的应用实例：

    超高压技术在果蔬产品加工中的应用：超高压技术在食品工业中最成功的应用就是果蔬产品的加工，主要用于该类产品的杀菌作用。日本、美国的一些果汁饮料厂家已经开始利用这种新技术。经过高压处理的果汁可达到商业无菌状态，处理后果汁的风味、组成成分都没有发生改变，在室温下可以保持数月。

    食品的品质和风味改良与新产品开发：根据高压能改变食品物料的某些物性的原理，进行葡萄柚汁的去苦、增加蛋白质食品的凝胶特性与气泡性等功能，可使肉类变得松软可口；高压还可以使食品中的有害蛋白质、一些酶和毒素失活，保持食品安全性，食品营养价值不变。高压技术已经应用于：处理柑橘苦味和热臭味、处理淀粉的糊化、产生新的质构、处理胡萝卜、处理大蒜、肉的嫩化以及制抗过敏奶粉等。

    控制酶反应和灭酶：对酶的影响不同于对微生物的影响，除了使酶失活外，还可以使某些在常压下受抑制的酶激活，从而提高酶的活性，其中有些对产品是有利的。高压也可以加快某些在常压下反应缓慢或不发生的反应，现在较为成功的是果汁和生酒等在保藏期控制酶发生的浑浊和品质恶化。

    高压速冻和不冻冷藏：高压速冻可有效的提高冻结速度，缩短冷冻时间，从而产生尽可能小的冰晶，避免冰晶组织产生不可逆破坏和变性。高压解冻可以被认为是高压冻结的逆过程，通过高压使食品中的冰晶融化，然后再提高融化的温度，使食品的温度达到常压时的冻结点之上，完成解冻过程。高压解冻比常压解冻时间缩短1／3，汁液流失少，色泽鲜艳度稍有增加。

    在肉制品加工方面的应用：肉类等经过高压处理能杀灭肉类中的细菌，包括大肠杆菌、绿脓菌、沙门氏菌、葡萄球菌、肠菌等，不损坏维生素等营养成分及风味，改善肉组织。

    在鱼制品方面的应用：日本大洋渔业公司研究所采用超高压技术生产鱼糕，在杀菌后其口感、风味都比较理想，弹性增加。同时，超高压技术也用在制作鱼酱中，其产品的感观评价优于普通鱼酱。

    在乳制品方面的应用：目前，超高压在乳制品中的应用主要集中在对干酪的影响和酸乳的影响。

    在烹调方面的应用：把加压后的玉米用水煮，具有米香味，此外，陈米经过超高压处理，煮出来的米饭与新米一样可口：HAYASHIRIKIMARU 等研究高压处理鸡蛋；德国M N Eestiaghi 等用高压处理马铃薯。

    应用于保健品的加工：采用超高压技术可以大大缩短营养成分的提取时间，保健食品一般含有较高的热敏性营养保健成分，同一种功能性保健食品，用超高压技术进行加工，比热加工营养成分提高30%左右。

    由于超高压是基于对食品主成分水的压缩效果，它是利用帕斯卡定律，因此对于不适合这一定律的干燥食品、粉状或粒状食品，不能采用超高压处理技术；由于超高压下食物的体积会缩小，故只能用软材料包装；一些产芽孢的细菌，特别是低酸性食品中的肉毒梭菌，需要的压力更高；超高压设备造价高。