食品工业中超高压处理技术研究进展

谭属琼，陈厚荣，刘雄

(西南大学食品科学学院，重庆，400715)

食品工业中超高压处理技术研究进展

谭属琼，陈厚荣，刘雄

(西南大学食品科学学院，重庆，400715)

超高压作为一种新兴的食品加工技术是将食品在加压到100 MPa以上的压力，并在常温或较低温度(＜60℃〕下达到杀菌和处理的效果。文中主要阐述了超高压处理技术对食品中微生物、酶、组织结构、色泽、风味和营养成分(主要包括蛋白质、油脂和维生素)的影响;对高压技术在食品中的应用做出了总结，并展望了它在食品加工工业中的发展前景。

食品，超高压，微生物，酶，营养成分

超高压处理技术是利用高压介质(一般为水，压力100～1 000 MPa)的高挤压力作用，在常温或较低温度下作用于物料，达到灭菌、改性和改变物料某些理化反应速度的效果。超高压技术在食品中的应用研究开始于100多年前的1897年，但直到20世纪90年代，人们才又重新开始考虑它在食品加工中的应用价值。1914年美国物理学家Brigment发明了食品超高压处理技术。而日本是最先将高压技术应用到食品工业的国家，世界上第一个高压食品——果酱就是由日本于1991年首先开发出来的。

超高压会改变液态物质某些物理性质，如水加压至200 MPa，其冰点降至－20℃，室温水加至100 MPa体积减少19%，30℃的水快速加至400 MPa时会产生12℃的温升等。超高压也会改变某些生物高分子物质的空间结构，使生物材料发生不可逆变化。如蛋白质、核酸、脂质、淀粉等生物高分子立体结构都会受到破坏，使蛋白质变性、淀粉糊化、酶失活、细菌等微生物被杀死。但在此过程中，高压对蛋白质等高分子物质及维生素、色素、风味物质等低分子化合物的共价键无任何影响，从而使食品保持其原有的营养价值、色泽和风味。

1 超高压处理对食品微生物的影响

大量研究已证明，多数微生物经100 MPa以上加压处理立即死亡，一般细菌、霉菌、酵母菌的营养体在300～400 MPa压力下可被杀死;病毒、寄生虫和其他生物体相近，只要低压处理即可杀死。对细菌而言，其耐压性在稳定期要比对数生长早期强。革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌的耐压性大，这是由于革兰氏阳性菌含有磷壁酸，增加了细胞壁的强度。

超高压对微生物的杀灭效果，与施加的压力大小和作用的时间有关。Milan Houška等［1］研究表明，在5℃下贮存30 d的苹果西兰花汁在500 MPa下处理10 min能够使得在原果汁中超过5个对数期的大肠杆菌、细菌、酵母、霉菌和沙门氏菌灭活，该高压处理的苹果西兰花汁与冷冻的果汁相比存储达能70 d。Gao［2］等研究表明，在牛奶食品模矩中，在压力479 MPa和温度46℃下处理14 min，其结果是不同的，大豆蛋白(P ＜ 0.000 1)，蔗糖(P ＜ 0.000 1)和 pH 值(P=0.000 6)枯草芽孢杆菌的减少有显著的效果。纵伟等在超高压处理对苹果酱质量的影响中，采用不同压力对苹果酱细菌总数进行测定，说明在处理压力≤200 MPa的条件下，对细菌的杀灭能力有限;在400和600 MPa处理时，菌落总数分别为30 CFU/mL和0 CFU/mL，当施加压力达到400 MPa，保压时间10 min，菌落总数可达到国家食品卫生标准。Hote认为需要680 MPa条件下处理7 d才能完全杀死由于每种微生物细胞结构的差异，其耐压性也有不同。超高压单独处理鲜榨苹果汁时，300 MPa处理10 min后检测不到霉菌和酵母菌，400 MPa处理10 min后检测不到霉菌、酵母菌和大部分细菌，500 MPa处理10 min后检测不到霉菌、酵母菌和细菌。同时高压处理(400～700 MPa，20～60 min)可明显延长牛肉的保藏期，但无法完全杀灭牛肉中的微生物，其残存的微生物主要是革兰氏阳性杆菌。经400 MPa和600 MPa高压处理烟熏切片火腿中能使产品保质期分别延长至8和10周，压力处理能够抑制烟熏切片火腿中的乳酸菌，使其处于相当长的低水平期(＜104CFU/g)，致使整个贮藏期内肠杆菌数低于102CFU/g［3］。

此外，高压对微生物的杀灭效果，还受环境pH值、温度、离子强度、营养物质丰富与否等条件影响。Michelle等［4］研究了牛奶在高压处理下对恢复李斯特菌次生长温度，富集介质类型，温度和储藏时间的影响。结果表明，高压处理(450 MPa、900s或者600 MPa、90 s)对次生长温度有显著的影响(P＜0.05)。高压处理的单增李斯特菌在4、15、30℃存储后利用富集液肉汤培养可以得到恢复，在存储24～72 h后可以恢复到最大值，然而在4℃和30℃下继续存储恢复率降低到0%。相反，仍然是在15℃下存储14 d的恢复率急剧增加并达到100%。李宗军［5］研究压力(300 MPa，15 min)、温度(5，20，35，50 ℃) 共同处理灭活肉制品中微生物(细菌总数、乳酸细菌、葡萄球菌、假单胞菌和肠杆菌)的效果。当加压温度为50℃时，灭活微生物的效果更好。Moerman［6］报道，在50℃下压力处理，猪肉制品中的芽孢菌不能有效杀灭，需要采用其他方法结合使用才会有更好效果。Daniela D Voigt［7］对蓝莓奶酪研究表明在 400 MPa 和600 MPa下处理，乳酸菌、乳酸球菌、酵母菌、霉菌、肠球菌和总好氧菌显着下降，同时也得出600 MPa下效果更好。

2 高压处理对酶的影响

超高压对酶的作用效果可以分为2个方面:一方面较低的压力能激活一些酶，酶激活主要是由于压力产生的凝聚作用;另一方面非常高的压力可导致酶的失活，酶失活的主要原因是酶分子内部结构的破坏和活性部位上构象的变化，这些效应受pH值、底物浓度、酶中脂质的性质、酶亚单元结构和温度的影响。

Esmaeil Riahi［8］等研究了苹果汁中 pH 值、压力和温度对酶失活的影响，表明20℃下，分别在pH值为3.0，3.5 和压力为 518，646和705 MPa 下处理苹果汁，几乎所有的酶在较低的pH值，较高的压力和较高的温度组合处理下都有完全失活的可能。Rauh［9］等研究了酶在短时高压处理下的失活性，表明不同的临界热和初始条件在短时高压处理(压力梯度400 MPa/s，处理时间120s，压力700 MPa)过程中影响了酶失活的同质性。具有不同的压力和敏感温度的酶(β－葡聚糖酶，α－淀粉酶，脂肪氧化酶，多酚氧化酶)被用来研究热流体动态非同质性的最后处理结果作用。Cristina Bilbao－Sáinz［10］等结合温度(40～60℃)、高压(300～600 MPa)以及均质化对控制牛奶中蛋白酶的活性进行了研究。结果表明，蛋白酶耐高压能力强，且原料奶的压力稳定性高于巴氏杀菌奶，而均质化似乎对酶具有保护作用。压力和温度单独处理效果与色差L值和牛奶的外观有关。高温和压力有明显的拮抗作用，即在常温常压下能迅速灭活微生物，当压力达到600 MPa时灭活作用失效。通过调节温度、压力和均质化的处理条件能使牛奶中蛋白酶(枯草芽孢杆菌中的外源酶)失活，进而延长牛奶保质期。

高压处理后牛肉中钙激活酶的总活性显著下降，但高压处理后牛肉中的酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性与对照组相比没有显著性差异。夏远景［11］等以橙汁中的过氧化物酶(POD)为研究对象，发现在室温条件下，当压力低于200 MPa时，POD酶的活性随压力的增加而增加;当压力高于200 MPa，随着压力增加而下降。且当压力较高时(500 MPa)，酶的活性随着保压时间的增加而降低，而在较低的压力(200 MPa)时，其活性随着保压时间的增加而升高。黄丽［12］等也发现，荔枝果汁POD的活性在500 MPa压力处理下活性下降约55%。

3 高压处理对食品组织结构、色泽、风味的影响

高压处理为冷处理，产品风味保持较好，但也有例外。María Eugenia Bárcenas 等［13］研究表明，在功能压力(50～250 MPa)下处理1～4 min，小麦面团的微生物(细菌，霉菌和酵母菌)、物理结构(颜色和质地)发生了变化。高压优先处理增加了面团的硬度和附着力，而处理时间则降低了其黏性。电镜扫描表明，当压力高于50 MPa时蛋白质会受到影响，而淀粉的改变则需要更高的压力。高压处理发酵面团导致小麦面包具有不同的外观和技术特征。由于高压处理后新的面包结构，面包所需的褐色和充实面包的气体都得以提升。Loc T Nguyen Abdullatif Tay等［14］研究了压力和热处理的各种组合对胡萝卜，南瓜，杏，红萝卜，和西葫芦纹理保存的效果。条件组合设置为压力辅助加热(600 MPa，105℃)，高压处理(600 MPa，25℃)和热处理(105℃，0.1 MPa)。并对保存产品的压力大小、压力辅助加热、压力处理顺序和处理过程中温度升高(105℃)进行了比较。在处理中，热处理纹理保持最差，压力辅助加热处理能很好地保留质地和颜色。西葫芦是受影响最小的样品，质地退化的是南瓜和杏，其他3种样品的脆度指数和感官数据基本保持一致。在500和600 MPa(室温，12 min)压力诱导的全反式番茄红素在正己烷异构化过程中观察，这种现象是没有的，然而在番茄酱中，它的颜色在高压(高达700 MPa)、65℃下处理1h色彩依然没有改变［15－16］。高压处理可以影响食物的流变学特性，其处理效果取决于高压处理的条件和果蔬的类型。Ahmed等［17］研究表明，在100～200 MPa高压(20℃，15或30 min)处理下，芒果果肉的黏度增加。但是，当压力升高到300～400 MPa(20℃，15或30 min)后黏度下降。关于高压处理(600 MPa，环境温度，5 min)与热处理(80℃，5 min)草莓酱并结合电子鼻技术分析表明，高压处理草莓酱的味道不同于热处理和未处理的草莓酱。十字电子鼻数据表明，热处理变化改变易挥发成分超过高压处理［18］。高压处理在减少质量损失方面较传统处理方法有较好的潜力，Ximenita I Trejo Araya 等［19］对高压处理(600 MPa，2 min)生的、烫漂的(90 °C，5 min)和熟的(100 °C，20 min)胡萝卜条之间感官评价和质量变化进行了比较。研究结果表明，高压处理与烫漂处理在甜度、风味和颜色纹理方面都相同。此外，高压处理的胡萝卜条与其他处理相比有显著的橙色和纤维素，且有类似熟制胡萝卜条的色泽和生胡萝卜条的风味。通过在4°C下贮藏14 d，表明高压处理的样品与其他处理方法处理的样品相比有更好的保存效果。Luscher［20］研究发现，在低温冻结条件下，高压处理对马铃薯细胞膜和组织结构的破坏程度降低，可能是低钝化了细胞溶解酶活性;还发现，在高压下，冻结成的高密度冰晶体比常压冻结形成的冰晶体对细胞膜的破坏更小;对细胞破坏度最低的相变过程是在34 MPa下冻结成冰态Ⅲ(介于液态与固态间的亚态水)。

高压处理时压力和温度存在拮抗作用。当利用50℃和60℃协同500 MPa处理鲜榨梨汁后，其中检测不到微生物，梨汁色差L值显著升高，褐变减轻。单独使用高压处理可以控制鲜榨梨汁中的微生物，但由于梨汁的多酚氧化酶(PPO)属耐压酶，很难改善鲜榨梨汁颜色。采用0.1、200、400 MPa和 600 MPa在常温下(20℃)对苹果果浆处理10 min发现:随着压力的增加，果酱的L值下降且a值增大。高压处理导致肉的变色是一个复杂的现象，色泽变白可能是由于高压导致肌红蛋白的变性所致，意味着产品不能以鲜肉形式出售。所以，在保持产品色泽方面，在保证其他产品质量指标的基础上，应尽量采用较低的压力。高压技术能在不影响肉类风味和营养成分的前提下改善肌肉的组织结构(主要是嫩化肌肉)，延长保存期。

高压处理对产品风味成分会产生一定的影响。杏原汁在500 MPa压力、25℃温度条件下处理20 min后，香气成分的有较明显影响，其中己醛、2－己烯醛、糠醛、己醇、叶醇、芳樟醇、橙花醇、β－苯乙醇等香味成分的质量分数分别增长了 68.14%、95.26%、46.76%、61.11%、58.56%、35.75%、37.75% 和42.30%。酯类、内酯类的香气成分的含量有所降低;酮类香味成分的含量则没有明显变化。感官评定表明［21］:超高压处理不仅能很好地保持了杏的特征香气，而且使杏汁的青鲜香气更加突出，有利于产品风味品质的提高。同时，超高压处理对橙汁中的柠檬烯成分影响很显著，经500 MPa的压力处理15 min后其含量下降了75%，而月桂烯和α－蒎烯受高压影响较小;α－松油醇、香芹酮含量经高压处理后迅速增加;醛类特征香气成分基本不受高压影响;酯类成分在高压下会发生变化，但总体变化不显著。超高压处理橙汁使其中柠檬烯在高压下发生水合、氧化反应，分别生成 α－松油醇和香芹酮［22］。大蒜经过 200、400 和600 MPa保压处理20 min后，大蒜中的挥发性风味成分的种类、含量都发生显著的变化，其中硫醚类物质的相对含量由处理前的54.46%变化为处理后的59.39%、41%～38%和 22.73%［23］。

4 高压处理对营养成分的影响

4.1 对蛋白质影响

早在1914年美国物理学家Brigment就指出，蛋白质在500 MPa压力作用下凝固，在700 MPa压力作用下变成硬的凝胶状态。在300 MPa和高压低温下，或者在200 MPa下结合紫外光谱处理蛋白质(如三维结构的β－乳球蛋白、酪蛋白胶束)，其结构变化是可逆的。在300 MPa、0℃左右处理2%β－乳球蛋白在压力释放后有较小的聚合反应，并且在该低温下处理使得酪蛋白胶束尺寸减小［24］。Puppo［25］研究了 70g/L的不同大小和聚合度的大豆分离蛋白液不会因温度和压力联合处理而使流变性能改变，这种乳液没有絮凝或合并。同时，由于温度升高，观察到表观黏度随压力的增加而急剧增加，这种现象可能是由于高压下非吸附性大豆蛋白凝胶而导致的。此外，温度对凝胶化过程有改善效果，但是当压力超过400 MPa时，温度和压力共同作用引起蛋白质聚集的离解，降低凝胶。Zhang［26］等研究了高压处理对大豆球蛋白的影响，高压处理后大豆球蛋白被解离成亚基并且这些亚基的构象改变了。同时DSC分析结果表明，在400 MPa下处理10 min后，大豆球蛋白已完全变性;圆二色谱分析表明，在500 MPa下处理10 min后，一些有序结构的a－螺旋和b－结构被破坏并转换为无规则卷曲。Daniela D Voigt［7］研究表明在 400 MPa和600 MPa下处理蓝莓奶酪，β－酪蛋白由于高压处理而被破坏。

赵红霞［27］等也发现，鲜蛋液在400M Pa压力处理后蛋白会发生变性。王苑［31］等研究利用高压处理制备肌原纤维蛋白和大豆分离蛋白混合凝胶，结果表明，无论是硬度还是弹性新型凝胶均优于传统的热凝胶，且凝胶质地光滑、致密、略带透明感。48h后凝胶质构性质趋于稳定，但是其保水性明显低于热凝胶。

4.2 对油脂的影响

高压对脂类的影响是可逆的，当对脂类加压时，压力每升高100 MPa其温度升高20℃，且呈直线关系。脂类耐压程度较低，常压100～200 MPa下基本上可变成固体，但解压后会再复原。Daniela D Voigt［7］研究表明，在 400 MPa和600 MPa 下处理blueveined奶酪，游离脂肪酸水平在高压处理下比对照奶酪低，但差异不显着。Ma［28］等研究了牛肉和鸡肉在4℃下贮存7 d后，在不同的温度(20～70℃)下高压处理(0.1～800 MPa)20 min，贮存后在室温下压力处理牛肉样品导致TBARS值升高，然而，在大于400 MPa下处理的远比在较小压力下处理的样品的TBARS值升高明显。类似的结论也可以在40℃处理的样品下得出，但是在60℃和70℃下压力对肌肉氧化稳定性有一定的作用。在所有温度下，600 MPa和800 MPa处理诱导脂质氧化鸡肉速度增加，但在一般情况下，压力处理下鸡肉比牛肉稳定，同时压力处理的催化作用仍然在50，60和70℃下可见。

超高压处理对油脂的氧化有一定的影响，高压和热结合处理对牛肉脂肪氧化的影响，发现无论是热处理、高压处理还是两者结合处理，都能导致脂肪氧化过程的加速，而且氧化程度远远高于本实验结果。Angsupanich和Ledward也曾报道，鳕鱼肉在400 MPa以上压力处理时，脂肪的氧化稳定性显著下降，导致TBA值显著增加。压力作用下脂肪(甘油三酯)的熔化温度会发生可逆上升，其幅度为压力每增加100 MPa，脂肪的熔化温度大约升高10℃。因此，室温下液态脂肪在压力下会发生结晶压力能促进高密度和更稳定晶体结构的形成。虽然压力和热结合处理导致肌肉脂肪氧化作用的原因还不清楚，但可以肯定的是脂肪氧化与蛋白质结构的破坏和金属离子(主要是铁)释放有关。Cheah和Ledward通过对猪肉馅压力处理后的脂肪氧化情况研究后发现，300 MPa以下的压力处理时，脂肪的氧化稳定性没有受到显著的影响，但高于此压力，脂肪氧化的速度急速上升，TBA值显著增加。

4.3 对维生素的影响

试验表明，超高压对食品中的维生素及各种小分子物质的天然结构影响很小。在食品中，基于蔬菜的抗坏血酸的稳定性较基于水果的差，如在室温、500 MPa下处理10 min后，萌芽的苜蓿种子在柠檬酸环境中浸泡后抗坏血酸初始含量降低了77%。当在25℃、400 MPa下处理番茄酱15 min，其中抗坏血酸含量和总的抗坏血酸量分别降低了40%和30%。同时，在室温，300～500 MPa下处理豇豆15 min，发芽后4 d和6 d后总的VC分别降低了10%～28%和9%～14%［29－31］。此外，在高压处理过程中也能够引起异构化，有研究表明在室温，500和600 MPa下处理12 min后，由于番茄红素的反式异构化，导致在正己烷作用下全反式番茄红素含量降低。但是这一现象在诸如番茄酱类的食品中并没有被观察到。此外，在400 MPa、40℃下处理1 min橙汁，似乎VA增加了38.74%，或者在压力50～350 MPa下结合温度30～60℃之间处理2.5、5和15 min，VA含量可以最大增加45%。这可以解释为适当的压力有强化提取的作用［32－34］。荔枝果汁VC含量在400 MPa以上的压力下出现下降趋势，500 MPa压力下约下降20%，远远小于热处理的损失。赵光远［35］等研究的高压处理对鲜榨苹果汁中还原型Vc的保留率随着处理压力的增大，呈先下降后略有上升的趋势，损失幅度不大，即使在600 MPa处理下，还原型Vc也仅损失7.9%。采用0.1、200、400和600 MPa 在常温下(20℃)对苹果酱处理10 min，苹果酱Vc损失不明显，即使经过600 MPa处理，Vc的保持率仍然在95.8%。

5 展望

高压技术常用于食品的杀菌和食品的各种加工和深加工中，应用的效果也较理想。但高压处理设备成本太高、容积太小，所生产出的产品附加值很高，大多数消费者难以接受。所以已投产的高压仪器推广销售十分困难，这是当前存在的一个重要问题。另外，高压食品的研究虽然取得了一些成果，但仍然需要从理论上继续探讨。比如在高压下一些食品成分发生性质改变的机理或者某些成分的性质结构是否改变等等，有待于进行进一步的试验研究。高压处理技术本身不够完善，还有许多技术细节也有待于进一步的研究开发。总之，高压加工技术有着能耗低、效率高、能最大限度保持食物原有风味等特点，应用前景广泛，必将对食品工业的发展提供有力的技术支持。

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The New Research Progress of Ultra-high Pressure Treatment in Food Industry

Tan Shu－qiong， Chen Hou－rong，Liu Xiong
(College of Food Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China)

Ultra－high pressure is a new food processing technology where food is subjected to high pressure－more than 100 MPa in room temperature or lower temperature( ＜60℃)，to achieve the sterilization or to alter the food attributes.The effects of ultra high pressure on food microorganisms，enzymes，organizational structure，color and flavor and nutrition(mainly about protein，fat and vitamin)were discussed.The application of high－pressure technology is also summarized and the prospects，research and development of high－pressure in food processing industry are proposed.

food，ultra－high pressure，microbe，enzyme，nutrition

硕士研究生(刘雄教授为通讯作者，E－mail:Liuxiong 848@hatmail.cm)。

2010－07－03，改回日期:2010－10－14