高静水压处理技术及其在食品工业应用的研究进展

段梦雯，吴雪娥，车黎明，何宁，梁达奉，陆登俊

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.厦门大学 化学化工学院，福建 厦门 361005；3.广东省科学院生物工程研究所 广东省酶制剂与生物催化工程技术研究中心，广州 510316)

高静水压技术是一种新型的非热环境友好技术，能灭活病原微生物及酶，相比其他加工方式，其对食品中营养物质与感官品质的损害较小，可以很好地保持食品的色、香、味及营养成分。将压力作为食品加工过程处理手段的首次尝试可以追溯到1899年，当时海特观察到牛奶和其他食品在加压后可以延长保质期。然而，近一个世纪过去了，该领域的大量研究才得以继续。随着对超高压食品领域研究的持续深入，人们发现超高压技术在一定的压力范围内可以保持食品的营养成分、色泽及风味，而且不使用热量，产品的感官和营养特性几乎不受影响，因而产品质量优于传统加工方法所生产的，这也推动了超高压技术在食品工业中的广泛研究及应用。正因如此，有学者用“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”等来形容超高压技术。美国现已将超高压食品开发与应用列为目前食品加工、包装的主要研究项目[1]。在国内，超高压技术的研究主要在果蔬、水产品、肉类、乳制品、蛋类、烟、酒、茶、调味品等方面，主要应用于杀菌钝酶、提取、诱变育种等[2]。另外，近年来超高压技术在蛋白质等其他生物大分子的修饰与改性上的研究也是炙手可热。在现如今各方面都飞速发展的时代背景下，全球的食品工业正朝着科技化、现代化的方向前进，所以高静水压技术作为一种高效、科学绿色的技术手段将会更好地推动食品工业的发展，这对于整个食品行业来说意义非凡[3]。本文从目前国内外高静水压技术在食品工业中的应用与研究进行了有关的介绍，综述了其在食品工业中多个领域的研究现状，并对其未来的发展趋势进行了展望。

1 高静水压处理技术的概述及原理

1.1 超高压简介

在食品工业中，超高压技术(ultra-high pressure technology，UHP)指在常温或较低温度时，通过施加100 MPa以上的压力(一般商业用装置压力最高可达700 MPa)，使食品中某些生物大分子的性质或结构产生变化，与此同时，也能杀死微生物，起到灭菌效果的一直是物理加工方法，而在此过程中食品自身风味及营养价值几乎不受影响[4]。高压处理技术一般分静态高压处理、高压均质处理和微射流高压均质处理3种形式。其中静态高压技术，即高静水压技术(high hydrostatic pressure，HHP)由于其独特的性能，目前在国内外食品行业中有着广泛的应用，成为国内外专家学者研究的热点方向之一[5-6]。

1.2 超高压处理机制及原理

在食品工业中，原料在进行超高压处理的过程中遵循两个基本原理：帕斯卡原理与勒夏特乐原理。依据帕斯卡原理，过高的压力可在短时间内快速且均匀地传递至整个体系中的食品分子，在这一过程中，加工效果与食品的形貌无关，这使得食品超高压加工的过程便捷迅速，并有效减少能耗。勒夏特乐原理是如果压力发生变化，则平衡会朝着体积减小的变化趋势的方向移动。因此，伴随着体积减小的任何现象(相变、分子构型变化、化学反应)都会因压力而增强。传统的热处理会使得分子剧烈运动并伴随化学变化，这不仅改变了食品中如蛋白质、淀粉这类大分子的原有结构，也会对维生素、色素以及风味物质等小分子物质的结构造成影响，而使用超高压处理食品避免了过高温度的产生，有效保持了食物的营养成分，另外，从经济的角度来看，超高压处理过程耗能较低，且可重复性强、成本低，所以被广泛应用在食品工业领域[7]。

1.3 高静水压系统

静态高压技术(HHP)是指在一个封闭的空间(压力容器)中进行加压，容器中包含作为压力传递介质的流体(一般情况下为水)。HHP处理系统主要由压力容器、增压系统和产品处理装置组成。处理过程中压力是均衡地施加，固体食物基本能保持原有的形状。因此相对于传统的热处理，HHP优势之一就是物料的尺寸与几何形状不受限制。另一方面，高压作用也改变物料的性质，可以实现灭菌，使酶变性或者失活，从而延长食品的货架期，保持食品的营养及感官特性的新型食品加工技术。传统的立式HHP装置工作示意图见图1。

图1 高静水压立式装置图Fig.1 HHP equipment of vertical installations注：a为将食物浸入加压介质(通常为水)中；b为盖上盖子施加HHP；c为打开盖子，取出食物。

2 高静水压处理技术在食品保鲜中的应用

微生物是影响食品品质的的重要因素之一。近年来，人们对于高质量食品的需求呈上升的趋势，此类食品既能保证消费者在食用时的安全性，又可以在很大程度上维持食物本身天然的新鲜度，从而延长了食品的保质期。因此，HHP处理技术作为一种新型的物理加工方法来实现对微生物的抑制在食品工业中逐渐受到人们的关注与重视。该技术使微生物失活主要是使其细胞受损，微生物抗性变化很大，主要取决于生物体的类型和所涉及的食物基质[8]。超高压主要作用于细菌的细胞膜，在对食品施加一定压力时，细菌细胞膜和蛋白质的结构遭到破坏，细胞膜磷脂双分子层的体积与横截面面积均减少，使得细胞膜通透性发生变化[9]，从而改变细胞形态与细胞本身正常的代谢、生化反应以及遗传机制等，从而抑制食品中微生物的生长与繁殖，最终达到保鲜的效果。

2.1 果蔬及果蔬汁的保鲜

新鲜的水果蔬菜营养价值高、口感品质优越且营养安全，但由于在采摘或者运输等加工过程中不可避免会受到机械损伤而导致果蔬细胞衰老，使得品质变差，营养与风味受到损失。另一方面，果蔬类食品可以为微生物生长和繁殖提供良好的营养源，因此还会导致微生物的繁殖，引起食物变质。上述加工引起的改变是与食品新鲜度高度相关的重要因素，因此高静水压处理作为一种应用于蔬菜产品的商业化技术是一个食品行业备受关注的工业问题。朱悦夫[10]研究表明，将荔枝果肉在400 MPa下保压15 min以及在500 MPa下保压9 min可使荔枝果肉中微生物含量降低6个数量级。Yuan等[11]将HHP与微波处理相结合应用于水煮竹笋的加工工艺中，研究结果表明，高压处理过的竹笋中微生物失活率明显提高。Izumi[12]研究表明鲜切的莲藕和凤梨在室温下用400 MPa高压处理5～10 min，细菌、霉菌和酵母的数量降至不可检测的水平，可在商业上替代化学灭菌和热处理。因此，HHP技术在果蔬的灭菌与保藏方面有着良好的发展前景。

对于现今社会来说，大众对于营养食品的追求更加多元化，随着人民生活水平的提高，消费者要求在不含添加剂的基础上最低限度地加工食品，并且要达到延长保质期的目的。果蔬汁的营养丰富且食用方便，因此广受大众的青睐。果蔬汁的灭菌工艺也成为科研工作者的研究热点方向之一。热处理是果汁中灭活微生物和酶的传统方法，然而，加热会破坏果蔬汁中的抗坏血酸，加速花青素、多酚及风味成分的分解，降低水果的理化性质。HHP处理不仅可以达到巴氏灭菌的目的，同时由于其较低的加工温度还可最大程度地保留果蔬汁的天然成分和生物活性物质。HHP处理对部分果蔬汁中菌落数的影响见表1，结果说明HHP能将微生物数量减少到安全水平之下，且符合国家饮料食品卫生标准。

表1 HHP处理对果蔬汁中微生物的影响研究Table 1 Effect of HHP treatment on microorganisms in fruit and vegetable juice

由表1可知，高静水压保鲜技术可以在很大程度上保护果蔬汁的营养价值，对各组成成分的影响小，还能很好地保存果蔬原有的风味，并有效地遏制微生物细菌等的生长繁殖，减缓了褐变的发生，是一种优良的处理技术。

2.2 乳品及酒类的保鲜

乳类饮品被认为是人类各类营养元素摄入的最佳来源之一，如蛋白质、脂肪、氨基酸、脂肪酸、乳糖、矿物质、维生素等。为满足消费者对乳制品天然、营养、安全的需求，需要引入新的加工工艺来确保和提高加工乳品的安全性和营养性。传统的乳制品加工工艺通常选择热处理作为灭菌方式，通常为巴氏灭菌、超高温灭菌。而热处理在有效杀灭食品腐败菌和病原菌的同时，可能会对热敏性的营养物质起到破坏的作用，如维生素、蛋白质以及一些挥发性的风味物质等，此外，热处理对其他生理活性成分也将造成不同程度的损失，乔长晟等[21]研究了高静水压技术与巴氏杀菌技术对牛乳品质的影响，证明了超高压杀菌更有助于延长牛乳的保质期，且压力越高，保压时间越长时杀菌效果越好。赵越等[22]就超高压技术对鲜驼乳品质的影响进行了探讨，结果发现随着压力和时间的增加其杀菌效果得到提升，样品温度为55 ℃时在600 MPa保压20 min所处理的鲜驼乳微生物、理化性质与感官特性最优。Rocha-Pimienta J等[23]研究采用响应面法测定了人乳中金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌最大失活的HHP条件，在实验范围内达到最大细菌失活的条件是压力强度为593.96 MPa下施压 233 s，这对乳品工业上延长货架期以及日后的蓬勃发展提供了理论支撑。

此外，超高压灭菌在酒类生产过程中也有一定的作用，如今超高压技术在酿酒领域中的作用的研究包括白酒、啤酒、葡萄酒、果酒等。如章翌等[24]将原浆白啤酒在470 MPa保压14 min后进行超高压灭菌，实验结果表明，处理后的啤酒风味物质接近杀菌前的啤酒，且显著优于巴氏杀菌处理，抗老化能力更强，酒精度也得到了很好的保持。故而，高静水压技术在造酒业中的应用可见一斑。

2.3 肉类及水产品的保鲜

优质的肉制品具有风味独特、营养价值高、食用方便等特点，可以加工制作成味道鲜美的菜肴，但肉类若受到微生物感染会引发腐败变质，将会影响其食用安全性。李新等[25]以熟制鸭胸脯肉为研究对象，证明鸭胸脯肉中菌落总数残余比例与超高压压强、时间与温度呈反相关，在600 MPa、28 ℃下处理25 min时杀菌效果最好，处理过的熟制鸭肉的菌落总数为159 CFU/g。Hereu等[26]将乳酸链球菌肽(生物防腐)与HHP处理结合，研究即食腌火腿中李斯特菌的影响，结果显示高静水压技术作为后期杀菌处理，比使用乳酸链球菌肽作为抗菌措施更有效(即时和长期)。HHP加工熟火腿已在西班牙生产，保质期长达8周。然而，超高压对不同肉制品中有致病性、腐败性的微生物的抑菌效果以及关于这些微生物的抗压性的报道不多，因此超高压的应用安全性还有待更加广泛及深入的研究。

海鲜及水产品蛋白质含量高，富含多种矿物质以及各种维生素，营养价值非常高，且脂肪含量较低，因此深受消费者的喜爱。高静水压对印度白虾的灭菌效果：HHP处理技术可以显著降低对虾的菌落总数及大肠菌群。Kaur等[27]研究了HHP对斑节对虾的灭菌效果，同样得出结论：超高压对菌落总数、金黄色葡萄球菌以及大肠杆菌均有抑制作用。

3 高静水压处理技术对食品品质的影响

3.1 HHP在改善食物品质方面的研究

相对于传统热加工方式，超高压加工能够更好地保持食品的色泽、风味、香气及营养成分等，因此具有很好的优势。 Feng等[28]研究了超高压处理对果汁品质的影响，结果表明，与超声和热处理过的样品相比，经高压处理的混合果汁在4 ℃下保存10 d，总酚、总花青素、抗坏血酸、抗氧化能力、颜色和感官值都得到了更好的保持。Xu等[29]比较了HHP和高温短时处理对富硒猕猴桃汁品质的影响，结果显示：经HHP处理过的样品色泽以及抗坏血酸和叶绿素保持较好。

另外，HHP处理对于食品口感的改善也有一定的促进作用[30]，Sikes等[31]研究了HHP技术对低盐牛肉香肠面糊质地的影响，发现在所有盐浓度(0%～2%)下，与未经加压的样品相比，经加压处理(400 MPa，10 ℃，2 min)过的低盐香肠的硬度和胶黏性更高，水分保持力显著提高，且盐含量较低的加压处理香肠在外观和质地上有更高的优势。高压处理可以实现肉的嫩化，Suzuki等[32]的研究表明，超过150 MPa的压力对牛肉的嫩度有明显的影响。Hu等[33]的研究发现，超高压引发的果胶特性、膜完整性和组织形态的改变会共同影响着南瓜的质地，中等压力(300～400 MPa)处理后的样品比加热后的样品能更好地保持南瓜原有的组织学性质。另外，一定程度上使用高压处理果蔬类制品可起到提高其稳定性的作用[34]，Qiu等[35]在不同压力下处理番茄，将样品在避光条件下保存在冰箱温度数日，发现在400 MPa处理时番茄红素在番茄红素溶液中显示出最高的稳定性，500 MPa下可增加番茄泥中番茄红素的总含量，因此HHP可作为稳定番茄制品的一种方法。

高压处理同时也可改善酒类产品各方面的品质，在催陈、维持风味与感官品质上也有一定的效果。Yang等[36]将葡萄酒在600 MPa下处理10 min发现葡萄酒的感官性能与未处理的相比有显著提高。

3.2 HHP与食物脱敏

一般所说的食物过敏是指机体自身免疫系统在感受到食物中所含的特异性蛋白而发生的变态反应。食物过敏已经被世界卫生组织列为一种新的食品安全问题及国际性的公共卫生问题。而诸如油炸、烘烤、蒸、水煮等传统的加工工艺并不能很好地消除食品中的过敏原，因此HHP技术作为一种新型的食品脱敏技术为开发低敏或脱敏食物带来希望。目前研究者们普遍认为高静水压处理可达到脱敏的效果是由于其可诱导过敏原蛋白变性，使得蛋白质的空间构象发生变化。目前，HHP技术在鱼、虾、乳制品、蛋类、肉类、花生、大豆等动植物食物过敏原的脱敏技术研究上已经越来越多。

海鲜是优质蛋白质的主要来源，此外，海鲜还能提供结构多样的抗氧化、抗炎、抗增生性营养物质，以及许多其他生物活性成分，对机体具有潜在的生理功能。然而，海鲜过敏是世界范围内最常见、最严重和最持久的食物过敏之一。贾莹等[37]以南美白对虾为原料，研究超高压处理影响虾仁的致敏性，实验结果表明在压力600 MPa、40 ℃时处理30 min，可消减虾仁的致敏性(消减率为45.66%)。另外，花生也是引起过敏反应的食物之一，其过敏原的致敏性和致死量表现出较高的水平，因其产生过敏的人数越来越多，在食品与医疗领域引起了广泛的关注[38]。Pan等[39]报道，HHP处理(≥400 MPa)后Ara h1的免疫反应性随保压时间的延长而显著降低，在600 MPa、1200 s条件下，最大降幅可达74.32%。大豆过敏比花生过敏的发生率要低，但全球仍有约0.5%的人对大豆过敏， Li等[40]研究发现，HHP会影响大豆分离蛋白的致敏性，与未经处理的蛋白相比，经300 MPa、15 min处理后，其致敏性降低了48.6%。

4 高静水压处理技术在生物活性成分提取中的应用

传统的生物活性成分提取方法有酸提取法、煎煮法、索氏提取法、水蒸气蒸馏法等，这些提取工艺的不足之处在于提取时间长、提取过程效率低、有效成分损失、杂质较多等缺点，尤其不适合热敏性生物活性物质的提取。HHP在食品工业中物质提取方面的应用广泛，已经用于包括多糖、多酚、蛋白质、黄酮、有机酸、有机醛、酯类物质等功能性组分的提取。HHP可增强从生物基质中提取有价值的化合物的能力。提取率主要取决于压力、处理时间和所用溶剂的类型，可促进抗氧化剂和其他生物活性化合物的提取。压力会破坏萃取基质的弱化学键，使某些化合物可用于萃取。

4.1 HHP用于多糖类物质的提取

多糖类物质有着抗肿瘤、抗氧化、抗炎、抗凝血、降血糖、免疫调节等良好功效，可在维持生命活动方面发挥重要作用，应用前景广阔，因此天然多糖的高效提取就变得尤为重要[41]。传统的一些提取方法，如水提取法，提取温度高、提取时间长，而微波法、超声法都会造成多糖活性降低。近年来，HHP在天然多糖的提取方面得到应用。王新新等[42]采用超高压技术提取瓜蒌多糖，正交实验结果显示：瓜蒌多糖的最佳提取工艺条件为以水为提取剂、料液比为1∶40 (g/mL)时，100 MPa处理3 min，其提取率达19.11%。超高压提取多糖得率比加热回流提取多糖得率低0.32%，比超声波辅助提取高1.00%，提取时间大大缩短，仅为加热回流提取和超声波辅助提取的1/10和1/20，被认为是提取瓜蒌多糖的适宜方法。敬思群等[43]以金鸡菊多糖提取率和纯度为指标，对超高压处理金鸡菊多糖提取工艺条件进行优化，结果表明，在压力300 MPa、pH 9、料液比1∶16、保压时间4 min的条件下，金鸡菊多糖提取率最优，为6.42%，纯度达37.43%，证实了高静水压提取金鸡菊多糖手段是高效可行的。这些研究结果表明高静水压技术在天然多糖的提取工艺上有着更为良好广阔的应用前景。

4.2 HHP用于多酚类物质的提取

多酚具有许多生物活性和促进健康的益处，可抗氧化、保护心脏、抗癌、抗炎、抗衰老和抗菌等[44]。由于多酚类物质在温度较高时极不稳定，而高静水压技术在常温条件下即可进行提取，因此这就为提取多酚类化合物提供了一种新的方法与途径。Corrales M等[45]采用高静水压等新兴技术从葡萄副产品中提取花青素，与传统提取方法相比，总酚含量提高了50%。Torres-Ossandón Maria José等[46]结合HHP和超临界CO2萃取(SFE-CO2)从猕猴桃中提取具有抗氧化能力的生物活性化合物，研究结果表明在400 MPa、保压3 min处理样品时总酚含量最高，在300 MPa、保压3 min时β-胡萝卜素含量最高，证明HHP处理结合SFE-CO2可以促进水果基质中活性成分的释放，增加其生物活性。Casquete Rocío等[47]采用超高压提取技术提取不同橘皮中的酚类成分，研究表明，在压力 300 MPa、保压时间3 min、液固比6的工艺条件下，总酚含量最大。这些研究都对提高食品工业附加值、提升副产品的综合利用率起到理论支撑的作用。

4.3 其他物质的提取

高静水压技术除了在多糖、多酚的提取上有应用，在其他天然活性物质的提取上也有所研究。Zhang等[48]采用6种不同方法提取西洋参皂苷，与索氏提取法、热回流提取、超声波辅助提取、微波辅助提取、超临界 CO2萃取相比，超高压提取用时少、效率高，表明超高压技术提取西洋参皂苷具有更大优势。谷微微[49]以亚麻籽为主要原料，采用高静水压对其中的油脂进行提取，优化后亚麻籽中的油脂提取率为97.42%。而采用超声波法辅助提取亚麻籽油的研究表明，在55 ℃、超声波功率400 W下超声50 min，亚麻籽油提取率最高，仅为37.43%。郭文晶[50]将HHP技术应用于胸腺肽的提取，研究表明，在液固比为3∶1，pH 3.5时350 MPa高压提取1 min，提取率为6.14 mg/g，且通过E-玫瑰花环试验测定活性，活性均合格。在相同条件下采用冻融法在-20 ℃冻融3次时胸腺肽提取率为5.51 mg/g，HHP法虽未显著提高提取率，但大大缩短了提取时间，提升了提取率，且提取工艺流程也较为简便。

以上都说明相较其他传统的提取方法，HHP技术提取天然活性成分具有高效率、高得率、高纯度等诸多优点，重要的是整个提取过程都在常温下完成，可以有效避免热效应对天然活性组分的破坏，因此得到很多研究者的青睐。

5 结语

高静水压处理技术(HHP)作为当今社会食品工业的尖端科技应用之一，是目前科研工作者与企业研究的热点，其优良的性能可以保持食品本身的性能，这符合现代消费者对“纯天然、绿色、无公害”的需求。虽然，目前我国在高静水压的研究上已取得了一定的研究成果，但是我国对于超高压处理技术的相关研究仍未达到国际领先水平，理论基础比较欠缺，与国内食品市场的需求不匹配。因此还应加快对超高压技术的深入研究，为生产提供更好的理论支持，降低高静水压应用的技术门槛，加快HHP的商业化步伐。