畢業(yè)論文超高壓滅菌技術(shù)的研究進(jìn)展

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)生姓名：趙亞學(xué)號：0803021124專 業(yè)：生物技術(shù)與應(yīng)用系 部：園林園藝系設(shè)計(論文)題目：超高壓滅菌技術(shù)的研究進(jìn)展指 導(dǎo) 教 師:黃進(jìn)寶 2011 年 5 月 26 日摘 要食品中的微生物是導(dǎo)致食品品質(zhì)降低的重要原因之一。研究證明應(yīng)用超高壓技術(shù)加工食品與傳統(tǒng)的熱加工技術(shù)相比，既可以有效地達(dá)到殺菌和滅活酶的目的，又能良好地保持原有的營養(yǎng)成分。超高壓技術(shù)是食品和農(nóng)產(chǎn)品加工的高新技術(shù)之一，在果蔬產(chǎn)品、蛋白質(zhì)產(chǎn)品、 乳制品、肉制品、速凍食品、水產(chǎn)品等加工中有著廣泛應(yīng)用。在超高壓滅菌技術(shù)的基本原理之上，對溫度、壓力、pH值、食品成分和水分活度等因素對超高壓殺菌的效果以及超高壓對微

2、生物的細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)、遺傳物質(zhì)等造成的影響作了較為詳盡的闡述，列舉了實例，展望了超高壓在食品滅菌領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：超高壓 微生物 食品 酶目 錄引言11 超高壓技術(shù)的發(fā)展12 超高壓技術(shù)的機理13 影響超高壓滅菌的因素13.1 溫度的影響2高溫對高壓滅菌的影響2低溫對高壓滅菌的影響23.2 壓力和時間的影響23.3 食品成分和添加物的影響23.4 加壓方式的影響33.5 pH值的影響33.6 水分活度的影響33.7 微生物特性和種類的影響33.8其他34 結(jié)語4參考文獻(xiàn)6引言超高壓滅菌通常被認(rèn)為是壓力對微生物的致死作用。超高壓可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜,抑制酶的活性和DNA等遺

3、傳物質(zhì)的復(fù)制,破壞蛋白質(zhì)氫鍵、二硫鍵和離子鍵的結(jié)合,使蛋白質(zhì)四維立體結(jié)構(gòu)崩潰,基本物性發(fā)生變異,產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活,最終造成微生物的死亡。由于高壓處理時料溫隨著加壓(卸壓)而升高(降低),一般高壓處理每增加100MPa 壓力,溫度升高24,故近年來也認(rèn)為超高壓對微生物的致死作用是壓縮熱和高壓聯(lián)合作用的結(jié)果。在我國，超高壓技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段。1 超高壓技術(shù)的發(fā)展超高壓食品加工技術(shù)始于19世紀(jì)末。1895年，Royer進(jìn)行了超高壓處理殺死細(xì)菌的研究；1899年，美國化學(xué)家Bert Hire發(fā)現(xiàn)，牛奶、果蔬和飲料中的微生物對壓力敏感，并證明高壓處理能延長食品的貨架期1。超

4、高壓技術(shù)雖然出現(xiàn)了100多年，但在很長時間內(nèi)沒有被實際應(yīng)用。直到1986年，日本京都大學(xué)林立丸教授提出超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用，才使其成為一種可行的商業(yè)加工手段，并于1990年生產(chǎn)出世界第一個高壓食品-果醬。隨后又生產(chǎn)出果凍、水果汁和酸乳酪等。除日本外，美國、巴西、韓國和歐洲的許多國家都先后對高壓食品加工原理、方法和技術(shù)細(xì)節(jié)及應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛深人的研究，同時開始向市場提供高壓食品。我國學(xué)者也注意到國外超高壓技術(shù)的發(fā)展并開展了食品高壓技術(shù)的研究。2003年“超高壓低溫滅菌工藝和設(shè)備”被列人國家863計劃2。由于高壓殺菌的處理溫度遠(yuǎn)低于熱處理的溫度，所以保持了食品的原有風(fēng)味、色澤和營養(yǎng)價值，

5、在使酶失活的情況下能抑制褐變反應(yīng)；而且液體介質(zhì)的瞬時壓縮過程，滅菌均勻，無污染，操作安全，且較加熱法耗能低，減少環(huán)境污染。經(jīng)高壓處理的食品可延長保質(zhì)期，同時又彌補了冷凍保藏引起的色澤變化。高壓加工殺菌作用均一、迅速，對食品無大小和形狀的限制，與熱處理相比顯示出巨大的優(yōu)越性。2 超高壓技術(shù)的機理超高壓處理技術(shù)就是利用100Mpa以上的壓力，在常溫或低溫的條件下，使食物中的酶、蛋白質(zhì)以及淀粉等生物大分子改變活性、變性或者糊化，同時殺死細(xì)菌等微生物以達(dá)到滅菌的過程，并且食物的營養(yǎng)價值與風(fēng)味不受影響3。超高壓技術(shù)基本原理是帕斯卡定律和Le Chatelier原理4。帕斯卡定律是利用超高壓對液體的壓縮作

6、用，即加在液體上的壓力可以瞬時以同樣大小傳到系統(tǒng)的各個部分。因此，干燥食品、粉狀食品或粒狀食品不宜采用超高壓處理。根據(jù)目前的研究發(fā)現(xiàn)，超高壓滅菌的機制與破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。抑制酶的活性和DNA等遺傳物質(zhì)有關(guān)，高壓對細(xì)胞膜和細(xì)胞壁有一定的影響。在壓力作用下，細(xì)胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。加壓對細(xì)胞膜常常表現(xiàn)出通透性的變化和氨基酸攝取的受阻。當(dāng)壓力為2040MPa時，細(xì)胞壁會發(fā)生機械性斷裂而松懈；當(dāng)壓力為200MPa時，細(xì)胞壁會因遭到破壞而導(dǎo)致微生物的細(xì)胞死亡5。超高壓可以破壞非共價鍵，如破壞氫鍵之類弱結(jié)合鍵，使基本物性變異，產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活，

7、高壓抑菌是由于主要酶類的變性。一般說來，超過300MPa壓力引起酶類的變性是不可逆的，酶失活的主要原因是高壓引起的酶分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞和活性部位上構(gòu)象的變化。由于高壓處理時料溫隨著加壓(卸壓)而升高(降低)，一般高壓處理每增加100MPa壓力，溫度升高24，故近年來也認(rèn)為超高壓對微生物的致死作用是壓縮熱和高壓聯(lián)合作用的結(jié)果。3 影響超高壓滅菌的因素超高壓殺菌效果與處理溫度、壓力大小、加壓時間、施壓方式、微生物種類、食物本身的組成及添加物、pH值和水分活度等許多因素有關(guān)6。3.1 溫度的影響溫度是微生物生長代謝重要的外部條件,受壓時的溫度對滅菌效果有顯著影響。在高溫和低溫下，高壓對于微生物的活性

8、影響都比較敏感。高溫對高壓滅菌的影響微生物本身就怕高溫，因此有高溫的協(xié)同，高壓滅菌效果大大提高。菌有促進(jìn)作用。對一定濃度的糖溶液，在不同溫度下進(jìn)行高壓殺菌，在同樣的壓力下，殺死同等數(shù)量的細(xì)菌，則溫度高，所需殺菌時間短。因為在一定溫度下，微生物中蛋白質(zhì)、酶等成分均會發(fā)生一定程度的變性。因此，根據(jù)不同食品的需求，在對食品各方面的品質(zhì)沒有明顯影響的情況下，適當(dāng)提高溫度對高壓殺菌有促進(jìn)作用。Hayakawa報道,當(dāng)壓力達(dá)到800MPa ,施壓時間60 min,在60條件下,可將嗜熱芽孢桿菌的數(shù)量從初始的106個/mL下降到102個/mL,而室溫下,施加同樣的壓力,菌數(shù)沒有變化7。低溫對高壓滅菌的影響低

9、溫下高壓處理也具有較常溫下高壓處理更好的殺菌效果。因為0以下壓力使細(xì)胞因冰晶析出而破裂的程度加劇,蛋白質(zhì)對高壓敏感性提高,更易變性,而且發(fā)現(xiàn)低溫下菌體細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)更易損傷。日本科研人員研究了低溫高壓對16種微生物的殺滅效果發(fā)現(xiàn),除芽孢菌和金黃色葡萄球菌外,大多數(shù)的微生物在-20下的高壓殺菌效果較20下要好。所以低溫對高壓滅菌有促進(jìn)作用8。3.2 壓力和時間的影響相同壓力下,滅菌效果隨滅菌時間的延長也有一定程度的提高。一定范圍內(nèi),壓力越高滅菌效果越好。處于指數(shù)生長期的細(xì)菌細(xì)胞比處于靜止期的細(xì)菌細(xì)胞對壓力更敏感，容易受高壓致死。微生物的營養(yǎng)體耐壓差，而其芽孢耐壓強。多數(shù)微生物經(jīng)100MPa以上壓力

10、處理即被殺滅。如大腸桿菌經(jīng)30min，300MPa處理可被完全殺死，芽孢桿菌(牛乳中)經(jīng)10min，680MPa處理大部分被殺死。當(dāng)壓力達(dá)300MPa以上時，酵母、霉菌、病毒和大多數(shù)細(xì)菌就會全部死亡。Mitsumasa Yasumoto等研究了100600MPa壓力對番茄汁中凝結(jié)芽孢桿菌和酵母菌的滅菌效果,找出了保壓時間和施壓大小的關(guān)系9。對于凝結(jié)芽孢桿菌:Z=512-152LogX(5X100)。對于酵母菌:Z=354-104LogX。式中:X為保壓時間(從開始到微生物數(shù)開始減少的時間)，單位為min；Z為壓力，單位為MPa。3.3 食品成分和添加物的影響食品的成分構(gòu)成非常復(fù)雜，其對超高壓滅

11、菌的影響也非常復(fù)雜。超高壓條件下,食品自身化學(xué)成分或添加物對滅菌效果有明顯的影響。當(dāng)食品中富含營養(yǎng)成分或高鹽、高糖時，其殺菌速率均有減慢的趨勢。這是因為蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物對微生物有緩沖保護(hù)作用,能加速微生物的繁殖和自我修復(fù)功能。超高壓結(jié)合抗菌劑能加速細(xì)菌活細(xì)胞的死亡率或抑制細(xì)菌細(xì)胞的繁殖。將降低加壓殺菌的效果。Kanjiro Takahashi研究了低溫下共存物對高壓滅菌效果的影響,發(fā)現(xiàn)Nacl ,蛋清、葡萄糖和豬油,均使微生物(大腸桿菌、釀酒酵母)存活率提高,但與抗菌成分并用,則可以在低壓中提高殺菌效果。Garrigam等通過對涂抹了抗菌劑的肉制品在17溫度400MPa壓力下處理10m

12、in后,在4的條件下冷藏,發(fā)現(xiàn)超高壓結(jié)合抗菌劑能加速細(xì)菌活細(xì)胞的死亡率或抑制細(xì)菌細(xì)胞的繁殖10。3.4 加壓方式的影響超高壓滅菌方式有連續(xù)式、半連續(xù)式和間歇式3種11。直接加壓和間接加壓會對滅菌效果產(chǎn)生影響,這個影響是升壓時溫度變化的幅度不同而引起的。Maggi等報道,第一次加壓對芽孢菌具有活化作用,會引起芽孢菌發(fā)芽,發(fā)芽的芽孢菌對壓力更為敏感。第二次加壓則使這些發(fā)芽而成的營養(yǎng)細(xì)胞被殺死。因此,壓力處理一段時間后,重復(fù)壓力處理具有明顯的殺滅芽孢的作用。Wilson和Baker將含枯草桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌和生芽孢梭菌各為106/g的肉乳液,先在85用621MP壓力處理30min,再在95用 6

13、21MPa壓力處理5min,可實現(xiàn)滅菌。Aleman報道,階段性壓力變化處理同持續(xù)靜壓處理相比,可使菠蘿汁中的酵母菌大幅度減少12。3.5 pH值的影響超高壓殺菌受pH值的影響很大。因為高濃度的氫離子可引起菌體表面蛋白質(zhì)和核酸水解，并破壞酶類活性，因此pH值被認(rèn)為是影響微生物在高壓環(huán)境下生長的主要因素之一。低pH 值和高pH值環(huán)境,都有助于殺死微生物。一方面,壓力會改變介質(zhì)的pH值,逐漸縮小適宜微生物生長的pH 值范圍。另一方面,在食品允許的范圍內(nèi)改變介質(zhì)的pH值,使微生物生長環(huán)境劣化,也會加速微生物的死亡速率,縮短和降低超高壓殺菌的時間及所需壓力。一般情況下，高壓對酸性食品的殺菌效果較好。K

14、anjiro Takahashi研究了溶液中大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、啤酒酵母的高壓滅菌效果發(fā)現(xiàn),常溫高壓處理時,pH=7.0時滅菌效果最差,而低溫下pH值的高低對滅菌效果無影響。對于酵母菌而言,pH值不是影響超高壓殺菌的主要因素13。3.6 水分活度的影響食物中的水分活度對微生物的耐壓性非常關(guān)鍵。對于任何干物質(zhì),即使處理壓力再高都不能將其中的細(xì)菌殺死,如果在干物質(zhì)中添加一定量的水分,則滅菌效果大大增強。Rodriguez試驗了高壓與水分活度對大腸桿菌的抑制作用表明,當(dāng)壓力為414MPa 時,水分活度從0.99降到0.91時,殺菌作用減弱14?？刂扑只疃饶芙档统邏簩雍辖湍妇鷼⒕鷷r的壓力。

15、因此,對于固體和半固體食品的超高壓殺菌,考慮水分活度的大小是十分重要的。3.7 微生物特性和種類的影響不同生長期的微生物對高壓的反應(yīng)不同。一般而言,處于指數(shù)生長期的微生物比處于穩(wěn)定期和衰亡期的微生物對壓力反應(yīng)更敏感。微生物的耐壓性與種類也有關(guān)系。例如：革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁較薄,肽聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,脂類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,當(dāng)受到超高壓作用時,細(xì)胞壁受到機械損傷更容易些,細(xì)胞更易死亡。而陽性菌細(xì)胞壁較厚,肽聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密 ,脂肪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低15。因此革蘭氏陽性菌的耐壓性強于革蘭氏陰性菌。真核生物比原核生物對壓力更加敏感。Farkas等發(fā)現(xiàn),在75溫度827MPa壓力下處理30min,梭

16、狀芽孢桿菌屬的芽孢仍能存活16。因此,殺滅芽孢桿菌需要因此對于一些抗壓性強的種類桿菌需要更高的壓力并結(jié)合其他處理方式 ,比如采用分段循環(huán)式超高壓處理、高壓脈沖處理、超高壓與其他殺菌方式協(xié)同處理及超高壓與抗菌劑協(xié)同處理等。3.8其他利用食品中原有的天然抗菌物質(zhì)或添加某些抑菌成分，都會促進(jìn)高壓殺菌效果17。此外與其他手段，如超臨界二氧化碳、間歇加壓等方法協(xié)同處理也可以減緩高壓殺菌的負(fù)面效應(yīng)。4 結(jié)語日本在超高壓食品技術(shù)的研究和應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先水平，美國、歐洲等國比較先進(jìn)，超高壓食品技術(shù)在我國的研究和應(yīng)用還處于起步階段18。制約我國食品超高壓技術(shù)發(fā)展的因素有：食品超高壓設(shè)備投資巨大；超高壓技術(shù)復(fù)

17、雜，涉及工程材料、機械制造、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科和領(lǐng)域；我國相關(guān)的食品法規(guī)是采用以熱加工為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；食品超高壓設(shè)備的工作容器較小，批處理量小，且大多屬于間歇式加工；我國食品工業(yè)的深加工程度較低；超高壓加工食品的酶促變質(zhì)、肉毒桿菌和芽孢的殺滅問題沒有解決19。對超高壓技術(shù)探索應(yīng)著眼于以下幾方面：開發(fā)出耐高壓而價格低廉的超高壓容器；更新相關(guān)食品法規(guī)，與國際接軌；實現(xiàn)超高壓設(shè)備的連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率；解決酶的鈍化、芽孢的殺滅等難題，開拓超高壓技術(shù)應(yīng)用新領(lǐng)域。國外先進(jìn)的超高壓技術(shù)為我國食品加工業(yè)的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。我們必須積極參與國際競爭，加快研究和開發(fā)，縮小與先進(jìn)國家的差距。隨著技

18、術(shù)的進(jìn)步，超高壓技術(shù)將會對我國食品行業(yè)產(chǎn)生重大影響，促進(jìn)食品工業(yè)的“技術(shù)革命”。為此,我國應(yīng)不失時機地跟上國際潮流 ,加快超高壓技術(shù)研究和應(yīng)用的步伐。后記在本次論文寫作過程中，黃進(jìn)寶老師對該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心指導(dǎo)與教導(dǎo)，使我得以最終完成畢業(yè)論文。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我學(xué)習(xí)的楷模。接著我還要感謝陪伴我們?nèi)甑陌嘀魅斡崂蚶蚶蠋?，感謝她三年來對我悉心的照顧和不倦的教誨，讓我們順利走過了大學(xué)三年。還有許多其他可敬的師長、同學(xué)、朋友給我的無言的幫助，在這里請接收我誠摯的感謝。最后我要向百忙之中抽時間對本文

19、進(jìn)行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師表示感謝。參考文獻(xiàn)1李宗軍.壓力溫度處理對肉制品中微生物的影響J.食品與機械,2006,22(3):1416. 2徐敏,孫貴,董鐵有,等.食品超高壓加工技術(shù)及其應(yīng)用前景J,河南科技大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)科學(xué)版,2003,23(1):6365.3潘巨忠，薛旭初，楊公明，康孟利超高壓食品加工技術(shù)的研究進(jìn)展J農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊，2005,3:1617 4陳祥奎.超高壓殺菌新技術(shù)J.食品與發(fā)酵工業(yè),1995(4):6971.5陳復(fù)生.食品超高壓加工技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1517.6李勇.超高壓致死微生物的研究進(jìn)展J.微生物學(xué)通報,1995,22(4):2426.7黃琴，賀稚非，龔霄，等超高壓滅菌技術(shù)及其在食品