食品殺菌新技術(shù)-超高壓殺菌技術(shù)（食品高新技術(shù)課件）

一、超高壓殺菌技術(shù)概述（一）超高壓殺菌技術(shù)的概念

食品超高壓技術(shù)是指將軟包裝或散裝的食品放入密封的、高強度的施加壓力容器中，以水和礦物油作為傳遞壓力的介質(zhì)，施加高靜壓（100~1000MPa），在常溫或較低溫度（低于100℃）下維持一定時間后，達(dá)到殺菌、物料改性、產(chǎn)生新的組織結(jié)構(gòu)、改變食品的品質(zhì)和改變食品的某些物理化學(xué)反應(yīng)速度的一種加工方法第三節(jié)超高壓殺菌技術(shù)（二）超高壓保藏技術(shù)的原理1.超高壓保藏技術(shù)的基本原理液體（水）在超高壓作用下被壓縮，而受壓食品介質(zhì)中的蛋白質(zhì)、淀粉、酶等產(chǎn)生壓力變性而被壓縮，生物物質(zhì)的高分子立體結(jié)構(gòu)中非共價鍵結(jié)合部分（氫鍵、離子鍵和疏水鍵等相互作用），即物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其結(jié)果是食品中的蛋白質(zhì)呈凝固狀變性、淀粉呈膠凝狀糊化、酶失活、微生物死亡，或使之產(chǎn)生一些新物料改性和改變物料某些理化反應(yīng)速度，故可長期保存而不變質(zhì)2.超高壓殺菌的原理（1）改變細(xì)胞形態(tài)極高的流體靜壓會影響細(xì)胞的形態(tài)，包括細(xì)胞外形變長，胞壁脫離細(xì)胞質(zhì)膜，無膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁變厚。上述現(xiàn)象在一定壓力下是可逆的，但當(dāng)壓力超過某一點時，便不可逆地使細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生變化（2）影響細(xì)胞生物化學(xué)反應(yīng)按照化學(xué)反應(yīng)的基本原理，加壓有利于促進反應(yīng)朝向減小體積的方向進行，推遲了增大體積的化學(xué)反應(yīng)，由于許多生物化學(xué)反應(yīng)都會產(chǎn)生體積上的改變，所以加壓將對生物化學(xué)過程產(chǎn)生影響（3）影響細(xì)胞內(nèi)酶活力高壓還會引起主要酶系的失活，一般來講壓力超過300MPa對蛋白質(zhì)的變性將是不可逆的，酶的高壓失活的根本機制是：①改變分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)；②活性部位上構(gòu)象發(fā)生變化通過影響微生物體內(nèi)的酶，進而會對微生物基因機制產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在由酶參與的DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄步驟會因壓力過高而中斷（4）高壓對細(xì)胞膜的影響在高壓下，細(xì)胞膜磷脂分子的橫切面減小，細(xì)胞膜雙層結(jié)構(gòu)的體積隨之降低，細(xì)胞膜的通透性將被改變（5）高壓對細(xì)胞壁的影響

20~40MPa的壓力能使較大細(xì)胞的細(xì)胞壁因受應(yīng)力機械斷裂而松解，200MPa的壓力下細(xì)胞壁遭到破壞。真核微生物一般比原核微生物對壓力較為敏感（三）超高壓技術(shù)處理食品的特點1.營養(yǎng)成分受影響小超高壓處理的范圍只對生物高分子物質(zhì)立體結(jié)構(gòu)中非共價鍵結(jié)合產(chǎn)生影響，因此對食品中維生素等營養(yǎng)成分和風(fēng)味物質(zhì)沒有任何影響，最大限度地保持了其原有的營養(yǎng)成分，并容易被人體消化吸收2.產(chǎn)生新的組織結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生異味

超高壓處理可改變食品物質(zhì)性質(zhì)，改善食品高分子物質(zhì)的構(gòu)象，獲得新型物性的食品超高壓會消除傳統(tǒng)的熱加工引起共價鍵的形成或破壞所致的變色、發(fā)黃及加熱過程出現(xiàn)的不愉快異味，如熱臭等弊端

3.利用超高壓處理技術(shù)，原料的利用率高超高壓處理過程是一個純物理過程，瞬間壓縮，作用均勻，操作安全衛(wèi)生，無工業(yè)“三廢”，耗能低，有利于生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進4.超高壓食品加工技術(shù)適用范圍廣，具有很好的開發(fā)推廣前景應(yīng)用于：各種食品的殺菌植物蛋白的組織化淀粉的糊化肉類品質(zhì)的改善動物蛋白的變性處理乳產(chǎn)品的加工處理食品高壓速凍酒類的催陳……（四）影響超高壓殺菌的主要因素1.壓力大小和受壓時間在一定范圍內(nèi)，壓力越高，滅菌效果越好。在相同壓力下，滅菌時間延長，滅菌效果也有一定程度的提高2.施壓方式超高壓滅菌方式有連續(xù)式、半連續(xù)式、間歇式。研究報道，同持續(xù)靜壓處理相比，階段性壓力變化處理殺菌效果較好對于易受芽孢菌污染的食物用超高壓多次重復(fù)短時處理，殺滅芽孢效果好3.微生物的種類不同生長期的微生物對高壓的反應(yīng)不同處于指數(shù)生長期的微生物比處于靜止生長期的微生物對壓力反應(yīng)更敏感革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對壓力更具抗性

孢子對壓力的抵抗力則更強革蘭氏陽性菌中的芽孢桿菌屬（Bacillus）和梭狀芽孢桿菌屬（Clostridum）的芽孢最為耐壓芽孢殼的結(jié)構(gòu)極其致密，使得芽孢類細(xì)菌具備了抵抗高壓的能力，殺滅芽孢需更高的壓力并結(jié)合其它處理方式4.溫度由于微生物對溫度有敏感性，在低溫或高溫下，高壓對微生物的影響加劇，因此，在低溫或高溫下對食品進行高壓處理具有較常溫下處理更好的殺菌效果大多數(shù)微生物在低溫下耐壓程度降低的原因：①壓力使得低溫下細(xì)胞因冰晶析出而破裂程度加?、诘鞍踪|(zhì)在低溫下高壓敏感性提高，致使此條件下蛋白質(zhì)更易變性，菌體細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)也更易損傷低溫下高壓處理對保持食品品質(zhì)，尤其是減少熱敏性成分的破壞較為有利在不同溫度—壓力組合下酵母菌死亡速率的等高線

研究發(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℃以下的高壓殺菌效果較20℃時好

適當(dāng)提高溫度對高壓殺菌有促進作用針對芽孢菌的高耐壓性，就現(xiàn)階段研究來看，結(jié)合溫度處理則是一種十分有效的殺菌手段5.pHpH是影響微生物在受壓條件下生長的主要因素之一在受壓條件下，培養(yǎng)基的pH有可能發(fā)生變化，細(xì)菌的最適pH范圍也變得較為狹窄酸性條件下微生物的耐壓性較差

對酵母菌類而言，采用超高壓處理時pH值并不是重要的因素6.水分活度（Aw）

水分活度（Aw）對滅菌效果影響也很大。低Aw產(chǎn)生細(xì)胞收縮和對生長的抑制作用，從而使更多的細(xì)胞在壓力中存活下來控制Aw無疑對高壓殺菌，尤其是固態(tài)和半固態(tài)食品的保藏加工有重要意義7.食品本身的組成和添加物營養(yǎng)豐富環(huán)境中微生物的耐壓性較強，蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類和鹽分對微生物具有緩沖保護作用，而且這些營養(yǎng)物質(zhì)加速了微生物的繁殖和自我修復(fù)功能食品基質(zhì)含有的添加劑組分對超高壓滅菌影響很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加劑，將提高加壓殺菌的效果（五）超高壓對微生物的影響1.微生物超高壓殺菌動力學(xué)曲線的形狀大多數(shù)微生物在超靜壓殺菌時的死亡規(guī)律仍遵循一級反應(yīng)動力學(xué)，殺菌曲線在半對數(shù)坐標(biāo)中大部分呈直線超高壓殺菌曲線的開始階段均呈“肩形”，即表明殺菌在開始的階段有一定的滯后

在殺菌曲線的結(jié)束階段（微生物數(shù)＜1000cfu/g時）又常有些“拖尾”

細(xì)菌營養(yǎng)體和芽孢的超高壓殺菌還經(jīng)常出現(xiàn)殺菌速率不同的兩個階段研究發(fā)現(xiàn)在升壓到指定值的短短幾分鐘內(nèi)，微生物的滅活已經(jīng)從恒速階段轉(zhuǎn)為降速階段超高壓加工的八寶飯2.微生物的耐壓性一般來講，革蘭氏陽性菌營養(yǎng)體壓力抵抗能力強于革蘭氏陰性菌營養(yǎng)體在非芽孢的革蘭氏陽性致病菌中，研究最多的對象菌是金黃色葡萄球菌（Staphyloccocusaureus）和單核細(xì)胞增生李斯特菌（Listeriamonocytogenes）

從耐壓性和食品安全性方面考慮，大腸桿菌O157：H7和沙門菌成為食品超高靜壓殺菌技術(shù)研究中必須關(guān)注的焦點之一

肉毒梭狀芽孢桿菌（C.botulinum）的芽孢是目前已知的最為耐壓的微生物之一（1）非芽孢細(xì)菌的耐壓性

細(xì)菌的耐壓性與處理時的溫度有關(guān)，為超高靜壓與適當(dāng)高溫相結(jié)合的處理工藝提供了依據(jù)耐熱的細(xì)菌通常都比熱敏性的細(xì)菌耐壓基于細(xì)菌菌種之間的差異以及懸浮分散介質(zhì)的不同，細(xì)菌對壓力的耐受能力也會各有不同細(xì)菌耐壓性的差異不僅在于種屬的不同，而且還與來源有關(guān)，同一種屬的菌株之間也可能有較大差異

革蘭氏陽性菌超高壓殺菌的指示菌：非致病性的無害李斯特菌代替食源性致病菌單核細(xì)胞增生李斯特菌革蘭氏陰性菌超高壓殺菌的指示菌：大腸桿菌科（Enterobacteriaceae）（2）細(xì)菌芽孢的耐壓性一般認(rèn)為，對于低酸性食品，壓力應(yīng)超過800MPa，否則超高壓處理必須與熱處理結(jié)合才能有效地殺滅細(xì)菌芽孢芽孢的耐壓性和耐熱性之間沒有任何確定的關(guān)系

對芽孢的滅菌可以采用兩次超高靜壓處理法，第一次采用較低的壓力處理促使芽孢發(fā)芽或者活化芽孢，第二次處理以較高的壓力使得營養(yǎng)體細(xì)胞和發(fā)芽的芽孢失活超高壓保鮮的牡蠣

細(xì)菌的芽孢不僅極為耐壓，而且其耐壓性的水平差異很大。這種差異與形成芽孢的條件和壓力處理的條件有關(guān)

細(xì)菌芽孢超高壓殺菌的指示菌：生芽孢梭狀芽孢桿菌

PA3679（ClostridiumsporogenesPA3679）或枯草芽孢桿菌（3）酵母和霉菌的耐壓性霉菌的所有營養(yǎng)體細(xì)胞只需在相對低溫和低壓下處理幾分鐘后就可滅活；而子囊孢子則需要更高的壓力霉菌超高壓殺菌對象菌：曲霉類菌株（如黑曲霉）（4）病毒的耐壓性為殺滅有害細(xì)菌而選擇的壓力條件（如400MPa）基本上能滿足滅活大多數(shù)人類病毒的要求病毒超高壓殺菌指示菌：噬菌體（如大腸桿菌噬菌體）（5）寄生蟲的耐壓性寄生蟲的耐壓性比細(xì)菌差食源性寄生蟲超高壓指示菌：非致病菌（六）超高壓對食品成分與品質(zhì)的影響1.超高壓對食品基本成分的影響（1）超高壓對蛋白質(zhì)的影響

壓力導(dǎo)致：①鹽鍵及至少部分疏水鍵的破壞②氫鍵在某種程度上得到加強③共價鍵的可壓縮性較小，對壓力的變化不敏感

對四級結(jié)構(gòu)的影響：適當(dāng)?shù)膲毫Γǎ?50MPa）能促進低聚蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解離，接著可能就是亞單位的聚合或沉淀（＞150~200MPa）

對三級結(jié)構(gòu)的影響：在200MPa以上的壓力作用下發(fā)生顯著的變化

對二級結(jié)構(gòu)的影響：在很高壓力下（＞700MPa）發(fā)生變化，導(dǎo)致非可逆變性

超高壓（＜700MPa）對蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)無影響，有利于二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但會破壞其三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)超高壓迫使蛋白質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)伸展，分子從有序而緊密的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序而松散的構(gòu)造，或發(fā)生變形，活性中心受到破壞，失去生物活性

高壓破壞蛋白質(zhì)膠體溶液，使蛋白質(zhì)凝集，形成凝膠蛋白質(zhì)經(jīng)過超高壓處理，不論在色澤、光澤、風(fēng)味、透明度上都取得了良好特性，同時在硬度、彈性上也具有很好的特性超高壓可用于蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾以產(chǎn)生新的功能

利用壓力對蛋白質(zhì)的影響作用可應(yīng)用于食品加工處理和保藏的范圍：

①通過解鏈和聚合（低溫凝膠化、肌肉蛋白質(zhì)在低鹽或無鹽時形成凝膠、乳化食品中流變性變化）對質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重組②通過解鏈、離解或蛋白質(zhì)水解提高肉的嫩度③通過解鏈（即蛋白質(zhì)酶抑制劑、漂燙蔬菜）鈍化毒物和酶④通過解鏈增加蛋白質(zhì)食品對蛋白酶的敏感度，提高可消化性和降低過敏性⑤通過解鏈增加蛋白質(zhì)結(jié)合特種配基的能力，增加分子表面疏水特性，能夠結(jié)合風(fēng)味物質(zhì)、色素、維生素、無機化合物和鹽等（2）超高壓對食品中酶的影響酶受到高壓作用后，維持其空間結(jié)構(gòu)的鹽鍵、氫鍵、疏水鍵等遭到破壞，從而使肽鍵分子伸展成不規(guī)則的線形多肽，使其活性部位不復(fù)存在，導(dǎo)致了酶的失活在100~200MPa的壓力下酶的失活是可逆的，壓力達(dá)到350MPa以上時，會使酶產(chǎn)生永久性的不可逆失活

超高壓對酶的作用效果可分為兩方面：一方面較低的壓力能激活一些酶；另一方面非常高的壓力可導(dǎo)致酶失活利用高壓處理可使果蔬中一些酶被激活或失活，對于食品的色澤、香味及品質(zhì)都有很大的提高

每種酶都存在最低失活壓力，低于這個壓力酶就不會失活，當(dāng)超過這個壓力時（在特定時間內(nèi)）酶的失活速度會加速，直到完全失活對于一些酶又存在一個最高壓力，高于此壓力并不會導(dǎo)致酶的額外失活

在相等的處理時間下，應(yīng)用循環(huán)脈沖壓力處理可以改善酶的失活（3）超高壓對淀粉的影響在常溫下把淀粉加壓到400~600MPa，并保持一定的作用時間后，淀粉顆粒將會：①溶脹分裂；②晶體結(jié)構(gòu)遭到某種程度的破壞；③內(nèi)部有序態(tài)分子間的氫鍵斷裂，分散成無序的狀態(tài)，即淀粉糊化為α-淀粉高壓處理可提高淀粉對淀粉酶的敏感性，從而提高淀粉的消化率超高壓可以提高各種淀粉的膠凝溫度

與熱處理相比，超高壓對淀粉的作用特點為：高壓使淀粉粒膨脹卻不破裂；

超高壓所致完全糊化的淀粉無老化現(xiàn)象，而超高壓所致的未完全糊化的淀粉有老化現(xiàn)象；低于700MPa的壓力時淀粉不會產(chǎn)生類似熱加工的變色

超高壓可改善陳米的品質(zhì)：陳米在20℃吸水潤濕后在50～300MPa處理10min，再按常規(guī)煮制成飯，其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范圍，同時光澤和香氣也得到改良。還可縮短煮制時間（4）超高壓對脂類的影響高壓對脂類的影響是可逆的室溫下，呈液態(tài)的脂肪在高壓下（100~200MPa）基本可固化，發(fā)生相變結(jié)晶，促使更稠、更穩(wěn)定的脂類晶體形成；不過解壓后仍會復(fù)原，只是對油脂的氧化有一定的影響

（5）超高壓對維生素的影響一般情況下，還原型維生素C含量經(jīng)高壓處理后出現(xiàn)了下降和上升兩種情況

Fe3+對于維生素C的降解起著重要作用，在高壓下會更加明顯

Cu2+的存在，在高壓下會激活銅酶，銅酶是維生素C降解的重要酶類之一

在高壓作用下，氧化型維生素C可能會轉(zhuǎn)變成還原型維生素C

總體來看，無論上升還是下降，其幅度都很小，可以認(rèn)為高壓處理對維生素C的影響很小

（6）高壓對風(fēng)味物質(zhì)、色素等的影響食品中的風(fēng)味物質(zhì)、維生素、色素及各種小分子物質(zhì)結(jié)合狀態(tài)為共價鍵的形式，故而高壓處理過程對其幾乎沒有任何影響食品的黏度、均勻性及結(jié)構(gòu)等特性對高壓較為敏感，但這些變化往往是有益的三、超高壓殺菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用（一）超高壓技術(shù)在肉制品加工中的應(yīng)用（二）超高壓技術(shù)在水果加工中的應(yīng)用（三）超高壓技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用（四）超高壓技術(shù)在乳制品加工中的應(yīng)用（五）超高壓技術(shù)在其他食品加工中的應(yīng)用二、超高壓設(shè)備超高壓裝置的主要部分是超高壓容器和加壓裝置（高壓泵和增壓器等),其次是一些輔助設(shè)施，包括加熱或冷卻系統(tǒng)、監(jiān)測和控制系統(tǒng)及物料的輸入輸出裝置等。超高壓食品加工裝置的結(jié)構(gòu)特點和要求超高壓處理設(shè)備應(yīng)能產(chǎn)生并承受要求的超高壓（100-1000MPa），保證安全性，有較長的使用壽命，循環(huán)載荷次數(shù)多；設(shè)備的衛(wèi)生條件要求較高，和食品接觸的部分應(yīng)用不銹鋼，傳壓介質(zhì)最好采用水；設(shè)備有一定的處理能力，生產(chǎn)附加時間短，效率高；設(shè)備應(yīng)價格便宜，操作費用低。高壓容器的強度由于壓力過高以致簡體應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力，因此單靠材料本身是無法滿足強度要求的。在結(jié)構(gòu)上，采用多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)的形式主要有三種。多層壁（熱套）結(jié)構(gòu)環(huán)帶式結(jié)構(gòu)纏繞式結(jié)構(gòu)高壓容器密封性超高壓容器的密封性結(jié)構(gòu)是整個超高壓食品加工設(shè)備的一個重要組成部分，食品加壓裝置的有效運行將取決于密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。根據(jù)食品加工裝置的特點要求密封結(jié)構(gòu)具有快裝快拆、啟動次數(shù)頻繁、密封結(jié)構(gòu)可靠、裝拆維修方便等特點。高壓容器的密封結(jié)構(gòu)可分為三類：強拆是密封半自緊式密封自緊式密封超高壓容器超高壓容器通常為圓筒形，高壓容器內(nèi)介質(zhì)（壓媒）一般為飲用水，最理想的介質(zhì)為黏度不能太高的油，一般以變壓器油與煤油按3：1比例混合，既有一定黏度，對機器有潤滑作用，否則對活塞的磨損比較大。用于對食品等物料的處理時，傳壓介質(zhì)可用水，當(dāng)超高壓設(shè)備的壓力為100-600MPa時，一般可用水作為傳壓介質(zhì)；但當(dāng)壓力超過600MPa以上時，一般宜采用油性傳壓介質(zhì)。加壓裝置加壓裝置主要指超高壓泵和增壓器，超高壓泵一般為電動液壓泵，由柱塞泵、控制閥、油箱、電機和儀表等組合成的一個獨立的液壓動力裝置。增壓器為傳壓和增壓的裝置，它通過低壓大直徑活塞驅(qū)動高壓小直徑活塞，將壓力（強）提高。有些超高壓泵系統(tǒng)本身就帶有增壓器。加壓系統(tǒng)還包括管路、接頭、閥門和過濾器等。超高壓核心部件（二）超高壓處理設(shè)備的種類按照加壓方式分類內(nèi)部加壓式：靠高壓容器內(nèi)活塞直接壓縮煤產(chǎn)生高壓。根據(jù)加壓缸與超高壓容器連接的形式又分為一體型和分體型。外部加壓式：超高壓容器和加壓裝置分離，可用超高壓泵和增壓器產(chǎn)生高壓介質(zhì)，并通過高壓配管將高壓介質(zhì)送至超高壓容器。（三）超高壓食品加工處理裝置試驗用高壓裝置生產(chǎn)用超高壓裝置外部升壓式超高壓裝置線圈結(jié)構(gòu)超高壓裝