第七章-食品加工新

第七章食品加工新技術(shù)第一節(jié)超高溫殺菌技術(shù)

超高溫殺菌技術(shù)（ultrahightemperature,UHT）是利用熱交換器或?qū)嵴羝苯优c食品接觸，使食品在135-150℃下，保持2-4s加熱殺菌后，迅速冷卻的殺菌方法。系英國1956年首創(chuàng)，荷蘭Stork公司在20世紀50年代率先研制開發(fā)了殺菌裝置。該乳的基本特點是達到商業(yè)無菌的要求同時，牛乳的品質(zhì)變化較小。一．UHT殺菌法的特點UHT殺菌溫度為135-150℃，在數(shù)秒間可完全殺死牛奶、豆奶及番茄沙司等食品中的微生物，殺菌效率特別高。物料經(jīng)殺菌后產(chǎn)生的物理、化學(xué)變化小，對外觀、風味、營養(yǎng)成分變化等無明顯影響。UHT殺菌法常常和無菌包裝技術(shù)結(jié)合在一起，使食品保持無菌狀態(tài)，在無需冷藏條件下保存數(shù)月。二．UHT殺菌對產(chǎn)品品質(zhì)的影響由于UHT殺菌是瞬間受熱，不足以引起牛乳化學(xué)成分的變化。但另一方面，存在著對酶鈍化不利這一問題。有的UHT殺菌牛乳在保存過程中，風味發(fā)生變化而使產(chǎn)品品質(zhì)變劣，其主要原因是由于脂肪氧化酶的殘存而使脂肪分解，產(chǎn)生氧化臭。另外，有的產(chǎn)品在存放3-6個月后，出現(xiàn)凝膠化現(xiàn)象，這與蛋白酶的殘存有關(guān)。第二節(jié)微膠囊技術(shù)微膠囊技術(shù)（microencapsulationtechnology），是在一個微小封閉膠囊中包埋液體、氣體或固體的技術(shù)。被包埋的物質(zhì)稱為核心，膠囊化的材料稱為壁材。微膠囊的直徑的大小通?？煞譃槌毮z囊（mm）、微膠囊（μm）和納米膠囊（nm），它們基本技術(shù)都與微膠囊技術(shù)有關(guān)。微膠囊的理想性狀為球形，但受原有材料結(jié)構(gòu)的影響，有時呈米粒狀、塊狀、針狀或折疊狀等不規(guī)則形態(tài)。微膠囊技術(shù)出現(xiàn)與20世紀30年代，最初應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)。食品工業(yè)的微膠囊技術(shù)應(yīng)用主要是通過包埋一些風味物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、色素、調(diào)味料、具生理活性物質(zhì)等，有效提高食品產(chǎn)品的質(zhì)量，其優(yōu)點在于：1.隔離活性成分，保護敏感物質(zhì)，有效減少這類物質(zhì)受外界環(huán)境因素（如光、氧氣、水等）影響而失效的程度。2.減少芯材向環(huán)境的擴散或蒸發(fā)。3.控制芯材的釋放。4.掩蔽芯材的異味。5.改變芯材的物理性質(zhì)（如顏色、性狀、密度、分散性能）、化學(xué)性質(zhì)等。6.對食品材料的質(zhì)構(gòu)有改善作用，可提高風味物質(zhì)的利用率。一．微膠囊的壁材與芯材1.即使在高濃度下也具有良好的流動性，保證在微膠囊化過程中有良好的可操作性。2.能夠乳化芯材并能穩(wěn)定所產(chǎn)生的乳化體系。3.在加工過程以及貯藏過程中能夠?qū)⑿静耐暾陌裨谄渲小?.易干燥、易脫落。5.具有良好的溶解性。6.安全性高、經(jīng)濟性好。（一）微膠囊壁材的性能1.碳水化合物類（1）環(huán)狀糊精最常用的壁材之一，其結(jié)構(gòu)是α-1，4糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖環(huán)狀聚糖，分子結(jié)構(gòu)形成一個無還原基的閉合環(huán)形分子，中心部分為疏水基，而葡萄糖單體的氫原子朝向環(huán)狀糊精的空腔，形成疏水性，能與有機分子形成包結(jié)絡(luò)合物。有機化合物分子的疏水性愈強，其復(fù)合物的結(jié)合能力愈大，在干燥無水狀態(tài)時非常穩(wěn)定，只有在200℃才能分解，而且耐酸、堿，不易受酶分解。葡萄糖單體的羥基指向環(huán)狀糊精的外側(cè)，使其具有水溶性，α-環(huán)狀糊精、β-環(huán)狀糊精、γ-環(huán)狀糊精的空腔直徑分別為47-53nm,60-65nm,75-83nm，要形成良好的絡(luò)合物，必須使環(huán)狀糊精空腔壁與客體分子相互匹配。普通的環(huán)狀糊精在有機溶劑中幾乎不能溶解，在水中的溶解度也很有限，而在環(huán)狀糊精結(jié)構(gòu)體上引入甲基或羥脯氨基等，生成歧化環(huán)狀糊精，對提高溶解度很有幫助。（2）變性淀粉變性淀粉是以植物淀粉經(jīng)化學(xué)修飾而得到的具有不同理化性能的產(chǎn)品，如用環(huán)狀雙羧酸酐或辛烯基琥珀酸酐等烷基、烷烯基酸酐進行酯化反應(yīng)，可得到具有親油性的變性淀粉，有良好的包埋物質(zhì)，對易揮發(fā)成分的保留性很好。與阿拉伯膠相比，變性淀粉黏度要低得多，制備的乳狀液更穩(wěn)定，進料時的固形物濃度可以更高。如用阿拉伯膠的固形物一般限制在35%，而用變性淀粉時固形物可達50%，這可使香料的損失顯著減少。2.植物膠類（1）阿拉伯膠在各種天然植物膠中，天然阿拉伯膠溶液的黏度最低，乳化性能最好，是唯一一種濃度達到50%以上而仍具有較好流動性的膠體，其黏度受pH影響較大，pH6-7時黏度最大。另外一個優(yōu)點是其對乳化的穩(wěn)定性，因此常作為乳化劑的穩(wěn)定劑，這對微膠囊液的制備很有利。天然阿拉伯膠含有氧化酶和過氧化酶，這對包埋易氧化的芯材不利，可先在80℃以上加熱1h以鈍化酶活性。（2）海藻酸鈉3.蛋白質(zhì)類明膠既是親水膠體，也是一種重要的蛋白源，其成膜性良好，而且明膠的凝膠具有膠凍力，膠凝后的明膠溶液具有承受一定壓力的能力，故明膠為壁材后具有良好的彈性和抗擠壓性能。酪蛋白的乳化能力較強，但溶解性不夠好，不適于單獨做壁材。乳清蛋白在寬廣的pH值、溫度和離子強度范圍內(nèi)具有良好的溶解度與很好的微膠囊化特性，常用于微膠囊化的乳清蛋白是乳清分離蛋白和乳清濃縮蛋白。（二）微膠囊材料和工藝選用原則微膠囊方式的選擇要根據(jù)產(chǎn)品的最終用途、釋放方式、安全方便及形態(tài)和囊壁的生物降解需要和成本來確定。1.確定工藝時要考慮的因素（1）芯材的溶解性在凝聚法中，芯材和壁材單體不能互溶，脂溶性芯材應(yīng)選用水溶性壁材，反之亦然，而且聚合生成的囊壁在芯材中的溶解度也很低。（2）芯材的潤濕性芯材能夠被壁材潤濕，二者才能有附著力，形成包埋，否則只能形成各自獨立的二相。對凝聚法而言，芯材的可潤濕性是微膠囊化成敗的關(guān)鍵。（3）壁的滲透性和其他流變性能不同制備工藝得到的囊壁厚度有很大差別，對產(chǎn)品的塑性、壓力破碎范圍和膜孔大小都有很大影響。（4）產(chǎn)品的制造成本2.在確定微膠囊壁材時要考慮的因素（1）微膠囊的釋放形式需要溶解釋放的微膠囊應(yīng)選用水溶性高的壁材，如天然蛋白質(zhì)、親水膠等，通過控制壁材在一定條件下的溶解速度來控制芯材的釋放，而以壓力釋放的微膠囊應(yīng)選擇聚合材料等。（2）微膠囊的滲透性壁材的化學(xué)組成會明顯影響囊壁上的孔徑大小，形成不同的滲透性能，這是影響微膠囊產(chǎn)品保質(zhì)期的最主要指標。（3）囊壁材料的黏度和干燥特性原料的黏度影響到設(shè)備的運行能力，而設(shè)備能力又限制了原料的配制濃度，從而影響微膠囊的包埋率和生產(chǎn)能力。壁材還必須能在設(shè)定的干燥條件下完全干燥，最終產(chǎn)品應(yīng)該是流動性良好的不粘粉末。作為食品的微膠囊還要求壁材可完全降解性。（4）壁材的機械強度壁材應(yīng)有一定的機械強度，以便于加工處理，但必須能在預(yù)定的壓力范圍發(fā)生破裂。（5）表面張力的影響芯材、壁材和介質(zhì)的分子在界面上所受的力與在本體內(nèi)的受力不同，這種力的不平衡使物體有將表面積縮小，力求趨向平衡的趨勢，也就是表面張力。在兩相中制備微膠囊，當囊芯是液體時，囊芯的表面張力是一恒值，該值與壁材的差值越大，微膠囊化容易進行，囊芯的微膠囊化效率就越高，囊芯所占質(zhì)量比可以越高。一般只要壁材的表面張力小于囊芯的都能進行，但若囊芯的表面張力小于壁材的時，微膠囊化的效率低，囊壁的孔隙大，制備的條件苛刻，需要使用表面活性劑改變表面張力。二．微膠囊化技術(shù)方法（一）噴霧干燥法先將芯材物質(zhì)分散在已經(jīng)液化的壁材溶液中，使之充分混合，然后將混合液送入干燥室。噴霧是依靠機械力（高壓或離心力）的作用，通過霧化器將物料破碎為霧狀微粒（其直徑約為10-1000μm），并與干燥介質(zhì)接觸，在接觸瞬間進行強烈的熱交換與質(zhì)交換，使?jié)饪s物料中的水分絕大部分在短時間內(nèi)被干燥介質(zhì)帶走而完成干燥。噴霧干燥的過程包括濃縮物料微粒加熱、表面水分汽化、微粒內(nèi)部水分向表面擴散以及對干物料的加熱，可分為預(yù)熱、恒速干燥和降速干燥三個階段。其特點是干燥過程迅速、干燥溫度較低。2.噴霧冷凍法其原理與噴霧干燥法相似，都是先將芯材物質(zhì)分散在已經(jīng)液化的壁材溶液中，使之充分混合，不同之處是溶劑的去除采用噴霧冷凍的方式。該法的工藝特點是與使用遠低于壁材凝固點的低溫空氣，霧化液滴與低溫空氣接觸后凝固，水分以升華的方式被除去。此法可用于水溶性芯材如酶、水溶性維生素等的微膠囊化，其主要優(yōu)點是能包埋保護一些熱敏性物質(zhì)和易揮發(fā)物質(zhì)。3.界面聚合法是將兩種含有雙（多）官能團的單體分別溶解在不相混容的兩種液體中，在兩相界面上兩種單體發(fā)生縮聚反應(yīng)。在不加攪拌的情況下，幾分鐘后即可在界面上形成縮聚產(chǎn)物的薄膜或皮層。這種縮聚纖維可以連續(xù)抽拉成薄膜或長絲，而在暴露出的新界面上繼續(xù)進行縮聚反應(yīng)，直到單體完全耗盡為止。通過加熱、攪拌、溶劑萃取、冷凍、干燥等方法將壁材中的溶劑去除，形成囊壁，再與介質(zhì)分離得到微膠囊產(chǎn)品。4.分子包埋法主要是利用具有特殊分子結(jié)構(gòu)的β-環(huán)狀糊精（β-CD）做壁材，包埋其他物質(zhì)的一種分子水平的微膠囊技術(shù)。β-CD是由7個葡萄糖分子以α-1，4糖苷鍵結(jié)合形成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的麥芽低聚糖，其獨特的環(huán)狀空間結(jié)構(gòu)形成了中間部位疏水，外表親水的特性，當被包埋物的分子尺寸和理化性質(zhì)與空腔匹配時，在范德華力和氫鍵的作用下形成穩(wěn)定的包含物。分子包埋法生產(chǎn)的微膠囊產(chǎn)品，在干燥狀態(tài)下穩(wěn)定，溫度達到200℃也不會分解；在濕潤狀態(tài)下，芯材容易釋放出來，適應(yīng)于食品的加香，如包埋香精、香料等，也可包埋微生物、色素、油脂等。三．微膠囊囊芯材料的釋放機理微膠囊的釋放原理有多種，主要有擴散釋放、壓力活化釋放、溶液活化釋放、pH敏感釋放、熔融活化釋放等。擴散釋放是囊芯在濃度梯度下擴散到微膠囊顆粒表面；壓力活化釋放是依賴壓力使囊壁破損以釋放活性芯材，無碳復(fù)寫紙便是一例；溶劑活化釋放可以將膠囊完全溶解釋放出內(nèi)容物，或者僅僅使其溶脹從而加快活性物的釋放，溶液活化控釋是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的控釋機制；pH敏感釋放是膠囊系統(tǒng)能對pH值變化做出反應(yīng)，當pH值變化時膠囊破裂釋放出囊芯材料；熔融活性釋放是指膠囊外壁熔融從而釋放出活性材料，如噴霧冷凝微膠囊的釋放；生物降解的釋放是利用生物酶降解大分子壁材，可分為瞬間打破釋放和緩慢釋放兩種。四．微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用微膠囊在食品工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，將食品及原料微膠囊化可以把液態(tài)食品固體化，使用更方便，質(zhì)量更可靠；食品添加劑和營養(yǎng)素的微膠囊化可使添加劑和營養(yǎng)素免受環(huán)境影響而變質(zhì)，而且微膠囊的緩釋功能使添加劑和營養(yǎng)素的效能發(fā)揮更充分。（一）食品及原料的微膠囊1.粉末油脂微膠囊化能夠?qū)τ椭M行有效的保護，降低在保存過程中的氧化哈敗，而且極大地提高油脂的使用方便性，最廣泛應(yīng)用的粉末油脂是人們熟悉的咖啡伴侶，產(chǎn)品的保質(zhì)期可達1年。此外如深海魚油、小麥胚芽油、γ-亞麻酸、DHA、EPA等含高度不飽和脂肪酸的油脂極易氧化變質(zhì)，而且?guī)в刑厥庑任痘虍愇?。通過微膠囊化使其成為固體粉末，不但能有效降低其氧化變質(zhì)的可能，而且異味也可得到掩蔽。

2.固體飲料飲料中總固體的含量一般不超過10%，飲料中的水占據(jù)了產(chǎn)品包裝、運輸?shù)慕^大部分，固體飲料則能克服這一缺點，而且可以長期保存。市場上常見的果珍、雀巢檸檬茶、菊花晶、高樂高等都屬于固體飲料。（二）食品添加劑的微膠囊1.粉末香精粉末香精已廣泛用于固體飲料、固體湯料、快餐食品和休閑食品中，能起到減少香味損失、延長留香時間的作用。如焙烤制品在高溫焙烤時香料易被破壞或蒸發(fā)，形成微膠囊后香料的損失大為減少，如果制成多層壁膜的微膠囊，而且外層為非水溶性壁材，那么在烘烤的前期香料會受到保護，僅在到達高溫時才破裂釋放出香料，因而可減少香料的分解損失。糖果食品，特別是口香糖需要耐咀嚼，常使用含溶劑少的高濃度香料微膠囊。固體湯粉調(diào)味品中，使用微膠囊形式的固體香辛料可以把蔥、蒜等的強刺激氣味掩蓋起來。2.食用色素的微膠囊如番茄紅素微膠囊（噴霧干燥法）蔗糖和食用明膠為壁材，質(zhì)量比為9：1，芯材：壁材=1：14。壁材以400mL蒸餾水溶解，番茄紅素用氯仿溶解，氯仿用量為1g番茄紅素溶于10mL氯仿；均質(zhì)30min，在均質(zhì)的同時將氯仿?lián)]發(fā)掉，再將此乳化液溶于水，使其固形物含量為10-15%。噴霧干燥進風溫度120-140℃，出風溫度為80-100℃。（三）營養(yǎng)強化劑的微膠囊1.大豆磷脂微膠囊（噴霧干燥法）稱取100g粉末狀大豆磷脂，加入1000ml溫水攪拌乳化后，在40℃水浴恒溫下加入100g微孔淀粉在攪拌下進行吸附，然后緩慢加入10%明膠溶液400ml，定容至1500ml，充分混合均勻。噴霧干燥工藝條件為：進料溫度50-60℃，進風溫度160℃左右，出風溫度90℃左右。2.薏苡仁酯微膠囊（銳孔-凝固浴法）壁材：海藻酸鈉，初始溶液的質(zhì)量濃度為10g/L；芯材：薏苡仁酯；芯材/壁材的質(zhì)量比為0.6：1；乳化劑在壁材與芯材乳化分散液中的質(zhì)量濃度為單甘脂1g/L，蔗糖酯0.5g/L；固化液：質(zhì)量濃度為10g/L的CaCl2。芯材和壁材乳化液保持在50-60℃，分散注入冷卻的CaCl2固化液中形成微膠囊，并在4℃左右的低溫下固化10min，篩分分離后用清水洗去膠囊表面的CaCl2殘留，脫水后的微膠囊置于45℃恒溫箱中干燥至質(zhì)量恒定。用該工藝條件制得的微膠囊產(chǎn)品，薏苡仁酯的包埋率達81.8%。第三節(jié)食品膜分離技術(shù)膜（membrane）分離技術(shù)最早可追溯到1854年，英國人Graham發(fā)明了透析現(xiàn)象開始。透析法是基于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度差，以擴散現(xiàn)象作為分離的驅(qū)動力，因而分離速度較慢。選用孔徑小的濾材，就有可能分離小于通常粒子的膠質(zhì)和蛋白質(zhì)之類的微小物體。這種分離方法最初由Schmidt在1861年報道，稱之為超濾（utrafliration）。反滲透（reverseosmosis）法最早作為海水淡化技術(shù)之一，1953年由佛羅里達大學(xué)Reid提出。1960年Loeb和Sourirajan發(fā)明了以醋酸纖維素為素材的非對稱膜（反滲透膜）制造法，使反滲透技術(shù)得到了快速的發(fā)展。進入20世紀70年代，隨著各種麼材料及膜組件的相繼開發(fā)，膜分離技術(shù)開始走向工業(yè)化，并涉及各個領(lǐng)域。食品工業(yè)的膜分離技術(shù)最初用于糖和牛乳的濃縮以及啤酒的無菌過濾，后來較多應(yīng)用于橙汁和蘋果汁的濃縮，膜分離法濃縮蘋果汁已形成工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，不少國家已建成反滲透濃縮果汁（或番茄）生產(chǎn)線、果汁超濾生產(chǎn)線或葡萄酒、啤酒超濾生產(chǎn)線。二．膜分離機理給溶液施加大于溶液滲透壓的壓力，使溶液中的水反向移動而被除去，簡稱反滲透。超濾的分離機理一般認為是篩孔分離過程，即選擇膜的孔徑，使水及小分子物質(zhì)可透過膜，大分子物質(zhì)被截留，從而達到澄清或濃縮的目的，故又成為高分子化合物的選擇性過濾。反滲透法和超濾法簡單的可以認為是依靠具有離子水平或分子水平的膜而進行的過濾。超濾膜孔徑一般在5-12nm之間，蛋白質(zhì)等大分子不能通過，糖、離子、氨基酸等小分子可以通過。20世紀80年代出現(xiàn)納濾膜，彌補了反滲透和超濾之間的空白。其膜的截留相對分子量界限為200-1000，相對應(yīng)的膜孔徑為1-3nm。納濾膜可以截留糖類等低分子質(zhì)量有機物和高價無機鹽（如MgSO4等），但對單價無機鹽的截留率僅為10-80%，即具有相當大的透過能力，因而膜兩側(cè)因離子濃度不同造成的滲透壓遠遠低于反滲透膜。納濾膜獨特的分離性能，決定了它的應(yīng)用范圍，即適用于對單價鹽分離的截留率要求不高、需對不同價態(tài)離子進行分離或?qū)Ω叻肿佑袡C物與低分子有機物進行分離時等幾種情況下的物質(zhì)分離。三.膜分離技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用（一）功能性低聚糖的分離純化大豆低聚糖是大豆中所含寡糖類化合物的總稱，主要成分為水蘇糖、棉籽糖和蔗糖，是從大豆乳清中分離提取的。大豆乳清液中含有大量的殘留蛋白會影響濃縮，并與糖類發(fā)生美拉德反應(yīng)而使得大豆低聚糖漿色黑味苦，質(zhì)量極差。通過超濾去除殘留蛋白、反滲透除鹽、納濾精制分離低聚糖的分批操作，可將廢液濃度從10%濃縮到22%。（二）對茶汁的過濾澄清茶提取液中含有蛋白質(zhì)、果膠、淀粉等大分子物質(zhì)和茶多酚類及其氧化產(chǎn)物，容易產(chǎn)生渾濁和沉淀現(xiàn)象。消除渾濁和沉淀是茶飲料生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)的工藝技術(shù)是采用低溫沉淀后離心去除，或采用添加堿性物質(zhì)、酶、吸附劑等方法進行轉(zhuǎn)溶或吸附去除，不僅損失了茶汁中的許多有效成分，而且造成風味的嚴重損失。而采用UF技術(shù)可有效去除茶汁中的大部分蛋白質(zhì)、果膠、淀粉等大分子物質(zhì)，而茶多酚、氨基酸、兒茶素、咖啡堿含量損失較少，而且醇不溶性物質(zhì)可以去除38-70%，澄清效果明顯。第四節(jié)超臨界流體萃取技術(shù)超臨界流體萃取技術(shù)（supercriticalfluidextraction,SFE）是用超臨界流體作為萃取溶劑，利用其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)對混合物進行萃取分離的一種高新技術(shù)。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究已有一個多世紀的歷史，但應(yīng)用于食品領(lǐng)域還是近30年的事。一．超臨界流體的性質(zhì)及超臨界流體

萃取的特點（一）超臨界流體的特有性質(zhì)進行超臨界流體萃取時，對超臨界流體的要求首先是具有良好的溶解性，其次是具有良好的選擇性。選擇超臨界流體的基本原則有兩條：①工藝操作溫度與超臨界流體的臨界溫度接近；②超臨界流體的化學(xué)性質(zhì)與待萃取成分的化學(xué)性質(zhì)相似。符合上述原則，一般會取得較好的分離效果。目前常用的超臨界流體有乙烷、乙烯、丙烷、亞氧化氮氣（笑氣）、二氧化碳等。其中因二氧化碳具有以下5個特點而被作為利用最多的超臨界流體。1.臨界溫度在31.1℃、臨界壓力7.3MPa，具有處于容易操作位置的臨界點。2.為不活性氣體，無臭、無味、無毒、無引火性和化學(xué)反應(yīng)性，對人體無害。3.容易得到高純度的流體，來源廣泛，價格便宜，且能循