超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用

四川食品与发酵ＳｉｃｈｕａｎＦｏｏｄａｎｄＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ第４４卷（第３期）Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．３超高压技术（ｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＵＨＰ），也称为静水压技术（ｈｉｇｈｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，ＨＨＰ），又称为超高压杀菌技术（ｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）。

超高压杀菌是指将密封于柔性容器内的食品置于压力系统中，以水或其他液体作为传压介质，采用１００ＭＰａ以上的压力处理食品，以达到杀菌、灭酶和改善食品功能特性的目的［１］。

由于超高压杀菌技术实现了常温或较低温度下杀菌和灭酶，保证了食品的营养成分和感官特性，因此被认为是一种最有潜力和发展前景的食品加工和保藏新技术，并被誉为“食品工业的一场革命”、“当今世界十大尖端科技”等。

目前，超高压灭菌技术广泛的应用于含液体成分的固态食品或液态食品的杀菌，如蔬菜、水果、奶类产品、肉类产品、酱油等的杀菌。

但目前存在的最大难题是超高压设备设计相当困难，以及超高压设备和大流量的高压泵系统制造费用非常昂贵等。

１超高压杀菌技术的发展对食品高压杀菌处理最早的报道是１８９５年Ｒｏｇｅｒ［２］报道的高压对微生物的作用。

１８９９年Ｈｉｔｅ［３］发现了高压处理牛乳和果汁等能延长其保存期，但他的研究工作并未引起人们的关注。

１９１４年，美国物理学家Ｐ．Ｗ．Ｂｒｉａｇｍａｎ正式提出了食品超高压加工技术，他报道了静水压５００ＭＰａ下卵蛋白变性凝固，７００ＭＰａ下形成凝胶，但在之后的较长时间内这一现象并未应用到食品工业中，直到１９８６年日本京都大学林立丸助教发表了高压食品加工的研究报告后才引起了高压食品研究的热潮。

１９９１年日本明治屋食品公司运用这一技术生产出了世界上第一种高压果酱食品，并取得了良好的试售效果，被称为２１世纪食品。

１９９８年，美国市场出现了高压食品鳄梨酱。

法国ＵＬＴＩ公司利用高压收稿日期：２００８－０２－２５作者简介：黄琴（１９８２－），女，西南大学硕士研究生。

研究方向：食品微生物与发酵工程。

超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用黄琴，贺稚非，龚霄，郭辽朴，伍先绍（西南大学食品科学学院，重庆４００７１５）摘要：超高压杀菌技术是食品加工业中的一种高新技术，具有广泛的应用前景。

本文介绍了超高压杀菌技术的发展历史、杀菌机理、杀菌影响因素以及超高压杀菌技术对食品营养成分的影响和其在食品工业中的应用。

关键词：超高压；灭菌；食品工业中图分类号：ＴＳ２０１．１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－６８９２（２００８）０３－００４６－０００５ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＵｌｔｒａＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＳｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＦｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙＨＵＡＮＧＱｉｎ，ＨＥＺｈｉｆｅｉ，ＧＯＮＧＸｉａｏ，ＧＵＯＬｉａｏｐｕ，ＷＵＸｉａｎｓｈａｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｏｄａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎｅｗａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｏｏｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｈａｖｅａｗｉｄｅｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｔｏｆｏｏｄｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｏｏｄｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｆｏｏｄｉｎｄｕｓｔｒｙ生产桔汁和釉汁［４］。

目前，日本、美国和欧洲等国家在高压食品的研究和开发方面走在了世界前列。

我国主要是在果蔬、乳类、肉类等灭菌方面超高压技术研究和应用的较多。

２超高压杀菌技术的杀菌机理微生物的热力致死是由于细胞膜结构变化、酶失活、蛋白质变性、ＤＮＡ损伤等主要原因引起的。

而超高压是破坏氢键之类弱结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活，以及使菌体内成分产生泄露和细胞膜破裂等多种菌体损伤［５］。

高压会影响细胞的形态。

细胞内含有小的液泡、气泡和原生质，这些液泡、气泡和原生质的形状在高压下会变形，从而导致整个细胞的变形。

研究表明，细胞内的气体空泡在０．６ＭＰａ压力下会破裂。

埃希氏大肠杆菌的长度在常压下为１μｍ￣２μｍ，而在４０ＭＰａ下为１０μｍ￣１００μｍ。

高压对细胞膜和细胞壁也有一定的影响。

在压力作用下，细胞膜的磷脂双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。

加压对细胞膜常常表现出通透性的变化和氨基酸摄取的受阻。

当压力为２０ＭＰａ～４０ＭＰａ时，细胞壁会发生机械性断裂而松懈；当压力为２００ＭＰａ时，细胞壁会因遭到破坏而导致微生物的细胞死亡。

压力对微生物的抑制作用还可能是由于压力引起主要代谢酶或蛋白质的失活。

众所周知，酶是有催化活性的一类特殊蛋白质，是由多种氨基酸以肽键结合形成链状的高分子物质。

酶蛋白的高级构造除共价键外，还有离子键、疏水键、氢键和二硫键等较弱的键。

当蛋白质经高压处理后，其离子键、疏水键会因体积的缩小而被切断，从而导致其立体结构崩溃，蛋白质变性，酶失活。

一般来说，１００ＭＰａ￣３００ＭＰａ压力下引起的蛋白质变性是可逆的，但当压力超过３００ＭＰａ时，蛋白质变性是不可逆的［６］。

同样，凡是以较弱的结合构成的生物体高分子物质，如核酸、脂肪、糖类等物质都会受到超高压的影响，从而使生物体的生命活动受到影响甚至停止，这就是高压处理可达到杀菌目的的机理。

３超高压杀菌的影响因素在超高压杀菌过程中，由于食品成分和组织状态十分复杂，因此要根据不同的食品对象采取不同的处理条件。

一般，影响超高压杀菌的主要因素有：压力大小、加压时间、加压温度、ｐＨ、水分活度、食品成分、微生物生长阶段和微生物种类等。

３．１压力大小和加压时间在一定范围内，压力越高，杀菌效果越好。

在相同的压力下，杀菌时间越长，杀菌效果也越好。

３００ＭＰａ以上的压力会使细菌、霉菌、酵母菌灭活，病毒在较低的压力下就会失去活力。

非芽孢菌在３００ＭＰａ￣６００ＭＰａ时就可全部致死，芽孢菌在１０００ＭＰａ压力下仍可存活。

池元斌等人研究了超高压对鲜牛奶中细菌的影响，鲜牛奶中细菌菌落尺寸取决于加工压力的高低以及加压时间的长短。

加压时间越长，压力越大，细菌菌落直径越小［７］。

３．２加压温度温度是影响微生物生长代谢最重要的环境因素，在低温或高温下，超高压对微生物的影响加剧。

大多数微生物在低温下的耐压程度降低，这主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出而破裂的程度加剧，所以低温对超高压杀菌有促进作用［８］。

加压热杀菌可以减少加热时间或降低杀菌所需的温度；同时，适当的中温也会减少加压所需的时间和强度。

因此，在温度的协同作用下，超高压杀菌效果可大大提高。

Ｈａｖａｋａｗａ报道，８００ＭＰａ，６０ｍｉｎ，在６０℃条件下可将嗜热芽孢杆菌的数量从１０６个／ｍＬ降到１０２个／ｍＬ，而在室温下同样的压力和时间，菌落则不会发生变化。

３．３ｐＨ在压力作用下，介质的ｐＨ会影响微生物的生长。

据报道，一方面压力会改变介质的ｐＨ，且逐渐缩小微生物生长的ｐＨ范围。

另一方面，在食品允许范围内，改变介质ｐＨ，使微生物生长环境劣化，也会加速微生物的死亡速率使超高压杀菌时间缩短或降低所需压力［９］。

大肠杆菌在常压下，ｐＨ４．９和ｐＨ１０．０，生长受到抑制；在２７．２ＭＰａ下，ｐＨ５．８和ｐＨ９．０，生长受到抑制；在３４．０ＭＰａ下，ｐＨ６．０和ｐＨ８．７，生长受到抑制。

３．４水分活度水分活度（Ａｗ）对高压杀菌效果影响也很大。

Ｊ．Ｊ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ通过研究证明了水分活度对杀菌效果有显著的影响作用，其影响作用因压力大小而异，当压力为４１４ＭＰａ时，水分活度从０．９９降至０．９１，杀菌作用减弱。

低水分活度产生细胞收缩和对生长的抑制作用，从而使更多的细胞在压力中存活下来［１０］。

因此水分活度大小对微生物抵抗压力非常关键，对于固第４４卷（总第１４４期）４７黄琴等：超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用体与半固体食品的超高压杀菌，应充分考虑水分活度的重要性。

３．５食品成分由于食品成分十分复杂，因而对高压杀菌的影响情况也很复杂。

通常食品中富含高盐高糖时，其杀菌速率会出现减慢趋势。

富含蛋白质、油脂的食品高压杀菌较困难，但添加适量的脂肪酸酯、糖酯及乙醇后，加压杀菌效果会增强。

在高压下，食品的化学成分对杀菌效果有明显的影响。

蛋白质、碳水化合物和脂类对微生物具保护作用；强化的培养基因富含可供细菌利用的氨基酸和维生素等营养物质，从而对细菌在超高压下具有很好的保护作用［１１］。

另外，食品基质所含的添加剂组分对超高压灭菌也有很大的影响。

３．６微生物的种类和生长阶段超高压杀菌效果还与微生物的种类和生长阶段有关。

革兰氏阴性菌的细胞膜结构复杂且易受压力等环境条件的影响发生结构变化；而革兰氏阳性菌的耐压性较强。

芽孢类细菌比非芽孢类细菌的耐压力强。

当压力超过１００ＭＰａ时，许多非芽孢细菌都失去活性，但芽孢细菌则可在高达１２００ＭＰａ下存活［１２］。

因此，杀灭芽孢细菌应需更高的压力，并适当结合其他处理方式。

微生物在不同的生长阶段其对压力的耐受性不同。

研究表明，微生物在生长期，特别是对数生长期对压力很敏感。

４超高压灭菌对食品中营养成分的影响传统的加热杀菌法处理食品，易造成食品中热敏性营养成分的破坏，且会发生食品变褐和产生蒸煮味等，而采用高压杀菌技术处理食品，在灭菌的同时较好的保持了食品原有的色、香、味及营养成分。

高压对食品中营养成分的影响主要有以下几个方面。

４．１对蛋白质的影响高压可使蛋白质结构中的氢键、离子键、疏水键等破坏，使蛋白质变性。

许钟等人对鱼肉蛋白进行高压处理，发现鱼肉蛋白质变性的压力比其他蛋白质低很多。

在３００ＭＰａ￣４００ＭＰａ压力下处理鱼糜可得到具有高弹性、透明和具光泽的凝胶，保持致密的组织性，且放于低温下，弹力会进一步增强［１３］。

酶是蛋白质，超高压处理对食品中各种酶的活性也有影响。

经超高压处理水产品中的蛋白酶、酪氨酸酶等失活，可减缓酶促褐变和降解反应。

一般，压力在３５０ＭＰａ以下范围内，随着压力的提高酶活逐渐下降，但压力高于３５０ＭＰａ时，酶活又有所回升，这种现象可能与酶分子内部结构和活性部位的构象有关［１４］。