對(duì)超高壓殺菌技術(shù)現(xiàn)狀及影響殺菌效果因子的研究
■ 叢立生 丹東出入境檢驗(yàn)檢疫局
王鐵龍 中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院
付 楠 中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院
田世民 中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院
張?zhí)燔?中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心
摘 要:本文介紹我國(guó)超高壓殺菌技術(shù)研究的現(xiàn)狀,及其影響殺菌效果的關(guān)鍵因子:壓力大小和加壓時(shí)間、加壓方式、處理溫度、微生物、食物本身組成和添加物、pH 值、水分活度等等,通過(guò)研究關(guān)鍵因子,希望為以后的超高壓殺菌的研究起到推動(dòng)和借鑒的作用。
關(guān)鍵詞:超高壓殺菌 現(xiàn)狀 殺菌效果 影響
隨著人們生活水平的提高,人們對(duì)食品的質(zhì)量及產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來(lái)越高。人們總是去追求色澤好、形狀好、營(yíng)養(yǎng)豐富的產(chǎn)品,而且希望盡可能的保證產(chǎn)品安全,不添加防腐劑和其他化學(xué)添加劑。在罐頭食品殺菌發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中,熱力殺菌是我們最常使用、最為經(jīng)濟(jì)的、最為有效的殺菌方式,但是由于其自身有一定的局限性,因此,我們?cè)诓煌5淖穼ば碌臍⒕绞。利用超高壓技術(shù)加工產(chǎn)品就是其發(fā)展的一個(gè)方向。它能夠有效地克服傳統(tǒng)熱加工處理方法帶來(lái)的很多弊端,能夠較好的保持物料原有的營(yíng)養(yǎng)成分,而且加工活食品的口感適宜、色澤鮮艷、保質(zhì)期較長(zhǎng),而且整個(gè)食品加工過(guò)程的能量消耗也較傳統(tǒng)的加工工藝有著很大程度地降低。本文結(jié)合研究了超高壓殺菌技術(shù)現(xiàn)狀及殺菌的特點(diǎn) ,旨在推動(dòng)我們國(guó)家在罐頭食品超高壓殺菌技術(shù)方面的研究和應(yīng)用。
1 超高壓殺菌技術(shù)現(xiàn)狀
超高壓加工技術(shù)(Ultra high-pressure processing), 又稱高靜水壓加工技術(shù)(High hydrostatic pressure processing)或高壓加工技術(shù)(High-pressure processing), 是指媒介物(通常是液體介質(zhì),如水)在極高的壓力(例如100~1000MPa)下產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化,進(jìn)而引起酶鈍化、微生物滅活、組織改性等物理化學(xué)生物效應(yīng),從而達(dá)到食品安全保藏及改性。
早在1899 年,美國(guó)化學(xué)家Bert、Hite 就證明了牛奶、果蔬和其他食品、飲料中的微生物對(duì)壓力的敏感,并證明高壓處理能夠延長(zhǎng)食品的貨架期。1914 年,美國(guó)物理學(xué)家Briagmum 提出了在靜水壓500MPa下蛋白質(zhì)凝固,700MPa 形成凝膠的報(bào)告。高壓在食品工業(yè)上的應(yīng)用,有日本京都大學(xué)林力丸教授于1986 年提出,并于1991 年4 月日本開發(fā)了首個(gè)高壓食品—果醬。直到今天,世界上許多國(guó)家都對(duì)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)行了廣泛深入的研究,并應(yīng)該開始向市場(chǎng)供應(yīng)超高壓食品。在歐洲,已經(jīng)開發(fā)出了許多水果和熟食等超高壓產(chǎn)品。近年來(lái),我國(guó)也已經(jīng)對(duì)高壓設(shè)備和超高壓食品進(jìn)行研究。
1.1 超高壓殺菌技術(shù)特點(diǎn)
根據(jù)帕斯卡原理,在食品殺菌過(guò)程中液體可以瞬間均勻地傳遞到整個(gè)食品,與食品的幾何尺寸、形狀、體積等無(wú)關(guān),食物受壓均一,壓力傳遞速度快,而且不存在壓力梯度,使得殺菌過(guò)程較為簡(jiǎn)單,能耗也明顯降低。固態(tài)食品和液態(tài)食品的處理工藝不同。固態(tài)食品如肉、禽、魚、水果等需裝在耐壓、無(wú)毒、柔韌并能傳遞壓力的軟包裝內(nèi),進(jìn)行真空密封包裝,以避免壓力介質(zhì)混入,然后置于超高壓容器中,進(jìn)行加壓處理。處理工藝是升壓—保壓—卸壓三個(gè)過(guò)程,通常進(jìn)料、卸料為不連續(xù)方式生產(chǎn)。液態(tài)食品如果汁、奶、飲料、酒等,一方面可像固態(tài)食品一樣用容器由壓力介質(zhì)從外圍加壓處理。也可以直接以被加工食品取代水作為壓力介質(zhì),但密封性要求嚴(yán)格,處理工藝為升壓—動(dòng)態(tài)保壓—卸壓三個(gè)過(guò)程,用第二種方法可進(jìn)行連續(xù)方式生產(chǎn)。
1.2 超高壓殺菌對(duì)微生物的影響
我們知道微生物的熱力致死是由于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化(損傷)、酶的失活、蛋白質(zhì)的變性、DNA 直接或間接的損傷等主要原因引起的。超高壓能破壞氫鍵之類的結(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;還能使菌體內(nèi)成分產(chǎn)生泄漏和細(xì)胞膜破裂等多種菌體損傷。
食品超高壓殺菌,即將食品物料以某種方式包裝好之后, 放人液體介質(zhì)中,在100MPa ~1000MPa 壓力下作用一段時(shí)間, 使之達(dá)到滅菌要求。極高的靜壓會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài),高壓對(duì)細(xì)胞膜、細(xì)胞壁都有影響。在壓力作用下,細(xì)胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。壓力引起的細(xì)胞膜功能劣化將導(dǎo)致氨基酸攝取受抑。
1.3 超高壓殺菌對(duì)酶的影響
蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)是形成酶活性中心的基礎(chǔ),超高壓作用使維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級(jí)鍵被破壞,導(dǎo)致三級(jí)結(jié)構(gòu)崩潰,使酶的活性中心發(fā)生改變或喪失活性中心,從而改變其酶催化活性。酶的活性一般隨著施加壓力的提高先上升后下降,在較低的壓力下,酶的失活通常是可逆的,有時(shí)還會(huì)造成酶活性的增強(qiáng)。而在較高的壓力下,酶活性顯著下降,且為不可逆的失活。酶的活性一般隨著施加壓力時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降,但超過(guò)半小時(shí)以上影響不在顯著。間歇式的加壓對(duì)一些酶的鈍化效果要比單純的連續(xù)加壓好一些。體系中存在的蛋白質(zhì)、糖、脂肪和一些可溶性的鹽類等都對(duì)酶具有一定的保護(hù)作用,使酶的耐壓性有所提高。
1.4 超高壓殺菌對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響
由于超高壓對(duì)共價(jià)鍵的影響較小,因此超高壓本身對(duì)產(chǎn)品品質(zhì),如顏色、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分破壞較小,但是超高壓會(huì)破壞細(xì)胞,使原本分區(qū)的底物和沒(méi)有完全滅活的接觸,從而引發(fā)一些列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。此外,不能完全滅活的微生物對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)也有重要影響。
1.4.1 超高壓殺菌對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)成分的影響
目前已有很多的研究表明,除極端高壓外,一般強(qiáng)度的高壓不會(huì)影響產(chǎn)品中維生素的含量。Polydera 等比較了還原橙汁的超高壓處理(500MPa,35℃,5min)與傳統(tǒng)熱處理(80℃, 30sec)效果, 發(fā)現(xiàn)前者Vc 降解較慢,而且顏色幾乎沒(méi)有受到影響。同Vc 類似,維生素B 族在室溫的高壓下比較穩(wěn)定,但是隨著溫度或是壓力的升高其分解加快。
總的來(lái)說(shuō),壓力對(duì)維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響較小,但極端條件(如極高壓、高溫)會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的大量損失。
1.4.2 超高壓殺菌對(duì)果蔬食品顏色的影響
常溫高壓不影響葉綠素,甚至顏色更深,但由于細(xì)胞被破壞,葉綠素呈游離態(tài),在貯藏期間易發(fā)生氧化使顏色變化。相比之下,高溫高壓處理使酶完全鈍化而不會(huì)導(dǎo)致貯藏期間顏色的變化。同樣的,花青素在常溫高壓處理下比較穩(wěn)定,但在貯藏期會(huì)發(fā)生變化。
除了色素的變化,貯藏期間的酚類物質(zhì)的酶促褐變也是高壓果蔬變色的重要原因。Palou 等發(fā)現(xiàn)香蕉漿的PPO 活性與25℃貯藏的褐變率正相關(guān)。因此,PPO 的鈍化成為抑制褐變的關(guān)鍵。Lopez-Malo 等指出鱷梨汁的顏色變化依賴于超高壓處理后殘留的PPO 活性及貯藏溫度,超高壓結(jié)合低pH 可以有效抑制鱷梨汁的PPO 活性。另外超高壓處理使果蔬組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,組織結(jié)構(gòu)和色素交互作用也影響著果蔬的顏色和透明度。
1.4.3 超高壓殺菌對(duì)果蔬食品風(fēng)味的影響
通常認(rèn)為超高壓處理不會(huì)改變果蔬的新鮮風(fēng)味,因?yàn)槌邏簹⒕挥绊戯L(fēng)味分子的共價(jià)結(jié)構(gòu)。然而,由于超高壓會(huì)增強(qiáng)或是抑制酶促及非酶促反應(yīng),因此可以間接地改變一些風(fēng)味物質(zhì)的含量并干擾果蔬中風(fēng)味的平衡,從而間接地導(dǎo)致其他風(fēng)味的產(chǎn)生。例如800MPa20℃處理20min 改變了草莓漿的風(fēng)味,產(chǎn)生一些顯得化合物,如r- 內(nèi)酯,這種風(fēng)味與桃子相似; 400MPa 室溫處理20min 草莓漿中乙醛含量翻倍。
盡管高壓不能完全保持果蔬原有的新鮮風(fēng)味,但較之于對(duì)風(fēng)味破壞更加嚴(yán)重的傳統(tǒng)熱加工來(lái)說(shuō),該方法依然有著很好的前景。
2 影響殺菌效果因素
和熱力殺菌一樣,超高壓殺菌效果也與諸多因素有關(guān)系, 這里我們借鑒熱力殺菌中對(duì)這些因素的稱呼,也稱之為“關(guān)鍵因子”。超高壓殺菌中的關(guān)鍵因子主要有:壓力大小和加壓時(shí)間、加壓方式、處理溫度、微生物、食物本身組成和添加物、pH 值、水分活度等等。根據(jù)產(chǎn)品的不同這些關(guān)鍵因子影響的順序和大小是不一樣的,因此我們要對(duì)此進(jìn)行評(píng)估。
2.1 壓力大小和加壓時(shí)間的影響
在一定范圍內(nèi),壓力越高滅菌效果越好,相同壓力下,滅菌效果隨滅菌時(shí)間的延長(zhǎng)也有一定程度的提高。富余非芽孢類微生物,施壓范圍為內(nèi)300 ~ 600MPa 時(shí)有可能全部致死, 對(duì)于芽孢類微生物,有的可在1000MPa 的壓力下生存,對(duì)于這類微生物,施壓范圍在300MPa 以下時(shí),反而會(huì)促進(jìn)芽孢發(fā)芽。池元斌研究了高壓對(duì)鮮牛奶中細(xì)菌行為的影響,鮮牛奶中細(xì)菌菌落的尺寸取決于處理壓力的高低以及齙牙時(shí)間的長(zhǎng)短。保壓時(shí)間越長(zhǎng),處理壓力越高,細(xì)菌菌落直徑越小。
2.2 加壓方式
采用間歇式加壓殺菌的方式殺菌效果明顯優(yōu)于連續(xù)式加壓殺菌效果,許多研究人員認(rèn)為這是優(yōu)于第一次加壓會(huì)引起芽孢發(fā)芽,第二次加壓則使這些發(fā)芽而成的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞殺死。因而對(duì)于易受芽孢菌污染的食物用超高壓多次重復(fù)短時(shí)處理, 殺滅芽孢的效果較好。
2.3 處理溫度
受壓時(shí)的溫度對(duì)于滅菌效果有明顯的影響。在高溫和低溫下,高壓對(duì)于微生物的活性影響都比較敏感。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。低溫下, 壓力會(huì)使得細(xì)胞內(nèi)冰晶析出而破裂的程度加劇,所以低溫對(duì)于高壓滅菌也有促進(jìn)作用。對(duì)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(shí)間短。因?yàn)樵谝欢囟认拢⑸锏鞍踪|(zhì)、酶等成分均會(huì)發(fā)生一定程度的變性。因此,根據(jù)不同食品的需要, 在對(duì)食品各個(gè)方面的品質(zhì)沒(méi)有明顯影響的情況下,適當(dāng)提高溫度對(duì)高壓殺菌有促進(jìn)作用。
2.4 微生物的種類與特性
不同生長(zhǎng)期的微生物對(duì)壓力反應(yīng)不同。一般地說(shuō),處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微生物比處于靜止生長(zhǎng)期的微生物對(duì)壓力反應(yīng)更敏感。革蘭氏陽(yáng)性菌比革蘭氏陰性菌對(duì)壓力更具抗性,革蘭氏陰性菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)更復(fù)雜而更易受壓力等環(huán)境條件的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化。孢子對(duì)于壓力的抵抗力更強(qiáng)。芽孢類細(xì)菌, 同非芽胞類的細(xì)菌相比,其耐壓性很強(qiáng),當(dāng)靜壓超過(guò)100MPa 時(shí),許多非芽胞類的細(xì)菌都失去活性,但芽孢類細(xì)菌則可在高達(dá)1200MPa 的壓力下存活。革蘭氏陽(yáng)性菌中的芽孢桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬的芽孢最為耐壓。
2.5 食物本身的組成和添加物
超高壓殺菌時(shí),各種食品的物理、化學(xué)性質(zhì)不同,使用的壓力要求也不同,例如:用300MPa 的壓力可滅活豬肉糜中腐敗菌和食物中毒菌,而且含菌量隨著施壓時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少, 而滅活橙汁中的酵母、霉菌,所需的壓力低得多。在高壓下,食品的化學(xué)成分對(duì)滅菌效果有明顯作用。蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物對(duì)微生物有緩沖保護(hù)作用,而且這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加速了微生物的繁殖和自我修復(fù)功能。Kanjiro Takahashi 研究了低溫下共存物對(duì)高壓滅菌效果的影響,選用的物質(zhì)分別為NaCl、蛋清、葡萄糖、豬油,在不同壓力和不同溫度下處理,均證明這些物質(zhì)的存在使微生物存活率提高。 食品基質(zhì)含有的添加劑組分對(duì)超高壓滅菌影響很大,但有些食品在高壓殺菌時(shí)可考慮使用天然抑菌劑,其協(xié)同效應(yīng)使處理壓力降低。
2.6 pH 值
每一種微生物生長(zhǎng)繁殖所適應(yīng)的pH 值都有一定的范圍, 氫離子濃度對(duì)其生命活動(dòng)影響 很大。高濃度的氫離子可起菌體表面蛋白質(zhì)和核酸水解,并破壞酶類活性。因此酸性環(huán)境不利于多數(shù)微生物的正常生長(zhǎng),這也是第一代高壓食品以酸性食品,如果醬、果汁等為主的原因之一。Roberts 報(bào)道pH 4 ~ 7 的范圍內(nèi),以pH4 對(duì)凝結(jié)芽孢桿菌孢子的壓力致死效果最好。Kajiyama 以大腸桿菌苗懸液為對(duì)象,發(fā)現(xiàn)加壓時(shí)間相同時(shí), pH 7 ~ 8.8,400MPa 的處理與pH 4.4 ~ 5,300MPa 具有相同的致死率。Cola 等人對(duì)杏蜜中的啤酒酵母施以700MPa 的高壓滅菌有pH 3.5 優(yōu)于 pH 5.0 的結(jié)論。當(dāng)然,也有不同結(jié)論。Oxen 用200 ~ 400MPa 處理魯伯紅酵母,結(jié)果pH3.0 ~ 8.0 的范圍內(nèi)結(jié)果差別不大。這可能是由于該試驗(yàn)中,水分活度的影響占了主要地位?偟膩(lái)看,高壓酸性食品的研究比較全面, 而關(guān)于超高壓對(duì)低酸性食品的作用則需要對(duì)更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。
2.7 水分活度
水分活度是指食品中水的蒸汽壓和該溫度下純水的飽和蒸氣壓的比值。不同類群微生物生長(zhǎng)繁殖的最低水分活度范圍不同,大多數(shù)細(xì)菌為0.99 ~ 0.94, 大多數(shù)霉菌為0.94~ 0.80, 大多數(shù)耐鹽細(xì)菌為0.75,耐干燥霉菌和耐高滲透壓酵母為0.65 ~ 0.60。在水分活度低于0.60 時(shí),絕大多數(shù)微生物就無(wú)法生長(zhǎng)。所以 水分活度對(duì)滅菌效果影響很大。
阮征等的實(shí)驗(yàn)是用蔗糖等調(diào)節(jié)水分活度,結(jié)果表明,水分活度低于0.94 時(shí),室溫下400MPa 處理紅酵母15min 所產(chǎn)生的致死作用會(huì)受到抑制。30℃,水分活度為0.96,400MPa 時(shí), 15min 的處理可使酵母細(xì)胞減少1 個(gè)數(shù)量級(jí);當(dāng)水分活度減至0.94,酵母失活不足兩個(gè)數(shù)量級(jí);當(dāng)水分活度低于0.91,幾乎沒(méi)有失活現(xiàn)象。研究表明,水分活度大小對(duì)微生物抵抗壓力非常關(guān)鍵,對(duì)于固體與半固體食品的超高壓滅菌,考慮水分活度的大小十分重要。
三 結(jié)論
超高壓殺菌技術(shù)在國(guó)內(nèi)外日趨成熟,從在我國(guó)應(yīng)用方面來(lái)看,也取得了一定的發(fā)展,引起了人們的廣泛重視。超高壓技術(shù)具有傳統(tǒng)熱加工技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),因此也是我們未來(lái)發(fā)展的方向之一。
針對(duì)我國(guó)出口食品農(nóng)產(chǎn)品逐年增加的現(xiàn)狀,我們迫切需要提高我們的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,那么在高壓殺菌領(lǐng)域里面,我們?cè)趺床拍軌蛉〉酶蟮陌l(fā)展。我們針對(duì)特定食品選擇特定的殺菌工藝,優(yōu)化殺菌參數(shù),積累數(shù)據(jù),從而保證超高壓食品的安全性。同時(shí),應(yīng)積極研究超高壓與關(guān)鍵因子的關(guān)系,調(diào)節(jié)好產(chǎn)品,關(guān)鍵因子,殺菌協(xié)同的關(guān)系,從而獲得良好的超高壓殺菌效果。是超高壓處理的食品符合21 世紀(jì)食品簡(jiǎn)便、衛(wèi)生、天然和營(yíng)養(yǎng)的消費(fèi)要求,不僅如此,超高壓殺菌技術(shù)還是我們節(jié)能減排,節(jié)約成本的發(fā)展方向,同樣也可以提高我國(guó)產(chǎn)品在世紀(jì)商品中的競(jìng)爭(zhēng)力。
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對(duì)超高壓殺菌技術(shù)現(xiàn)狀及影響殺菌效果因子的研究.pdf