食品工業中的超高壓滅菌技術

　　隨著人們生活水平的提高，人們對食品的質量及安全性越來越重視，要求營養、原汁原味、具有更長的貨架期和新鮮的口味，防腐劑和其他化學添加劑盡可能少用，利用超高壓技術加工食品是一個物理過程，它能順應這一趨勢，被譽為“食品工業的一場革命”，引起了人們的高度重視。利用超高壓技術加工食品，有效地克服了傳統熱加工處理方法帶來的種種弊端，較好地保持了物料原有的營養成分，而且加工后的食品口感適宜、色澤鮮艷、保質期較長，而且整個食品加工過程的能量消耗也較傳統的加工工藝有著很大程度地降低。

    1.超高壓滅菌技術

    超高壓滅菌技術的特點：

    超高壓殺菌技術是20 世紀90 年代由日本明治屋食品公司首創的殺菌方法，它同加熱殺菌一樣，經100MPa 以上超高壓處理后的食品，可以殺死其中大部分或全部的微生物、鈍化酶的活性，從而達到保藏食品的目的，它是一個物理過程，在食品加工過程中主要是利用Le Chace－lier 原理和帕斯卡原理。

    根據帕斯卡原理，在食品殺菌過程中的液體可以瞬間均勻地傳遞到整個食品，與食品的幾何尺寸、形狀、體積等無關，食物受壓均一，壓力傳遞速度快，而且不存在壓力梯度，使得殺菌過程較為簡單，能耗也明顯降低。

    固態食品和液態食品的處理工藝不同。固態食品如肉、禽、魚、水果等需裝在耐壓、無毒、柔韌并能傳遞壓力的軟包裝內，進行真空密封包裝，以避免壓力介質混入，然后置于超高壓容器中，進行加壓處理。處理工藝是升壓－保壓－卸壓三個過程，通常進料、卸料為不連續方式生產。液態食品如果汁、奶、飲料、酒等，一方面可像固態食品一樣用容器由壓力介質從外圍加壓處理，也可以直接以被加工食品取代水作為壓力介質，但密封性要求嚴格，處理工藝為升壓－動態保壓－卸壓三個過程，用第二種方法可進行連續方式生產。

    食品超高壓滅菌原理：我們知道微生物的熱力致死是由于細胞膜結構變化（損傷），酶的失活，蛋白質的變性，DNA 直接或間接的損傷等主要原因引起的。而超高壓能破壞氫鍵之類弱的結合鍵，使基本物性變異，產生蛋白質的壓力凝固及酶的失活；還能使菌體內成分產生泄漏和細胞膜破裂等多種菌體損傷。

    食品超高壓殺菌，即將食品物料以及某種方式包裝好之后，放入液體介質中，在100－1000MPa 壓力下作用一段時間，使之達到滅菌要求。極高的靜壓會影響細胞的形態。高壓對細胞膜、細胞壁都有影響。在壓力作用下，細胞膜磷脂雙分子層結構的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。壓力引起的細胞膜功能劣化將導致氨基酸攝取受抑制。

    食物主要是由蛋白質、淀粉、脂質、核酸、水等分子組成的立體結構。在高壓下，食物中的小分子（如水分子）之間的距離要縮小，而蛋白質等大分子物質仍保持球狀，這時水分子等小分子就要產生滲透和填充效果，進入并黏附在蛋白質等大分子周圍，使蛋白質等的食物中的生物大分子鏈在加工壓力下，由超高壓降為常壓后被拉長，從而導致其部分或全部結構被破壞，這樣便改變了蛋白質的性質（簡稱“變性”）。超高壓同樣能導致酶的全部或部分結構被破壞，這樣便使酶失去活性（簡稱“失活”）。

    微生物也是由蛋白質組成的，由于在高壓下蛋白質變性，致使微生物內部組織破壞而死亡；另外，在高壓下，食品中某些物質的分子會穿透組成微生物的細胞膜，可致使微生物的細胞膜遭受損壞，甚至被破壞，因此，這就可以達到滅菌消毒的目的（簡稱為“滅菌”）。

    2.食品工業中的超高壓技術

    在全球范圍內，食品的安全問題日益突出，消費者要求營養、天然高質量、無化學防腐劑的食品的呼聲很高，超高壓食品加工技術正是在這一形勢下發展起來的，它不僅能保證食品在微生物方面的安全，而且能較好地保持食品固有的營養品質、風味、色澤、新鮮程度。

    超高壓技術處理食品的特點：超高壓技術的一個獨特的性質是它只作用于食品成分的非共價鍵，從而保證共價鍵的完好無損，這在保持食品原有品質方面是非常有益的。利用超高壓加工食品達到滅菌并保持原有營養成分的方法，在國際上受到了學術界的關注。

    超高壓對食品成分的保持有重要的作用，能夠改變食品的凝固點、熔點、濃度等物理性質和改善食品的組成狀態以及結構屬性等。水在超高壓下被壓縮，而受壓介質中的蛋白質、淀粉等物質也被壓縮，即在高壓下形成生物體結構的氫鍵結合、離子鍵結合以及疏水鍵等非共價鍵結合發生變化，導致酶失活、微生物被殺死；同樣，食物中的微生物及香氣等低分子化合物也具有共價鍵結合，在高壓下不發生變化。超高壓加工食品的特點大致可以概括為以下幾個方面：具有冷殺菌的作用；保持食品的營養價值；形成食品特有的色澤和風味；具有速凍及不凍冷藏效果；延長食品的保質期；改善生物多聚體的結構，調節食品質構；簡化食品加工工藝，節約能源；原料的利用率高，無“三廢”污染。

    超高壓滅菌與傳統滅菌技術的比較：在當今的食品加工領域，雖然熱加工技術是食品加工的核心技術之一，是一種自古以來根據經驗而確定的加工技術，特別是近130 多年的研究和發展，已經確立了雄厚的科學理論基礎和成熟的加工技術基礎。當前的食品加工、食品衛生法規、食品加工設備設計都是以熱處理技術為基礎的，但是食品在進行熱處理時由于受到高溫的影響會產生許多缺陷，歸結起來主要有以下幾個方面：

    加熱處理使食品化學成分發生重大變化，甚至產生有害成分；加熱處理破壞食品原有天然風味和顏色，甚至產生異味；加熱處理嚴重損害食品的營養價值，造成食物資源的浪費；熱處理所帶來的高能耗和環境污染問題與傳統的熱加工技術相比，超高壓具有如下優點：

    超高壓加工可以在保持食品原有風味條件下殺菌，這種食品可再經簡單加熱后食用，從而擴大半調理食品的用途；壓力加工可以使食品加工過程多樣化，能開發各種新食品及工藝；超高壓的處理過程是一個純物理的過程，它對食品中的風味、色素等各種小分子物質的天然結構及水解物質均無影響，加壓既可以達到殺菌的目的，又能保持原有的新鮮風味；超高壓能實現速凍的效果；經超高壓處理的食品無“回生”現象，殺菌效果良好，便于長期保存；超高壓能瞬間以同樣大小向各個方向傳遞，瞬間傳遞到食品的中心，節約能源；超高壓食品的加工過程是一個純物理過程，瞬間加壓、作用均勻、操作安全、耗能低。

    高壓與傳統的化學處理食品（即添加防腐劑）比較，優點在于：一、不需向食品中加入化學物質，克服了化學試劑與微生物細胞內物質作用生成的產物對人體產生的不良影響，也避免了食物中殘留的化學試劑對人體的負面作用，保證了食用的安全。二、化學試劑使用頻繁，會使菌體產生抗性，殺菌效果減弱，而超高壓滅菌為一次性殺菌，對菌體作用效果明顯。三、超高壓殺菌條件易于控制，外界環境的影響較小，而化學試劑殺菌易受水分、溫度、pH 值、有機環境等的影響，作用效果變化幅度較大。四、超高壓殺菌能更好地保持食品的自然風味，甚至改善食品的高分子物質的結構，如作用于肉類和水產品，提高了肉制品的嫩度和風味；作用于原料乳，有利于干酪的成熟和干酪的最終風味，還可使干酪的產量增加，而化學試劑沒有這種作用。

    綜上所述，高壓技術在殺菌方面的優點是無化學添加劑；壓力作用迅速均勻；在常溫或低溫下進行，口味和風味得以保持；營養損失小，工藝簡化，節約能源，無“三廢”污染。

    3.超高壓滅菌技術的應用

    1991 年4 月世界上第一號高壓食品──果醬（七個風味系列）問世，并在日本取得良好的試售效果，引起了整個日本國內的轟動，被人們譽為21 世紀食品，食品超高壓處理技術也被稱為“食品工業的一場革命”，可被應用于所有含液體成分的固態和液態食品，如水果、蔬菜、奶制品等。日本、美國的一些果汁飲料廠家已經開始利用這項新技術。下面是超高壓技術在食品加工中的應用實例：

    超高壓技術在果蔬產品加工中的應用：超高壓技術在食品工業中最成功的應用就是果蔬產品的加工，主要用于該類產品的殺菌作用。日本、美國的一些果汁飲料廠家已經開始利用這種新技術。經過高壓處理的果汁可達到商業無菌狀態，處理后果汁的風味、組成成分都沒有發生改變，在室溫下可以保持數月。

    食品的品質和風味改良與新產品開發：根據高壓能改變食品物料的某些物性的原理，進行葡萄柚汁的去苦、增加蛋白質食品的凝膠特性與氣泡性等功能，可使肉類變得松軟可口；高壓還可以使食品中的有害蛋白質、一些酶和毒素失活，保持食品安全性，食品營養價值不變。高壓技術已經應用于：處理柑橘苦味和熱臭味、處理淀粉的糊化、產生新的質構、處理胡蘿卜、處理大蒜、肉的嫩化以及制抗過敏奶粉等。

    控制酶反應和滅酶：對酶的影響不同于對微生物的影響，除了使酶失活外，還可以使某些在常壓下受抑制的酶激活，從而提高酶的活性，其中有些對產品是有利的。高壓也可以加快某些在常壓下反應緩慢或不發生的反應，現在較為成功的是果汁和生酒等在保藏期控制酶發生的渾濁和品質惡化。

    高壓速凍和不凍冷藏：高壓速凍可有效的提高凍結速度，縮短冷凍時間，從而產生盡可能小的冰晶，避免冰晶組織產生不可逆破壞和變性。高壓解凍可以被認為是高壓凍結的逆過程，通過高壓使食品中的冰晶融化，然后再提高融化的溫度，使食品的溫度達到常壓時的凍結點之上，完成解凍過程。高壓解凍比常壓解凍時間縮短1／3，汁液流失少，色澤鮮艷度稍有增加。

    在肉制品加工方面的應用：肉類等經過高壓處理能殺滅肉類中的細菌，包括大腸桿菌、綠膿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、腸菌等，不損壞維生素等營養成分及風味，改善肉組織。

    在魚制品方面的應用：日本大洋漁業公司研究所采用超高壓技術生產魚糕，在殺菌后其口感、風味都比較理想，彈性增加。同時，超高壓技術也用在制作魚醬中，其產品的感觀評價優于普通魚醬。

    在乳制品方面的應用：目前，超高壓在乳制品中的應用主要集中在對干酪的影響和酸乳的影響。

    在烹調方面的應用：把加壓后的玉米用水煮，具有米香味，此外，陳米經過超高壓處理，煮出來的米飯與新米一樣可口：HAYASHIRIKIMARU 等研究高壓處理雞蛋；德國M N Eestiaghi 等用高壓處理馬鈴薯。

    應用于保健品的加工：采用超高壓技術可以大大縮短營養成分的提取時間，保健食品一般含有較高的熱敏性營養保健成分，同一種功能性保健食品，用超高壓技術進行加工，比熱加工營養成分提高30%左右。

    由于超高壓是基于對食品主成分水的壓縮效果，它是利用帕斯卡定律，因此對于不適合這一定律的干燥食品、粉狀或粒狀食品，不能采用超高壓處理技術；由于超高壓下食物的體積會縮小，故只能用軟材料包裝；一些產芽孢的細菌，特別是低酸性食品中的肉毒梭菌，需要的壓力更高；超高壓設備造價高。