高密度二氧化碳技術(shù)在食品加工中的應用研究

劉文營，黃麗燕，盧曉明，張 強，趙維高，王旭清，韓兆鵬，劉旭明

(1.國家蛋品工程技術(shù)研究中心，北京 102115; 2.北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，北京 100081)

高密度二氧化碳技術(shù)在食品加工中的應用研究

劉文營1，2，+，黃麗燕1，2，+，盧曉明1，2，*，張 強1，2，趙維高1，2，王旭清1，2，韓兆鵬1，2，劉旭明1，2

(1.國家蛋品工程技術(shù)研究中心，北京 102115; 2.北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，北京 100081)

作為一項重要的非熱加工技術(shù)，高密度二氧化碳(Dense Phase Carbon Dioxide，DPCD)技術(shù)已經(jīng)成為目前食品殺菌、鈍酶和改善食品品質(zhì)上較為活躍的研究方向之一。對DPCD在食品加工領(lǐng)域的研究進展進行了綜述，以期為DPCD技術(shù)的深入研究與廣泛應用提供參考。

高密度二氧化碳，食品加工，應用

為了滿足消費者對加工食品品質(zhì)的需求，以及在食品加工過程中最大限度的保存食品原有的有益成分，對食品進行“最低程度破壞加工”的研究日益受到重視，其中非熱加工是一類有效可行的方法。高密度二氧化碳技術(shù)(Dense Phase Carbon Dioxide，簡稱DPCD)作為一種新型非熱加工技術(shù)，其通過二氧化碳的分子效應來達到殺菌和鈍酶，大量研究結(jié)果表明，DPCD技術(shù)在低溫條件下能有效殺菌，同時最大限度地保持食品營養(yǎng)、風味和新鮮度等品質(zhì)［1－7］，且不會影響食品安全性，這種技術(shù)在液態(tài)和固態(tài)食品中均有使用，是一種綠色潔凈技術(shù)，在食品加工應用中具有重要意義。二氧化碳具有化學惰性，無腐蝕性，高揮發(fā)性和獨特的經(jīng)濟性，在一定壓力下具有殺菌作用。與傳統(tǒng)的熱力殺菌技術(shù)相比，DPCD的處理溫度低，對食品中的熱敏物質(zhì)破壞作用小，有利于保持食品原有品質(zhì);與超高壓殺菌技術(shù)(300～600MPa)相比，DPCD殺菌技術(shù)處理壓力低(一般低于20MPa)，容易達到并控制壓力。因此本文對DPCD殺菌技術(shù)在食品加工中的應用研究進展進行了綜述，以期為更深入的研究和更廣泛的應用提供理論參考。

1 在畜產(chǎn)品加工中的應用研究

閆文杰等［8］利用DPCD對豬肉進行了處理，對經(jīng)過DPCD處理后的豬肉在貯藏過程中的品質(zhì)和理化性質(zhì)進行了分析。結(jié)果表明，DPCD處理對冷卻豬肉在貯藏過程中的pH、a*值和揮發(fā)性鹽基氮值有顯著影響，但對L*值、保水性、肌原纖維小片化指數(shù)值、硫代巴比妥酸值、羰基值沒有顯著影響;DPCD處理壓力越高，對冷卻豬肉理化性質(zhì)的影響越有利，但對顏色和保水性的影響越不利，其中，冷卻豬肉經(jīng)21MPa、50℃的DPCD處理30 min后，a* 值顯著降低(P＜0.01)，肉變成灰白色。Choi等［9］研究也發(fā)現(xiàn)鮮肉經(jīng)過DPCD處理變成灰白色，亮度增加。

為了更深入的研究DPCD作用的機理，Ishikawa等［10］在磷酸鈉鹽緩沖液中采用微泡技術(shù)對肌紅蛋白進行DPCD處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肌紅蛋白的二級結(jié)構(gòu)受到很大程度的破壞。廖紅梅等［11］利用DPCD對牛初乳處理后發(fā)現(xiàn)，在20MPa、37℃條件下DPCD處理30min以上，能較好地殺滅牛初乳中的細菌，同時牛初乳發(fā)生了色澤變亮、粒度增大、黏度和pH均降低等變化。結(jié)果表明，DPCD不僅具有良好的殺菌效果，而且對改善肉品的理化性質(zhì)方面也具有良好的幫助作用。DPCD處理后的蛋白會發(fā)生二級結(jié)構(gòu)的變化，二級結(jié)構(gòu)是三維折疊的基本要素，決定著蛋白質(zhì)的某些特性，經(jīng)過處理后的肌肉組織和牛乳等色澤都發(fā)生了變化，其他理化特性也有變化。

2 在蛋品加工中的應用研究

傳統(tǒng)液蛋產(chǎn)品的殺菌方式通常采用巴氏殺菌。該法對殺滅食源性致病菌非常有效，但同時也會降低熱敏感產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，影響產(chǎn)品的感觀品質(zhì)。液蛋是一種含有熱敏蛋白的產(chǎn)品，加熱易凝固，采用非熱殺菌技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理技術(shù)，既能殺滅產(chǎn)品中的微生物，尤其是致病微生物，確保產(chǎn)品安全，延長產(chǎn)品貨架期，又能夠保持產(chǎn)品良好的感觀特性和營養(yǎng)價值。

鄭海濤等［12］采用高密度二氧化碳(DPCD)技術(shù)處理雞蛋全蛋液，研究不同溫度和壓力條件下對大腸桿菌和沙門氏菌的殺滅效果。結(jié)果表明，殺菌效果隨著溫度升高、壓力的增加而提高;處理條件為: 15MPa、35℃、15min，大腸桿菌和沙門氏菌數(shù)量分別降低了3.07和1.89個對數(shù)值。因此，DPCD對蛋品進行殺菌同樣具有良好的效果。

3 在果蔬加工中的應用研究

果蔬及其制品中含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和酶類，在傳統(tǒng)的熱加工過程中，都存在著營養(yǎng)物質(zhì)的損失、顏色和理化性質(zhì)的變化。因此采用非熱加工可以盡量避免這些負面的影響。

劉野［13］利用高密度二氧化碳技術(shù)對西瓜汁進行處理，通過鈍化過氧化物酶活性抑制西瓜汁的褐變，獲得了較好的效果。同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)DPCD處理后，西瓜汁中的番茄紅素含量略有下降(P＜0.05)，總酚含量保持不變(P＞0.05)。

譚熙耀等［14］對經(jīng)過鈍化處理后的雙孢菇進行了速凍工藝的研究，得到了優(yōu)化的速凍參數(shù):處理釜初溫6℃、處理釜設定壓力7MPa、卸壓時間4min。對雙孢菇快速高效速凍，一定程度上解決了產(chǎn)品凍結(jié)時間長、易發(fā)生干耗的問題。

David Del Pozo－Insfran等［15］研究了DPCD在加工的圓葉葡萄汁微生物穩(wěn)態(tài)、植物化學物質(zhì)的保留以及感官上的作用。相對于巴氏熱殺菌，花色苷、多酚和抗氧化物會發(fā)生10%～30%的減少，高密度二氧化碳處理則不發(fā)生變化，即使是在貯藏結(jié)束時，仍然比巴氏熱殺菌保留了較高的含量。對未經(jīng)處理樣品與DPCD和巴氏熱殺菌處理的比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間包括顏色、氣味、風味和總體感官等，都存在很大的差異。同樣的實驗，Gurbuz Gune等［16］也發(fā)現(xiàn)可以降低葡萄汁中的酵母菌的活性，且隨著濃度和壓力的增大，活性降低的就越大，處理過程中也不會發(fā)生風味的降低。經(jīng)過五周的貯藏，相對于巴氏熱殺菌，DPCD處理的樣品更能保存植物化學成分。

Murat O Balaban［17］研究了DPCD處理橘子汁的加工時間、溫度和壓力條件對果膠酯酶的影響。與熱鈍化處理所需的加熱溫度相比，二氧化碳處理不需要同樣的溫度，高壓力、高溫度和長的處理時間具有較好的鈍化效果。A G Arreola等［7］發(fā)現(xiàn)，DPCD可以使橘子汁中的果膠酶鈍化，pH和濃度不發(fā)生變化，顏色更加鮮艷，總酸略有下降。與空白樣品相比，維生素C略有增加，顏色和光澤等感官性質(zhì)比未經(jīng)處理的好很多，風味、香味和總體可接受性沒有受到明顯的影響。

郭鳴鳴等［18］研究了新鮮荔枝汁、37℃自然培養(yǎng)12h和37℃自然培養(yǎng)24h經(jīng)DPCD處理前后細菌總數(shù)、霉菌與酵母菌總數(shù)的變化，實驗結(jié)果顯示，經(jīng)DPCD處理后細菌總數(shù)降低了4到6個數(shù)量級，霉菌和酵母菌被殺滅。對殺菌前后的荔枝汁中天然微生物的菌落形態(tài)進行觀察顯示，殺菌前后荔枝汁中微生物的菌落形態(tài)有顯著區(qū)別，DPCD處理后優(yōu)勢菌基本被殺滅。

4 在處理酶活性方面的研究

食品加工過程中，酶種類的多少和活性的高低直接影響到食品的理化性質(zhì)和感官特性。所以一般食品加工過程中首要進行的就是滅酶，為此探討DPCD對酶作用的機理需要進行更深層次的研究。

Liao Xiaojun等［19］對DPCD處理脂肪氧化酶效果進行了分析，通過進行透射電鏡、SDS－PAGE、Native－PAGE、圓二色譜和熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過處理后脂肪氧化酶的顆粒變大，變性電泳上條帶沒有變化，而活性電泳上條帶發(fā)生了缺失，圓二色譜和熒光光譜檢測發(fā)現(xiàn)α螺旋降到了處理前的10%，且內(nèi)源熒光強度降低的程度與處理的壓強大小正相關(guān)。這表明DPCD改變了脂肪氧化酶的二級結(jié)構(gòu)，酶發(fā)生變性，壓力的大小與蛋白變性的程度成正比，從而造成同等程度的熒光光強發(fā)生變化。

同樣，貝君等［20］研究了DPCD處理對脂肪氧化酶的影響。與熱處理相比，DPCD處理在鈍化LOX時效果較為顯著，相對于55℃處理30min，酶活接近20%的熱殺菌效果，DPCD(55℃、10MPa)處理30min，酶活則不到5%。且經(jīng)過處理后，LOX液中游離巰基的含量和濁度值顯著增加，表明DPCD處理使LOX發(fā)生了變性。

5 其他

Y Akiyama等［21］利用紅外吸收光譜法研究了DPCD處理對羰基化合物，包括酮、酯和酰胺鍵的影響，在正己烷稀釋的情況下，羰基吸收光譜會發(fā)生藍移，而隨著二氧化碳濃度的增加，光譜吸收會相應發(fā)生紅移。且隨著二氧化碳的增加，酰胺的變化強度大于酯，大于酮。此項研究表明，DPCD處理樣品時樣品的物質(zhì)形態(tài)會發(fā)生變化，光譜學上表現(xiàn)為吸收光譜帶的變化。

在考慮DPCD的處理條件，處理時間、壓力和體系溫度的影響上，H Karaman等［3］對肉湯的大腸桿菌殺菌效果進行研究發(fā)現(xiàn)，壓力越大，對大腸桿菌的鈍化能力越強，同時，鈍化能力的大小受溫度和壓力的大小影響。結(jié)果與S Spilimbergo等［4］獲得的結(jié)果一致。同樣，Liao Hongmei［22］通過高密度二氧化碳處理蘋果醬進行鈍化大腸桿菌的實驗，也發(fā)現(xiàn)隨著時間的延長或者壓力的增大，對細菌的滅活作用效果越明顯，在45MPa、52℃、30min時效果最為顯著。同時發(fā)現(xiàn)，處理的效果與二氧化碳的純度有較大關(guān)系，純度越大，效果越好。在與其他氣體的殺菌效果進行比較時，S.Spilimbergo等［6］以蘋果汁中的酵母菌為實驗對象，在實驗室條件下進行了超臨界的CO2和N2O的殺菌實驗。在多擊模型的基礎上，對實驗結(jié)果進行了隨即模型的實驗，并用環(huán)境掃描電鏡對高壓處理過的細胞進行了進一步的細胞壁影響檢測。發(fā)現(xiàn)隨著CO2壓力的增加，滅活率增加，而N2O的滅活效果則相反。盡管電鏡的結(jié)果是細胞膜沒有受到損壞，但是更進一步的實驗仍然要對N2O滅活的作用機理進行研究。

Gurbuz Gune［23］應用響應面對二氧化碳與物品質(zhì)量的比、壓力大小等因素進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌對二氧化碳的壓力大小反應較為明顯，二氧化碳與物質(zhì)的比值是影響抑制大腸桿菌活性的主要因素。大腸桿菌對高密度二氧化碳具有高敏感性，殺菌處理時可以忽略溫度和壓力的影響，因此高密度二氧化碳被認為是理想的蘋果汁殺菌方式。Seok－In Hong［24］研究了高密度二氧化碳處理后乳酸菌的生理變化，進而進行酶活性的分析。研究內(nèi)容涉及到耐鹽性、紫外收受的變化、Mg2+和K+離子、質(zhì)子滲透性、糖酵解、組成性酶以及上染率。在30℃的溫度下，7MPa處理10min顯示，乳酸菌發(fā)生了不可逆的細胞損壞，包括耐鹽性下降、紫外收受物質(zhì)的釋放、細胞內(nèi)離子的釋放、質(zhì)子滲透性和熒光染色的增加。乳酸菌經(jīng)過高壓處理后同樣顯示糖酵解能力下降和組成性酶活性的下降。

鐘葵等［25］對DPCD處理牛奶殺菌效果進行了動力學分析，考慮殺菌壓力和處理時間，隨壓力和時間的增加，DPCD對牛奶中菌落總數(shù)的殺菌效果顯著增強(P＜0.05)，處理溫度對處理效果也有協(xié)同效應。在50℃、30MPa和70min時，牛奶中菌落總數(shù)的殘存率最大降低了5.082個數(shù)量級。這些數(shù)據(jù)能較好的用Weibull模型來擬合，菌落總數(shù)的失活曲線，隨著壓力增加和溫度升高，模型動力學參數(shù)比例因子和形狀因子呈現(xiàn)規(guī)律化變化。

在對DPCD和巴氏殺菌的殺菌效果進行了比較研究中，鄭海濤［26］等發(fā)現(xiàn)DPCD有較好的殺菌效果，在4℃的儲藏條件下，DPCD處理的全蛋液的微生物生長要慢于巴氏殺菌。

6 結(jié)論及展望

DPCD技術(shù)的應用研究已經(jīng)廣泛開展，但是DPCD技術(shù)的工業(yè)應用尚有一系列問題亟待解決。首先，應加強大容積工業(yè)化裝置的研制，這是DPCD工業(yè)化應用的關(guān)鍵;其次，應進一步加強裝置的設計以及元器件的系統(tǒng)的研制，進行DPCD處理過程中的各項動力學分析;第三，應加強處理室的多樣化設計。目前DPCD處理室并非對所有的食品都適用，大部分只適用于液體食品，限制了該技術(shù)在食品工業(yè)中的應用。此外由于DPCD開展研究的時間較短，許多方面的積累還處于初級階段，需要進行更深層次的機理研究，以期為實際應用提供更多的參考。

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Research of the application of dense phase carbon dioxide in food processing

LIU Wen－ying1，2，+，HUANG Li－yan1，2，+，LU Xiao－ming1，2，*，ZHANG Qiang1，2，ZHAO Wei－gao1，2，WANG Xu－qing1，2，HAN Zhao－peng1，2，LIU Xu－ming1，2
(1.Chinese National Egg Engineering Research Center，Beijing 102115，China; 2.Beijing DQY Agricultural Technology Co.，Ltd.，Beijing 100081，China)

As an important non－thermal processing technique，Dense Phase Carbon Dioxide(DPCD)has become one of the most active technologies for the inactivation of microorganisms，enzymes and ameliorate characters.The research progress of the application of DPCD in food processing was focused on，in the hope of providing serviceable message for intensive study and extensive use.

dense phase carbon dioxide;food processing;application

TS205

A

1002－0306(2011)12－0509－04

2011－08－25 *通訊聯(lián)系人，+對本文同等貢獻。

劉文營(1983－)，男，碩士，助理研究員，研究方向:蛋白質(zhì)組學和蛋品加工。

黃麗燕(1984－)，女，碩士，助理研究員，研究方向:蛋品加工。