高靜壓技術(shù) 讓你嚼出新鮮的味道

高靜壓技術(shù) 讓你嚼出新鮮的味道

項目成果：高靜壓技術(shù)及裝備研發(fā)

課題單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)

傳統(tǒng)的熱殺菌技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于食品加工，然而熱殺菌會導(dǎo)致食品顏色改變、香氣逸散、口味破壞、營養(yǎng)損失、形態(tài)變化等品質(zhì)劣變問題。針對傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)的缺陷，以及非熱加工裝備技術(shù)滯后、殺菌理論不明確以及殺菌技術(shù)體系不完善等問題，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心開展了非熱加工裝備開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究，重點開發(fā)超高壓果蔬制品和傳統(tǒng)食品。

目前食品加工主要通過高溫殺死腐敗菌和致病菌，從而保障食品的安全，延長食品的貨架期，但高溫會引起食品的顏色、香氣、滋味、質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)以及功能的劣變。為了有效避免高溫殺菌技術(shù)的缺點，食品科學(xué)家一直在探索新型、可替代的殺菌技術(shù)，超高壓、高壓脈沖電場、高壓二氧化碳、光脈沖、冷等離子體非熱殺菌技術(shù)隨之誕生。

食品超高壓（HPP）技術(shù)以水或其他液體作為傳壓介質(zhì)，將密封于彈性容器內(nèi)的食品置于處理釜中，在常溫或稍高于常溫的條件下，經(jīng)100兆帕以上壓力處理，達(dá)到殺菌、鈍酶和加工食品的目的。超高壓處理過程中溫度較低，在殺菌的同時能夠最大限度的保留食品原有的風(fēng)味、色澤和營養(yǎng)價值。食品超高壓技術(shù)在20世紀(jì)90年代初在日本小規(guī)模地應(yīng)用于草莓醬等果蔬產(chǎn)品的加工，之后引起了德國、英國、法國、西班牙和美國等國高度關(guān)注，這些國家紛紛投入大量人力、物力和財力研究超高壓設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)，先后在2000年前后研發(fā)成功了用于規(guī)?；a(chǎn)的超高壓設(shè)備并將該技術(shù)應(yīng)用于果蔬制品（果蔬汁、果醬、腌漬蔬菜等）、肉制品（火腿片、燉牛肉等）、海產(chǎn)品（牡蠣、龍蝦等）、功能食品（初乳等）、寵物食品等。隨著超高壓設(shè)備處理能力的增加，2010年后該技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展，英國、荷蘭、比利時、德國、法國、西班牙、希臘、美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭等國家在快速地推廣和應(yīng)用該項技術(shù)，到2014年，全球已經(jīng)有超過222條的超高壓食品生產(chǎn)線。目前超高壓設(shè)備主要的生產(chǎn)廠家為西班牙的Hiperbaric、美國的AVURE公司和德國的MULTIVAC公司，產(chǎn)品最大容積均達(dá)到300升，最高處理壓力達(dá)600兆帕。

與國外相比，我國超高壓設(shè)備和超高壓技術(shù)的研究起步相對較晚，始于20世紀(jì)末，與國外還存在較大差距，主要問題一是超高壓設(shè)備方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、處理容量小及控制系統(tǒng)不完善；二是超高技術(shù)方面，原料的加工特性評價少、研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)少、適宜的超高壓工藝缺乏等問題，這些問題的存在制約了我國超高壓技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和推廣應(yīng)用。鑒于此，我國“十一五”及“十二五”期間在863、國家科技支撐計劃等項目中對超高壓裝備和技術(shù)先后進(jìn)行了支持，重點針對超高壓裝備和超高壓技術(shù)中存在的關(guān)鍵問題開展了系統(tǒng)研究，解決了制約我國超高壓裝備和超高壓技術(shù)的關(guān)鍵問題，部分成果已經(jīng)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

超高壓裝備與技術(shù)由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心團(tuán)隊承擔(dān)。針對傳統(tǒng)熱殺菌導(dǎo)致食品顏色改變、香氣逸散、口味破壞、營養(yǎng)損失、形態(tài)變化等品質(zhì)劣變問題，以及非熱加工裝備技術(shù)滯后、殺菌理論不明確、殺菌后食品品質(zhì)評價研究薄弱以及殺菌技術(shù)體系不完善等問題，項目團(tuán)隊開展非熱加工裝備開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)大型超高壓裝備、新型高壓二氧化碳裝備和高壓脈沖電場裝備，開展果蔬、傳統(tǒng)食品的非熱加工技術(shù)與工藝研究，重點開發(fā)超高壓果蔬制品和傳統(tǒng)食品。

超高壓裝備

移動式超高壓平臺

團(tuán)隊建設(shè)與管理

該團(tuán)隊在項目實施五年來，先后組織召開了項目啟動會、進(jìn)展匯報會、中期檢查會、預(yù)結(jié)題總結(jié)會等會議，參會人員包括浙江大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、江南大學(xué)、包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司、安徽萬勝農(nóng)業(yè)科技投資有限公司等單位。

從2011年開始至今，項目組進(jìn)展順利，這與該項目的科學(xué)有效的組織實施管理模式以及各單位的積極交流、配合有關(guān)。

在實施過程中，國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心作為牽頭單位，全面負(fù)責(zé)項目的組織實施，依據(jù)強強聯(lián)合和項目科學(xué)性的原則，充分考慮各單位的研究基礎(chǔ)和學(xué)科優(yōu)勢，選擇了在國內(nèi)本領(lǐng)域具有優(yōu)勢的科研單位和企業(yè)作為參加單位，并分配適宜的任務(wù)，以充分保證項目研究內(nèi)容的順利完成。建立了有效的交流制度，從而保證了各單位及時按研究計劃進(jìn)度完成相關(guān)的研究工作，并及時、準(zhǔn)確地將實施情況匯總上報給上級的科技主管部門。在交流過程中，負(fù)責(zé)人對各自承擔(dān)的研究內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，互相檢驗，發(fā)現(xiàn)問題后，一起商討有效的解決對策，從而保證了項目研究內(nèi)容高質(zhì)量完成。

在團(tuán)隊建設(shè)方面，制定了實驗室建設(shè)規(guī)劃方案，確定了研究方向、研究內(nèi)容和研究單元的構(gòu)成；結(jié)合已有工作基礎(chǔ)和實驗室的總體目標(biāo)與規(guī)劃，每一個研究方向為一個基本單元；詳細(xì)規(guī)劃了實驗室在未來幾年中的工作計劃和研究內(nèi)容；根據(jù)實驗室自身已具備的科研條件，改善未來幾年的科研條件和配套設(shè)施。

在團(tuán)隊管理運行方面，團(tuán)隊實驗室實行依托單位領(lǐng)導(dǎo)下的主任負(fù)責(zé)制。設(shè)立學(xué)術(shù)委員會，主要進(jìn)行研究目標(biāo)、研究方向、重大學(xué)術(shù)活動、年度工作計劃和總結(jié)。團(tuán)隊經(jīng)過五年項目期的運行，建立了研究資源共享的運行機制，積極將可開放的儀器、設(shè)備及成套試驗裝備加入首都科技條件平臺，并充分利用首都科技條件平臺儀器開展科研工作。實驗室內(nèi)每臺主要儀器、設(shè)備都安排了專人進(jìn)行管理，并制定了《儀器設(shè)備使用崗前培訓(xùn)制》、《實驗室及主要儀器使用預(yù)約登記制》、《實驗室及主要儀器使用收費制》以及《儀器設(shè)備損壞者補償制》。

團(tuán)隊實驗室堅持“開放、流動、聯(lián)合”的運行機制，利用現(xiàn)有科研設(shè)施和學(xué)術(shù)環(huán)境，面向國內(nèi)外開放。項目執(zhí)行期間繼續(xù)發(fā)展和擴大了與美國、英國、澳大利亞高校和相應(yīng)科研機構(gòu)的密切合作，進(jìn)一步加強了與國內(nèi)相關(guān)院所、實驗室的交流合作。實驗室與江南大學(xué)、浙江大學(xué)等實驗室建立合作關(guān)系，通過與這些國內(nèi)外同行的合作與交流，有效地促進(jìn)了實驗室人員對相關(guān)領(lǐng)域研究動態(tài)的了解和把握，加快了對相關(guān)新技術(shù)和方法的學(xué)習(xí)和掌握，提高研究工作的水平和競爭力，同時提高了實驗室在國內(nèi)外的學(xué)術(shù)地位。

主要研究成果

在大型超高壓裝備研制開發(fā)方面，團(tuán)隊開展了超高壓快開式雙堵頭密封技術(shù)、低壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)流量匹配技術(shù)等研究，“十二五”期間研制出高壓釜單體容量350升、最大工作壓力600兆帕、處理量1.5噸/小時超高壓裝備。

至今為止，我國尚未頒布正式的設(shè)計制造規(guī)范，故本次開發(fā)的350L超高壓設(shè)備整體按照美國機械工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）超高壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。設(shè)備由低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、連接系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)五大部分組成，可實現(xiàn)自動增壓、保壓、卸壓等控制，傳壓介質(zhì)為水（設(shè)備系統(tǒng)方案如圖1、圖2所示）。容器腔體內(nèi)形成密閉的容腔，高壓介質(zhì)（水）通過二級增壓器往復(fù)運動不斷進(jìn)入密閉容腔內(nèi)，隨著介質(zhì)的不斷增加，介質(zhì)被不斷的壓縮，從而達(dá)到腔體所需的工作壓力。

圖1設(shè)備布局圖

圖2設(shè)備系統(tǒng)布排圖

單體350升超高壓設(shè)備承壓容器的結(jié)構(gòu)與材料是保障超高壓設(shè)備承壓安全性的重要方面，對于承受98兆帕以上壓力的承壓容器，各國至今還沒有完整的設(shè)計規(guī)范、制造準(zhǔn)則、驗收條款。在超高壓承壓容器設(shè)計中，對容器材質(zhì)要求比較嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)必須保證強度的可靠性和密封的嚴(yán)密性。

為了克服整體鑄造式框架加工難度高，加工工藝復(fù)雜，不適合大型生產(chǎn)用超高壓設(shè)備的問題，設(shè)計了采用多層高強度鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)的承壓框架。采用高強板疊層結(jié)構(gòu)承壓框架的承壓能力得到大幅度提高，同時不需要專用的制造輔具，加工簡單，減少了制造成本，而且疊層框架根據(jù)需要還可以有多種布排結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)備的美觀度和結(jié)構(gòu)的緊湊性。多層高強度鋼板復(fù)合框架與鑄造框架和纏繞式框架相比具有強度高、加工要求低、成本低、適用范圍廣等特點。設(shè)計時參照材料力學(xué)中梁的受力分析，對主要承受壓力的部位進(jìn)行拉桿受力、抗擠壓力和抗剪切力等力學(xué)計算，確保了高壓容器在滿載時承壓框架具有相應(yīng)的承壓能力。

為使系統(tǒng)的軟硬件和諧運行、更加人性化，在控制軟件方面，采用模塊化設(shè)計，設(shè)有系統(tǒng)故障自檢程序模塊、安全處理程序模塊、手動操作程序模塊、自動運行程序模塊、雙聯(lián)裝系統(tǒng)自動切換程序模塊（使客戶產(chǎn)品實現(xiàn)交替連續(xù)式運行，提高系統(tǒng)的利用率和產(chǎn)品的生產(chǎn)效率）等。此外，為實現(xiàn)設(shè)備運行過程中的自動控溫，設(shè)計了新型耐高壓溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

食品HPP技術(shù)與工藝研究主要以即食蔬菜、傳統(tǒng)果蔬食品加工和新型水果罐頭這三類加工技術(shù)研究與工藝開發(fā)為主。

綠色蔬菜加工過程中的顏色劣變是嚴(yán)重影響其品質(zhì)也是生產(chǎn)上很難解決的一個問題，而超高壓處理比傳統(tǒng)熱處理更能保持產(chǎn)品原有色澤，本團(tuán)隊以菠菜、萵筍為研究對象，開展了超高壓處理對菠菜漿加工和貯藏過程中顏色、品質(zhì)及葉綠素降解過程的影響機制以及萵筍殺菌、護(hù)色工藝改進(jìn)，從而為超高壓技術(shù)在綠色蔬菜的加工中提供理論依據(jù)，推動了超高壓技術(shù)在綠色蔬菜加工中的應(yīng)用。

蔬菜是低酸食品，在此基質(zhì)中的芽孢非常耐壓，單純高壓1500兆帕也不能將其殺死，團(tuán)隊研究了超高壓處理下芽孢的萌發(fā)，探討了后續(xù)熱處理對其的滅活效果，以及超高壓結(jié)合其他方式對蔬菜芽孢致死效果，并將研究結(jié)果用于指導(dǎo)即食蔬菜的非熱殺菌。

泡菜是我國一種風(fēng)味獨特且歷史悠久的乳酸發(fā)酵蔬菜制品，數(shù)千年來，一直是人們餐桌上的美味佳肴，有清淡爽口、開胃理氣的特點，同時具有抗腫瘤、抗氧化和增強人體免疫等功能。其生產(chǎn)原理是在食鹽的高滲透壓作用下，進(jìn)行以乳酸發(fā)酵為主的微生物發(fā)酵,這一加工過程賦予泡菜獨特的風(fēng)味和營養(yǎng)。但是，由于缺乏有效的泡菜保藏技術(shù)，使其在貨架期內(nèi)常常出現(xiàn)脹袋、變軟等問題。通常采用的保藏方法為高鹽、添加防腐劑及巴氏殺菌保藏，高鹽及防腐劑雖然可以保持泡菜脆嫩的口感但是不利于健康，巴氏殺菌則完全破壞了泡菜的口感及營養(yǎng)。研究表明高壓處理可以有效阻止泡菜儲藏期間的過度酸化及脹袋，但儲藏期間發(fā)生嚴(yán)重的褐變，讓消費者難以接受，這限制了超高壓在泡菜上的應(yīng)用。項目以提升泡菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、提高我國傳統(tǒng)泡菜質(zhì)量安全水平為目標(biāo)，重點研究了采用熱燙處理有效地保持超高壓殺菌泡菜的色澤，取得了顯著技術(shù)創(chuàng)新。

不僅如此，項目團(tuán)隊還開展了黃桃和草莓等新型水果罐頭加工技術(shù)和工藝研究。新產(chǎn)品品質(zhì)在色、香、味、質(zhì)地及營養(yǎng)指標(biāo)上接近新鮮水果，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)實現(xiàn)節(jié)能降耗。

超高壓黃桃罐頭采用超高壓技術(shù)，常溫下以水為介質(zhì)而生產(chǎn)，保持了黃桃的天然口感、風(fēng)味及營養(yǎng)，克服了傳統(tǒng)高溫?zé)釟⒕に囀裹S桃果肉果膠溶出和降解導(dǎo)致口感發(fā)面發(fā)渣以及風(fēng)味損失，果汁果漿發(fā)生美拉德反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)品褐變以及羥甲基糠醛（HMF）超標(biāo)等缺陷。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

在成果應(yīng)用方面，項目成果已在包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司和安徽萬勝農(nóng)業(yè)科技投資有限公司進(jìn)行了初步的應(yīng)用。項目實施以來，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司累計銷售350升大型超高壓設(shè)備5臺，銷售收入達(dá)3000萬元，新增利潤750萬元，新增出口額近200萬美元，若實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，以年產(chǎn)量30臺計，可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益7500萬元。此外，大型超高壓設(shè)備相關(guān)制造技術(shù)還在溫州濱一機械科技有限公司和北京速原中天科技股份公司應(yīng)用。自技術(shù)應(yīng)用以來溫州濱一機械科技有限公司累計投資300萬元，實現(xiàn)銷售額9000萬元，新增利潤1900萬元，出口額700萬美元；北京速原中天科技股份公司累計投資2300萬元，新增銷售額2600多萬元，新增利潤400多萬元。

針對果品超高壓加工生產(chǎn)線建設(shè)的關(guān)鍵問題，項目組不僅建立了果品超高壓加工生產(chǎn)線，同時對現(xiàn)有果品加工企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造，實現(xiàn)傳統(tǒng)熱加工設(shè)備與超高壓殺菌設(shè)備間配套；進(jìn)行原料預(yù)處理技術(shù)、灌裝技術(shù)、包裝技術(shù)、超高壓殺菌技術(shù)以及冷鏈技術(shù)的集成，在產(chǎn)業(yè)化中放大，解決產(chǎn)品殺菌、褐變控制、風(fēng)味保持等關(guān)鍵技術(shù)難題；通過對超高壓產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行評價，使加工工藝參數(shù)更加完善。上述技術(shù)成果用于超高壓果品生產(chǎn)線，實現(xiàn)了果品超高壓技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，提高產(chǎn)品的附加值，推動了超高壓技術(shù)在北京地區(qū)乃至全國的應(yīng)用。

項目執(zhí)行期間，項目組在北京天翼生物工程有限公司開展了生產(chǎn)線設(shè)計及相關(guān)設(shè)備選型與配套，在超高壓草莓汁、芒果汁、黃瓜汁、杏汁、香梨汁、鮮切蔬菜的生產(chǎn)工藝上取得了重大突破，研制開發(fā)了不同品種的果蔬產(chǎn)品，受到消費者的廣泛歡迎。

針對濃縮蘋果汁加工中的關(guān)鍵技術(shù)難題，項目組通過與煙臺北方安德利果汁股份有限公司的合作，有效解決了果汁褐變、二次沉淀、棒曲霉素超標(biāo)、農(nóng)藥殘留超標(biāo)、不成熟蘋果加工等技術(shù)難題，全面提升了我國蘋果產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和國際競爭力。

項目執(zhí)行過程中，項目組還針對超高壓技術(shù)的殺菌效果，將熱燙、二氧化碳，乳酸鏈球菌素、超濾、氮氣等技術(shù)與超高壓技術(shù)結(jié)合，形成了“HPP+熱燙、HHP+Nisin、HHP+超濾、HHP+CO2、HHP+N2等系列“HHP+”技術(shù)，并以此開發(fā)出芒果汁、芒果酪、黃瓜汁、黃瓜清汁、甘蔗清汁、蘋果清汁、蘋果汁、紫薯汁、香梨清汁等新產(chǎn)品。其中項目成果專利“一種芒果酪及其制備方法”（ZL201210150626.1）已于2015年轉(zhuǎn)讓給宿遷市果然食尚食品有限公司，該公司是江蘇省首個應(yīng)用超高壓技術(shù)的大型公司，已應(yīng)用超高壓技術(shù)成果實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益約3000萬元。

相關(guān)鏈接

在該項目實施期間，團(tuán)隊以第一標(biāo)注發(fā)表論文57篇，其中SCI38篇，累計影響因子90.02；EI9篇；中文核心10篇，制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項。在實施期間，共申請專利31項，其中獲得授權(quán)專利18項（發(fā)明專利11項，實用新型7項）；成功開發(fā)出350升大型超高壓裝備、新型高壓二氧化碳裝備和高壓脈沖電場裝備，大力提升了我國非熱加工裝備，推動了我國非熱加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。