超高壓食品加工技術(shù)研究進(jìn)展

左海萍 陳曉蘭 圣志存

超高壓食品加工技術(shù)是指以液體作為壓力傳遞介質(zhì)（通常以水為加壓介質(zhì)），在靜高壓100-1000MPa和一定溫度下處理適當(dāng)時(shí)間，使食品中的酶、蛋白質(zhì)、淀粉等生物分子失活、變性或糊化，以達(dá)到滅酶、殺菌和改善食品功能等目的（圖1）。

1. 超高壓食品加工技術(shù)原理及作用特點(diǎn)

超高壓食品加工技術(shù)是一個(gè)物理過程，在處理食品時(shí)主要遵循兩個(gè)原理，即帕斯卡原理和勒夏特勒原理。帕斯卡原理認(rèn)為，食品高壓處理過程中，壓力以同一數(shù)值沿各個(gè)方向傳遞到介質(zhì)流體中所有流體質(zhì)點(diǎn)，使得食品受壓均勻，壓力傳遞速度極快，與食品的形狀和體積無關(guān)，且不存在壓力梯度。勒夏特勒原理是指反應(yīng)平衡將朝著減小施加于系統(tǒng)的外部作用力影響的方向進(jìn)行，即超高壓處理會(huì)使食品成分中發(fā)生的理化反應(yīng)向著最大壓縮狀態(tài)的方向進(jìn)行，從而食品中反應(yīng)平衡，反應(yīng)速率，以及分子構(gòu)象變化等。

超高壓食品加工技術(shù)的最大特點(diǎn)是純物理過程，瞬間將壓力均勻地傳到食品的中心，操作安全、耗能低、無“三廢”污染，有利于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。超高壓技術(shù)是在常溫或較低的溫度下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)食品產(chǎn)生熱損傷，而且只破壞形成大分子立體結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵（氫鍵、離子鍵、疏水鍵和水合作用等），而對(duì)形成小分子物質(zhì)（如色素、維生素等）的共價(jià)鍵幾乎沒有影響，同時(shí)能夠激活或滅活食品中自身存在的酶，提高食品品質(zhì)。因此，超高壓處理既可以保留天然風(fēng)味、色澤以及原有的營養(yǎng)價(jià)值，又可以殺死微生物、鈍化酶，延長(zhǎng)食品的貨架期。超高壓處理技術(shù)與傳統(tǒng)熱處理技術(shù)相比較，其特點(diǎn)如表1所示：

2. 超高壓技術(shù)對(duì)食品的影響

2.1 超高壓技術(shù)對(duì)食品中蛋白質(zhì)和酶的影響

壓力對(duì)蛋白質(zhì)的影響是超高壓研究中的一個(gè)重要組成部分。超高壓作用下蛋白質(zhì)的分子體積被壓縮變小，改變分子非共價(jià)鍵，引起蛋白質(zhì)的解聚、分子結(jié)構(gòu)伸展等變化，從而影響蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性、凝膠性、起泡性等性質(zhì)。低于800MPa的壓力會(huì)造成蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)的改變，其中四級(jí)結(jié)構(gòu)最為敏感，三級(jí)結(jié)構(gòu)次之，二級(jí)結(jié)構(gòu)則改變較小;高于800MPa，蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)也會(huì)受到影響。

酶作為一種特殊的蛋白質(zhì)，超高壓可以破壞維持蛋白質(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，導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)崩潰，發(fā)生變性，而三級(jí)結(jié)構(gòu)是酶活性中心的基礎(chǔ)。因此，超高壓對(duì)酶蛋白的構(gòu)象的改變或破壞，會(huì)影響酶的活性。研究表明，超高壓對(duì)酶活性的影響分為兩個(gè)方面：一方面較低的壓力會(huì)破壞完整組織中酶與基質(zhì)的膜隔離，增加酶與基質(zhì)的接觸面積，提高酶的活性;另一方面，較高的壓力導(dǎo)致三級(jí)結(jié)構(gòu)崩潰時(shí)，使酶的活性中心喪失或氨基酸組成發(fā)生改變，改變酶的催化活性。食品中常見的酶對(duì)壓力的耐受性從小到大依次為：脂肪氧化酶、乳過氧化物酶、果膠酯酶、脂酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶。趙光遠(yuǎn)等的研究表明壓力為400MPa時(shí)，激活了多酚氧化酶，當(dāng)壓力高于600MPa，多酚氧化酶失去活性。袁根良等研究了超高壓對(duì)香蕉果肉多酚氧化酶和過氧化物酶的殘存率的影響，結(jié)果表明，55℃，480MPa保壓10min時(shí)，它們的殘存率分別達(dá)到0.90%和3.26%。

2.2 超高壓技術(shù)對(duì)食品組織結(jié)構(gòu)的影響

超高壓技術(shù)對(duì)食品組織結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為食品中蛋白質(zhì)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化。楊慧娟等報(bào)道鴨胸肉及腿肉經(jīng)超高壓處理，肌肉纖維組織內(nèi)肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的結(jié)合解離，造成肌肉剪切力的下降，可以提高肉的嫩度。對(duì)于水產(chǎn)品，超高壓處理引起蛋白質(zhì)體積變小，形成立體結(jié)構(gòu)的各種鍵切斷或重新形成，結(jié)果產(chǎn)生了變性，肉組織變得白濁、不透明，發(fā)生凝膠化和組織化。另外，超高壓也可以改變植物細(xì)胞的通透性，也可以使細(xì)胞內(nèi)的代謝物和水分流到細(xì)胞外，進(jìn)而引起化學(xué)反應(yīng)，影響食品的品質(zhì)。Tangwongchai等研究超高壓處理對(duì)番茄組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)200MPa壓力幾乎沒有影響番茄的結(jié)構(gòu)，隨著壓力升高，300MPa壓力下，細(xì)胞間會(huì)截留一些氣泡，500和600MPa時(shí)，截留氣泡消失，但細(xì)胞間的空間變大。

2.3 超高壓技術(shù)對(duì)食品中營養(yǎng)成分的影響

食品中的營養(yǎng)成分通常包括糖類、脂類、有機(jī)酸、維生素以及少量的蛋白質(zhì)和氨基酸、礦物質(zhì)、膳食纖維等。超高壓技術(shù)對(duì)食品營養(yǎng)成分的影響主要依賴于自身營養(yǎng)成分的性質(zhì)，前人研究發(fā)現(xiàn)超高壓一般對(duì)食品中各組分分子間的非共價(jià)鍵起作用，所以超高壓處理對(duì)食品中寡糖、有機(jī)酸、維生素、氨基酸和礦物質(zhì)等的影響較小。超高壓力技術(shù)在加工淀粉時(shí)，液體介質(zhì)在高壓下，遵循勒夏特勒原理，物系平衡高壓下呈體積減小趨勢(shì)，于是淀粉團(tuán)粒靜水壓下呈體積減小，水分子和淀粉之間的勢(shì)能增加，促使淀粉糊化。一些研究認(rèn)為，超高壓對(duì)脂類的影響是可逆的。陳迎春等指出脂類的耐壓能力較低，通常100-200MPa即可使其固化，但解除壓力后仍能復(fù)原，只是對(duì)油脂的氧化有一定的影響。Doblado等在室溫下，運(yùn)用超高壓技術(shù)（300、400、500MPa，保壓15min）處理發(fā)芽4天和6天的豇豆種子，結(jié)果表明，維生素C含量分別達(dá)到23.3和25.2mg/100g（干重），分別降低了10%-28%和9%-14%。

2.4 超高壓技術(shù)對(duì)食品中微生物的影響

超高壓對(duì)食品中微生物的影響主要表現(xiàn)為改變微生物細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、代謝反應(yīng)及遺傳等方面。極高的流體靜壓會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu);有學(xué)者利用電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，30-40MPa壓力下，假單胞菌菌株的細(xì)胞外形變長(zhǎng)、細(xì)胞壁變厚且質(zhì)壁分離、細(xì)胞膜消失及細(xì)胞質(zhì)出現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀區(qū)域、核糖體數(shù)量減少、細(xì)胞分裂減慢等變化。與化學(xué)反應(yīng)不同的是，生物體內(nèi)所有的代謝反應(yīng)都需要催化劑酶的參加;超高壓可以引起酶分子結(jié)構(gòu)或活性中心構(gòu)象的改變，影響酶的活性，進(jìn)而影響微生物的代謝反應(yīng)。

3. 超高壓技術(shù)在食品中的應(yīng)用

3.1 超高壓技術(shù)在乳制品中的應(yīng)用

乳制品加工中，超高壓技術(shù)主要用來滅活微生物，而不破壞乳制品的營養(yǎng)成分，其原理是利用核酸、蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子或細(xì)胞膜受超高壓的影響結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響微生物的生命活動(dòng)而停止，從而達(dá)到殺菌或鈍化酶的目的。與傳統(tǒng)的熱處理方法相比，超高壓處理不會(huì)破壞牛乳中的熱敏性成分，而且能夠改善乳制品的品質(zhì)，促進(jìn)酪蛋白的消化吸收。趙光遠(yuǎn)等研究發(fā)現(xiàn)牛乳殺菌效果取決于處理壓力的高低和保壓時(shí)間的長(zhǎng)短，壓力越高，對(duì)牛乳的殺菌效果越好。肖楊等研究表明，在500MPa處理5-15min后，牛乳中的大腸菌群、霉菌、酵母等幾乎全被殺死，而且保壓時(shí)間越長(zhǎng)，牛乳的殺菌效果越好。研究表明，超高壓處理乳制品殺菌，因微生物種類和試驗(yàn)條件不同而有所差異。一般而言，細(xì)菌、霉菌、酵母營養(yǎng)體在300-400MPa壓力下可被殺死;病毒稍低壓力即可失活;芽孢桿菌屬的芽孢對(duì)壓力比本身營養(yǎng)體更具抵抗力，需要更高壓力才會(huì)被殺滅。類似于加熱殺菌中出現(xiàn)的低溫長(zhǎng)時(shí)、高溫短時(shí)和超高溫瞬時(shí)殺菌，超高壓殺菌也分為低壓長(zhǎng)時(shí)、高壓短時(shí)和超高壓瞬時(shí)殺菌，即壓力越高，處理所需時(shí)間越短。

3.2 超高壓技術(shù)在果蔬品中的應(yīng)用

果蔬品的加工是超高壓技術(shù)在食品工業(yè)最為成功的應(yīng)用，同樣主要用于產(chǎn)品的殺菌作業(yè)。目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家已成熟運(yùn)用超高壓技術(shù)，超高壓處理的果蔬品可以達(dá)到商業(yè)無菌狀態(tài)，且會(huì)產(chǎn)生新的風(fēng)味或組成成分。除了殺菌應(yīng)用外，改良食品品質(zhì)也是超高壓技術(shù)在果蔬品的另一重要應(yīng)用;芒果汁在25℃條件下，500MPa保壓20min后，檢測(cè)其香氣成分發(fā)現(xiàn)，超高處理使芒果汁的香氣成分含量發(fā)生變化，產(chǎn)生新的香氣成分（2-己烯醛和十八醛），芒果汁的香氣更加突出。日本明治屋食品公司采用室溫，400-600MPa壓力處理10-30min，生產(chǎn)草莓醬、蘋果醬等果醬，感官評(píng)價(jià)結(jié)果，加壓處理的果醬比加熱法的味道好。孫思成等報(bào)道500MPa壓力條件下處理10min能夠明顯改善大蒜產(chǎn)品的刺激性臭味和功能性營養(yǎng)品質(zhì)。

3.3 超高壓技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用

超高壓技術(shù)應(yīng)用于肉制品主要包括改善食肉口感、滅菌、解凍等方面。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，150MPa以上超高壓處理能促進(jìn)肌原纖維小片化，促使肌肉蛋白分解加速，游離氨基酸增加，使食肉嫩化，提高保水性、促進(jìn)熟成等。滅菌方面，大森丘報(bào)道，300MPa以上對(duì)肉制品常見腐敗菌大腸桿菌、彎曲桿菌、綠膿菌、沙門氏菌以及耶爾森菌等滅菌效果顯著，但對(duì)微球菌、葡萄糖球菌、腸球菌等則需更高的壓力，400MPa以上才開始減少，600MPa以上方可殺滅。有關(guān)肉制品解凍，研究發(fā)現(xiàn)5℃以下水作解凍熱媒體，壓力以100-150MPa為佳，與常壓解凍相比，不僅實(shí)現(xiàn)了快速解凍，而且汁液流失減少，肉色鮮艷、柔嫩，表里均一，有效地提高了解凍肉的品質(zhì)。

結(jié)語

超高壓技術(shù)作為當(dāng)今食品加工技術(shù)的尖端科技，熱門食品加工技術(shù)之一，滿足了人們對(duì)食品營養(yǎng)和衛(wèi)生的需求。但需要指出的是，超高壓食品加工技術(shù)仍然存在一些不足，如超高壓引起酶促變質(zhì)的食品安全以及我國超高壓食品加工設(shè)備過分依賴進(jìn)口，昂貴的成本制約了超高壓食品產(chǎn)業(yè)化。另外，超高壓處理食品成分的變化以及相互作用的關(guān)系尚不能完全明白。相信隨著超高壓食品加工技術(shù)研究和開發(fā)不斷深入，超高壓食品科學(xué)必將與中華飲食文明結(jié)合，由單一的“熱”處理為主，走向“熱”“壓”并舉的時(shí)代，有著廣闊的應(yīng)用前景。

基金資助：

江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202112806107Y）; 江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院“鳳凰學(xué)子”工程資助。

作者簡(jiǎn)介：

左海萍（2002-），女，江蘇南京人，本科在讀;研究方向：藥學(xué)。

通訊作者：

圣志存（1988-），男，江蘇興化人，碩士，講師;研究方向：天然活性產(chǎn)物研究與開發(fā)。