超高压技术及其在食品中的应用

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超高压技术 及其在食品中的应用
超高压技术及其在食品中的应用
引言 超高压技术的概念和历史 超高压技术原理及特点 超高压技术的应用 展望
引言
在19世纪末20世纪初,人们就认识到一般深海鱼类 和生物可耐50MPa的压力。 高压技术的起源是用于生产陶瓷、钢铁和超合金, 以制作高速硬质合金刀具。如在压力130~270 MPa下使金属材料经过模孔形成长形产品。直到本 世纪80年代末.日本学者首倡食品的超高压处理。 90年代日本已有超高压果酱、调味品、饮料等多种 产品上市。 目前超高压食品加工技术是食品加工业的一次重大 革命,被列为当前“七大技术热点”和二十一世纪 “十大尖端科技之一”。 其发展前景良好,已为各 国关注和重视。
第三阶段为理论应用阶段 (20世纪80年代末~至今)
随着现代高压物理的诞生和发展,20世纪80年代末
首先在日本出现了食品的超高压加工技术。1986年 日本京都大学的林力九教授率先开展了高压食品的
实验,引起了日本工业界的浓厚兴趣,掀起了(超)
高压技术在食品中的应用基础研究热潮,日本国内 的很多学者,如小川浩史、昌子有、崛江耀、松本 正等也纷纷开展了与此有关的实验研究工作。
高压处理过程中,物料在液体介质中体积被压缩, 超高压产生的极高的静压不仅会影响细胞的形态, 还能使形成的生物高分子立体结构的氢键、离子 键和疏水键等非共价键发生变化,使蛋白质凝固、 淀粉等变性,酶失活或激活,细菌等微生物被杀 死,也可用来改善食品的组织结构或生成新型食 品。
超高压杀菌技术的基本原理
刘红等(浙江工业大学,1996)最早应用有限元应力分 析计算的方法,对高压食品加工装置的设计进行了探 索,并和方志民等(1996)提出了“快装快拆小型超高 压食品加压装置结构设计”,最近方志民和刘红等叉 设计山“快装快拆小型超高压食品加压装置,已申报 实用新颖专利。兵器工业部第五研究所以及现在的中 国兵器科学研究院宁波分院,早在l993年开始从事食 品超高压装置研究,并获得了国家实川新颖专利 (1995) 和国家发明专利(1996) 1项。
三. 超高压技术研究应用现状
• 目前,日本在超高压食品加工方面仍居于国际领 先地位,已拥有大量的食品超高压处理实验装置 和生产设备,果酱、果汁、鱼糜制品等超高压食 品已进入超市,并且有了食品超高压加工、杀菌、 保鲜的专利技术。 • 日本超高压技术在食品加工上的成功应用,很快 引起了德、美、英、法等欧美国家及南朝鲜的高 度重视。它们先后投入巨资对高压食品的加工原 理、方法、技术细节及应用前景开展了广泛而深 入的研究。
为产业化开发作准备的大量前期研究,终于 使世界于1990年4月迎来了第一批高压食 品——果酱(草莓酱、苹果酱和猕猴桃酱三 个品种,七种风味系)的问世并在日本取得 良好的试售效果,引起了整个日本国内的轰 动。高压加工的果酱在日本超市的问世,揭 开了高压理论(超高压技术)在食品加工应用 的序幕。
二.超高压技术的原理及特点
• 美国已将超高压技术列为21世纪食品加工、包装的主要研 究项目,并已有小规模工业化生产。目前,国外超高压技 术已在果酱(草莓酱、猕猴桃酱、苹果酱等)、果汁(橘子 汁等)、含果肉的果冻、豆浆、乳蛋白制品、鱼糜鱼糕、 鱼肉制品、牛肉制品、甲壳类水产品等开展过系列研究, 并取得了产业化效果。 • 如今,日本、美国等一些发达国家在高压加工装置(通用 型和专用型的设备)的定型化、标准化、实现批量生产等 方面取得了一些新成就,如美国的Wenger公司、日本的明 治屋食品公司等都拥有各自的特色产品。 • 中国超高压技术在农产品加工中应用还处于起步阶段,国 内对食品超高压技术研究较有影响的科研单位寥寥可数, 主要有黑龙江商学院、杭州商学院、华南理工大学、中国 农业大学、合肥工业大学等。
第二阶段为理论实验阶段 (20世纪40年代末期~20世纪80年)。
虽说这一时期超高压技术在食品上应用研究未成 气候,但在聚态物理上的研究和在化工及冶金工 业上的应用得到了迅速的发展。随着高压装置特
别是金刚石高压容器的研制和应用,高压实验引
向深入,静态高压技术突破了百万大气压,动态 高压技术压力提高到数千万大气压,使(超)高压 理论进一步获得完善,为超高压技术在食品上应 用奠定了技术基础。
超高压杀菌技术的基本原理
• 对微生物细胞结构的影响 • 对微生物遗传机制的影响 • 超高压对微生物芽孢壳的作用
1 对微生物细胞结构的影响
细胞壁和细胞膜是细菌细胞的主要结构, 如果细胞壁和细胞膜的结构发生变化,其 功能势必也随着改变,并最终导致细胞的 死亡。实验结果表明,超高压可以引起细 胞形状、细胞膜和细胞壁的结构和功能发 生变化。
超高压杀菌技术是新型杀菌技术。热消毒或灭菌,可 以使微生物失活并使其数量比原来明显减少,然而食 品的味道和营养也被严重地破坏了。使用超高压技术 时,温度没有升高。因此,保持食品原来的特性,没 有热加工的副作用,前景是可喜的。将食品物料以某 种方式包装以后,置于超高压(200兆帕以上)装置中 加压处理,使之达到灭菌的目的。高压导致微生物的 形态结构,生物化学反应基因机制以及细胞壁发生多 方面的变化,从而影响微生物原有的生理活动机能, 甚至使原有的功能破坏或发生不可逆的变化。
• 国内最早应用超高压技术进行食品加工研究的是 叶怀义等(1995)和励建荣等(1996),前者就超高 压对微生物、酶的灭活机理,果肉饮料和果酱的 加工工艺以及对小麦、玉米、绿豆、藕、木薯、 甘薯、土豆等淀粉的糊化特性影响进行了详细研 究,后者则对橙子、草莓、西瓜、黄瓜、猪肉、 牛肉、草鱼、河虾、鸡蛋等超高压处理后灭菌效 果、营养品质、风味以及(超)高压催陈黄酒的一 系列。研究取得了预期实验效果,获得了超高压 保鲜果汁和超高压催陈酒类技术。
2、对微生物遗传机制的影响
研究认为30-50MPa之间的静压能影响基因的表达和蛋白质的合 成。高压能导致啤酒酵母产生四倍体,证明高压能影响 DNA的复 制。在100MPa压力下,酵母的核膜会受到影响,在大于400mPa 压力时,线粒体和细胞质会发生改变,尤其在大于 300mPa压力 下有金属离子释出。嗜热甲烷球菌、紫串状酵母属和埃希氏大 肠杆菌在经过压力处理后都发现了诱导蛋白。DNA和RNA对压力 非常有抗性,但有研究表明单核李斯特氏菌和伤寒沙门氏菌菌 体经压力处理后发现有核物质大量凝结,分析认为在高压条件 下,DNA与核酸内切酶得以充分接触,核酸内切酶打开了DNA双 螺旋结构,但这一过程可回复,推测这一过程与一种负责回复 活性的酶有关。如果这种酶被超高压灭活,则细胞就不能再继 续增殖,这对我们杀灭细菌是非常有利的,可以大大延长食品 的保藏期,这方面的工作还有待于进一步研究。
追溯起历史,超高压食品(简称“高压食品”) 的研究几乎与现代高压技术的发展同步。 高压技术的发展,大致经历了三个发展阶段:
第一阶段为理论奠基阶段 (1 9世纪末期~20世纪40年代)。
早在1899年,美国化学家BertHite首次 发现了450MPa的高压能延长牛乳的保藏 期,以后相继有很多报道证实了高压对 各种食品和饮料的杀菌效果。
而公认的开创现代高压技术先河的却是美国物理学家 P.WBridgeman (由于他的高压研究,1946年获得诺贝 尔物理学奖),他在1906年开始,通过高压实验技术, 对固体的压缩性、熔化现象、力学性质、相变、电阻变 化规律、液体的粘度等宏观物理行为的压力效应进行了 极为广泛的系统研究,并于1914年发现在700Mpa下引起 蛋白质凝固的现象,这是超高压技术应用于食品加工的 理论雏形。但是限于当时的条件,如高压设备、包装材 料的开发研制以及产品的市场需求和有关的技术原因等, 这些研究成果并未引起足够的重视,在实际生产中也未 得到推广和应用。
超高压技术在果蔬产品加工中的应用
•果酱、果汁及饮料 率先获得上市的超高压食品是果酱。1990年三个品 系(草莓酱、猕猴桃酱、苹果酱,七种风味系列)的 果酱等在日本超市的亮相,揭开了超高压技术在食 品加工上成功应用的序幕。此后,日本又相继在果 汁、日本清酒、啤酒等高压饮料和糕点等食品上获 得突破。由于果酱、果汁及饮料,均属以水为主的 生物体系,能够接受超高压的完全作用,达到杀菌、 保鲜的目的,因而首先在这方面获得突破也是顺理 成章的。
特 点:
高压处理基本是一个物理过程,对维生素 、色素和风味物质等低分子化合物的共价 键无明显影响,从而使食品较好地保持了 原有的营养价值、色泽和天然风味,这也 是高压技术在目前各种食品杀菌、加工技 术领域所独具的特点。
①瞬间压缩、作用均匀、时间短、操作安 全和耗能低; ② 污染少(热、化学); ⑧ 更好保持食品的原风味(色、香、味)和 天然营养(如维生素C等); ④ 通过组织变性,得到新物性食品; ⑤ 压力不同作用影响性质不同。
3、超高压对微生物芽孢壳的作用
杀灭芽孢是食品保藏中最关键的一环,它是食品是否彻底灭 菌的标志,而杀死芽孢也是食品加工和保藏中最难解决的问 题之一。细菌芽孢可被高于lO00mPa的压力直接杀死,但如 此高的压力不适宜直接应用在实际生产中,这是因为超高压 设备的承压能力越大,设备重量增加的越大。如容积为2OL, 承压为600mPa的超高压设备,重量超过100t,如采用线圈结 构,重量可减轻,但承压能力也随之下降。因此考虑这些, 我们认为lO00mPa以上超高压设备应用于实际生产中,无论 在生产工艺上还是在经济方面都是不适宜的,这就需要我们 重新寻找新的工艺设计。
一. 超高压技术的概念、发展历史
1、超高压技术的概念 2、发展历史
1、超高压技术的概念
一般所说的超高压(简称高压),指的是超 过100兆帕(约为987个大气压)以上的压力。 所谓超高压技术(简称高压技术),是指应 用超高压(1OOMpa-lOOOMpa)作用于待处理物 质使之发生改变的过程。
2、发展历史Biblioteka Baidu
但总体来说,中国超高压技术和超高压装置 研制与国外相比存在较大差距。超高压技术 在农产品加工中的应用还缺乏系统研究,有 关处理工艺、处理参数等尚未明了。迄今为 止,中国超高压技术尚未实现产业化,还没 有自己的超高压食品上市。
四. 超高压技术应用前景
• • • • 超高压技术在果蔬产品加工中的应用 超高压技术在鱼制品肉制品加工中的应用 超高压技术在速冻食品加工中的应用 超高压技术在中药制品、功能性食品中的 应用
因此中国可以在借鉴国外经验的基础上,结 合本地水果资源优势,把超高压术应用于其 它大宗水果上。诸如浙江地区面积较大又有 地方特色的林特果品杨梅、桑椹、蜜梨、水 蜜桃、葡萄、柑橘等,利用超高压技术一方 面可以加工成安全、卫生无菌、营养保存完 整、保鲜保质期长的纯天然果酱果汁等,直 接在超市上出售;另一方而,可以加工成具 有独特风味的饮料乃至果酒等,通过杀菌、 保鲜,延长货架期,同时,也有可能在改进 风味上取得突破。
死亡的原因之一。
另外通常情况下.胆盐是不能进入细胞外膜的。NaC1 也不能渗透到细胞内膜 但是细胞受到压力后.胆盐 和NaC1都可以进入细胞内引起细胞损伤。正常细胞对 盐不敏感,但高压后的细胞对盐非常敏感,压力越大,
对盐的敏感性越太。
有人认为细胞膜破裂的原因在于超高压使细胞膜的物 理结构发生变化,膜蛋白与膜脂质的结合能力降低, 膜内在蛋白和膜的外在蛋白从膜上脱落,使膜破裂。
Osumi等研究了在0~400Mpa的压力下双形热带念珠菌的细胞 结掏及骨架变化,他们发现在200MPa的压力下,细胞壁遭到 破坏细胞的亚显微结构也发生变化,线粒体的嵴受到不同程 度的损伤,核膜孔张开且被破坏。
Paul等也通过实验证实细菌受到压力后细胞膜破裂,他们用
可与DNA结合的荧光染料溴乙锭处理受压的细胞,在荧光显徽 镜下观察到:在受压时间短的细胞内有荧光物质,说明细胞 膜破裂.溴乙锭进入细胞内与DNA结合。但是在受压时间长的 细胞内却没有观察到上述现象。这是由于超高压使DNA断裂, 不能与溴化乙锭结合。因此细胞内物质的丢失被认为是细胞
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