超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用.docx
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超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用
四川食品与发酵
SichuanFoodandFermentation第44卷（第3期Vol.44,No.3
超高压技术（ultrahighpressuretechnology,UHP,也称为静水压技术（highhydrostaticpressure,HHP,又称为超高压杀菌技术（ultrahighpressure
sterilizationtechnology。
超高压杀菌是指将密封于柔性容器内的食品置于压力系统中,以水或其他液体作为传压介质,采用100MPa以上的压力处理食品,以达到杀菌、灭酶和改善食品功能特性的目的[1]。
由于超高压杀菌技术实现了常温或较低温度下杀菌和灭酶,保证了食品的营养成分和感官特性,因此被认为是一种最有潜力和发展前景的食品加工和保藏新技术,并被誉为“食品工业的一场革命”、“当今世界十大尖端科技”等。
目前,超高压灭菌技术广泛的应用于含液体成分的固态食品或液态食品的杀菌,如蔬菜、水果、奶类产品、肉类产品、酱油等的杀菌。
但目前存在的最大难题是超高压设备设计相当困难,以及超高压设备和大流量的高压泵系统制造费用非
常昂贵等。
1超高压杀菌技术的发展
对食品高压杀菌处理最早的报道是1895年
Roger[2]报道的高压对微生物的作用。
1899年Hite[3]发
现了高压处理牛乳和果汁等能延长其保存期,但他的研究工作并未引起人们的关注。
1914年,美国物理学家P.W.Briagman正式提出了食品超高压加工技术,他报道了静水压500MPa下卵蛋白变性凝固,
700MPa下形成凝胶,但在之后的较长时间内这一现
象并未应用到食品工业中,直到1986年日本京都大学林立丸助教发表了高压食品加工的研究报告后才引起了高压食品研究的热潮。
1991年日本明治屋食品公司运用这一技术生
产出了世界上第一种高压果酱食品,并取得了良好的试售效果,被称为21世纪食品。
1998年,美国市场出现了高压食品鳄梨酱。
法国ULTI公司利用高压
收稿日期:
2008-02-25
作者简介:
黄琴（1982-,女,西南大学硕士研究生。
研究方向:
食品微生物与发酵工程。
超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用
黄琴,贺稚非,龚霄,郭辽朴,伍先绍
（西南大学食品科学学院,重庆400715
摘
要:
超高压杀菌技术是食品加工业中的一种高新技术,具有广泛的应用前景。
本文介绍了超高压杀菌技术的发
展历史、杀菌机理、杀菌影响因素以及超高压杀菌技术对食品营养成分的影响和其在食品工业中的应用。
关键词:
超高压;灭菌;食品工业中图分类号:
TS201.1
文献标识码:
A
文章编号:
1671-6892（200803-0046-0005
ApplicationofUltraHighPressureSterilizationTechnologyinFood
Industry
HUANGQin,HEZhifei,GONGXiao,GUOLiaopu,WUXianshao
（CollegeofFoodandScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715
Abstract:
Theultrahighpressuretechnologyisanewadvancedtechnologyinthefoodprocessingindustry,anditisprovedtohaveawideprospectinitsapplication.Thepaperintroducedthedevelopmentofultrahighpressuretechnology,themechanismofsterilization,theinfluencefactorsoftheprocess,theeffecttofoodnutritionandtheapplicationofthistechnologyinthefoodindustry.
Keywords:
ultrahighpressuresterilization;foodindustry
生产桔汁和釉汁[4]。
目前,日本、美国和欧洲等国家在高压食品的研究和开发方面走在了世界前列。
我国主要是在果蔬、乳类、肉类等灭菌方面超高压技术研究和应用的较多。
2超高压杀菌技术的杀菌机理
微生物的热力致死是由于细胞膜结构变化、酶失活、蛋白质变性、DNA损伤等主要原因引起的。
而超高压是破坏氢键之类弱结合键,使基本物性变异,产生蛋白质的压力凝固及酶的失活,以及使菌体内成分产生泄露和细胞膜破裂等多种菌体损伤[5]。
高压会影响细胞的形态。
细胞内含有小的液泡、气泡和原生质,这些液泡、气泡和原生质的形状在高压下会变形,从而导致整个细胞的变形。
研究表明,细胞内的气体空泡在0.6MPa压力下会破裂。
埃希氏大肠杆菌的长度在常压下为1μm￣2μm,而在40MPa下为10μm￣100μm。
高压对细胞膜和细胞壁也有一定的影响。
在压力作用下,细胞膜的磷脂双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。
加压对细胞膜常常表现出通透性的变化和氨基酸摄取的受阻。
当压力为20MPa~40MPa时,细胞壁会发生机械性断裂而松懈;当压力为200MPa时,细胞壁会因遭到破坏而导致微生物的细胞死亡。
压力对微生物的抑制作用还可能是由于压力引起主要代谢酶或蛋白质的失活。
众所周知,酶是有催化活性的一类特殊蛋白质,是由多种氨基酸以肽键结合形成链状的高分子物质。
酶蛋白的高级构造除共价键外,还有离子键、疏水键、氢键和二硫键等较弱的键。
当蛋白质经高压处理后,其离子键、疏水键会因体积的缩小而被切断,从而导致其立体结构崩溃,蛋白质变性,酶失活。
一般来说,100MPa￣300MPa压力下引起的蛋白质变性是可逆的,但当压力超过300MPa时,蛋白质变性是不可逆的[6]。
同样,凡是以较弱的结合构成的生物体高分子物质,如核酸、脂肪、糖类等物质都会受到超高压的影响,从而使生物体的生命活动受到影响甚至停止,这就是高压处理可达到杀菌目的的机理。
3超高压杀菌的影响因素
在超高压杀菌过程中,由于食品成分和组织状态十分复杂,因此要根据不同的食品对象采取不同的处理条件。
一般,影响超高压杀菌的主要因素有:
压力大小、加压时间、加压温度、pH、水分活度、食品成分、微生物生长阶段和微生物种类等。
3.1压力大小和加压时间
在一定范围内,压力越高,杀菌效果越好。
在相同的压力下,杀菌时间越长,杀菌效果也越好。
300MPa以上的压力会使细菌、霉菌、酵母菌灭活,病毒在较低的压力下就会失去活力。
非芽孢菌在300MPa￣600MPa时就可全部致死,芽孢菌在1000MPa压力下仍可存活。
池元斌等人研究了超高压对鲜牛奶中细菌的影响,鲜牛奶中细菌菌落尺寸取决于加工压力的高低以及加压时间的长短。
加压时间越长,压力越大,细菌菌落直径越小[7]。
3.2加压温度
温度是影响微生物生长代谢最重要的环境因素,在低温或高温下,超高压对微生物的影响加剧。
大多数微生物在低温下的耐压程度降低,这主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出而破裂的程度加剧,所以低温对超高压杀菌有促进作用[8]。
加压热杀菌可以减少加热时间或降低杀菌所需的温度;同时,适当的中温也会减少加压所需的时间和强度。
因此,在温度的协同作用下,超高压杀菌效果可大大提高。
Havakawa报道,800MPa,60min,在60℃条件下可将嗜热芽孢杆菌的数量从106个/mL降到102个/mL,而在室温下同样的压力和时间,菌落则不会发生变化。
3.3pH
在压力作用下,介质的pH会影响微生物的生长。
据报道,一方面压力会改变介质的pH,且逐渐缩小微生物生长的pH范围。
另一方面,在食品允许范围内,改变介质pH,使微生物生长环境劣化,也会加速微生物的死亡速率使超高压杀菌时间缩短或降低所需压力[9]。
大肠杆菌在常压下,pH4.9和pH10.0,生长受到抑制;在27.2MPa下,pH5.8和pH9.0,生长受到抑制;在34.0MPa下,pH6.0和pH8.7,生长受到抑制。
3.4水分活度
水分活度（Aw对高压杀菌效果影响也很大。
J.J.Rodriguez通过研究证明了水分活度对杀菌效果有显著的影响作用,其影响作用因压力大小而异,当压力为414MPa时,水分活度从0.99降至0.91,杀菌作用减弱。
低水分活度产生细胞收缩和对生长的抑制作用,从而使更多的细胞在压力中存活下来[10]。
因此水分活度大小对微生物抵抗压力非常关键,对于固
第44卷（总第144期47
黄琴等:
超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用
体与半固体食品的超高压杀菌,应充分考虑水分活度的重要性。
3.5食品成分
由于食品成分十分复杂,因而对高压杀菌的影响情况也很复杂。
通常食品中富含高盐高糖时,其杀菌速率会出现减慢趋势。
富含蛋白质、油脂的食品高压杀菌较困难,但添加适量的脂肪酸酯、糖酯及乙醇后,加压杀菌效果会增强。
在高压下,食品的化学成分对杀菌效果有明显的影响。
蛋白质、碳水化合物和脂类对微生物具保护作用;强化的培养基因富含可供细菌利用的氨基酸和维生素等营养物质,从而对细菌在超高压下具有很好的保护作用[11]。
另外,食品基质所含的添加剂组分对超高压灭菌也有很大的影响。
3.6微生物的种类和生长阶段
超高压杀菌效果还与微生物的种类和生长阶段有关。
革兰氏阴性菌的细胞膜结构复杂且易受压力等环境条件的影响发生结构变化;而革兰氏阳性菌的耐压性较强。
芽孢类细菌比非芽孢类细菌的耐压力强。
当压力超过100MPa时,许多非芽孢细菌都失去活性,但芽孢细菌则可在高达1200MPa下存活[12]。
因此,杀灭芽孢细菌应需更高的压力,并适当结合其他处理方式。
微生物在不同的生长阶段其对压力的耐受性不同。
研究表明,微生物在生长期,特别是对数生长期对压力很敏感。
4超高压灭菌对食品中营养成分的影响
传统的加热杀菌法处理食品,易造成食品中热敏性营养成分的破坏,且会发生食品变褐和产生蒸煮味等,而采用高压杀菌技术处理食品,在灭菌的同时较好的保持了食品原有的色、香、味及营养成分。
高压对食品中营养成分的影响主要有以下几个方面。
4.1对蛋白质的影响
高压可使蛋白质结构中的氢键、离子键、疏水键等破坏,使蛋白质变性。
许钟等人对鱼肉蛋白进行高压处理,发现鱼肉蛋白质变性的压力比其他蛋白质低很多。
在300MPa￣400MPa压力下处理鱼糜可得到具有高弹性、透明和具光泽的凝胶,保持致密的组织性,且放于低温下,弹力会进一步增强[13]。
酶是蛋白质,超高压处理对食品中各种酶的活性也有影响。
经超高压处理水产品中的蛋白酶、酪氨酸酶等失活,可减缓酶促褐变和降解反应。
一般,压力在350MPa以下范围内,随着压力的提高酶活逐渐下降,但压力高于350MPa时,酶活又有所回升,这种现象可能与酶分子内部结构和活性部位的构象有关[14]。
4.2对淀粉和多糖的影响
超高压可使淀粉改性。
常温下加压到400MPa￣600MPa可使淀粉酶糊化而呈透明的粘稠状物,且吸水量也发生改变。
其原因是压力可使淀粉分子的长链断裂,分子结构发生改变。
根据研究报道,对蜜蜂进行高压杀菌处理,结果发现在微生物致死的情况下,对糖类几乎没有影响。
马成林等研究了玉米淀粉超高压糊化后的冻融稳定性和色泽变化,并和热糊化淀粉的老化特性和色泽变化做了比较,发现超高压处理完全糊化的淀粉冻融稳定性和色泽较好。
4.3对油脂的影响
油脂对压力耐受力较低,常温下加压到100MPa￣200MPa,基本上变成固体,但高压对油脂是可逆的。
压力解除后,固体仍能恢复到原状。
Wong利用拉曼（Roman红外光谱仪研究了很多种脂类状态的变化,发现主要临界温度在压力每升高100MPa时,升温20℃,且呈直线关系。
由此可见,高压对脂类的影响是很明显的。
4.4对食品中其他成分的影响
高压对食品中风味物质、维生素、色素及各种小分子物质几乎没有影响,因此可广泛适用于各类食品的生产。
5国内外超高压灭菌技术在食品加工中的应用现状
5.1在果蔬产品加工中的应用
超高压技术在食品工业中最成功的应用就是用于果蔬产品的灭菌。
在生产果酱中,采用超高压技术不仅使水果中的微生物杀死,而且还可简化生产工艺提高产品品质。
日本明治屋食品公司采用超高压技术生产果酱,如草莓酱、苹果酱等。
他们采用室温下以400MPa~600MPa的压力对软包装果酱处理10min￣30min,所得产品具有良好的新鲜口味、颜色和风味。
日本、美国等一些国家也纷纷开发超高压技术用于生产果蔬汁。
经超高压处理的新鲜果蔬汁颜色、风味、营养成分和未经超高压处理的新鲜果蔬汁几乎没有任何差别[15,16]。
5.2在奶类产品加工中的应用
超高压杀菌处理乳制品与传统的加热杀菌乳制
48四川食品与发酵2008年第3期
品比较,可以很大程度的保留食品内的营养成分和原有风味,且杀菌时间较短,不产生毒性物质[17]。
但由于有些技术还不完善,如果用高压技术取代热处理尚需做进一步的研究。
研究证实,100MPa￣600MPa的高压作用5min￣10min可以使奶中的细菌和酵母菌减少直至杀灭,但孢子对压力有一定的耐受性,需要更高的压力,配合温度处理则可实现完全灭菌。
5.3在肉制品加工中的应用
在常温下,对肉制品进行超高压灭菌,革兰氏阴性细菌和酵母菌在400MPa左右的压力下基本灭活;革兰氏阳性细菌则需600MPa压力可基本灭活,但孢子类细菌则较难灭菌。
对猪肉和牛肉进行400MPa,20min的超高压处理,发现他们的嫩度、风味、色泽及成熟度方面均得到改善,而且保质期也大大延长了[18]。
5.4在水产品加工中的应用
水产品加工不同于其他食品,不仅要求保持水产品原有的风味、色泽,还要具有良好的口感和质地。
常规加热处理不能满足水产品加工的要求。
采用超高压技术对水产品加工处理可保持产品原有的色、香、味。
在600MPa下处理10min可使甲壳类水产品的酶完全失活,并保持了其外观的红色和内部的白色,减少了细菌数量,保持了原有的鲜味[19]。
同时,高压处理还可增大鱼肉的凝胶性。
5.5在酒类产品加工中的应用
超高压技术还可用于酒的生产,生酒（生啤酒、生果酒等经约400MPa的超高压处理,将酒中的所有酵母菌及其他部分菌类杀死,从而得到具生酒风味,且能长期保存的超高压生酒产品[20]。
超高压技术用于催陈黄酒的研究表明,黄酒经高压处理后色泽和风味不变,酸度基本不变,挥发酯含量提高20%左右,呈苦、涩味的氨基酸比例下降,呈甜、鲜味的氨基酸比例上升,使得黄酒味更加鲜甜、醇和、爽口,醇香更加浓郁。
5.6在其他方面的应用
超高压在速冻、高压解冻和不冻冷藏方面也有良好的应用。
利用高压条件下冰点下降和压力瞬间传递的原理可实现食品物料的快速冷冻,避免了物料组织的变性和破坏,真正实现了速冻。
同样,在食品物料解冻时也可以采用高压降低溶点的方法,避免了常压下外部升温解冻时间长和受热不均匀而造成的营养损失和品质变化的缺点[21]。
这种方法既可以保持产品的质地、风味和营养价值,同时又完成了抑菌过程。
6结论与展望
随着科学技术的迅猛发展,超高压技术已显示出了其在食品加工中的重要地位。
超高压杀菌技术有效的保持了食品原有的色、香、味和营养成分,减少了化学添加剂的使用,延长了食品保质期,是21世纪的新型产品,有着广阔市场和发展前景。
然而,由于超高压灭菌技术尚不完善,对设备要求很高以及成本也很高,目前,市场上出现的超高压食品数量很有限,仅用于一些高价值产品的生产。
随着对超高压杀菌技术的进一步研究和开发,相信不久的将来此技术将广泛的应用于各种食品的生产加工。
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第44卷（总第144期49
黄琴等:
超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用
地震灾害的特点
目前,在不能作到临震预报的情况下,地震是突发性和破坏性严重的自然灾害。
强烈地震会造成全部或部分建筑物倒塌破坏,铁路、桥梁和公路、通讯、供水、供电设施被破坏;有的还会引起地下水源重新分布,造成部分水井无水;食品生产经营企业被震毁,食物资源被埋太、
破坏、污染;震区居民家庭被毁,食物、炊具、食具被砸坏;震区排水系统也会被破坏,废墟、垃圾、粪便、污物堆积,苍蝇孳生密度升高,鼠患严重,人民生存、
生活环境极剧恶化。
如1976年7月28日在唐山发生7.8级地震,震中烈度11度,震源深11公里,106万人口的唐山市造成24万余人震亡,16万余人伤残,7000余户断门断炊,城市供水、供电、交通、通讯断绝,食品生产经营系统和卫生防疫、食品卫生监督监测机构被震毁瘫痪。
地震灾害期间的食品卫生状况
强烈地震不仅给灾区人民的生命财产带来极为严重的损失,而且会造成许多疾病发生和传染病流行的条件。
城乡一片废墟,人们无家可归,露宿街头,田野,食物、炊具,食具缺乏,城市供水完全中断,人们被迫饮用游泳池水,矿坑水甚至洗澡塘的废水,下水道中污水。
农村水井也严重污染。
灾区人民和救灾军民饮食营养和卫生状况很差,食源性疾患易于发生。
根据我国历次地震灾区情况,灾民家庭食品卫生状况出现过以下问题:
一、灾民居住生活环境污染严重。
帐篷或简易搭建于废墟污物近旁,居住生活场所粪便、污物随处可见。
夏秋蚊蝇孳生,冬春风沙弥漫。
居住拥挤,在农村、牧区往往人与畜禽混居,容易造成食品污染和传染病传播。
二、缺乏清淡水、食品、炊具和餐具,灾民家庭或集体起伙做饭在震后初期存在困难。
食品、食品容器和餐具没有条件充分洗净、消毒,容易引起食品污染。
三、多人共用餐具和食品容器,容易引起的食源性疾患和经生活接触传播的疾病的发生和流行。
四、运输和分发救援熟食品的车辆往往不是运食品专用车;救援食品包装和容器不洁或损坏;灾区保管暂存救援食品的场所无卫生防护设施,食品易被污染;分发救援食品的人员卫生知识缺乏,个人卫生不良,分发前不能做到洗手消
毒,增加对食品的污染。
五、灾民家庭缺乏食品防护设施,食品易受苍蝇、蟑螂等污染。
剩余食品再加热条件差,饮用开水困难。
六、鼠害严重。
地震区在震前有前兆反常现象,表现为鼠成群结队洞外活动频繁,在各种场所尤其是食品厂、库、店和居民家中,鼠与鼠迹鼠害显著增多。
震后初期的建筑物多为简易棚,建筑材料和构筑物基本不具备防鼠作用,使鼠患严重,到处盗洞作窝,对食品造成污染和损害。
七、灾区的食品卫生违法行为。
灾后初期,会出现一时性食品短缺,一些不法分子会乘机将超期,变质和伪劣食品在灾区销售。
如山西雁北地震后就发现过出售超期、变质的罐头、饼干、方便面、饮料以及未经兽医卫生检疫检验的畜肉的违法行为。
据不完全统计,在五个灾区县乡（镇共查封变质食品320kg,变质罐头、
饮料400余瓶。
灾区的其他食品卫生问题
灾后初期,由于食品供应暂时紧张,还会出现以下食品卫
生问题:
一、地震灾区砸死或其他原因致死的畜禽、被灾民食用。
由于死亡时间长,其肉和内脏可能腐败、被致病性微生物污染的机会也会大大增加;个别情况下还可能被毒物污染。
食用这些物品,引起食源性疾病和其他疾病的危险性较大。
二、灾区甩出、抛洒,丢弃的食品较多,这些食品有毒有害的可能性较大,在灾区有被食用的情况发生。
三、灾区食品缺乏、加之有些地区人民有采食野菜的习惯,野菜中毒也是地震灾区应该警惕的问题,我国解放后发生的地震灾区还没有发生野菜中毒的记载。
1960~1962年自然灾害期间的饥荒中在河北省农村曾发生采食苍耳籽中毒202起,中毒30119人,死亡405人,其中4月份采食苍耳籽芽中毒人数占24.6%,10月份食用苍耳籽油、油渣酱和炒熟苍耳籽中毒者占63.7%;苦杏仁中毒1061起,3273人;野莱（主要为羊角菜中毒621起,8891人;棉籽中毒83起,1621人。
据不完全统计,1960年天津市因来食野菜造成中毒475起,7864人,死亡192人。
其中苍耳籽中毒约占90%以上,其次为苦杏仁,曼陀罗、蓖籽、野落葵等。
毒蕈中毒在我国各地也时有发生。
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