高密度二氧化碳技术在食品加工中的应用研究

刘文营，黄丽燕，卢晓明，张 强，赵维高，王旭清，韩兆鹏，刘旭明

(1.国家蛋品工程技术研究中心，北京 102115; 2.北京德青源农业科技股份有限公司，北京 100081)

高密度二氧化碳技术在食品加工中的应用研究

刘文营1，2，+，黄丽燕1，2，+，卢晓明1，2，*，张 强1，2，赵维高1，2，王旭清1，2，韩兆鹏1，2，刘旭明1，2

(1.国家蛋品工程技术研究中心，北京 102115; 2.北京德青源农业科技股份有限公司，北京 100081)

作为一项重要的非热加工技术，高密度二氧化碳(Dense Phase Carbon Dioxide，DPCD)技术已经成为目前食品杀菌、钝酶和改善食品品质上较为活跃的研究方向之一。对DPCD在食品加工领域的研究进展进行了综述，以期为DPCD技术的深入研究与广泛应用提供参考。

高密度二氧化碳，食品加工，应用

为了满足消费者对加工食品品质的需求，以及在食品加工过程中最大限度的保存食品原有的有益成分，对食品进行“最低程度破坏加工”的研究日益受到重视，其中非热加工是一类有效可行的方法。高密度二氧化碳技术(Dense Phase Carbon Dioxide，简称DPCD)作为一种新型非热加工技术，其通过二氧化碳的分子效应来达到杀菌和钝酶，大量研究结果表明，DPCD技术在低温条件下能有效杀菌，同时最大限度地保持食品营养、风味和新鲜度等品质［1－7］，且不会影响食品安全性，这种技术在液态和固态食品中均有使用，是一种绿色洁净技术，在食品加工应用中具有重要意义。二氧化碳具有化学惰性，无腐蚀性，高挥发性和独特的经济性，在一定压力下具有杀菌作用。与传统的热力杀菌技术相比，DPCD的处理温度低，对食品中的热敏物质破坏作用小，有利于保持食品原有品质;与超高压杀菌技术(300～600MPa)相比，DPCD杀菌技术处理压力低(一般低于20MPa)，容易达到并控制压力。因此本文对DPCD杀菌技术在食品加工中的应用研究进展进行了综述，以期为更深入的研究和更广泛的应用提供理论参考。

1 在畜产品加工中的应用研究

闫文杰等［8］利用DPCD对猪肉进行了处理，对经过DPCD处理后的猪肉在贮藏过程中的品质和理化性质进行了分析。结果表明，DPCD处理对冷却猪肉在贮藏过程中的pH、a*值和挥发性盐基氮值有显著影响，但对L*值、保水性、肌原纤维小片化指数值、硫代巴比妥酸值、羰基值没有显著影响;DPCD处理压力越高，对冷却猪肉理化性质的影响越有利，但对颜色和保水性的影响越不利，其中，冷却猪肉经21MPa、50℃的DPCD处理30 min后，a* 值显著降低(P＜0.01)，肉变成灰白色。Choi等［9］研究也发现鲜肉经过DPCD处理变成灰白色，亮度增加。

为了更深入的研究DPCD作用的机理，Ishikawa等［10］在磷酸钠盐缓冲液中采用微泡技术对肌红蛋白进行DPCD处理。结果发现，肌红蛋白的二级结构受到很大程度的破坏。廖红梅等［11］利用DPCD对牛初乳处理后发现，在20MPa、37℃条件下DPCD处理30min以上，能较好地杀灭牛初乳中的细菌，同时牛初乳发生了色泽变亮、粒度增大、黏度和pH均降低等变化。结果表明，DPCD不仅具有良好的杀菌效果，而且对改善肉品的理化性质方面也具有良好的帮助作用。DPCD处理后的蛋白会发生二级结构的变化，二级结构是三维折叠的基本要素，决定着蛋白质的某些特性，经过处理后的肌肉组织和牛乳等色泽都发生了变化，其他理化特性也有变化。

2 在蛋品加工中的应用研究

传统液蛋产品的杀菌方式通常采用巴氏杀菌。该法对杀灭食源性致病菌非常有效，但同时也会降低热敏感产品的营养价值，影响产品的感观品质。液蛋是一种含有热敏蛋白的产品，加热易凝固，采用非热杀菌技术来代替传统的热处理技术，既能杀灭产品中的微生物，尤其是致病微生物，确保产品安全，延长产品货架期，又能够保持产品良好的感观特性和营养价值。

郑海涛等［12］采用高密度二氧化碳(DPCD)技术处理鸡蛋全蛋液，研究不同温度和压力条件下对大肠杆菌和沙门氏菌的杀灭效果。结果表明，杀菌效果随着温度升高、压力的增加而提高;处理条件为: 15MPa、35℃、15min，大肠杆菌和沙门氏菌数量分别降低了3.07和1.89个对数值。因此，DPCD对蛋品进行杀菌同样具有良好的效果。

3 在果蔬加工中的应用研究

果蔬及其制品中含有多种营养物质和酶类，在传统的热加工过程中，都存在着营养物质的损失、颜色和理化性质的变化。因此采用非热加工可以尽量避免这些负面的影响。

刘野［13］利用高密度二氧化碳技术对西瓜汁进行处理，通过钝化过氧化物酶活性抑制西瓜汁的褐变，获得了较好的效果。同时发现，经DPCD处理后，西瓜汁中的番茄红素含量略有下降(P＜0.05)，总酚含量保持不变(P＞0.05)。

谭熙耀等［14］对经过钝化处理后的双孢菇进行了速冻工艺的研究，得到了优化的速冻参数:处理釜初温6℃、处理釜设定压力7MPa、卸压时间4min。对双孢菇快速高效速冻，一定程度上解决了产品冻结时间长、易发生干耗的问题。

David Del Pozo－Insfran等［15］研究了DPCD在加工的圆叶葡萄汁微生物稳态、植物化学物质的保留以及感官上的作用。相对于巴氏热杀菌，花色苷、多酚和抗氧化物会发生10%～30%的减少，高密度二氧化碳处理则不发生变化，即使是在贮藏结束时，仍然比巴氏热杀菌保留了较高的含量。对未经处理样品与DPCD和巴氏热杀菌处理的比较发现，两者之间包括颜色、气味、风味和总体感官等，都存在很大的差异。同样的实验，Gurbuz Gune等［16］也发现可以降低葡萄汁中的酵母菌的活性，且随着浓度和压力的增大，活性降低的就越大，处理过程中也不会发生风味的降低。经过五周的贮藏，相对于巴氏热杀菌，DPCD处理的样品更能保存植物化学成分。

Murat O Balaban［17］研究了DPCD处理橘子汁的加工时间、温度和压力条件对果胶酯酶的影响。与热钝化处理所需的加热温度相比，二氧化碳处理不需要同样的温度，高压力、高温度和长的处理时间具有较好的钝化效果。A G Arreola等［7］发现，DPCD可以使橘子汁中的果胶酶钝化，pH和浓度不发生变化，颜色更加鲜艳，总酸略有下降。与空白样品相比，维生素C略有增加，颜色和光泽等感官性质比未经处理的好很多，风味、香味和总体可接受性没有受到明显的影响。

郭鸣鸣等［18］研究了新鲜荔枝汁、37℃自然培养12h和37℃自然培养24h经DPCD处理前后细菌总数、霉菌与酵母菌总数的变化，实验结果显示，经DPCD处理后细菌总数降低了4到6个数量级，霉菌和酵母菌被杀灭。对杀菌前后的荔枝汁中天然微生物的菌落形态进行观察显示，杀菌前后荔枝汁中微生物的菌落形态有显著区别，DPCD处理后优势菌基本被杀灭。

4 在处理酶活性方面的研究

食品加工过程中，酶种类的多少和活性的高低直接影响到食品的理化性质和感官特性。所以一般食品加工过程中首要进行的就是灭酶，为此探讨DPCD对酶作用的机理需要进行更深层次的研究。

Liao Xiaojun等［19］对DPCD处理脂肪氧化酶效果进行了分析，通过进行透射电镜、SDS－PAGE、Native－PAGE、圆二色谱和荧光光谱分析发现，经过处理后脂肪氧化酶的颗粒变大，变性电泳上条带没有变化，而活性电泳上条带发生了缺失，圆二色谱和荧光光谱检测发现α螺旋降到了处理前的10%，且内源荧光强度降低的程度与处理的压强大小正相关。这表明DPCD改变了脂肪氧化酶的二级结构，酶发生变性，压力的大小与蛋白变性的程度成正比，从而造成同等程度的荧光光强发生变化。

同样，贝君等［20］研究了DPCD处理对脂肪氧化酶的影响。与热处理相比，DPCD处理在钝化LOX时效果较为显著，相对于55℃处理30min，酶活接近20%的热杀菌效果，DPCD(55℃、10MPa)处理30min，酶活则不到5%。且经过处理后，LOX液中游离巯基的含量和浊度值显著增加，表明DPCD处理使LOX发生了变性。

5 其他

Y Akiyama等［21］利用红外吸收光谱法研究了DPCD处理对羰基化合物，包括酮、酯和酰胺键的影响，在正己烷稀释的情况下，羰基吸收光谱会发生蓝移，而随着二氧化碳浓度的增加，光谱吸收会相应发生红移。且随着二氧化碳的增加，酰胺的变化强度大于酯，大于酮。此项研究表明，DPCD处理样品时样品的物质形态会发生变化，光谱学上表现为吸收光谱带的变化。

在考虑DPCD的处理条件，处理时间、压力和体系温度的影响上，H Karaman等［3］对肉汤的大肠杆菌杀菌效果进行研究发现，压力越大，对大肠杆菌的钝化能力越强，同时，钝化能力的大小受温度和压力的大小影响。结果与S Spilimbergo等［4］获得的结果一致。同样，Liao Hongmei［22］通过高密度二氧化碳处理苹果酱进行钝化大肠杆菌的实验，也发现随着时间的延长或者压力的增大，对细菌的灭活作用效果越明显，在45MPa、52℃、30min时效果最为显著。同时发现，处理的效果与二氧化碳的纯度有较大关系，纯度越大，效果越好。在与其他气体的杀菌效果进行比较时，S.Spilimbergo等［6］以苹果汁中的酵母菌为实验对象，在实验室条件下进行了超临界的CO2和N2O的杀菌实验。在多击模型的基础上，对实验结果进行了随即模型的实验，并用环境扫描电镜对高压处理过的细胞进行了进一步的细胞壁影响检测。发现随着CO2压力的增加，灭活率增加，而N2O的灭活效果则相反。尽管电镜的结果是细胞膜没有受到损坏，但是更进一步的实验仍然要对N2O灭活的作用机理进行研究。

Gurbuz Gune［23］应用响应面对二氧化碳与物品质量的比、压力大小等因素进行了分析，结果发现大肠杆菌对二氧化碳的压力大小反应较为明显，二氧化碳与物质的比值是影响抑制大肠杆菌活性的主要因素。大肠杆菌对高密度二氧化碳具有高敏感性，杀菌处理时可以忽略温度和压力的影响，因此高密度二氧化碳被认为是理想的苹果汁杀菌方式。Seok－In Hong［24］研究了高密度二氧化碳处理后乳酸菌的生理变化，进而进行酶活性的分析。研究内容涉及到耐盐性、紫外收受的变化、Mg2+和K+离子、质子渗透性、糖酵解、组成性酶以及上染率。在30℃的温度下，7MPa处理10min显示，乳酸菌发生了不可逆的细胞损坏，包括耐盐性下降、紫外收受物质的释放、细胞内离子的释放、质子渗透性和荧光染色的增加。乳酸菌经过高压处理后同样显示糖酵解能力下降和组成性酶活性的下降。

钟葵等［25］对DPCD处理牛奶杀菌效果进行了动力学分析，考虑杀菌压力和处理时间，随压力和时间的增加，DPCD对牛奶中菌落总数的杀菌效果显著增强(P＜0.05)，处理温度对处理效果也有协同效应。在50℃、30MPa和70min时，牛奶中菌落总数的残存率最大降低了5.082个数量级。这些数据能较好的用Weibull模型来拟合，菌落总数的失活曲线，随着压力增加和温度升高，模型动力学参数比例因子和形状因子呈现规律化变化。

在对DPCD和巴氏杀菌的杀菌效果进行了比较研究中，郑海涛［26］等发现DPCD有较好的杀菌效果，在4℃的储藏条件下，DPCD处理的全蛋液的微生物生长要慢于巴氏杀菌。

6 结论及展望

DPCD技术的应用研究已经广泛开展，但是DPCD技术的工业应用尚有一系列问题亟待解决。首先，应加强大容积工业化装置的研制，这是DPCD工业化应用的关键;其次，应进一步加强装置的设计以及元器件的系统的研制，进行DPCD处理过程中的各项动力学分析;第三，应加强处理室的多样化设计。目前DPCD处理室并非对所有的食品都适用，大部分只适用于液体食品，限制了该技术在食品工业中的应用。此外由于DPCD开展研究的时间较短，许多方面的积累还处于初级阶段，需要进行更深层次的机理研究，以期为实际应用提供更多的参考。

［1］Spilimbergo S，Bertucco A.Non－thermal bacteria inactivation with dense CO2［J］.Biotechnlo Bioeng，2003，84:627－638.

［2］Hong S I，Pyun Y R.Membrane damage and enzyme in activation ofLactobacillus plantarumby high pressure CO2treatment［J］.Int ernational Journal of Food Microbiology，2001，63:19－28.

［3］Karaman H，Erkmen O.High carbon dioxide pressure in activation kineticsofEscherichiacoliin broth［J］.Food Microbiology，2001，18(1):11－16.

［4］Spilimbergo S，Elvassore N，Bertucco A.Inactivation of microorganisms by supercritical CO2in a semi－continuous process［J］.Journal of Italy Food Science，2003，15(1):115－124.

［5］Balaban M O，Arreola A G，Marshall M R，et al.Inactivation of pectinesterase in orange juice by supercritical CO2［J］.Journal of Food Science，1991，56(3):743－750.

［6］Spilimbergo S，Mantoan D，Dalser A.Supercritical gases pasteurization of apple juice［J］.Journal of Supercritical Fluids，2007，40(3):485－489.

［7］Arreola A G，Balaban M O，Marshall M R，et al.Supercritical CO2effects on some quality attributes of single strength orange juice［J］.Journal of Food Science，1991，56(4):1030－1033.

［8］闫文杰，崔建云，戴瑞彤，等.高密度二氧化碳处理对冷却猪肉品质及理化性质的影响［J］.农业工程学报，2010，26(7): 346－350.

［9］Choi Y M，Ryu Y C，Lee S H，et al.Effects of supercritical carbon dioxide treatment for sterilization purpose on meat quality of porcine longissimus dorsi muscle［J］.Journal of Food Science and Technology，2008，41(2):317－322.

［10］King J W，Johnson J H，Orton W L，et al.Fat and cholesterol content of beef patties as affected by supercritical CO2extraction［J］.Journal of Food Science，1993，58(5):950－952.

［11］廖红梅，周林燕，廖小军，等.高密度二氧化碳对牛初乳的杀菌效果及对理化性质影响［J］.农业工程学报，2009，25 (4):260－264.

［12］郑海涛，李建丽，李兴民.高密度二氧化碳对鸡蛋全蛋液杀菌效果研究［J］.中国食物与营养，2010，12:48－51.

［13］刘野，张超，赵晓燕，等.高压二氧化碳抑制西瓜汁褐变的实验［J］.农业工程学报，2010，26(8):373－378.

［14］谭熙耀，吴继红，廖小军，等.高压二氧化碳技术速冻双孢菇工艺优化［J］.农业工程学报，2011，27(3):375－380.

［15］David Del Pozo－Insfran，Murat O Balaban，Stephen T Talcott.Microbial stability， phytochemical retention， and organoleptic attributes of dense phase CO2processed muscadine grape juice［J］.Journal of Agricultural Food Chemistry，2006，54: 5468－5473.

［16］GurbuzGunes，LisaK Blum，JosephH Hotchkiss. Inactivation of yeasts in grape juice using a continuous dense phase carbon dioxide processing system［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2005，85:2362－2368.

［17］Murat O Balaban，AG Arreola，M Marshall.Inactivation of pectinesterase in orange juice by supercritical carbon dioxide［J］. Journal of Food Science，1991，56(3):743－746.

［18］郭鸣鸣，吴继军，徐玉娟，等.荔枝汁高密度二氧化碳杀菌研究［J］.食品工业科技，2010，31(7):321－323.

［19］Liao Xiaojun，Zhang Yan，Bei Jun，et al.Alterations of molecular properties of lipoxygenase induced by dense phase carbon dioxide［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2009，10:47－53.

［20］贝君，吴继红，廖小军.高密度二氧化碳对脂肪氧化酶活性与结构变性的影响［J］.中国食品学报，2008，8(5):51－57.

［21］Y Akiyama，S Fujita，H Senboku.An in situ high pressure FTIR study on molecular interactions of ketones，esters，and amides with dense phase carbon dioxide［J］.Journalof Supercritical Fluids，2008，46:197－205.

［22］Liao Hongmei，Hu Xiaosong，Liao Xiaojun.Inactivation of Escherichia coli inoculated into cloudy apple juice exposed to dense phase carbon dioxide［J］.International Journal of Food Microbiology，2007，118:126－131.

［23］Gurbuz Gunes，L K Blum，J H Hotchkiss.Inactivation of Escherichia coli(ATCC 4157)in Diluted Apple Cider by Dense－Phase Carbon Dioxide［J］.Journal of Food Protection，2006，69 (1):12－16.

［24］Seok－In Hong，Yu－Ryang Pyun.Membrane damage and enzyme inactivation of Lactobacillus plantarum by high pressure CO2treatment［J］.International Journal of Food Microbiology，2001，63:19－28.

［25］钟葵，黄文，廖小军，等.高密度二氧化碳技术对牛奶杀菌效果动力学分析［J］.化工学报，2010，61(1):146－151.

［26］郑海涛，李建丽，李兴民.高密度二氧化碳与巴氏杀菌对全蛋液杀菌效果的比较及在乳制品杀菌上的借鉴［J］.乳产品加工，2010(10):66－68.

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 *通讯联系人，+对本文同等贡献。

刘文营(1983－)，男，硕士，助理研究员，研究方向:蛋白质组学和蛋品加工。

黄丽燕(1984－)，女，硕士，助理研究员，研究方向:蛋品加工。