基于环境压强控制的浸渍技术在食品业的应用

徐学明 ， 杨 哪 ， 金亚美 ， 马 倩 ， 赵娟娟 ， 金征宇

（1.食品科学与技术国家重点实验室，江南大学，江苏 无锡 214122；2.江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122）

浸渍技术在食品工业中应用广泛，其代表性产品主要包括腌渍和功能性食品。传统浸渍食品按加工性质分为5类，即盐渍、酱渍、糟渍、糖渍和酸渍[1-5]。浸渍加工的产品种类繁多，代表性商品有泡菜、泡黄瓜、湿腌鱼、咸肉、泡椒凤爪、醉虾、盐蛋和泡山椒等[6-9]。在自然条件下，溶液中的各类离子和分子渗透到食品组织空隙以及细胞中是一个非常缓慢的过程。为了缩短生产时间，提高生产效率，从业人员一般采用以下3种手段加速浸渍过程[10-12]：1）提高体系溶质浓度；2）提高环境温度；3）改变环境压力。若提高溶质浓度，容易使产品过咸，咸胚需经历后期脱盐处理。提高温度易造成微生物滋生，使产品酸败变质，故腌渍温度通常在5℃左右。通过改变环境压强来提高浸渍效率是目前常用的手段。真空浸渍技术是利用往复压力差引起的流体动力学机理和变形松弛现象来提高溶质的渗透速率[13]，针对不同厚度的农产品原料通常可在数小时内快速完成食品浸渍处理，设备主要包括真空泵和浸渍罐。除了应用于盐渍产品的生产，也常用于功能食品的开发，如矿物质营养强化[14]、益生菌富集[15]、涂膜功能化[16]、脱水处理[17]和抗氧化褐变[18]。近年来也有少量报道指出脉动压力和超高压技术可实现食品的快速浸渍，依靠提高体系压强来实现溶质的快速渗入[19-20]。可见，基于环境压强控制的浸渍技术应用广泛，很有必要对国内外该技术的研究方法及其应用领域作一综合述评。

1 主要影响因素

改变浸渍体系环境压强是加快溶质渗透的主要手段之一，其工艺参数可通过控制环境压强来实现，包括3类循环方式（见图1）：1）高压—常压—高压；2）负压—常压—负压；3）高压—负压—常压。改变浸渍体系压强环境，可导致溶质在细胞内外压差和毛细管效应的共同作用下的快速渗入。农产品属于多孔性材料，特别是在负压环境中物料会发生膨胀，导致细胞间距增大，能显著加快溶质的渗透和扩散速度，使加工效率提高。其优点包括[21]：1）负压中物料膨胀，可去除细胞间隙中的部分氧气而防止褐变；2）短时大量的溶质迅速渗入细胞，聚集于细胞间隙中，能减少物料塌陷和细胞破裂，防止后续单元操作如干燥和冻结中的物料汁液损失，提高产品品质。通过控制环境压强而实现溶质的快速渗透的研究多集中在以下4个方面：压强、物料多孔状特性、浸渍液浓度、体系压强保持时间。

图1 浸渍溶液体系的循环压强控制方式Fig.1 Cycle control method of pressure in impregnation solution

1.1 压强

浸渍液中的溶质扩散进入样品的过程中，毛细管机制占主导地位，即当样品内部气体压缩时毛细管渗透发生，此时进入样品的浸渍液体积分数与毛细管张力（Xc）相关，且与毛细管压强（pc），环境压强（p）和样品有效孔隙率（εe）呈现一定函数关系

可知，体系压强越低则越有利于毛细管渗透，这是实现溶质快速渗透的主要理论[22]。当环境压强从负压（p2）提升到常压（p1）的过程中，流体动力学机制发生作用，浸渍液再次向物料组织快速渗透。此时进入样品的浸渍液的体积分数

而固体样品的压缩比率

毛细管直径决定毛细管张力大小，对于已知的负压环境体系，相对于压缩比率，则毛细管张力可忽略，压缩比率可由浸渍环境的负压压强值和恢复到常压时的压强值得出[23]。因此，抽真空时的负压水平越高，则当环境压力再次恢复到常压时，浸渍效果就越佳。食品中的基质多具有黏弹性，环境压力改变时会伴随一定的基质形变发生，其形变程度与负压次数和压缩时长有关[24]。样品压缩伴随着局部基质孔隙塌陷，会削弱毛细管渗透效应。若浸渍溶液黏度较高且样品的毛细管直径较小，则在溶质渗透过程中样品的形变程度就较显著。Fito教授提出的公式（4）可用于计算样品孔隙率εe，其中X为样品最终相对体积，γ为最终样品的相对形变率，γ1为样品在负压处理后的相对形变率[25]。

从负压恢复到常压时，样品形变率越高则表示其弹性基质储存的机械能就越高，并会伴随更好的溶质渗透效果。因此，在外部压强不变的情况下，变形松弛现象使流体动力学效应加强，这与农产品原料的弹性特质有关[26]。

1.2 多孔状材料特性

农产品原料的孔隙率与浸渍处理时其溶质的渗透效率关系密切。植物原料的孔隙率较高，普遍为20%～30%，细胞间隙多为气体占据，如苹果、菌类和梨类[27]。而动物性原料如奶酪、火腿、鱼肉组织的孔隙率较低，其细胞间隙多为自由液体占据，但都可以通过环境压力的改变将其缓慢置换出来。圆柱形的曼切格奶酪中的游离水可以在负压50 mbar下缓慢释出，并与盐渍液交换，其最大置换出的液体量占样品体积的3.4%。有人对不同体积的豆腐块也进行了类似的实验，研究发现豆腐也具有相似的盐渍液和样品自由液体置换体积比例[28]。这些研究说明浸渍效率与孔隙率相关，而与样品的体积形状关系不大。

在禽肉和鱼肉制品中，原料由肌肉结构和血管网络构成，肌肉组织由肌原纤维组成（约30 cm长的细胞），具有磷脂双分子层结构的肌膜。虽然在动物宰杀和分割过程中，血管作为与外界相连通的通道可吸收一定气体，但动物性原料内部实际只含有极少量的气体，故孔隙率较小[29]。目前，在环境压强改变的情况下其肌肉对浸渍液的响应机理还不明朗。Ftio建立的真空浸渍理论与常规浸泡用到的溶质自由扩散机理差异巨大，这是因为在建模时引入了物料孔隙率、变形率及不同压强环境下物料内外气液相置换体积分数等多个参数。尽管如此，真空浸渍理论使研究人员可以通过精确测量以上参数后实现对样品浸渍效果的预测，并能够进行分析和优化。

1.3 浸渍液浓度

浸渍液的浓度是影响溶质渗透效率的重要因素之一，一般常使用饱和溶液进行浸渍处理。设改变浸渍环境压强时溶质渗入样品液相区域的质量分数为z，根据样品最后的体积分数和体积形变率X和γ，样品中溶质和水分的初始质量分数x0和x0w，浸渍液密度与其溶质浓度ρs和y，样品最初质量和体积m00和V00，则溶质渗入量可通过式（5）进行计算[23]：

由式（5）可知，y值越高则浸渍效率越高。然而，当使用不同浓度的浸渍液来处理样品，在达到相同的溶质渗入量时，其溶质在样品中液相区域的分布可能并不一致。溶质在样品液相区域的分布与样品基质和水分子的结合能力、样品内部液相区到其表面的距离、样品表面积和体积尺寸及形状有关。肉制品腌渍过程中，肌肉蛋白质与水的结合能力与盐渍液浓度相关[30]。当肉制品达到某盐分水平时，肌肉蛋白质表现出开放的结构，此时大量的自由水被滞留其中。肉中肌原纤维蛋白质的聚合也可导致水分从此结构中被驱除，从而造成样品总质量和总体积的减少[31]。

1.4 体系压强保持时间

控制浸渍环境中不同压强的保持时间，可使样品内部和外部的溶质快速平衡，这是物料内部气液相与浸渍液的置换过程。若浸渍体系环境压强及时间控制不当，会降低样品压缩率或削弱流体动力学效应而减少溶质渗入。相对于溶质自然扩散，流体动力学效应可促使样品孔隙更快速地“吸入”溶质，这也取决于物料内部压强下降的程度，并与浸渍液浓度和毛细管直径有关[22]。厚度为2 cm的植物原料样品其组织内部具有大量的间隙，每次负压时间至少保持5 min以上并进行多次循环，这样可使一些高黏度的浸渍液如糖浆等实现充分的浸渍[32]。若当样品体积更大且毛细管直径更细时，其内部的气体更难去除，为达到样品内外环境溶质平衡则需进一步延长负压时间。同时，相对于较软的样品基质，硬质样品所需的浸渍时间更长，这是由于在相同的环境压强差下硬质样品内部压强下降更大且气体排出时间更长[33]。

2 快速浸渍技术在食品领域的应用

2.1 腌渍食品加工

2.1.1 植物类原料 真空浸渍可应用于蔬菜的快速盐渍处理。通过分析溶质的迁徙，Chiralt[32]表述通过控制负压时间、温度、材料厚度，可提高植物性材料的盐渍效率，同时可使产品的盐分分布更均匀。H.Mújica-Paz[34]发现将墨西哥黑椒先在真空度666 mbar下浸渍5 min再常压浸渍，可使腌渍时间由原来30 d缩减至15 d，且产品的水分含量更低。Derossi[33]将胡萝卜和茄子分别于真空度400 mbar和200 mbar下处理2 h，再常压浸渍12 h，发现相较于传统腌渍处理，脉动真空浸渍可有效提高酸渍效率，产品的pH值更快地降低。浸渍环境压强的梯度提升或者梯度下降，也可促进溶质的渗透。王晓拓[11]采用脉动加压力的方式快速盐渍双孢菇，在130 kPa，脉动比 0.5（3 min/6 min）下，27 min 处理后使得产品的脱水率为52.84%，表明采用脉动压力盐渍该产品可使加工效率大幅提高。由于原料在加压下的组织形变率会有最大限度，所以当环境压强继续提升并不利于盐分继续渗入。孙元宾等[35]利用脉动负压加工并开发低盐的甜葫芦腌菜产品，该法处理下其盐分渗透速度快且乳酸菌生长较佳，在常温及真空度85 kPa加工条件下，产品的脆度和可食性、感观品质和营养性方面均优于传统腌制的产品，且生产周期最多可缩短3/4。

2.1.2 肉制品原料 盐渍加工是腌肉制品常见的预处理手段，为达到快速盐渍效果，国内外有诸多关于改变浸渍环境压强的研究报告。Villacis等[36]探究了超高压浸渍对火鸡肉中NaCl扩散系数的影响，研究表明NaCl的扩散系数与压力大小和维持时间有关，即火鸡肉在150 MPa下处理15 min，NaCl的扩散系数达到最大且肉的硬度、咀嚼性、黏性显著降低。Fulladosa[37]等考察了超高压对火腿安全性和品质的影响，发现在高压600 MPa维持6 min后火腿中的微生物数量显著下降，产品颜色、亮度、盐分含量显著提高。Francois等[38]采用脉动真空浸渍处理火鸡，发现盐分在鸡肉组织中的分布更加均匀，缩短了火鸡的腌渍时间。张爽等[20]研究了在0.1～300 MPa环境下的鸭胸脯肉腌渍效果，发现在150 MPa下腌渍速度最快且高压腌渍造成肌原纤维断裂，有助于浸渍液体系和物料间的NaCl快速达到平衡。对于鱼肉制品的调味，罗环等[39]采用间歇真空浸渍处理鱼肉，可将风味物质快速地渗入组织，在真空度0.05 MPa、时间10 min及常压25 min时，循环处理4次，可提高调味效率且避免了长时间泡制造成的鱼肉质构软烂现象。而目前的醉鱼调味都是在真空包装前通过添加调料来实现，通常要放置一个月以上香气风味才会散发出来。滚揉腌制是畜肉制品通常采用的处理手段。采用脉动加压的方式腌渍，在脉动压力150 kPa，时间25 min和常压保持21 min的情况下，相对于常规湿法腌渍，在处理相同时间下可使猪肉的渗盐量提高33.9%[40]。

2.1.3 禽蛋类原料 咸蛋为典型的非发酵腌制品，其产品的快速腌渍方法集中在脉动加压浸渍上。因腌蛋产品地域性强，故目前都为国内工作者作研究。刘国庆等[9]采用加压装置快速腌渍鸭蛋，发现环境压强水平是影响NaCl渗透率高低的最主要因素，在0.13 MPa的环境压力下可将鸭蛋的腌制时间从30 d缩短至5 d，并提出若再提高环境压强水平还可以进一步提高盐渍效率。王晓拓等[19]采用自行研制的脉动加压禽蛋腌制器，通过控制环境压力的周期性变化，比较了不同的脉动频率和压强下鸭蛋的腌渍效率，发现在高压幅值140 kPa和0.5（2.5 min/5 min）脉动比下，加入柠檬酸后可明显促进盐分的渗透，并能在4 d时间腌渍出合格咸蛋。其他专利如一种环保型快速咸蛋腌制生产方法及装置，快速压力腌蛋方法及设备，也是基于对腌渍环境的脉动加压应用[41-42]，其主要装备都为空压机和压力罐。

2.2 功能性食品加工

2.2.1 矿物质营养强化 对于营养强化食品的开发，国内外采用真空浸渍手段可使微量矿物质快速渗入到组织内部，研究多集中于对植物性原料的浸渍。Gras[43]等人配制乳酸钙和蔗糖等渗溶液，对胡萝卜、平菇、茄子采用真空浸渍的方式制备钙强化蔬菜，采用X衍射分析发现钙离子主要分布于平菇和茄子的细胞间隙中，而对于胡萝卜则钙离子分布于木质部位，即非细胞间隙。在研究各自样品的形变程度时，发现真空浸渍下由于茄子和胡萝卜细胞含有果胶质而具有一定的形变响应，但平菇不具备此特性。Fito[14]则根据人体对钙、铁元素的需求量，将蔗糖、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸钙配制成混合溶液，对茄子进行真空浸渍处理，使每200 g产品所含有的钙和铁含量达到每日平均摄入量的需求。Park等人[44]研究了乳酸锌和酪蛋白钙溶液真空浸渍鲜切富士苹果的矿物质增值情况，采用真空度13.332 kPa（100 mmHg）保持 15 min，常压保持 30 min，发现样品矿物质含量提高了20倍，且在7 d的储藏时间内样品的微生物数量均达到工业要求。Moraga等人[45]采用蔗糖配制的等渗溶液浸渍柚子，采用脉动负压处理180 min，真空度50 mbar，发现产品货架期比未做渗透处理的对照样延长5～8 d，而当等渗溶液中添加质量分数2%的乳酸钙时，货架期可延长11 d。徐珠洁等[46]于常温下采用乳酸钙、葡萄糖酸锌和蔗糖混合溶液浸渍处理苹果片，负压处理分别为30 min和25 min时，可使每200 g苹果样品中的钙和锌元素含量达到每日参考摄入量的16.53%和37.67%，并发现负压处理时间长短与矿物质渗入量具有相关性，在实现果蔬矿物质强化的同时也利于产品的颜色稳定。

2.2.2 益生菌富集 植物类原料中的细胞直径为50～500 μm，间隙距离为 210～350 μm，这样的空间足以让微生物在食材中容纳富集。但关于肉制品的益生菌快速富集还未见研究报道，这是由动物性原料的低孔隙率特性所致。Betoret等人[15]分别采用含108 cfu/mL干酪乳杆菌的全脂乳和苹果汁浸渍柱状苹果条，在真空度50 mbar保持10 min，常压保持10 min时，发现处理后苹果条的干酪乳杆菌菌数含量均达到107cfu/g左右，再结合热风干燥成功制备了益生菌含量在107～108cfu/g的脱水苹果产品。Wunwisa[47]则采用含干酪乳杆菌数108cfu/mL、固形物含量分别为15°Brix和30°Brix的果汁作浸渍液，在真空度50 mbar下处理番石榴和木瓜，得到了益生菌含量在107～108cfu/g的产品，并发现浸渍液的固形物含量对益生菌渗入有最适的效量关系。Vidal[48]等人也采用干酪乳杆菌浸渍液处理胡萝卜，利用50 mbar真空度保持10 min以及常压保持10 min的方法，开发了菌数含量在107cfu/g的鲜切胡萝卜益生菌产品。国内的高蕙文[49]等也采用真空浸渍的手段将保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌快速渗入到多孔状的苹果肉组织中，开发乳酸菌苹果粒产品，并在温度35℃，负压保持80 min条件下，使乳酸菌进入果肉组织的比率最高达到80%以上，从而使产品具备高的活菌数。

2.2.3 抗氧化褐变 鲜切果蔬片为了保持良好的品相需进行抗氧化和抗褐变处理，其中常见的手段是热烫和灭酶。有研究报道，采用真空浸渍手段可将抗氧化剂快速注入果蔬片表层的组织以达到抑制褐变的效果。Lin等人[50]将维生素E与体积分数20%的蜂蜜混合作为浸渍液对新鲜梨片进行真空浸渍处理，在13.332 kPa（100 mmHg）的真空度下保持15 min并在常压下保持30 min，于温度2℃和88%的湿度下储藏2周，经感官评定，发现真空浸渍的梨片具有较低的褐变指数和较高的感观接受程度，并成功开发了维生素E强化鲜切梨片。Hironaka等人[51]也利用体积分数10%的抗坏血酸溶液对土豆进行真空浸渍处理，得到的土豆抗坏血酸含量比经过常压浸泡的土豆高10倍，同时褐变现象得到一定程度抑制。Perez-Cabrera等人[18]利用真空浸渍方法将抗褐变复合溶液（EDTA、4-己基间苯二酚、柠檬酸盐、抗坏血酸盐）注入梨细胞组织间隙中，发现储藏期间梨片的颜色变化差异不大，表明负压处理可有效抑制梨片褐变并延长其货架期。

2.2.4 涂膜与功能化 对于高黏度的浸渍液同样可采用改变环境压强的方式进行涂膜处理，这样可确保产品在储藏期间与外界环境隔绝，使产品具有防腐、抗冻性能并改善风味。高乐怡等人[52]分别利用真空和脉动加压技术对草莓进行奶油快速浸渍处理，通过对比发现，在负压保持30 min，常压保持50 min，循环处理3次，能使草莓中的奶油渗入量最大，另外经脉动加压处理后的草莓，其奶油分布的均匀性要优于真空浸渍的草莓，并且随着温度的提高，草莓的奶油渗入量也增加，但温度过高会导致草莓中的维生素和营养物质的损失。Vargas等人[53]采用可食用的壳聚糖等渗溶液作为浸渍液，对比了经过真空浸渍和常压浸泡处理后的新鲜胡萝卜块的品质变化情况，研究发现与常压浸泡相比，鲜切胡萝卜块的保水性、色泽和呼吸速率指标都有较大提升，产品色泽较为稳定。Rui等[16]利用真空-压力循环处理的方式将抗冻蛋白质快速浸入到西洋菜组织中，58 kPa环境压强下浸渍5 min，再常压浸渍5 min，可使抗冻蛋白质溶液均匀地快速浸入到西洋菜组织内部，降低其细胞内游离水的凝固点，减小冰晶大小，改善了产品解冻后的质地。

3 结语

为加快浸渍液中的目标溶质向农产品组织扩散，目前都采用改变环境压强的手段。国外已建立了一套完整的分析方法和数理模型。应用领域大量集中在肉制品腌渍和果蔬功能性改善中。我国在快速浸渍领域的研究起步相对较晚，研究形式和产品较为单一。国内功能食品多为重组产品，如重组的营养强化米、复合配方膨化谷物、功能性奶粉，均采用直接添加方式实现功能性改善。因此，针对浸渍液的不同特性，可通过改变浸渍环境的大气压强，实现对食品的非破坏性营养强化和功能化开发。

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