高压均质在食品加工中的研究进展

刘伟，宋弋，张洁，林琼，吴杰，孙倩倩，王志东，*

（1.中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品质量安全收贮运管控重点实验室，北京100193；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工重点实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083）

高压均质在食品加工中的研究进展

刘伟1，宋弋2，张洁1，林琼1，吴杰1，孙倩倩1，王志东1，*

（1.中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品质量安全收贮运管控重点实验室，北京100193；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工重点实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083）

高压均质（High pressure homogenization，HPH）是一种非热加工技术，悬浊液或乳浊液状态的流体物料通过均质作用形成微米级或纳米级的稳态溶液，同时物料中的组分发生物理、化学、生物活性等一系列改变。随着高压技术和设备发展和革新，现今高压均质的压力可以达到400 MPa，进一步拓展高压均质技术在食品工业中的研究和应用。综述高压均质技术的工作原理及其抑制微生物、蛋白质改性、多糖改性、乳液加工、果蔬汁（浆）加工、豆乳加工、牛乳制品加工、活性物质提取方面的研究进展，并对该技术的发展趋势进行了分析。

高压均质；杀菌；改性；乳液；提取

高压均质是一种适用于流体物料的连续化非热加工技术。物料在高压均质处理过程中首先达到预设压力，然后经过均质阀作用，最后从出料口流出。物料高速通过均质阀狭窄缝隙时受到剧烈的剪切、碰撞、空穴、湍流、蜗旋、加热等多种效应，颗粒粗大、不均一的乳浊液或悬浮液被加工成非常细微、稳定的乳浊液[1]。HPH在食品工业中应用广泛，非均相液态食品的分散相物质通过高压均质作用后粒度减小，在连续相中的悬浮稳定性提高，牛乳、果汁、饮料在内的绝大多数的液态食品都可以通过高压均质提高感官品质和营养吸收率。但是，传统均质技术受到高压技术和均质阀的限制，其处理压力一般低于80 MPa～100 MPa，对于杀灭微生物没有显著的效果[2]。

近些年来，随着相关技术和设备的革新，均质机的压力可以达到400 MPa，当均质压力超过200 MPa时，也被称为超高压均质（Ultra high pressure homogenization，UHPH）[3]。UHPH 具有杀菌、钝酶的作用，为流体食品杀菌提供了新的思路。热杀菌技术主要是以水或水蒸气作为传热媒介对食品进行直接或间接的加热，可以有效杀灭食品中的病原微生物和腐败微生物。但是，热杀菌过程中的高温作用很大程度上使食品的色泽、风味、质地和营养成分发生改变或损失[1]。随着人们生活质量和消费水平的提高，安全、营养、新鲜的食品日益受到人们的欢迎，特别是摄取营养丰富、加工程度低的食品逐渐成为一种新的消费时尚。UHPH技术可以最大限度的保留食品原有的品质，以满足消费者对于健康食品的更高的要求。另外，UHPH技术拓展了高压均质在蛋白改性、多糖改性等新兴领域的研究和应用。本文综述了高压均质技术在蛋白质改性、多糖改性、乳液加工、果蔬汁（浆）加工、豆乳加工、牛乳制品加工、活性物质提取方面等食品工业领域的应用，并对该技术的发展趋势进行了分析。

1 HPH工作原理及设备介绍

高压均质作用原理示意图见图1。

图1 高压均质作用原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of high pressure homogenization

早在1899年，Auguste Gaulin首次发明了均质设备应用于牛乳加工，证明了牛乳在30 MPa均质作用下可以提高品质，延长保质期[3]。从此均质技术在食品工业中应用于提高乳制品以及其他乳状液的稳定性，改善产品品质、风味和货架期[4]。随着设备的快速发展，均质机的处理压力和单位时间处理量逐渐增加，高压均质技术广泛的应用在食品、医药、生物、化工、化妆品行业中。高压均质机主要由高压泵、均质阀、传动装置等构成，如图1所示高压均质机的工作原理，工作时由柱塞泵将液体物料以高压低流速的状态输送至密闭的均质阀区（一级高压均质阀和二级低压均质阀），液体物料在高压作用下迅速通过均质阀中狭窄的间隙时，物料的流速迅速地增加，而压力也同样地减低。物料同时受到高速剪切、高频震荡、空穴现象和对流撞击等机械力作用和相应的热效应，可诱导物料大分子的物理、化学及结构性质发生改变，最终达到均质的作用。高压均质的作用过程中，物料由于受到机械应力作用，温度会逐步有所升高。首先，物料被升高到设定的压力，温度会略有升高，通常为2℃/100 MPa～3℃/100 MPa；然后，物料通过均质阀，压力降低，由于能量的转化以及剪切等机械应力的作用，物料温度急剧升高，可以达到14℃/100 MPa～18℃/100 MPa，整个高压均质处理过程的温度升高值约为16℃/100 MPa～22℃/100 MPa[5-7]。国内外公司生产的高压均质设备及主要性能参数见表1。

表1 国内外高压均质设备及主要性能参数Table 1 High pressure homogenizers at home and abroad&main parameters

进口设备具有均质压力高、处理量大、性能稳定、自动化、连续化生产等优势，占据了市场的主导地位[8]。Ypsicon公司开发了具有一体化的超高压均质灭菌设备，通过自动化模块将均质机与热交换器、冷却设备以及无菌包装设备整合起来。处理过程中，物料预热到90℃，处理压力可以达到350 MPa，处理时间仅为0.2 s[2]。Gea Niro Soavi公司开发的ATENA系列中试均质机，在400 MPa工作压力下平均流速为5 L/h[9]。高压均质机的最高作用压力主要与均质阀的结构和材质相关[10]，通过减小均质阀的空隙可以提高均质机的压力，采用合金或陶瓷材料可以提高均质阀的耐腐性和抗压性。当均质阀的孔隙为2 μm～5 μm，均质机的压力可以达到400 MPa，这为实现流体食品的灭菌提供了新的可能[11-12]。

2 HPH对微生物的抑制作用

研究主要集中在高压均质对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、霉菌、酵母菌和芽孢的抑制作用。由于革兰氏阴性细菌比革兰阳性细菌的细胞壁薄，对于均质压力以及机械应力更为敏感，因此革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌更加容易被杀灭[13-16]。高压均质导致大肠杆菌细胞形态和结构发生变化，进料20℃，经200 MPa处理1.15 s后，部分大肠杆菌细胞塌陷，出现孔洞或完全崩溃；而相同的处理条件下，高压均质对金黄色葡萄球菌的细胞形态和结构没有显著的影响[2]。霉菌和酵母菌的抗压能力介于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之间，可能与细胞的体积和细胞壁的结构和组成有关[17]。芒果汁饮料中的黑曲霉在300 MPa作用下完全失活，而100 MPa或200 MPa促进了黑曲霉分生孢子细胞壁的破裂[18]。芽孢壁厚而致密，所以芽孢具有极高的抗压性[19-20]。通过提高均质阀的温度，可以有效提高高压均质对于芽孢的杀灭作用[21]。低初始浓度的微生物对高压处理更为敏感，初始菌浓度越低杀菌效果越好，而较高的初始菌浓度对微生物有一定的保护作用[22]。但是，也有研究表明高压均质杀菌效果与初始菌浓度没有显著关系[7，23]。高压均质的杀菌效果与均质压力、进料温度、均质阀温度、处理次数和设备均质阀构造有关[24-26]，一般而言，随着处理压力、进料温度和次数的增加，杀菌效果逐渐增强[21-24]，均质阀孔隙越小其杀菌效果越强[25]。高压均质的杀菌效果与料液体系组成、流变特性也有一定的关系[2]。食品成分对于高压均质杀菌效果有影响，研究表明随着牛乳中脂肪含量的增加，高压均质对于李斯特菌Listeria monocytogenes的杀菌效果逐渐增强，可能是由于脂肪含量增加使均质处理过程中均质阀温度的升高造成的结果[27]。另外，物料的粘度对于高压均质杀菌效果有影响，研究发现随着料液黏度增加，高压均质对大肠杆菌Escherichia coli MG1655的杀菌效果减弱，而且随着均质压力的增大，粘度对于高压均质杀菌效果的影响越大[13]。

3 高压均质对蛋白质改性作用

高压均质可以通过机械作用使蛋白质的粒径减小到微米或亚微米级范围，蛋白质的溶解性增加，但是不发生降解。主要原因可能是由于蛋白质的溶解性与粒径分布和电荷相关，一方面，高压均质导致蛋白质粒径减小、表面积增加，蛋白微粒与水分子之间的亲和作用增加；另一方面，蛋白质粒径减小后暴露了更多的带电基团，分子间静电排斥力增加，抑制蛋白微粒相互聚集。另外，蛋白质溶液经过高压均质作用后，其粘度基本不随剪切速率变化而变化，表现出牛顿流体的流动特征，主要归因于蛋白质粒径减小，粘度降低，流动性增加[28-31]。鸡胸肌原纤维蛋白（Myofibrillar proteins，MPs）经过103 MPa处理后水溶性从2%提高到70%，但是在138 MPa作用下，蛋白质溶解性降低至65%，可能是“过加工”效应导致蛋白质凝集。通过原子力显微镜观察到未经高压均质处理的MPs具有完整的线性结构，而经过处理的样品呈现分散的结构，粒径显著减少[30]。高压均质作用可以改变蛋白质的空间结构，导致其生物活性发生改变[32-33]。研究发现高压均质可诱导鸡蛋蛋白（Egg white，EW）解折叠和疏水区域暴露，部分区域聚合形成不稳定的蛋白质网络结构，经过4次150 MPa处理，EW的免疫反应活性降低10%，可能是高压均质诱导EW部分抗原表位隐藏导致EW免疫反应活性降低，从而减小EW可能造成的食品过敏反应[32]。高压均质通过改变酶的结构来诱导酶的活性的发生可逆和不可逆变化，甚至改变酶的最适温度。在200 MPa、进料口23℃条件下处理枯草芽孢杆菌中的蛋白酶，酶活在最适温度55℃、最适pH 7.5条件下检测没有改变，但是酶活在20℃、pH 7.5条件下检测提高了30%，说明高压均质诱导蛋白酶的最适温度从55℃降低为20℃[33]。一般来讲，均质压力、次数、进料温度增加，高压均质钝酶的效果也随之增加[34-35]。压力低于250 MPa时高压均质对于橙汁中的果胶甲基酯酶（Pectin methylesterase，PME）活性没有显著改变，当压力大于或等于250 MPa时，橙汁中PME的活性显著降低；250 MPa处理橙汁时，若进料温度从22℃上升至45℃，PME的残余活性从50.4%降至38.0%；在同样的均质条件下，当均质次数增加至5次时，高压均质对PME的钝酶效果显著增强，残余酶活性从50.4%降低至20%以下[34]。高压均质可以通过减小蛋白-油脂乳液的粒径、改性蛋白质，提高其氧化稳定性、抑制液滴乳化和聚结[36-39]。随着均质压力增加，豆油-乳清蛋白乳液粒径逐渐减小，产生更加紧凑的界面蛋白层。而且，乳清蛋白α-螺旋含量逐渐减少，β-折叠含量逐渐增加，说明乳清蛋白与脂相相互作用减少，而蛋白质之间的相互作用增加，进而获得更加稳定的乳液构象[39]。

4 高压均质对于多糖改性作用

一般来讲，随着均质压力、次数增加，多糖聚合物粒径减小，表面电荷减少，溶液粘度降低[40]。多糖聚合物经过高压均质作用后，分子量减小，溶液流动性增加，呈现牛顿流体特性。高压均质使壳聚糖-油酸复合膜的微观结构发生变化，机械作用使脂质微粒嵌入壳聚糖基质中，与壳聚糖基质紧密结合。随着压力的增大，高压均质使壳聚糖复合膜的水蒸气透过率降低，使弹性系数降低，机械强度增加[40-41]。同样，菊粉颗粒的溶解性和分散性随着均质压力的增加而增加，菊粉颗粒之间以及菊粉颗粒与水分子之间的相互作用增强。经过103 MPa或207 MPa处理后，样品平均粒径显著减少，多分散性降低，溶液粘弹性增加；经过296 MPa处理样品的平均粒径和多分散性显著增加，凝胶强度降低，可能是均质过程中形成了重组菊粉颗粒，减少了菊粉的持水能力。经过磁力搅拌或剪切均质处理的菊粉溶液，经过28 d 4℃贮藏后显著分层，而经过103MPa或207MPa处理的样品保持均一、稳定的状态；而经过296 MPa处理的样品略有分层[41]。高压均质对于多糖或果胶的改性与其结构和料液pH值相关[42-43]。均质作用可以降低柑橘果胶的分子质量，而对于苹果果胶没有显著影响。原因可能是柑橘果胶属于线性多糖聚合物，结构相对松散，经过高压均质处理发生显著的解聚；而苹果果胶富含中性糖，结构更加紧密，具有一定的抗压能力，所以经过均质处理的平均分子量没有显著的变化[42]。同样，高压均质对于球状分支结构多糖（阿拉伯树胶）几乎没有影响，对于线性多糖（瓜尔豆胶、羧乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠）可以不同程度的降低其摩尔分子质量、表观粘度，提高临界交叠浓度[42-43]。

5 高压均质加工果蔬汁（浆）及豆乳的研究

通过控制均质压力、次数、进料温度等条件，高压均质可以达到热杀菌同样的杀菌效果，并且有效保持果蔬汁（浆）和豆乳的营养成分[44-46]。经过190 MPa、进料60℃均质1次可以完全杀灭芒果汁中的霉菌，均质3次可以完全杀灭芒果汁中的酵母，样品中细菌总数均低于2.0 log 10 CFU/mL。而且，经过均质的样品在4℃贮藏60 d过程中微生物的数量没有显著增长。与巴氏杀菌（90℃，5 min）相比较，高压均质对于芒果汁的pH值、可溶性糖和可滴定酸含量没有显著影响，对于生物活性成分和抗氧化能力也有没有破坏，而巴氏杀菌显著的减小了芒果汁的生物活性成分和抗氧化能力。另外，高压均质通过机械作用提高了芒果汁中的抗坏血酸、胡萝卜素和总酚的释放[45]。同样，分别经过高压均质（200 MPa，55℃～75℃）和巴氏杀菌（95℃，30 s）处理的豆乳中异黄酮的组成、含量及蛋白质消化率与原料相比较没有显著的差异。但是，经过巴氏杀菌的样品中活性的赖氨酸含量显著减少[46]。通过控制均质压力、次数、进料温度等条件，高压均质可以改善果蔬汁（浆）及豆乳饮料的感官特性和物化特性[47-49]。随着均质压力增大，番茄汁的平均粒径、浊度降低，物理稳定性提高。机械作用使番茄细胞发生破碎，果胶和蛋白质从细胞壁和细胞内部释放，悬浮液的状态更加均一，持水性、膨胀性增加。随着压力增加，番茄汁的L*、a*、b*和ΔE增加，表明样品呈现更加饱和的红色和黄色，可能是由于高压均质促进了番茄红素从色素细胞中的释放和分散[48]。同样，分别经过高压均质（200 MPa，55℃～77℃）与巴氏杀菌（90℃，30 s）处理的豆乳做比较，前者的胶体稳定性更高。但是，高压均质引起了豆乳L*、a*、b*和ΔE显著降低，巴氏杀菌处理的样品与原豆乳的颜色更为接近，两种样品的颜色在贮藏期都能够保持相对稳定[49]。

6 高压均质加工乳制品的研究

通过控制均质压力和进料温度，高压均质可以达到巴氏杀菌或超高温瞬时杀菌同样的杀菌效果，同时保持牛乳的营养品质和风味特征[50-51]。与巴氏杀菌（90℃，15 s）和高温瞬时杀菌（138℃，4 s）处理的牛乳相比较，经过高压均质（300 MPa，进料45℃～85℃）处理的样品中水溶性维生素与原牛乳的含量最为接近，核黄素、叶酸、烟酰胺、维生素B12、维生素C的含量没有显著性区别。高压均质对于水溶性和脂溶性维生素的破坏主要发生在均质阀作用过程中，与进料温度直接相关。脂溶性维生素比水溶性维生素的耐热能力更强，所以经过高压均质处理的样品中的脂溶性维生素的含量变化更小[50]。另外，研究发现与巴氏杀菌（90℃，15s）相比较高压均质（200 MPa～300 MPa，30℃～40℃）处理的样品中美拉德反应降低，乳清蛋白变性减少，无异构化乳糖形成，在货架期的风味特征与巴氏杀菌样品相一致[51]。通过控制均质压力、次数、入口温度等条件，高压均质可以改善牛乳的物化特性。研究表明随着压力增大，高压均质使部分脱脂牛乳（含0.5%脂肪）中乳清蛋白（特别是β-乳球蛋白）变性，暴露疏水基团，与酪蛋白发生聚合，进而提高了牛乳的亮度、稳定性和粘度[52-53]。高压均质在150 MPa进料15℃条件下与巴氏杀菌（90℃，60 s）处理的样品流变特性最为接近，而随着压力和进料温度增加，样品的表观粘度和剪切力降低。250 MPa进料25℃处理的样品表观粘度最低，可能是由于高压均质引起样品中蛋白质改性，酪蛋白和乳清蛋白发生聚集造成的结果[53]。经过高压均质预处理的牛乳与传统的热杀菌方式相比较，更加适宜于加工发酵乳或奶酪[52-54]。研究发现经过高压均质加工预处理的牛乳制成的奶酪具有硬度高、颗粒小、持水能力强、色泽白皙等特点[54]。而且，经过高压均质处理的奶酪中脂类分解和蛋白质分解的含量比传统方式处理的样品要少。总的来讲，经过高压均质处理的牛乳加工制成的无发酵剂奶酪具有更高的品质[55]。另外，研究发现与传统加工方式处理的样品相比较，高压均质处理获得的酸奶具有更高持水性和硬度[56]。

7 高压均质对于活性物质提取和乳化的作用

随着压力和均质次数的增加，对于物料破碎效果越好，活性物质的提取效率越高[57-58]。研究表明随着均质压力和次数的增加，眼点拟微绿球藻（Nannochloropsis oculata）的破碎效率越高，粒径逐渐减小，细胞中可溶蛋白、总糖、还原糖的提取含量逐渐增加[57]。同样，高压均质可以破坏土豆皮细胞壁产生微小纤维片段，减小物料粒径，提高总酚和黄酮的释放[58]。高压均质不仅可以有效提取活性物质，对活性成分的结构和活性也产生影响[59]。高压均质可以提高花生分离蛋白（Peanut protein isolate，PPI）对于碱性蛋白酶的敏感性，均质作用可能使PPI变性、解折叠或分解为单体后暴露酶的结合位点，进而提高碱性蛋白酶的水解效率，提高PPI的水解度。另外，高压均质提高了水解产物中小肽的产量，同时提高其抗氧化活性[59]。高压均质可以选择性的提高乳液中活性成分的生物可利用度[60-62]。研究发现高压均质通过机械破壁作用提高了胡萝卜汁乳液中α-胡萝卜素，β-胡萝卜素的体外生物利用率，但是对于番茄汁乳液中的番茄红素的生物利用率没有影响，可能与番茄红素在脂质中的溶解性有关[60]。同样，高压均质（10 MPa～100 MPa）可以有效转移胡萝卜素至橄榄油中，促进胡萝卜素在低酸的胃环境中消化吸收，胡萝卜素转移的效率与其疏水特性有关[61]。

8 结语和展望

近些年来，随着高压均质技术和设备的革新，均质机压力可以达到MPa，UHPH通过机械作用使料液形成微米级或纳米级乳浊液。同时，UHPH的出现为液体食品杀菌提供了新的思路，同时在蛋白改性、多糖改性、乳液加工、果蔬汁（浆）加工、豆乳加工、乳制品加工、活性物质提取方面等食品工业领域的研究工作正在进行。为了进一步拓展该技术在食品工业中实际的应用价值，高压均质设备未来需要在以下几个方面需要进一步提升：（1）配置有效的冷却装置降低均质阀工作过程中引起料液温度升高，最大程度降低热敏性活性成分的损失；（2）开发新型材料（如：陶瓷、碳化钛系钢结硬质合金），提升均质阀的耐腐蚀、抗压、耐高温性能；（3）开发适用于规模化生产的UHPH设备，料液处理能力在10 000 L/h以上，同时串联清洗、无菌灌装等设备；（4）开发易于拆解和组装的高压均质设备，便于日常维护和清洗。

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Progress in Research on High Pressure Homogenization in Food Processing

LIU Wei1，SONG Yi2，ZHANG Jie1，LIN Qiong1，WU Jie1，SUN Qian-qian1，WANG Zhi-dong1，*
（1.Key Laboratory of Agro-products Quality and Safety Control in Storage and Transport Process，Ministry of Agricultrue，Institute of Agro-Products Processing Science and Technology CAAS，Beijing 100193，China；2.College of Food Science and Nutritional Engineering，National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing，Key Laboratory of Fruit and Vegetable Processing，Ministry of Agriculture，Research Center of Fruit and Vegetable Processing Engineering，Ministry of Education，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

High pressure homogenization （HPH）is a non thermal processing technology.Stable emulsions at the micron or nanometer scales from suspension or emulsion could be produced by homogenization，accompanied by a series of changes of physics，chemical and biological activity in fluid material under high pressure.With the innovation and development of high pressure technology，modern homogenizers are able to withstand 400 MPa，which further extend the research and application of the technology in the food industry.The review presented the working principle of high-pressure homogenization technology，research progress on microbial inhibition，protein modification，polysaccharide modification，emulsion processing，fruit or vegetable juice processing，dairy processing and active substance extraction.The development trend of the technology in research and application was analyzed.

high pressure homogenizaiton；sterilization；modification；emulsion；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.042

国家重点研发计划项目“食品非热加工新技术研究与装备开发”（2016YFD0400302）；北京市粮经作物产业创新团队（BAIC09-2017）作者简介：刘伟（1984—），男（汉），助理研究员，博士研究生，研究方向：果蔬贮藏和加工。

*通信作者：王志东（1958—），男（汉），研究员，本科，研究方向：农产品贮藏理论与技术。

2017-05-12