超高压技术在食品工业中的应用

文/胡 静 王 猛 周文利 沈梦琪 龄 南

（江苏南京卫岗乳业有限公司产品研发中心）

杀菌技术的发展延长了预包装食品的保质期，提高了产品的安全性，扩大了其销售半径。在现代食品工业中，热杀菌是被广泛应用的技术，如牛奶和饮料所用的巴氏杀菌技术和超高温瞬时杀菌技术以及肉制品的高温蒸煮杀菌技术等。热杀菌能灭活微生物，保证产品的货架期，但也不可避免地造成了一些热敏性功能性成分的损失。超高压技术（UHP），简称高压技术（HPP），是一种能够灭活和消除致病性微生物和食品腐败微生物的非热加工过程[1，2]。这项新技术可以在不添加防腐剂的情况下，控制食品腐败，保证新鲜，提高安全水平，延长保质期，在食品工业中具有巨大的发展潜力。

1 超高压技术的发展史

超高压技术的兴起最早可追溯到1899年，美国科学家Hite在实验室对牛奶和饮料进行了高压处理，表明高压处理可以有效抑制病毒活性[3]。尽管当时的研究十分有限，但是燃起了食品工业领域对超高压处理的信心。自此，超高压技术不断取得重大进展，以半连续的形式应用到食品加工领域。日本是超高压灭菌技术发展最快的国家，在超高压技术领域居世界领先水平，并在生产设备以及超高压技术的加工、杀菌和保鲜方面，取得了举世瞩目的成就，实现了果酱、果汁等安全、卫生超高压食品的商品化生产[4]。20世纪90年代，美国、英国、法国、德国及瑞士等也相继开始生产商品化的超高压灭菌设备。目前超高压技术在食品工业中的应用多采用分批或半连续工艺，固体食品只能分批处理，而液体产品也多以半连续的方式处理。

2 超高压技术的原理

超高压技术在食品加工过程主要遵循帕斯卡原理。根据帕斯卡原理，超高压技术具有以同一数值沿各个方向传递到流体中的所有流体质点[5]，使得整个食品受压均匀，压力传递速度极快，不存在压力梯度。因此加工效果不受设备几何尺寸以及食品的形状和体积的限制，为各种包装形状提供了无限可能。将食品置于高压容器内，以水或流体介质作为媒介传递压力，食品在高压（≥100 MPa）下保持一定的时间，引起食品中非共价键（如氧键、离子键和疏水键等）的破坏或形成，使食品中微生物菌体发生破坏、死亡，酶失活，蛋白质变性，淀粉糊化等变化，从而达到灭菌，改善食品品质以及延长保质期的目的。

3 超高压技术在食品行业中的应用

3.1 超高压技术在乳制品中的应用

目前，液态奶是市场上销售体量最大的乳制品，而超高温瞬时杀菌和巴氏杀菌是液态奶灭菌的通用方式。这两种方式一方面会导致产品中一些功能性蛋白质的损失，如免疫球蛋白、乳铁蛋白、α-乳白蛋白等；另一方面会加剧晚期糖基化末端产物的生成，如乳果糖和糠氨酸。而超高压技术在工作过程中不需要高温处理，因此可减弱一些热敏性功能蛋白质的损失。陈敏霞等人认为，生乳经过超高温瞬时杀菌后，牛奶中糠氨酸的含量在217～319 mg/100 g蛋白质，显著高于生乳中的糠氨酸（3～5 mg/100 g）含量[7]。

超高压技术对于乳制品中微生物的灭活效果是保证产品品质的重要因素，是超高压技术在乳制品中应用的研究热点。姜雪通过正交试验研究不同超高压水平对生乳中微生物的致死效果，结果显示，超高压技术对菌落总数的致死率可达到97%以上；大肠菌群对压力更为敏感，当压力大于400 MPa时，致死率可达到99%以上[8]。张勇等详细研究了不同超高压水平对杀菌效果的研究，结果发现，压力在200～300 Mpa时，菌落总数不降反增，可能原因是该压力激活了细菌的芽孢活性，并通过正交试验得到最佳的超高压处理条件为600 MPa、20min、55 ℃[9]。冯艳丽等系统地研究了不同超高压水平对生乳中微生物的影响，结果表明，大肠杆菌对压力比较敏感，200 MPa保持20 min即可达到灭菌的要求；巨大芽孢杆菌多黏芽孢杆菌在60 ℃、300 MPa保持20 min可达到杀菌效果。而一些致病菌和比较耐高压的芽孢，如金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌、粪链球菌和蜡样芽孢杆菌在600 MPa的高压下才能达到杀灭效果[10]。

致病菌是影响乳制品货架期的重要因素，直接决定了产品的保质期。目前市面上的乳制品根据保质期可划分常温产品和低温产品两类，常温产品的保质期可达到6～12 个月，而低温产品的保质期在21 天左右。常温产品一般需达到商业无菌的要求，才可满足长期保存的要求，但由于部分致病菌和芽孢高压处理难以灭活，所以超高压技术的商业化在乳品行业的应用比较有限。市面上已经有乳品企业运用该项技术生产商业化的产品。澳大利亚一乳品企业采用超高压技术生产了一款纯牛奶，蛋白质含量3.9 g/100 mL，脂肪含量5.1 g/100 mL，1～4 ℃可存放5 天。

此外，蛋白质和脂肪含量是衡量牛奶质量的重要指标。牛奶中的蛋白质构成为20%的乳清蛋白和80%的酪蛋白。其中酪蛋白的耐热性较好[11]，而乳清蛋白主要包括乳白蛋白和乳球蛋白，热稳定性较差。周一鸣等综合阐述了超高压技术可以较大地影响食品中蛋白质三、四级结构的共价键，而对一、二级结构的共价键则没有影响[12]。乔长晟等运用SDS-PAGE电泳技术对蛋白质结构的影响，也得出了相似的结论，即500 MPa的压力可破坏牛乳蛋白质中的一些亚基结构[13]。因此，超高压处理会使牛奶中的酪蛋白粒径变小，蛋白质的溶解性增加。

牛奶中的脂肪赋予了产品特有的乳香味，以微粒状的脂肪球形式分散在牛奶中，直径在3～4 μm，现代乳品工业采用均质技术将脂肪球破碎、分散，将脂肪球直径降至1 μm左右，有效解决了产品中脂肪上浮的问题[14]。牛奶经超高压处理后，脂肪球粒径和生乳脂肪球粒径相当，原有较稳定的脂肪球膜不会遭到破坏，因此超高压牛奶的脂肪表现较为稳定[14]。

3.2 超高压技术在果蔬产品中的应用

超高压技术在果蔬产品处理上有很大的优越性。目前日本和美国等国家已经有商品化的超高压果酱、果汁产品上市。许秀举等对花莱柿罐头进行200～500 MPa的超高压处理，结果显示，维生素C的保留率能达到95%以上，远远高于常规的热加工食品处理技术[15]。目前市面上销售的番茄汁因热处理使得维生素C损失，赵斌等在400 MPa水平处理番茄汁15 min，其维生素C保留率约为93.6%，番茄红素保留率约为95.4%[16]。曾庆梅等研究了不同的水平的超高压对梨汁多酚氧化活性的影响，结果表明，随着压力的增加，梨汁多酚氧化活性呈现先增加后降低的趋势，当压力在500 MPa时，多酚氧化活性下降到73%[17]。Rodrigo等研究发现土豆中的脂肪氧化酶随着压力的增加也呈现先增加后降低的规律，可在压力500 MPa时完全失去活性[18]，脂肪氧化酶的失活会抑制食品加工贮藏过程中的脂肪氧化，减少不良风味的形成。

一般认为，在蔬菜的加工过程中，叶绿素的降解是其色泽退化的根本原因。何易雯等系统研究了猕猴桃汁中叶绿素在不同保持压力、时间和温度下叶绿素的保留率，结果表明，叶绿素的保留同压力保持呈正相关，在350 MPa以上时，叶绿素的保留率可达到76%以上，这可能与灭活了颜色变化的酶促反应有关[19]。刘兴辰等比较了超高压（600 MPa/10 min）和高温短时杀菌（110 ℃/8.6 s）在胡萝卜汁加工中的优劣，2 种方式均可降低总胡萝卜素的含量，但超高压处理的胡萝卜素总量高于高温短时杀菌，在总酚保留、减弱褐变方面优于高温短时杀菌[20]。

超高压技术对果蔬制品保质期的影响是果蔬加工企业关注的焦点，主要集中于产品微生物安全性和贮藏时间。姜斌等分别研究了超高压处理对于鲜榨苹果汁和鲜榨胡萝卜果汁的影响，苹果汁在高压400 MPa处理15 min后，4 ℃下可以贮藏7 天；鲜榨胡萝卜汁经过400 MPa、45 min超高压处理后，贮藏特性较差，在4 ℃条件下仅能贮藏3 天[21]。这可能与两者的pH值有关，苹果汁的pH值为3.79，胡萝卜汁的pH值为6.59，说明超高压技术在酸性果蔬产品中的优势更大。宣晓婷等对杨梅西瓜茭白复合果汁进行超高压处理，菌落总数降低至2lg CFU/mL，达到了国家标准的要求《GB 7101—2015 食品安全国家标准 饮料》，在4 ℃下可以储存12 天[22]。因此，超高压处理的果汁具有较好的杀菌效果和储存安全性，但产品的保质期会受pH值、固形物含量等的影响。

3.3 超高压在肉制品中的应用

肉制品的色泽是给消费者的第一感官印像，而超高压处理导致的肉制品色泽变化是个复杂的过程，目前尚未有明确的理论机制，但已经有不少研究聚焦在该方面，如陈从顺等研究了400～600 MPa压力下对猪肉糜凝胶的亮度和色度的影响，结果表明，压力会使亮度增加，但会造成色度下降[23]。雒莎莎探究了超高压技术对鳙鱼色度的影响，也得出压力会导致鳙鱼色度下降[24]。对于海鲜类产品，超高压处理后的色泽没有热加工技术的鲜艳，可能会导致消费者的购买欲下降。但也有研究表明，超高压技术与某些发色剂，如亚硝酸盐可以协同生效，以减弱超高压对色泽的影响[25]。

肉的嫩度主要由肌肉蛋白分子之间的相互作用力来决定，可用剪切力的大小来表征，剪切力越大，肉的嫩度就越低[26]。超高压技术对肉的嫩化可以起到积极作用，如鹅肉的肉质较柴；曹玮等通过单因素试验证明，压力处理能显著降低鹅肉的硬度，提高嫩度[27]。张斌等为改善蚌肉的食用品质，利用超高压技术对蚌肉进行嫩化处理，响应面法和模糊数学相结合，证实超高压技术嫩化蚌肉切实可行，重复性好[28]。白艳红等表明，绵羊肉在400 MPa下保持10 min，肌肉的显微组织结构发生明显变化，嫩度明显改善，这与肌节收缩，肌原纤维的Z线断裂，M线降解等微观结构的变化息息相关[19]。在高压处理后，肌肉蛋白和肌球蛋白的空间结构被破坏，自由水消失，非自由水流动性提升，结合水所占比例有所增加。而多数研究表明，结合水含量的增加与肉嫩度密切相关[30]。胡庆兰等采用450～470 MPa超高压处理鱿鱼3～8 min，鱿鱼的肉质得到极大嫩化，利于咀嚼，有利于人体的消化、吸收[31]。

肉制品风味是消费者选择的首要因素，热加工会催化还原糖和氨基酸发生美拉德反应，生成大量风味化合物。超高压处理的温度低于热加工，美拉德反应不及热处理剧烈，但对于导致不良风味的脂肪氧化反应却有很好的钝化作用[32]。保质期同样是超高压技术运用于肉制品中的研究重点。清真牛肉香肠按照熏煮式进行加工，目前可低温保存2 周。王辉等证实超高压压力水平、时间和温度均是影响清真牛肉肠品质的重要原因，在474 MPa的超高压水平下保持15 min，可以大大延长保质期，达到26 天[33]。巩雪等对冷鲜肉施以300 MPa、5 min的超高压，菌落总数为4.8×104CFU/g鲜肉以下，达到一级鲜肉标准，可存放15 天[34]。

4 超高压技术面临和问题和展望

超高压技术与热加工相比，能够极大程度地保留食品中的营养成分，但目前在食品工业中的应用却远不及热加工广泛。主要是因为超高压设备的投入门槛高，很多企业难以承担高额的设备购置费，设备的能耗、折旧和维修的成本也较高，且目前的许多超高压设备不能连续生产，只能间歇式加工，这对追求产能的食品加工企业是难以接受的。但随着科学技术的进步，新材料、新科学的不断繁荣，超高压设备的连续生产难题会被攻克。

目前已经有澳大利亚的乳品企业推出了超高压牛奶，但目前国内的乳品企业仍以热加工为主，相信随着技术的不断进步，超高压在乳制品中的应用将指日可待，消费者也将喝到活性物质更多的乳制品。C