超高壓技術在食品工業中的應用

文/胡 靜 王 猛 周文利 沈夢琪 齡 南

（江蘇南京衛崗乳業有限公司產品研發中心）

殺菌技術的發展延長了預包裝食品的保質期，提高了產品的安全性，擴大了其銷售半徑。在現代食品工業中，熱殺菌是被廣泛應用的技術，如牛奶和飲料所用的巴氏殺菌技術和超高溫瞬時殺菌技術以及肉制品的高溫蒸煮殺菌技術等。熱殺菌能滅活微生物，保證產品的貨架期，但也不可避免地造成了一些熱敏性功能性成分的損失。超高壓技術（UHP），簡稱高壓技術（HPP），是一種能夠滅活和消除致病性微生物和食品腐敗微生物的非熱加工過程[1，2]。這項新技術可以在不添加防腐劑的情況下，控制食品腐敗，保證新鮮，提高安全水平，延長保質期，在食品工業中具有巨大的發展潛力。

1 超高壓技術的發展史

超高壓技術的興起最早可追溯到1899年，美國科學家Hite在實驗室對牛奶和飲料進行了高壓處理，表明高壓處理可以有效抑制病毒活性[3]。盡管當時的研究十分有限，但是燃起了食品工業領域對超高壓處理的信心。自此，超高壓技術不斷取得重大進展，以半連續的形式應用到食品加工領域。日本是超高壓滅菌技術發展最快的國家，在超高壓技術領域居世界領先水平，并在生產設備以及超高壓技術的加工、殺菌和保鮮方面，取得了舉世矚目的成就，實現了果醬、果汁等安全、衛生超高壓食品的商品化生產[4]。20世紀90年代，美國、英國、法國、德國及瑞士等也相繼開始生產商品化的超高壓滅菌設備。目前超高壓技術在食品工業中的應用多采用分批或半連續工藝，固體食品只能分批處理，而液體產品也多以半連續的方式處理。

2 超高壓技術的原理

超高壓技術在食品加工過程主要遵循帕斯卡原理。根據帕斯卡原理，超高壓技術具有以同一數值沿各個方向傳遞到流體中的所有流體質點[5]，使得整個食品受壓均勻，壓力傳遞速度極快，不存在壓力梯度。因此加工效果不受設備幾何尺寸以及食品的形狀和體積的限制，為各種包裝形狀提供了無限可能。將食品置于高壓容器內，以水或流體介質作為媒介傳遞壓力，食品在高壓（≥100 MPa）下保持一定的時間，引起食品中非共價鍵（如氧鍵、離子鍵和疏水鍵等）的破壞或形成，使食品中微生物菌體發生破壞、死亡，酶失活，蛋白質變性，淀粉糊化等變化，從而達到滅菌，改善食品品質以及延長保質期的目的。

3 超高壓技術在食品行業中的應用

3.1 超高壓技術在乳制品中的應用

目前，液態奶是市場上銷售體量最大的乳制品，而超高溫瞬時殺菌和巴氏殺菌是液態奶滅菌的通用方式。這兩種方式一方面會導致產品中一些功能性蛋白質的損失，如免疫球蛋白、乳鐵蛋白、α-乳白蛋白等；另一方面會加劇晚期糖基化末端產物的生成，如乳果糖和糠氨酸。而超高壓技術在工作過程中不需要高溫處理，因此可減弱一些熱敏性功能蛋白質的損失。陳敏霞等人認為，生乳經過超高溫瞬時殺菌后，牛奶中糠氨酸的含量在217～319 mg/100 g蛋白質，顯著高于生乳中的糠氨酸（3～5 mg/100 g）含量[7]。

超高壓技術對于乳制品中微生物的滅活效果是保證產品品質的重要因素，是超高壓技術在乳制品中應用的研究熱點。姜雪通過正交試驗研究不同超高壓水平對生乳中微生物的致死效果，結果顯示，超高壓技術對菌落總數的致死率可達到97%以上；大腸菌群對壓力更為敏感，當壓力大于400 MPa時，致死率可達到99%以上[8]。張勇等詳細研究了不同超高壓水平對殺菌效果的研究，結果發現，壓力在200～300 Mpa時，菌落總數不降反增，可能原因是該壓力激活了細菌的芽孢活性，并通過正交試驗得到最佳的超高壓處理條件為600 MPa、20min、55 ℃[9]。馮艷麗等系統地研究了不同超高壓水平對生乳中微生物的影響，結果表明，大腸桿菌對壓力比較敏感，200 MPa保持20 min即可達到滅菌的要求；巨大芽孢桿菌多黏芽孢桿菌在60 ℃、300 MPa保持20 min可達到殺菌效果。而一些致病菌和比較耐高壓的芽孢，如金黃色葡萄球菌、傷寒沙門氏菌、糞鏈球菌和蠟樣芽孢桿菌在600 MPa的高壓下才能達到殺滅效果[10]。

致病菌是影響乳制品貨架期的重要因素，直接決定了產品的保質期。目前市面上的乳制品根據保質期可劃分常溫產品和低溫產品兩類，常溫產品的保質期可達到6～12 個月，而低溫產品的保質期在21 天左右。常溫產品一般需達到商業無菌的要求，才可滿足長期保存的要求，但由于部分致病菌和芽孢高壓處理難以滅活，所以超高壓技術的商業化在乳品行業的應用比較有限。市面上已經有乳品企業運用該項技術生產商業化的產品。澳大利亞一乳品企業采用超高壓技術生產了一款純牛奶，蛋白質含量3.9 g/100 mL，脂肪含量5.1 g/100 mL，1～4 ℃可存放5 天。

此外，蛋白質和脂肪含量是衡量牛奶質量的重要指標。牛奶中的蛋白質構成為20%的乳清蛋白和80%的酪蛋白。其中酪蛋白的耐熱性較好[11]，而乳清蛋白主要包括乳白蛋白和乳球蛋白，熱穩定性較差。周一鳴等綜合闡述了超高壓技術可以較大地影響食品中蛋白質三、四級結構的共價鍵，而對一、二級結構的共價鍵則沒有影響[12]。喬長晟等運用SDS-PAGE電泳技術對蛋白質結構的影響，也得出了相似的結論，即500 MPa的壓力可破壞牛乳蛋白質中的一些亞基結構[13]。因此，超高壓處理會使牛奶中的酪蛋白粒徑變小，蛋白質的溶解性增加。

牛奶中的脂肪賦予了產品特有的乳香味，以微粒狀的脂肪球形式分散在牛奶中，直徑在3～4 μm，現代乳品工業采用均質技術將脂肪球破碎、分散，將脂肪球直徑降至1 μm左右，有效解決了產品中脂肪上浮的問題[14]。牛奶經超高壓處理后，脂肪球粒徑和生乳脂肪球粒徑相當，原有較穩定的脂肪球膜不會遭到破壞，因此超高壓牛奶的脂肪表現較為穩定[14]。

3.2 超高壓技術在果蔬產品中的應用

超高壓技術在果蔬產品處理上有很大的優越性。目前日本和美國等國家已經有商品化的超高壓果醬、果汁產品上市。許秀舉等對花萊柿罐頭進行200～500 MPa的超高壓處理，結果顯示，維生素C的保留率能達到95%以上，遠遠高于常規的熱加工食品處理技術[15]。目前市面上銷售的番茄汁因熱處理使得維生素C損失，趙斌等在400 MPa水平處理番茄汁15 min，其維生素C保留率約為93.6%，番茄紅素保留率約為95.4%[16]。曾慶梅等研究了不同的水平的超高壓對梨汁多酚氧化活性的影響，結果表明，隨著壓力的增加，梨汁多酚氧化活性呈現先增加后降低的趨勢，當壓力在500 MPa時，多酚氧化活性下降到73%[17]。Rodrigo等研究發現土豆中的脂肪氧化酶隨著壓力的增加也呈現先增加后降低的規律，可在壓力500 MPa時完全失去活性[18]，脂肪氧化酶的失活會抑制食品加工貯藏過程中的脂肪氧化，減少不良風味的形成。

一般認為，在蔬菜的加工過程中，葉綠素的降解是其色澤退化的根本原因。何易雯等系統研究了獼猴桃汁中葉綠素在不同保持壓力、時間和溫度下葉綠素的保留率，結果表明，葉綠素的保留同壓力保持呈正相關，在350 MPa以上時，葉綠素的保留率可達到76%以上，這可能與滅活了顏色變化的酶促反應有關[19]。劉興辰等比較了超高壓（600 MPa/10 min）和高溫短時殺菌（110 ℃/8.6 s）在胡蘿卜汁加工中的優劣，2 種方式均可降低總胡蘿卜素的含量，但超高壓處理的胡蘿卜素總量高于高溫短時殺菌，在總酚保留、減弱褐變方面優于高溫短時殺菌[20]。

超高壓技術對果蔬制品保質期的影響是果蔬加工企業關注的焦點，主要集中于產品微生物安全性和貯藏時間。姜斌等分別研究了超高壓處理對于鮮榨蘋果汁和鮮榨胡蘿卜果汁的影響，蘋果汁在高壓400 MPa處理15 min后，4 ℃下可以貯藏7 天；鮮榨胡蘿卜汁經過400 MPa、45 min超高壓處理后，貯藏特性較差，在4 ℃條件下僅能貯藏3 天[21]。這可能與兩者的pH值有關，蘋果汁的pH值為3.79，胡蘿卜汁的pH值為6.59，說明超高壓技術在酸性果蔬產品中的優勢更大。宣曉婷等對楊梅西瓜茭白復合果汁進行超高壓處理，菌落總數降低至2lg CFU/mL，達到了國家標準的要求《GB 7101—2015 食品安全國家標準 飲料》，在4 ℃下可以儲存12 天[22]。因此，超高壓處理的果汁具有較好的殺菌效果和儲存安全性，但產品的保質期會受pH值、固形物含量等的影響。

3.3 超高壓在肉制品中的應用

肉制品的色澤是給消費者的第一感官印像，而超高壓處理導致的肉制品色澤變化是個復雜的過程，目前尚未有明確的理論機制，但已經有不少研究聚焦在該方面，如陳從順等研究了400～600 MPa壓力下對豬肉糜凝膠的亮度和色度的影響，結果表明，壓力會使亮度增加，但會造成色度下降[23]。雒莎莎探究了超高壓技術對鳙魚色度的影響，也得出壓力會導致鳙魚色度下降[24]。對于海鮮類產品，超高壓處理后的色澤沒有熱加工技術的鮮艷，可能會導致消費者的購買欲下降。但也有研究表明，超高壓技術與某些發色劑，如亞硝酸鹽可以協同生效，以減弱超高壓對色澤的影響[25]。

肉的嫩度主要由肌肉蛋白分子之間的相互作用力來決定，可用剪切力的大小來表征，剪切力越大，肉的嫩度就越低[26]。超高壓技術對肉的嫩化可以起到積極作用，如鵝肉的肉質較柴；曹瑋等通過單因素試驗證明，壓力處理能顯著降低鵝肉的硬度，提高嫩度[27]。張斌等為改善蚌肉的食用品質，利用超高壓技術對蚌肉進行嫩化處理，響應面法和模糊數學相結合，證實超高壓技術嫩化蚌肉切實可行，重復性好[28]。白艷紅等表明，綿羊肉在400 MPa下保持10 min，肌肉的顯微組織結構發生明顯變化，嫩度明顯改善，這與肌節收縮，肌原纖維的Z線斷裂，M線降解等微觀結構的變化息息相關[19]。在高壓處理后，肌肉蛋白和肌球蛋白的空間結構被破壞，自由水消失，非自由水流動性提升，結合水所占比例有所增加。而多數研究表明，結合水含量的增加與肉嫩度密切相關[30]。胡慶蘭等采用450～470 MPa超高壓處理魷魚3～8 min，魷魚的肉質得到極大嫩化，利于咀嚼，有利于人體的消化、吸收[31]。

肉制品風味是消費者選擇的首要因素，熱加工會催化還原糖和氨基酸發生美拉德反應，生成大量風味化合物。超高壓處理的溫度低于熱加工，美拉德反應不及熱處理劇烈，但對于導致不良風味的脂肪氧化反應卻有很好的鈍化作用[32]。保質期同樣是超高壓技術運用于肉制品中的研究重點。清真牛肉香腸按照熏煮式進行加工，目前可低溫保存2 周。王輝等證實超高壓壓力水平、時間和溫度均是影響清真牛肉腸品質的重要原因，在474 MPa的超高壓水平下保持15 min，可以大大延長保質期，達到26 天[33]。鞏雪等對冷鮮肉施以300 MPa、5 min的超高壓，菌落總數為4.8×104CFU/g鮮肉以下，達到一級鮮肉標準，可存放15 天[34]。

4 超高壓技術面臨和問題和展望

超高壓技術與熱加工相比，能夠極大程度地保留食品中的營養成分，但目前在食品工業中的應用卻遠不及熱加工廣泛。主要是因為超高壓設備的投入門檻高，很多企業難以承擔高額的設備購置費，設備的能耗、折舊和維修的成本也較高，且目前的許多超高壓設備不能連續生產，只能間歇式加工，這對追求產能的食品加工企業是難以接受的。但隨著科學技術的進步，新材料、新科學的不斷繁榮，超高壓設備的連續生產難題會被攻克。

目前已經有澳大利亞的乳品企業推出了超高壓牛奶，但目前國內的乳品企業仍以熱加工為主，相信隨著技術的不斷進步，超高壓在乳制品中的應用將指日可待，消費者也將喝到活性物質更多的乳制品。C