食品超高壓技術應用及裝備研究進展

戴浩然，馮雅，何詩行

滁州學院生物與食品工程學院（滁州 239000）

超高壓技術（high pressure processing，HPP）的優(yōu)勢是能夠在生產過程中不添加防腐劑的情況下，也能有效抑制食品的腐敗，并減少熱敏性功能性營養(yǎng)成分的損失，提高安全水平[1]。我國在食品加工方面更多的是采用熱加工，但這種加工方式存在保質期短、降低食品品質等問題，而超高壓技術具有延長保質期、保留食物中營養(yǎng)成分等優(yōu)點。與同為非熱加工的高壓脈沖電場相比，超高壓技術更加安全。高壓脈沖電場在食品加工中，食品物料可能會直接接觸電極從而發(fā)生電化學反應，導致電極腐蝕，進一步產生有毒的化合物，從而影響食品質量安全[2]。在“十三五”食品科技創(chuàng)新專項規(guī)劃下，國家大力支持食品產業(yè)科技發(fā)展，開展非熱加工等先進制造共性關鍵技術裝備研發(fā)。2015年HPP設備產值超過100億美元，2019年全球范圍內運行的HPP設備超過400臺，且2025年預計將達到547億美元[3]。本文對超高壓技術在幾種常見食品上的應用和超高壓技術裝備的發(fā)展和不足進行介紹，旨在為超高壓設備在今后為服務于食品工業(yè)提供一定的優(yōu)化見解。

1 超高壓食品技術應用

1.1 乳制品殺菌

巴氏殺菌法、超高溫瞬時殺菌法等是傳統(tǒng)的乳制品滅菌方法，使用超高壓滅菌可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)乳制品滅菌方法在保質期短、營養(yǎng)物質損耗大等不足之處[4]。超高壓技術的運用可將牛乳中的微生物細胞內酶、蛋白質等的結構破壞，使其失活[5]；降低牛奶凝乳時間，使新鮮奶酪中全乳固體含量、灰分、脂肪可溶性氮的含量基本不變[6]。在發(fā)酵乳制品加工應用中，面對攪拌型酸奶黏度較低、乳清析出或者凝固型酸奶硬度過低等問題也可以得到很好的解決[7]。通過測定超高壓下黃油乳制品中脂肪酸含量，在600 MPa、20 min的條件下超高壓處理的黃油，其中亞麻酸含量會升高，其他脂肪酸含量基本不變，而食用亞麻酸可預防心腦血管疾病的發(fā)生[8]。

1.2 天然產物提取

微波輔助法、壓榨法、溶劑浸提法、超聲波輔助法和超臨界CO2提取法等是天然產物的主要提取方法[9]。超高壓提取技術具有提取率高、設備安全性高、提取時間較短、易操作等特點，并且處理后的提取液成分較明確，不渾濁，黏度低，使得后續(xù)操作更加方便[10]。經研究發(fā)現(xiàn)，對天然產物提取的純度、得率等指標產生影響的因素主要有提取液選擇、料液比、環(huán)境溫度、保壓時間和壓力大小[11]。天然產物提取的主要過程是容器內的壓力在極短的時間內（一般小于1 min）升高，此時細胞內外產生很大滲透壓差，溶劑在短時間內充滿細胞內部，使體積增大，通過幾分鐘的保壓實現(xiàn)溶劑與有效成分溶解平衡，迅速卸壓，在超高反向壓力差的作用下溶解有效成分的溶液形成湍流以快速轉移到細胞外，使達到快速、高效提取的目的[12]。在復合酶協(xié)同超高壓法提取黑木耳多糖的試驗中，分別采用復合酶協(xié)同超高壓法和復合酶法提取黑木耳多糖，相比在超高壓的協(xié)同作用下得率高了33.07%[13]。在藍靛果中提取花青素，超高壓輔助提取與傳統(tǒng)溶劑浸提法相比，超高壓輔助節(jié)約乙醇用量，并使花青素提取量提高44.3%[14]。因此，與傳統(tǒng)提取法相比較，超高壓輔助提取普遍得率高，提取時間短，所以非常適合在天然產物中提取所需物質。

1.3 肉制品加工

在肉品加工領域，超高壓技術對于改善肉制品品質和解凍等方面有著明顯的優(yōu)勢。肉在超高壓作用下破壞肌肉細胞的肌質網和溶酶體，讓肌肉提前完成收縮，從而縮短成熟過程，使肉質嫩化[15]。肉的顏色決定于其總的肌紅蛋白的含量。在高壓作用下改變不同肌紅蛋白的含量，使得肉中氧合肌紅蛋白、肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白相互之間比例不同，從而決定肉的顏色不同[16]。肉制品的香味化合物主要通過氨基酸與還原糖間的美拉德反應，脂肪的氧化作用等途徑產生。一定程度的高壓處理可促使結構蛋白質的解聚和肉的自溶，提高肉中可溶性物質和游離氨基酸含量，并促進美拉德反應，使肉香味得到增強[17]。傳統(tǒng)的冷凍肉經過處理后，肉的質量會呈明顯的下降趨勢。研究發(fā)現(xiàn)HPP處理后的鮮肉進行冷凍且在0 ℃以下解凍后，肉類可以恢復原來的顏色[18]。應用超高壓解凍肉較傳統(tǒng)方法更加高效，其解凍時間通常為傳統(tǒng)方法的1/20[19]。

2 超高壓技術裝備研究進展

2.1 超高壓技術原理

超高壓技術原理是容器內一定溫度下施加100～1 000 MPa壓力，改變形成生物高分子立體結構的各種非共價鍵，使淀粉變性、蛋白質凝固，同時激活或者失活酶活性，滅殺微生物[20]。超高壓處理是非熱加工的物理過程，勒夏特列原理和帕斯卡定律是超高壓技術的主要原理。根據勒夏特列原理，化學平衡被破壞，平衡向減弱的方向移動，從而以抗衡這種改變，最終達到新的平衡。而帕斯卡定律指的是容器中的某一部分靜止流動的液體壓力發(fā)生變化，壓力將均勻且瞬時大小不變地向各個方向傳遞[21]。

2.2 食品超高壓設備發(fā)展

超高壓食品處理裝置大致由壓力發(fā)生系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和超高壓容器組成。在此之中，超高壓容器和壓力發(fā)生系統(tǒng)是裝置的主體部分，超高壓處理系統(tǒng)根據加壓方式的不同可分為外部加壓方式和內部加壓方式[22]，其結構如圖1和圖2所示。

圖1 外部加壓裝置

圖2 分體式內部加壓裝置

北京高才科技發(fā)展有限公司在2003年研制一種加溫超高壓食品處理裝置，此裝置在超高壓容器外部安裝一個電加溫水箱，使得能夠在達到合格品質的同時縮短加工時間[23]。青島大學在2014年設計一種新型超高壓低溫協(xié)同殺菌裝置，如圖3所示。該裝置容器采用繞絲式超高壓容器，制冷系統(tǒng)主要是由壓縮機、冷凝器等和安裝在容器內壁上的換熱系統(tǒng)組成。通過將蛇管盤繞在設備的內壁完成制冷劑與容器內壓媒的熱量交換，達到為食品處理創(chuàng)造低溫環(huán)境的目的[24]。

圖3 低溫發(fā)生系統(tǒng)示意圖

西安石油大學機械工程學院在2017年設計針對液態(tài)食品的超高壓滅菌設備，如圖4所示。此設備工作原理是在主油泵的驅動下，利用雙向水介質增壓器將水的壓力升高，通過單向閥將高壓水注入承壓容器，處在高靜壓環(huán)境水介質和被滅菌食品會在高壓狀態(tài)下保壓一定時間后，從而達到滅菌效果[25]。

圖4 液態(tài)食品超高壓滅菌設備工作原理圖

3 結語與展望

超高壓技術與熱加工相比能夠在幾乎加工時間相同的情況下最大限度地將食品中蛋白質、維生素等營養(yǎng)物質保留下來。但超高壓技術仍存在著許多的不足之處，如超高壓設備的生產費用昂貴、產能不高、能耗高[26]、缺乏相關標準規(guī)范超高壓食品加工指標、超高壓設備技術難度相對較高等問題[27]。相比于國外，我國對于超高壓的技術的開發(fā)和應用仍處在起步階段，受超高壓設備體積較大、壓力強度要求高等局限性，大部分研究仍停留在理論實驗階段[28]。因此，優(yōu)化超高壓設備結構裝置、提高生產效率、降低設備生產成本，是未來超高壓設備服務于食品工業(yè)優(yōu)質發(fā)展的必經之路。