超高压灭菌技术的研究进展毕业论文.doc

毕业设计（论文）学 生 姓 名： 学 号：0803021124专 业：生物技术与应用系 部：园林园艺系设计(论文)题目：超高压灭菌技术的研究进展指 导 教 师: 2011 年 5 月 26 日摘 要食品中的微生物是导致食品品质降低的重要原因之一。研究证明应用超高压技术加工食品与传统的热加工技术相比，既可以有效地达到杀菌和灭活酶的目的，又能良好地保持原有的营养成分。超高压技术是食品和农产品加工的高新技术之一，在果蔬产品、蛋白质产品、 乳制品、肉制品、速冻食品、水产品等加工中有着广泛应用。在超高压灭菌技术的基本原理之上，对温度、压力、pH值、食品成分和水分活度等因素对超高压杀菌的效果以及超高压对微生物的细胞形态结构、遗传物质等造成的影响作了较为详尽的阐述，列举了实例，展望了超高压在食品灭菌领域的应用前景和发展方向。关键词：超高压 微生物 食品 酶目 录引言11 超高压技术的发展12 超高压技术的机理13 影响超高压灭菌的因素13.1 温度的影响23.1.1高温对高压灭菌的影响23.1.2低温对高压灭菌的影响23.2 压力和时间的影响23.3 食品成分和添加物的影响23.4 加压方式的影响33.5 pH值的影响33.6 水分活度的影响33.7 微生物特性和种类的影响33.8其他34 结语4参考文献6引言 超高压灭菌通常被认为是压力对微生物的致死作用。超高压可以破坏细菌的细胞壁和细胞膜,抑制酶的活性和DNA等遗传物质的复制,破坏蛋白质氢键、二硫键和离子键的结合,使蛋白质四维立体结构崩溃,基本物性发生变异,产生蛋白质的压力凝固及酶的失活,最终造成微生物的死亡。由于高压处理时料温随着加压(卸压)而升高(降低),一般高压处理每增加100MPa 压力,温度升高24,故近年来也认为超高压对微生物的致死作用是压缩热和高压联合作用的结果。在我国，超高压技术在食品工业的应用尚处于起步阶段。1 超高压技术的发展 超高压食品加工技术始于19世纪末。1895年，Royer进行了超高压处理杀死细菌的研究；1899年，美国化学家Bert Hire发现，牛奶、果蔬和饮料中的微生物对压力敏感，并证明高 压处理能延长食品的货架期1。超高压技术虽然出现了100多年，但在很长时间内没有被实际应用。直到1986年，日本京都大学林立丸教授提出超高压技术在食品工业中的应用，才使其成为一种可行的商业加工手段，并于1990年生产出世界第一个高压食品-果酱。随后又生产出果冻、水果汁和酸乳酪等。除日本外，美国、巴西、韩国和欧洲的许多国家都先后对高压食品加工原理、方法和技术 细节及应用前景进行了广泛深人的研究，同时开始向市场提供高压食品。我国学者也注意到国外超高压技术的发展并开展了食品高压技术的研究。2003年“超高压低温灭菌工艺和设备”被列人国家863计划2。由于高压杀菌的处理温度远低于热处理的温度，所以保持了食品的原有风味、色泽和营养价值，在使酶失活的情况下能抑制褐变反应；而且液体介质的瞬时压缩过程，灭菌均匀，无污染，操作安全，且较加热法耗能低，减少环境污染。经高压处理的食品可延长保质期，同时又弥补了冷冻保藏引起的色泽变化。高压加工杀菌作用均一、迅速，对食品无大小和形状的限制，与热处理相比显示出巨大的优越性。2 超高压技术的机理超高压处理技术就是利用100Mpa以上的压力，在常温或低温的条件下，使食物中的酶、蛋白质以及淀粉等生物大分子改变活性、变性或者糊化，同时杀死细菌等微生物以达到灭菌的过程，并且食物的营养价值与风味不受影响3。超高压技术基本原理是帕斯卡定律和Le Chatelier原理4。帕斯卡定律是利用超高压对液体的压缩作用，即加在液体上的压力可以瞬时以同样大小传到系统的各个部分。因此，干燥食品、粉状食品或粒状食品不宜采用超高压处理。 根据目前的研究发现，超高压灭菌的机制与破坏细菌的细胞壁和细胞膜。抑制酶的活性和DNA等遗传物质有关，高压对细胞膜和细胞壁有一定的影响。在压力作用下，细胞膜的磷脂 双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积的缩小而收缩。加压对细胞膜常常表现出通透性的变化和氨基酸摄取的受阻。当压力为2040MPa时，细胞壁会发生机械性断裂而松懈；当压力为200MPa时，细胞壁会因遭到破坏而导致微生物的细胞死亡5。超高压可以破坏非共价键，如破坏氢键之类弱结合键，使基本物性变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活，高压抑菌是由于主要酶类的变性。一般说来，超过300MPa压力引起酶类的变性是不可逆的，酶失活的主要原因是高压引起的酶分子内部结构的破坏和活性部位上构象的变化。由于高压处理时料温随着加压(卸压)而升高(降低)，一般高压处理每增加100MPa压力，温度升高24，故近年来也认为超高压对微生物的致死作用是压缩热和高压联合作用的结果。3 影响超高压灭菌的因素 超高压杀菌效果与处理温度、压力大小、加压时间、施压方式、微生物种类、食物本身的组成及添加物、pH值和水分活度等许多因素有关6。3.1 温度的影响 温度是微生物生长代谢重要的外部条件,受压时的温度对灭菌效果有显著影响。在高温和低温下，高压对于微生物的活性影响都比较敏感。3.1.1高温对高压灭菌的影响 微生物本身就怕高温，因此有高温的协同，高压灭菌效果大大提高。菌有促进作用。对一定浓度的糖溶液，在不同温度下 进行高压杀菌，在同样的压力下，杀死同等数量的细菌，则温度高，所需杀菌时间短。因为在一定温度下，微生物中蛋白质、酶等成分均会发生一定程度的变性。因此，根据不同食品的需求，在对食品各方面的品质没有明显影响的情况下，适当提高温度对高压杀菌有促进作用。Hayakawa报道,当压力达到800MPa ,施压时间60 min,在60条件下,可将嗜热芽孢杆菌的数量从初始的106个/mL下降到102个/mL,而室温下,施加同样的压力,菌数没有变化7。3.1.2低温对高压灭菌的影响低温下高压处理也具有较常温下高压处理更好的杀菌效果。因为0以下压力使细胞因冰晶析出而破裂的程度加剧,蛋白质对高压敏感性提高,更易变性,而且发现低温下菌体细胞膜的结构更易损伤。日本科研人员研究了低温高压对16种微生物的杀灭效果发现,除芽孢菌和金黄色葡萄球菌外,大多数的微生物在-20下的高压杀菌效果较20下要好。所以低温对高压灭菌有促进作用8。3.2 压力和时间的影响相同压力下,灭菌效果随灭菌时间的延长也有一定程度的提高。一定范围内,压力越高灭菌效果越好。处于指数生长期的细菌细胞比处于静止期 的细菌细胞对压力更敏感，容易受高压致死。微生物 的营养体耐压差，而其芽孢耐压强。多数微生物经100MPa以上压力处理即被杀灭。如大肠杆菌经30min，300MPa处理可被完全杀死，芽孢杆菌(牛乳中)经10min，680MPa处理大部分被杀死。当压力达300MPa以上时，酵母、霉菌、病毒和大多数 细菌就会全部死亡。Mitsumasa Yasumoto等研究了100600MPa压力对番茄汁中凝结芽孢杆菌和酵母菌的灭菌效果,找出了保压时间和施压大小的关系9。对于凝结芽孢杆菌:Z=512-152LogX(5X100)。对于酵母菌:Z=354-104LogX。式中:X为保压时间(从开始到微生物数开始减少的时间)，单位为min；Z为压力，单位为MPa。3.3 食品成分和添加物的影响食品的成分构成非常复杂，其对超高压灭菌的影响也非常复杂。超高压条件下,食品自身化学成分或添加物对灭菌效果有明显的影响。当食品中富含营养成分或高盐、高糖时，其杀菌速率均有减慢的趋势。这是因为蛋白质、脂类、碳水化合物对微生物有缓冲保护作用,能加速微生物的繁殖和自我修复功能。超高压结合抗菌剂能加速细菌活细胞的死亡率或抑制细菌细胞的繁殖。将降低加压杀菌的效果。Kanjiro Takahashi研究了低温下共存物对高压灭菌效果的影响,发现Nacl ,蛋清、葡萄糖和猪油,均使微生物(大肠杆菌、酿酒酵母)存活率提高,但与抗菌成分并用,则可以在低压中提高杀菌效果。Garrigam等通过对涂抹了抗菌剂的肉制品在17温度400MPa压力下处理10min后,在4的条件下冷藏,发现超高压结合抗菌剂能加速细菌活细胞的死亡率或抑制细菌细胞的繁殖10。3.4 加压方式的影响 超高压灭菌方式有连续式、半连续式和间歇式3种11。 直接加压和间接加压会对灭菌效果产生影响,这个影响是升压时温度变化的幅度不同而引起的。Maggi等报道,第一次加压对芽孢菌具有活化作用,会引起芽孢菌发芽,发芽的芽孢菌对压力更为敏感。第二次加压则使这些发芽而成的营养细胞被杀死。因此,压力处理一段时间后,重复压力处理具有明显的杀灭芽孢的作用。Wilson和Baker将含枯草杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌和生芽孢梭菌各为106/g的肉乳液,先在85用621MP压力处理30min,再在95用 621MPa压力处理5min,可实现灭菌。Aleman报道,阶段性压力变化处理同持续静压处理相比,可使菠萝汁中的酵母菌大幅度减少12。3.5 pH值的影响 超高压杀菌受pH值的影响很大。因为高浓度的氢离子可引起菌体表面蛋白质和核酸水解，并破坏酶类活性，因此pH值被认为是影响微生物在高压环境下生长的主要因素之一。低pH 值和高pH值环境,都有助于杀死微生物。一方面,压力会改变介质的pH值,逐渐缩小适宜微生物生长的pH 值范围。另一方面,在食品允许的范围内改变介质的pH值,使微生物生长环境劣化,也会加速微生物的死亡速率,缩短和降低超高压杀菌的时间及所需压力。一般情况下，高压对酸性食品的杀菌效果较好。Kanjiro Takahashi研究了溶液中大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、啤酒酵母的高压灭菌效果发现,常温高压处理时,pH=7.0时灭菌效果最差,而低温下pH值的高低对灭菌效果无影响。对于酵母菌而言,pH值不是影响超高压杀菌的主要因素13。3.6 水分活度的影响 食物中的水分活度对微生物的耐压性非常关键。对于任何干物质,即使处理压力再高都不能将其中的细菌杀死,如果在干物质中添加一定量的水分,则灭菌效果大大增强。Rodriguez试验了高压与水分活度对大肠杆菌的抑制作用表明,当压力为414MPa 时,水分活度从0.99降到0.91时,杀菌作用减弱14。控制水分活度能降低超高压对接合酵母菌杀菌时的压力。因此,对于固体和半固体食品的超高压杀菌,考虑水分活度的大小是十分重要的。3.7 微生物特性和种类的影响 不同生长期的微生物对高压的反应不同。一般而言,处于指数生长期的微生物比处于稳定期和衰亡期的微生物对压力反应更敏感。微生物的耐压性与种类也有关系。例如：革兰氏阴性菌的细胞壁较薄,肽聚糖的质量分数较少,脂类的质量分数高,当受到超高压作用时,细胞壁受到机械损伤更容易些,细胞更易死亡。而阳性菌细胞壁较厚,肽聚糖的质量分数高,网络结构紧密 ,脂肪的质量分数低15。因此革兰氏阳性菌的耐压性强于革兰氏阴性菌。真核生物比原核生物对压力更加敏感。Farkas等发现,在75温度827MPa压力下处理30min,梭状芽孢杆菌属的芽孢仍能存活16。因此,杀灭芽孢杆菌需要因此对于一些抗压性强的种类杆菌需要更高的压力并结合其他处理方式 ,比如采用分段循环式超高压处理、高压脉冲处理、超高压与其他杀菌方式协同处理及超高压与抗菌剂协同处理等。3.8其他 利用食品中原有的天然抗菌物质或添加某些抑菌成分，都会促进高压杀菌效果17。此外与其他手段，如超临界二氧化碳、间歇加压等方法协同处理也可以减缓高压杀菌的负面效应。 4 结语 日本在超高压食品技术的研究和应用方面处于国际领先水平，美国、欧洲等国比较先进，超高压食品技术在我国的研究和应用还处于起步阶段18。 制约我国食品超高压技术发展的因素有：食品超高压设备投资巨大；超高压技术复杂，涉及工程材料、机械制造、物理、化学、生物等多学科和领域；我国相关的食品法规是采用以热加工为基础的标准参数；食品超高压设备的工作容器较小，批处理量小，且大多属于间歇式加工；我国食品工业的深加工程度较低；超高压加工食品的酶促变质、肉毒杆菌和芽孢的杀灭问题没有解决19。 对超高压技术探索应着眼于以下几方面：开发出耐高压而价格低廉的超高压容器；更新相关食品法规，与国际接轨；实现超高压设备的连续化生产，提高生产效率；解决酶的钝化、芽孢的杀灭等难题，开拓超高压技术应用新领域。 国外先进的超高压技术为我国食品加工业的发展带来了机遇和挑战。我们必须积极参与国际竞争，加快研究和开发，缩小与先进国家的差距。随着技术的进步，超高压技术将会对我国食品行业产生重大影响，促进食品工业的“技术革命”。为此,我国应不失时机地跟上国际潮流 ,加快超高压技术研究和应用的步伐。后记在本次论文写作过程中，黄进宝老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指导与教导，使我得以最终完成毕业论文。老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及诲人不倦的师者风范是我学习的楷模。接着我还要感谢陪伴我们三年的班主任俞莉莉老师，感谢她三年来对我悉心的照顾和不倦的教诲，让我们顺利走过了大学三年。还有许多其他可敬的师长、同学、朋友给我的无言的帮助，在这里请接收我诚挚的感谢。最后我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。参考文献1李宗军.压力温度处理对肉制品中微生物的影响J.食品与机械,2006,22(3):1416. 2徐敏,孙贵,董铁有,等.食品超高压加工技术及其应用前景J,河南科技大学学报:农业科学版,2003,23(1):6365.3潘巨忠，薛旭初，杨公明，康孟利超高压食品加工技术的研究进展J农产品加工学刊，2005,3:1617 4陈祥奎.超高压杀菌新技术J.食品与发酵工业,1995(4):6971.5陈复生.食品超高压加工技术M.北京:化学工业出版社,2005:1517.6李勇.超高压致死微生物的研究进展J.微生物学通报,1995,22(4):2426.7黄琴，贺稚非，龚霄，等超高压灭菌技术及其在食品工业中的应用J四川食品与发酵，2008,44(3):46508鲍志英,德力格尔桑.超高压技木对源微生物的杀灭作用J.饮料工业,2004,2(2):379陈小娥,方旭波.杀菌技术在食品工业中的应用J.浙江海洋学院学报:自然科学版,2002,20(1):6265.10廖小军.果蔬汁非热加工技术进展J.饮料工业,2002,15(6):4245.11李汴生,曾庆孝.食品的低温高压处理技术及其研究进展J.食品与发酵工业,2000,27 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