超高压技术概述.ppt
2010.3,超高压技术概述,宋丽军E-mail：塔里木大学生命科学学院食品科学教研室,Company Logo,主要内容,Company Logo,1、超高压技术的概念2、超高压技术的特点3、超高压技术的现状,Company Logo,1、超高压技术的概念,超高压技术是20世纪90年代由日本首创的杀菌方法，是指利用压力媒介(食用油、甘油、油与水的混合液)使食品在极高的压力(100MPa,Resato International 公司和Stansted Fluid Power公司生产的超高压试验机最高压力均已到达1400MPa，温度控制范围-20-150)下产生蛋白质变性、酶失活、细胞破碎等变化，从而杀灭微生物的一种新型杀菌技术。,Company Logo,1、超高压技术的概念,Company Logo,在超高压条件下，生物体内高分子立体结构中的氢键、离子键、疏水相互作用等非共价键结合发生变化，使蛋白质变性，淀粉糊化，酶失活，细胞膜破裂，菌体内成分泄漏，微生物生命活动停止而死亡。蛋白质氨基酸的缩氨结合、维生素、香气成分等低分子化合物是共价键结合，在超高压条件下得以完整保留。超高压处理在杀菌钝酶的同时，最大限度的保持了食品的风味与营养物质。,2、超高压技术的特点,Company Logo,国外：超高压技术的商业化应用在美国、日本、德国、法国、澳大利亚等国家得到了稳定的发展（果蔬产品及畜产品等）；日本的超高压米饭；美国（avomex）的鳄梨制品、胡萝卜汁、苹果汁、蒜泥、芒果酱以及诸多肉制品等；欧洲的火腿制品、系列果汁及鲜切水果等；目前，全世界每年加工的超高压食品超过13万吨,3、超高压技术的现状,Company Logo,3、超高压技术的现状,日本、美国等一些发达国家在高压加工装置的定型化、标准化、实现批量生产等方面取得了一些新成就；目前国际上供应商业化UHP 设备的公司主要有：美国Avure Technologies 公司和Elmhurst Research公司、西班牙NC Hyperbaric 公司、法国Alstom 公司、日本Kobelco 公司、荷兰Stork Food&Dairy Systems B.V.公司、瑞典ABB公司和德国Uhde 等。,Company Logo,半连续式超高压设备 用于处理液态物料（果汁）,3、超高压技术的现状,Company Logo,3、超高压技术的现状,Company Logo,3、超高压技术的现状,国内：超高压技术在农产品加工中应用还处于起步阶段，超高压技术和超高压装置研制与国外相比存在较大差距，其在食品上的应用还缺乏系统研究。近年来，国内的部分高校（中国农业大学、江苏大学等）和科研院所对超高压技术的应用进行了实验室研究，但实现工业化还遥遥无期。,Company Logo,3、超高压技术的现状,Company Logo,1、超高压杀菌原理2、影响超高压杀菌的因素,Company Logo,1.超高压杀菌原理,（1）影响细胞内酶活力 超高压会引起微生物细胞内主要酶系的失活；通过影响微生物体内的酶，进而对微生物基因机制产生影响，导致由酶参与的DNA复制和转录步骤会因酶失活而中断。在100MPa下，E.coli的天冬氨酸酶失活；琥珀酸脱氢酶经20MPa高压即失活；蚁酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶对高压的反应也很敏感。,Company Logo,（2）影响细胞形态 细胞外形变长、质壁分离、细胞壁变厚及细胞膜消失、细胞质出现网状区域、核糖体数目减少、细胞分裂减慢等。但当压力超过某一点时，细胞形态发生不可逆变化。,1.超高压杀菌原理,丝衣霉：70/700Mpa/60min,Company Logo,（3）影响微生物基因的表达和蛋白质合成啤酒酵母：产生四倍体；嗜热甲烷球菌、埃希氏大肠杆菌：产生诱导蛋白；单核李斯特氏菌、伤寒沙门氏菌：核物质凝结；大肠杆菌：酸类物质沉淀（HPLC）、遗传物质凝集成块,胞浆RNA外泄,胞浆内部分区域没有核糖体,而且出现了密度斑（核糖体亚单位或胞浆蛋白质聚集，发生在细胞静止期和对数生长中期）。,1.超高压杀菌原理,Company Logo,1.超高压杀菌原理,（4）影响细胞壁、细胞膜的通透性 细胞膜主要由磷脂和蛋白质分子组成，主要通过氢键和疏水键维持结构。高压下，膜蛋白与膜脂质结合能力降低，细胞膜通透性增大；20-40MPa能使较大细胞的细胞壁发生松解，100MPa导致其断裂，200MPa的压力下细胞壁遭到破坏。,细胞内溶物的紊乱或外泄,Company Logo,1.超高压杀菌原理,双形热带念珠菌：200MPa下,细胞壁遭到破坏,细胞亚显微结构发生变化,线粒体受到不同程度的损伤,核膜孔张开；细菌：150MPa处理后溴乙锭进入胞内与DNA 结合；500MPa处理后未发现上述现象；超高压处理后胆盐和NaCl进入细胞；菌体胞外的ATP浓度增加,Company Logo,1.超高压杀菌原理,（5）细胞内容物的泄漏细菌悬液：400-600MPa处理，金属离子（Zn2+、Fe2+、Mg2+、Ca2+等）浓度达CK的10倍以上，RNA类似物浓度约为CK的20倍。金黄色葡萄球菌属：700MPa处理后，Fe2+和Mg2+泄漏量分别增大2l和14.4倍；棒状杆菌：Fe2+的泄漏量高达27倍;且从营养细胞中泄漏的Zn2+、Ca2+和K+等离子增大倍。,Company Logo,1.超高压杀菌原理,（6）影响细胞生化反应速率和平衡生物分子的特性由其内在相互反应取得的平衡决定；根据勒沙特列原理：加压有利于促进反应朝体积减小的方向进行，推迟了增大体积的化学反应。由于许多生物化学反应都会产生体积上的改变，所以加压将对生物化学过程产生影响。,Company Logo,Normal vegetation of Bacillus subtilis,Normal spore of Bacillus subtilis,Company Logo,芽孢外壳皱缩、缺口、内含物紊乱、泄露,处理后结构紊乱，外壳皱缩,Company Logo,Company Logo,2.影响超高压杀菌的因素,微生物种类（G+；G-）温度、压力、时间与加压方式 水分活度 pH值（Biomacromolecule）食品成分与添加剂（Pro.Sugar；Nisin）初始菌数,Company Logo,（1）微生物种类,一般来讲，菌体越大，结构越复杂，耐压性越低；病毒颗粒越小越耐压；静止生长期的微生物比指数生长期的耐压；处于冷休克或亚致死状态的微生物更耐压;G+G-（多糖链上肽键的数量和交联程度-肽聚糖的网状结构致密程度和强度）,Company Logo,（1）微生物种类,一般情况下：200-300MPa病毒灭活；300-400MPa霉菌、酵母菌灭活；300-600MPa细菌、致病菌灭活；800-1000MPa芽孢灭活；,Company Logo,（1）微生物种类,超高压杀菌的指示菌,芽抱 G+真菌 G-寄生虫,Company Logo,（2）温度、压力、时间与加压方式,a.温度与压力：能量输入，压力阈值（受环境影响）b.保压时间：一定程度提高杀菌效果 c.加压方式：连续式、半连续式、间歇式。同持续静压处理相比，阶段性压力变化处理杀菌效果较好；对于易受芽孢菌污染的食物用超高压多次重复短时处理，杀灭芽孢效果好,Company Logo,（2）温度、压力、时间与加压方式,适当提高温度对高压杀菌有促进作用针对芽孢菌的高耐压性，就现阶段研究来看，结合温度处理是十分有效的杀菌手段；例外：研究发现，除芽孢菌和金黄色葡萄球菌外，大多数的微生物在-20以下的高压杀菌效果较20时好,Company Logo,（2）温度、压力、时间与加压方式,部分微生物在低温下耐压程度降低的原因：低温下细胞因冰晶析出而破裂程度加剧；蛋白质在低温下对高压敏感性提高，更易变性，菌体细胞膜的结构也更易损伤；低温下高压处理对保持食品品质，尤其是减少热敏性成分的破坏较为有利,Company Logo,（3）水分活度（Aw）,低Aw产生细胞收缩和对生长的抑制作用，从而使更多的细胞在压力中存活下来；控制Aw无疑对高压杀菌，尤其是固态和半固态食品的保藏加工有重要意义。,Company Logo,（4）pH,pH是影响微生物在受压条件下生长的主要因素之一 在受压条件下，培养基的pH有可能发生变化，细菌的最适pH范围也变得较为狭窄 酸性条件下微生物的耐压性较差 对酵母菌类而言，采用超高压处理时pH值并不是重要的因素,Company Logo,（5）食品成分和添加物,营养丰富环境中微生物的耐压性较强，蛋白质、碳水化合物、脂类和盐分对微生物具有缓冲保护作用，而且这些营养物质加速了微生物的繁殖和自我修复功能；食品基质含有的添加剂组分对超高压灭菌影响很大，如添加脂肪酸酯、蔗糖酯或乙醇等添加剂，将提高加压杀菌的效果；,Company Logo,1、超高压对蛋白质和酶的影响2、超高压对淀粉的影响3、超高压对脂类的影响4、超高压对维生素的影响5、超高压对风味物质和色素的影响6、超高压改善食品品质实例,Company Logo,1.超高压对蛋白质和酶的影响,压力导致：盐键、离子键及部分疏水键等非共价键破坏；共价键的可压缩性小，对压力的变化不敏感；适当压力（150 MPa）能促进低聚蛋白质结构解离，接着可能导致亚单位的聚合或沉淀（200MPa）,Company Logo,1.超高压对蛋白质和酶的影响,超高压（700 MPa）对酶的一级结构无影响，但会破坏其二级结构、三级结构和四级结构；超高压迫使蛋白质的原始结构伸展，分子从有序而紧密的构造转变为无序而松散的构造，或发生变形，活性中心受到破坏，失去生物活性,Company Logo,1.超高压对蛋白质和酶的影响,利用压力对蛋白质的影响作用可应用于食品加工处理和保藏的范围：通过解链和聚合（低温凝胶化、肌肉蛋白质在低盐或无盐时形成凝胶、乳化食品中流变性变化）对质地和结构的重组；通过解链、离解或蛋白质水解提高肉的嫩度；,Company Logo,1.超高压对蛋白质和酶的影响,通过解链（即蛋白质酶抑制剂、漂烫蔬菜）钝化毒物和酶；通过解链增加蛋白质食品对蛋白酶的敏感度，提高可消化性和降低过敏性；通过解链增加蛋白质结合特种配基的能力，增加分子表面疏水特性，能够结合风味物质、色素、维生素、无机化合物和盐等,Company Logo,1.超高压对蛋白质和酶的影响,利用高压处理可使果蔬中一些酶被激活或失活，对于食品的色泽、香味及品质都有很大的提高。,Company Logo,2.超高压对淀粉的影响,在常温下把淀粉加压到400-600MPa，淀粉颗粒将会：溶胀分裂；晶体结构遭到某种程度的破坏；内部有序态分子间的氢键断裂，分散成无序的 状态，即淀粉糊化为-淀粉 高压处理可提高淀粉对淀粉酶的敏感性，从而提高淀粉的消化率；提高淀粉的胶凝温度,Company Logo,2.超高压对淀粉的影响,与热处理相比，超高压对淀粉的作用特点为：高压使淀粉粒膨胀却不破裂；超高压所致完全糊化的淀粉无老化现象，而超高压所致的未完全糊化的淀粉有老化现象；低于700MPa的压力时淀粉不会产生类似热加工的变色,Company Logo,2.超高压对淀粉的影响,超高压可改善陈米的品质：陈米在20吸水润湿后在50300MPa处理10min，再按常规煮制成饭，其硬度下降、黏度上升、平衡值提高到新米范围，同时光泽和香气也得到改良。还可缩短煮制时间。,Company Logo,3.超高压对脂类的影响,高压对脂类的影响是可逆的：室温下，呈液态的脂肪在高压下（100200 MPa）基本可固化，发生相变结晶，促使更稠、更稳定的脂类晶体形成；不过解压后仍会复原，只是对油脂的氧化有一定的影响。,Company Logo,4.超高压对维生素的影响,一般情况下，还原型维生素C含量经高压处理后出现了下降和上升两种情况：Fe3+对于维生素C的降解起着重要作用，在高压下会更加明显；Cu2+的存在，在高压下会激活铜酶，铜酶是维生素C降解的重要酶类之一。总体来看，高压处理对维生素C的影响很小。,Company Logo,5.高压对风味物质、色素等的影响,食品中的风味物质、维生素、色素及各种小分子物质结合状态为共价键的形式，故而高压处理过程对其几乎没有影响；食品的黏度、均匀性及结构等特性对高压较为敏感，但这些变化往往是有益的,Company Logo,6.高压对改善食品品质实例,Company Logo,设备投资大，批处理量小，造成产品成本过高；工程材料、机械制造、物理、化学、生物等多学科和领域的理论和技术的合成，超高压科学的理论体系尚不完善，设备制造精度和材料性能的要求很高；我国相关的食品法规规定的是以热加工为基础的标准参数，这就制约了高压食品的研究和推广；食品工业仍然是食品原料的初加工，而不是深加工食品，至少还不是以工业规模生产的食品。,四、发展与现状,我国超高压食品技术面临的问题,Company Logo,参考文献,潘见,曾庆梅等.草莓汁的超高压杀菌研究J.食品科学,2004，25(1):31-34.Carla M.Wolbang,Jacqueline L.Fitos,Michael T.Tree by.The effect of high pressure processing on nutritional value and quality attributes of Cucumis melon L.Innovative Food Science and Emerging Technologies,9:196200.Matser,A.M.,et al,Effects of high isostatic pressure on mushrooms J,Journal of food engineering,2000(45):11-16.Liang Fang,Bo Jiang,et al.Effect of combined high pressure and thermal treatment on kiwifruit peroxidase J.Food Chemistry,2008,109:802807.,欢迎各位老师批评指正,Thank You!,
