食品超高压加工技术.ppt

第五章 食品超高压加工技术,1 概述2 超高压对食品中各种成分的影响3 超高压对食品中微生物的影响与超高压杀菌,一、超高压食品研发史,1899年，美国力学家Hite发现450MPa下处理牛奶，可延长保鲜期；1914年，美国物理学家P.W.Biagman发现静水压下蛋白质变性和凝固；1986年，日本京都大学林力丸率先开展高压食品研究；1991年，日本开始试销高压1号食品果酱；1992年，在法国召开高压食品专题研讨会；,法国、英国政府也开始资助高压食品加工的研究，并于1993年底推出高压杀菌鹅肝小面饼；美国已将超高压食品列为21世纪食品加工、包装的主要研究项目，并已有小规模工业化生产；高压技术在我国还处于起步、理论研究阶段,超高压技术受到制约的原因,1、超高压食品加工技术是一种昂贵的技术；2、技术复杂；3、我国食品法规规定的是以热加工为基础的标准参数，这就制约了以压力为基础的食品的推广；4、目前有关超高压科学的理论与理论体系尚不完善。,二、概述,1、基本概念,超高压：指大于100Mpa 的压力。能承受超高压的容器称超高压容器；把生产与维持超高压的一系列技术称超高压技术。,2.食品超高压技术：是将食品及食品原料包装后密封于超高压容器中，以水或其他流体介质作为传递压力的媒介物，在静高压下（一般100-1000 Mpa）和一定的温度下加工适当的时间，引起食品成分非共价键（氢键、离子键、疏水作用）的破环或形成，使食品中的酶、蛋白质、淀粉等高分子物质失活、变性、糊化，并杀死食品中的细菌等微生物，从而达到食品的灭菌、保藏、加工的目的。,三、超高压加工处理食品的特点,1）根据帕斯卡原理，超高压加工食品将受到均一的处理，压力传递速度快，不存在压力梯度（热加工不具备此有点），其加工效果与食品的几何尺寸、形状、体积等无关。,2）食品物系是多成分的分散系，以水或油作为分散介质，它在物系中是连通的，故称为连续相。3）水等液体既是分散介质，又是压力的均衡传递介质。,超高压处理食品的可行性,超高压处理食品的特点,1、营养成分损失小；2、产生新的组织结构，获得新型食品；3、超高压杀菌可以保持食品原有的风味；4、利用超高压处理技术，原料的利用率高；5、灭菌均匀、高效、瞬时，耗能低；6、不需向食品中加入化学物质；7、菌体不产生抗性；8、杀菌效果稳定；9、改善食品质构和风味。,应用于：各种食品的杀菌 植物蛋白的组织化淀粉的糊化 肉类品质的改善动物蛋白的变性处理 乳产品的加工处理食品高压速冻 酒类的催陈,四、超高压处理的原理,液体（水）在超高压作用下被压缩，而受压食品介质中的蛋白质、淀粉、酶等产生压力变性而被压缩，生物物质的高分子立体结构中非共价键结合部分发生变化，即物质结构发生变化，其结果是食品中的蛋白质呈凝固状变性、淀粉呈胶凝状糊化、酶失活、微生物死亡，或使之产生一些新物料改性和改变物料某些理化反应速度，故可长期保存而不变质。,五、超高压对食品成分与品质的影响,1.超高压对食品基本成分的影响（1）超高压对蛋白质的影响 压力导致：盐键及至少部分疏水键的破坏 氢键在某种程度上得到加强 共价键的可压缩性较小，对压力的变化不敏感,对一级结构的影响：至今未见报道对二级结构的影响：（1）较低压力下二级结构保持稳定。（例：羧肽酶抑制剂400Mpa下保持稳定），在非常高的压力下（700Mpa），二级结构将发生变化，导致不可逆变性。（2）-螺旋对压力处理相对敏感，而-片层，-转角相对稳定。（3）二级结构的改变除取决于压力强度，还取决于加压时间，长时间加压影响更大。,对三、四级结构的影响：1）小于150 Mpa时，有利于低聚体蛋白的离解，且通常伴随体积的减小。2）高于150-200 Mpa的压力会导致蛋白质的伸展和离解的低聚体亚基的重新组合。3）在200 Mpa以上的压力，可观察到三级结构的显著变化,超高压（700 MPa）对蛋白质一级结构无影响，有利于二级结构的稳定，但会破坏其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；高压破坏蛋白质胶体溶液，使蛋白质凝集，形成凝胶。,UHP对生成蛋白质凝胶的影响 蛋白质加热变性时，在高温条件下，蛋白质分子混乱形成团状结构，造成凝胶网状结构不致密，不均匀，还可能使网络结构受到破坏，形成大的空洞，从而形成粗糙的网络结构，进而影响其凝胶强度。UHP条件产生的凝胶强度比热凝胶要高，并且浓稠，柔滑，致密精细，弹性好，且能保持天然的色泽及香味 但蛋白质溶液需达到一定的质量分数才能形成凝胶，且随温度，压力增高而增高,应用于食品加工处理和保藏的范围：通过解链和聚合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 通过解链钝化毒物和酶 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,（2）超高压对食品中酶的影响 酶受到高压作用后，维持其空间结构的盐键、氢键、疏水键等遭到破坏，从而使肽键分子伸展成不规则的线形多肽，使其活性部位不复存在，导致了酶的失活 在100200 MPa的压力下酶的失活是可逆的，压力达到350 MPa以上时，会使酶产生永久性的不可逆失活,UHP对酶活性的影响主要是通过酶与底物的构象和性质而起作用，对酶促反应可产生两种结果:1）抑制：UHP对维持酶蛋白质空间结构的次级键（盐键，氢键、疏水键等）的破坏，导致酶活中心改变或丧失，而失活。2）促进：在较低压力下酶活性的上升被认为是压力产生的凝聚作用，完整的组织中酶与底物常常被隔离，而较低的压力可破坏这种隔离，使酶与底物相接触，加速酶促发应。,每种酶都存在最低失活压力，低于这个压力酶就不会失活，当超过这个压力时（在特定时间内）酶的失活速度会加速，直到完全失活 对于一些酶又存在一个最高压力，高于此压力并不会导致酶的额外失活 在相等的处理时间下，应用循环脉冲压力处理可以改善酶的失活,（3）超高压对淀粉的影响 在常温下把淀粉加压到400600MPa，并保持一定的作用时间后，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,与热处理相比，超高压对淀粉的作用特点为：1）高压使淀粉粒膨胀却不破裂；2）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；3）低于700 MPa的压力时淀粉不会产生类似热加工的变色。,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,（4）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（100200MPa）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。,UHP对油脂氧化的影响：（1）Aw在0.400.55范围时，UHP使油脂氧化速度加快。金属离子可能有促进作用。（2）Aw不在上述范围，结果相反。且温度对该氧化速度有影响。,（5）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,在高压作用下，氧化型维生素C可能会转变成还原型维生素C 总体来看，无论上升还是下降，其幅度都很小，可以认为高压处理对维生素C的影响很小,（6）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任何影响 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,2.超高压对具体食品品质的影响（1）果蔬原料 高压处理后，果蔬风味、色泽与营养均保持较好,脐橙、葡萄柚榨汁后其果汁经高压处理能有效地抑制苦味的产生 对加热后会失去特有色泽、芳香或产生褐变的果汁最好也采用高压杀菌技术 超高压可对胡萝卜和大蒜品质进行保持和改善,（2）动物性原料高压处理用于肉的品质改善 肉类等经高压处理能杀灭肉类细菌，不损坏维生素等营养成分及原风味，改善肉组织,高压嫩化机理 机械力作用使肌肉肌纤维内肌动蛋白和肌球蛋白的结合解离，肌纤维蛋白崩解和解离成小片段，造成肌肉剪切力下降 压力处理使肌肉中内源蛋白酶钙激活酶的活性增加，加速肌肉蛋白水解，加快肌肉成熟。,改善鱼制品品质 采用超高压技术生产鱼糕，在杀菌后其口感、风味都比较理想（3）淀粉质原料的品质改良 通过高压处理，可使陈米的品质改良。还可缩短煮制时间,（4）控制食品中酶反应和灭酶 高压除了使酶失活外，还可以使某些在常压下受到抑制的酶激活，提高一些酶的活性 高压也可以加快某些在常压下反应缓慢甚至不进行的反应。,在不同高压条件下过氧化物酶的活力变化：压力在350MPa以下的范围内，随着压力的提高，酶活性逐渐下降，到350MPa时酶活力最低，但压力高于350MPa时，酶活力又有所回升,第二节 UHP对食品中微生物的影响及UHP杀菌,高压杀菌：就是将食品物料以某种方式包装以后，置于高压（200MPa以上）装置中加压 处理，使之达到灭菌要求的目的。,一、超高压杀菌的原理,基本原理：高压导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面的变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，甚至使原有功能破坏或发生不可逆变化。,（1）改变细胞形态 极高的流体静压会影响细胞的形态，包括细胞外形变长，胞壁脱离细胞质膜，无膜结构细胞壁变厚。,（2）影响细胞生物化学反应 按照化学反应的基本原理，加压有利于促进反应朝向减小体积的方向进行，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。,（3）影响细胞内酶活力 高压还会引起主要酶系的失活，一般来讲压力超过300MPa对蛋白质的变性将是不可逆的，酶的高压失活的根本机制是：改变分子内部结构；活性部位上构象发生变化通过影响微生物体内的酶，进而会对微生物基因机制产生影响。,（4）高压对细胞膜的影响 在高压下，细胞膜磷脂分子的横切面减小，细胞膜双层结构的体积随之降低，细胞膜的通透性将被改变。（5）高压对细胞壁的影响 2040 MPa的压力能使较大细胞的细胞壁因受应力机械断裂而松解，200MPa的压力下细胞壁遭到破坏。真核微生物一般比原核微生物对压力较为敏感。,（6）UHP对微生物遗传过程的影响 a、核酸耐受高压远超过蛋白质 b、虽DNA在高压下稳定，但DNA复制和转录有关的酶在高压下易失活 c、超高压直接作用于生物合成过程,二、UHP杀菌影响因素,1、压力大小和加压时间、加压方式（1）对于非芽孢菌，压力达300600MPa就可以全部致死，且在此范围压力越高杀菌效果越好，相同压力下，杀菌时间延长，杀菌效果也有一定程度提高；（2）对于芽孢菌并非压力越高越好，杀灭的有效途径是促使孢子发芽（300MPa以下）然后配合高温杀菌或其它协同杀菌作用；（3）间歇式处理好于等压连续处理（尤其对芽孢）（4）酵母菌，霉菌的耐压性G阴细菌 G阳细菌,2、温度 超高压在低温和较高温度下杀菌效果均比常温好。大多数微生物在低温下的耐压程度降低，主要是由于压力使得低温下细胞内因冰晶析出而破裂的程度加剧，所以低温对高压杀菌有促进作用。对一定浓度糖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，温度高的所需杀菌时间短。,3、pH值 在压力作用下，pH对微生物生长的影响表现在：a、压力会改变介质的pH值，且逐渐缩小微生物生长的pH值范围；b、在食品允许范围内，改变介质pH，使微生物生长环境劣化，也会加速微生物的死亡速率，缩短高压杀菌时间或降低所需压力。,4、有机酸对微生物耐压性的影响 相同浓度，有机酸的种类不同，对加压杀菌效果影响不大，醋酸杀菌效果略强于乳酸和柠檬酸。,5、Aw 对酵母细胞，Aw0.94,室温，400MPa处理15min致死作用会受到抑制，失活不足2个数量级，Aw0.91时，几乎没有失活现象。,6、食品组分 UHP杀菌中，由于各种食品的物理、化学性质不同，使用的压力要求不同（1）有实验表明：NaCl、蛋清、葡萄糖、猪油在不同温度、压力处理，均可提高微生物存活率；Pro、碳水化合物、脂类对微生物均有保护作用，AA、Vit等亦然;高盐高糖或Pr浓度越高，营养成分越丰富，细菌对UHP耐性越大，杀菌效果下降。（2）食品含有的一些添加剂、抑菌剂可产生协同杀菌效果，降低要求的杀菌压力。,三、食品超高压的杀菌工艺,超高压处理工艺,压力范围：1001000MP温度范围：20100传压介质：饮用水,1.一般的超高压杀菌工艺固态食品：将固态食品装在耐压、无毒、柔韧并能传 递压力的软包装内，并进行真空密封包 装，然后置于超高压容器中进行加压处理。超高压固态食品的关键处理工艺是：升压保压卸压这种方式通常为不连续式,液态食品：果汁、奶和饮料等液态食品，可以直接以 加工物料取代水等传压介质（压媒）实现 进料卸料的连续化生产，但是必须附带设 备预杀菌工艺。液态食品超高压处理的核心工艺：升压动态保压卸压 液态超高压食品的保压阶段极短实验室小规模高压处理一般可将果汁（果酱）脱气、密封包装后放于高压缸内，用油作介质进行实验。,日本果汁工艺示例,2.分段循环间歇式超高压处理工艺 在低酸性食物中使用这种工艺可取得很好的杀菌效果；对于易受芽孢菌污染的食物，采用超高压多次重复短时处理，芽孢杀灭效果明显。,低酸性食品：指内容物达平衡后，其pH值4.6及Aw 0.85的非酒精性饮料及罐头食品。,3.超高压处理与其他杀菌技术的结合 超高压处理可以和其他杀菌方式诸如热杀菌、辐射、超声波、抑菌剂等联合使用而取得好的协同效果。,4.超高压杀菌工艺的关键控制因素影响加工工艺的关键因素 关键因素有微生物类型、菌龄、食品组分、pH和水分活度、温度、压力大小等超高压处理效果的指示菌,5、超高压食品的包装设计,超高压食品的包装设计 高压下只能用软材料包装 在高压处理技术中，对包装材料不要求其具有耐热性，但其气密性一定要好对包装材料的要求：（1）能够传递压力（2）在高压下不被破坏（3）能防止高压介质的渗入,第三节 超高压技术加工设备,超高压处理设备的特点和要求 超高压装置的主要部分是超高压容器和加压装置（高压泵和增压器等），其次是一些辅助设施，包括加热或冷却系统、监测和控制系统及物料的输入输出装置等。,加压装置,（1）超高压处理设备应能产生并承受要求的超高压（1001000 MPa），保证安全性，有较长的使用寿命，循环载荷次数多；（2）设备的卫生条件要求较高，和食品接触的部分应用不锈钢，传压介质最好采用水；（3）设备有一定的处理能力，生产附加时间短，效率高；（4）设备应价格便宜，操作费用低,超高压容器 超高压容器通常为圆筒形，为了增加筒体的承载能力，除适当增加筒壁厚度外，还可采用自增强的方法。超高压容器用钢主要是高强度钢和超高强度钢,强化的筒体结构主要有两种形式：夹套式 即多层简单筒体通过热套加工工艺复合，形成多层壁结构 操作压力在400 MPa以上的压力容器可由两个或两个以上的高强度不锈钢同心圆筒组成绕线式在简单筒体上缠绕数层钢丝或钢带,加压装置 加压装置主要指超高压泵和增压器，超高压泵一般为电动液压泵，由柱塞泵、控制阀、油箱、电机和仪表等组合成的一个独立的液压动力装置。增压器为传压和增压的装置，它通过低压大直径活塞驱动高压小直径活塞，将压力（强）提高。有些超高压泵系统本身就带有增压器。加压系统还包括管路、接头、阀门和过滤器等,超高压设备的传压介质多是用水或油；用于对食品等物料的处理时，传压介质可用水；当超高压设备的压力为100600MPa时，一般可用水作为传压介质；但当压力超过600MPa以上时，一般宜采用油性传压介。,一体化直接加压式超高压设备,分体式间接加压超高压设备,根据加压缸与超高压容器连接的形式又分为一体型和分体型，前者的加压缸与超高压容器连成一体，后者则分开，通过活塞相连，活塞兼具超高压容器一端端头的功能分体型内部加压式超高静压装置的上部为超高静压容器，多用高强度不锈钢制造，传压介质可以用水；下部是加压缸，其加压介质一般是油。,