论述高静压技术的研究进展及其在食品加工中的应用和面临的问题 - 食品

高静压(High Hydrostatic Pres-sure,简称HHP)技术是指一定温度下,用100MPa以上的压力(100~1 000MPa)来处理食品,以达到杀菌、灭酶和改善食品功能特性的加工技术。美国化学家Bert Hite于1899年首次发现450MPa的高静压能够延长牛奶的保存期。1914年美国物理学家Bridgman也指出高静压能使蛋白质变性,多糖结构发生变化。但由于各种因素的限制,当时的发现未能引起人们的注意,使高静压技术在食品加工中的应用停滞不前。直至20世纪60年代,高静压技术才再次引起世人的关注。日本率先在高静压灭菌,对酶促反应和蛋白质变性的影响等领域取得了一系列研究进展。1992年10月欧洲在法国召开首次高静压技术应用于食品工业的会议,欧共体随后贷款资助了高静压处理技术加工保藏食品的多国研究计划,美国将高静压食品开发计划列入21世纪美国食品工程、加工和包装的主要研究项目。随着我国食品工业的发展,研究与开发新型的健康食品成为迫切要求,高静压处理作为一种方兴未艾的新型加工技术,在食品开发中具有很大的发展潜力。 1 高静压技术的研究进展 目前,高静压技术研究进展主要有3个方面:①研究高静压对食品的杀菌和灭酶作用,以适应食品加工保藏的要求;②研究高静压对食品中蛋白质、脂类和多糖等成分的作用,以改善食品的功能特性;③研制适用于食品加工中经济实用的高压加工装置,以推动高静压食品的工业化生产。 研究结果表明,高静压可以使细胞形状、细胞膜及细胞壁的结构和功能发生变化,抑制酶的活性和DNA等遗传物质的复制,从而达到杀菌的目的。Chong和Cossins指出,在高静压条件下细胞膜磷脂分子的横切面会减小,细胞膜双层结构的体积也随之降低,细胞膜的通透性因此而改变,从而使微生物死亡。许多微生物对压力反应的实验结果表明存在种间差异。例如:鱼产品中常见的细菌Vibrio Pauahaemolyticus,对压力非常敏感,只需200MPa/20min处理就可以使该菌数目下降106倍;而其他革兰氏阴性菌则需要300MPa以上的压力处理20min才能取得相当的灭菌效果。王琴指出,对嗜热脂肪芽孢杆菌孢子进行杀菌,加压前微波预热处理比加压后微波处理的杀菌效果还好。45℃、65℃的预热处理能有效提高高静压对孢子杀灭率。由于高静压处理可以最大限度地保持食品的原有风味,并达到一定的杀菌效果,因此可以单独或与热处理等其他方式协调作用,达到理想的杀菌效果。 高静压可以破坏维持酶蛋白分子空间结构的盐键、氢键和疏水键等非共价键,从而改变分子的空间结构,破坏分子中的活性部位,从而使酶失活。高静压对酶的作用可以是可逆或不可逆的。一般在100~200MPa的压力下,酶的变化是可逆的;当压力超过300MPa时,酶变化不可逆的趋势相当大。要注意的是高静压除了可以使酶失活外,还可以使某些在常压受到抑制的酶激活,从而提高一些酶的活性。例如: Fukuda和Kungi1985年报道胰蛋白酶和羧基肽酶的活性在高压下受到抑制,而嗜热菌蛋白酶和纤维素酶在高压下则被激活。同样,高静压对酶的作用也受到很多因素的影响:酶的种类和来源,处理时酶所处的介质成分、pH值、处理压力和时间以及有无酶活性抑制剂等都会影响到灭酶的效果。在目前的条件下,单纯靠高静压处理来达到完全灭酶还很难实现。提高温度、延长时间、降低pH值、改变有机溶剂的浓度等都可促进酶的失活,但对于耐压性的酶(如:枯草杆菌蛋白酶),加压反而会抑制其热失活。 蛋白质是食品的重要组成部分,研究高静压对蛋白质的作用机理对食品开发具有重要意义。研究结果表明:高静压会破坏或形成蛋白质的非共价键,从而对蛋白质的结构和性质产生影响。人们发现兔子肉和鲤鱼肉的肌动球蛋白经高静压处理后所获得的凝胶能够保持其天然的颜色和香味,质地柔滑,弹性比加热所得的凝胶要好;且压力越大凝胶的强度越大,粘度越小。Defaye等人的研究结果表明:许多高压变性的蛋白质在压力解除之后,分子的构象会发生改变,从而使蛋白质的功能特性得以改善。Eric Dickinson和KarinPawlowsky指出:蛋白质的结构和分子之间的相互作用对环境的溶液条件(如温度、pH值、离子强度等)很敏感,可通过改变这些条件来改善蛋白质的功能特性。 高静压可以改变脂类的物态,但其影响是可逆的。Wong (1987年)发现多种脂类在受压状态下,压力每升高100MPa其临界温度升高20℃,呈直线关系。食品中的脂类在受压100~200MPa的情况下基本变为固体,解除压力后可恢复为液态。 高静压可以改变淀粉变性糊化的状况, 400~500MPa的压力可压断淀粉的分子长链,使之变性糊化为不透明的粘稠状物质。Mercier等人(1968年)认为淀粉的含水量是决定高压影响力大小的关键因素。Muhr(1982年)发现高压处理使马铃薯、小麦和豌豆的淀粉糊化温度上升。Hayashi和Hayashida (1989年)指出:马铃薯淀粉较小麦和玉米淀粉有着更强的耐压性。Hibi等人(1993年)发现,水稻和玉米淀粉的晶体结构在高压下消失,而马铃薯淀粉的晶体结构则不受影响。 研制适合我国食品工业的高静压加工装置是实现高静压食品工业化生产的要求。高静压加工装置必须采用耐高压的金属材料和结构;高压密封体要耐得住反复加减压;加压容器要达到一定的硬度,抵抗得住较高的压力;加工装置的卫生安全性要达到食品生产的要求。目前实验室用的高压设备一般能达到500MPa左右,由高压容器和加压、减压系统两部分组成。 2 在食品开发中的应用 2•1　低温杀菌和灭酶 为了保证食品安全质量,防止微生物和酶类使食品变质,必须对食品进行杀菌和灭酶。常用的加热处理技术在杀菌和灭酶的同时,会带来许多负面的影响,如:使食品产生褐变、热臭味、变色及营养成分损失等等。而高静压处理只对蛋白质和酶类的分子立体结构中非共价键的结合产生影响,对其他的风味物质、色素、维生素等没有影响,在杀菌和灭酶的同时保持了食品原有的味道和色泽。如:高静压加工后的果汁保持了95%以上的维生素含量,而热加工后的果汁只有72%~78%。目前用高静压处理的西瓜果肉汁、柑桔汁已能达到商业无菌要求,在室温下可保持数月,且果汁的风味、维生素、可溶性固形物、氨基酸等成分均无变化。利用高静压技术的低温杀菌和灭酶作用,可研究和开发出一系列天然、营养的果汁、果酱和蛋白饮料,满足人们对健康食品的需求。甚至在日本还有人利用高静压处理生鲜贝类和猪肉,既达到灭菌的效果,又不会对贝类和猪肉的组成成分和外观造成影响,是理想的冷灭菌技术。 2•2　开发新型食品 由于高静压处理对食品的蛋白质、脂类、多糖等主要成分有不同程度的作用,可以改善其功能特性,生产出属性不同的新型食品。食品中的蛋白质经过高静压处理后发生变性,形成凝胶,其组织结构、凝胶强度、外观、口感均比热处理形成的凝胶要好。如:鸡蛋经500MPa压力处理后产生凝固,与热处理煮熟的鸡蛋不同,味道特别鲜美,蛋黄富有弹性,且呈鲜黄色,营养成分几乎没有变化;将鳕鱼糜、青鳕和拉丁鱼在400MPa下处理10min,均可制成外观细腻、口感很好的鱼糕;高静压还可以使牛肉组织嫩化,可以考虑利用高静压的冷加工特色,将鱼肉、猪肉、牛肉、羊肉等肉片加压处理,一方面杀菌,另一方面使之肉类组织结构和形状得到改善,生产出便于食用的方便食品(可佐以微波烹调、或简单的加热),甚至广东人喜食的生鱼片和生虾肉均可安全食用了。高压条件还可以改变脂类的可塑性,利用临界温度的改变,制造具有不同口感和感官特性的食品,如新型的巧克力、冰激凌等。高静压可以使淀粉糊化,使陈米经高压处理后具有新米一样的口感,并缩短大米煮制的时间,可用于陈米改良和快熟大米的生产。 3 面临的问题 高静压处理技术能够为人们提供既能达到食品安全质量要求,又能保持食品的自然风味和感官特性的食品加工方法,符合人们对食品“自然、营养、安全、方便”的追求。近十几年来发展迅速,在世界范围内掀起了研究和开发的热潮,我国的多家大专院校和科研院所也开展了多方面的研究,取得了一些技术参数和成果,但要推向市场,实现工业化生产还面临不少问题: (1)基础理论研究和理论体系尚不完善,高静压处理的最佳工艺操作和工艺条件有待进一步研究和摸索。许多研究成果和实验参数还只局限在实验室内,没有形成系统的理论体系,没有较成熟的工艺条件。目前国内也只有西瓜汁、柑桔汁、豆腐等高压食品在实验室研制成功,品种还较单一,而且还未能面向市场。 (2)高静压食品加工设备非常缺乏,是发展高压食品工业化生产的最大障碍。日本市场上已有专用于食品加工的高静压处理实验机和生产设备出售,而我国还没有。我国目前生产的高静压设备多用于工程力学试验和冶金、锻造等行业,需经改装或改造后用于食品加工。设备笨重,工作容量较小,不能实现连续化生产,造价高等因素大大限制了高静压食品的研究与开发。 (3)高静压食品相应的食品法规和标准还未建立。目前我国食品法规的标准参数都是以热处理为基础的,这就使得以高静压处理为基础的食品开发和生产缺乏相应的指引和评价,制约了高静压食品的推广。 当然,高静压食品的概念进入我国的时间还较短,研究还欠深入