河南科技學(xué)院高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南輝縣 453600

高壓處理與熱處理完全不同。熱處理過程中分子劇烈運動，不僅破壞了非共價鍵使蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì)變性，同時也破壞了共價鍵，使維生素、色素和風(fēng)味物質(zhì)及低分子物質(zhì)發(fā)生改變，產(chǎn)品的色、香、味被極大的破壞。而高壓處理只對形成高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發(fā)生作用，不對共價鍵發(fā)生作用，從而使蛋白質(zhì)等變性、酶失活、腐敗微生物被抑制或殺死。而對形成蛋白質(zhì)分子、維生素和風(fēng)味物質(zhì)等的低分子化合物的影響甚微，使食品能夠保持其原有的營養(yǎng)價值、色澤和風(fēng)味[1]。并且高壓處理也不會使食品產(chǎn)生異臭物。另一方面，高壓處理是液體介質(zhì)短時間內(nèi)等同壓縮過程，可實現(xiàn)殺菌的均勻、瞬時、高效性，且與熱處理相比，能耗低很多[2]。

1 高壓處理設(shè)備

目前使用的高壓處理設(shè)備加壓的方式分為直接式(圖1)和間接式(圖2)兩種[1]。

圖1 直接加壓式高壓設(shè)備原理示意圖Fig 1 Direct method for generation of high pressure

圖2 間接加壓式高壓設(shè)備原理示意圖Fig 2 Indirect method for generation of high pressure

直接式壓力設(shè)備，也稱活塞式，是壓力泵通過活塞直接對高壓艙中的液體介質(zhì)施以壓力。壓力介質(zhì)通常是水和油(如蓖麻油)的混合物，添加油的目的是潤滑和防銹。這種方法升壓速度快，但對密封材料要求嚴(yán)格，且耗損較大。間接升壓式是用高壓泵通過管道將高壓介質(zhì)泵入壓力艙中以達到設(shè)定的壓力。這種方法為大部分工業(yè)化生產(chǎn)所采用[3]。在升壓過程中，高壓艙中的溫度會隨著壓力增加而上升，當(dāng)壓力達到設(shè)定值時，溫度也達最高值，此后則逐漸降至原來溫度。這是由于流體的絕熱壓縮導(dǎo)致溫度的上升，上升幅度大約為2～3℃/100MPa。

2 高壓對食品作用的基本原理

超高壓處理食品是一個物理過程，對食品大分子的結(jié)構(gòu)、液體和水的溫度變化及許多化學(xué)反應(yīng)有著重要影響[4～6]。在食品的超高壓處理過程中，遵循帕斯卡原理和Le Chatelier原理。

根據(jù)帕斯卡原理，壓力的傳遞具有均勻性和瞬時性。在超高壓處理過程中，整個食品受到均一的處理，并且壓力傳遞速度快，不存在壓力梯度。所以，壓力處理的效果與樣品的大小、形狀等無關(guān)。這與熱處理相反，熱處理時溫度的傳導(dǎo)需要一定的時間，各個部位會存在不均一性。

而Le Chatelier原理是指反應(yīng)平衡將朝著減小施加于系統(tǒng)的外部作用力影響的方向移動。壓力的上升增加總是導(dǎo)致體積縮小(ΔV<0，這里ΔV=處理后體積-處理前體積)，反之亦然。因此，當(dāng)壓力作用于一個體系時，這個體系要作出的反應(yīng)就是向體積緊縮方向移動，以使該壓力降到最低。反應(yīng)速度常數(shù)(Kkinetic)根據(jù)反應(yīng)體積變化(ΔV)的正負而增加或減小，LnKkinetic=(ΔV×P/RT)[1,7]。

3 高壓技術(shù)在食品領(lǐng)域的發(fā)展

1899年，美國化學(xué)家Bert Hite發(fā)現(xiàn)450MPa的高壓能延長牛奶的保存期[8]。此后高壓被用于處理水果、蔬菜和肉類食品等[9]。1914年，美國高壓物理學(xué)家Bridgman通過試驗發(fā)現(xiàn)，超高壓不僅可導(dǎo)致蛋白質(zhì)的凝固和酶失活，還可殺死生物及微生物[10]。但是，受當(dāng)時超高壓設(shè)備制造技術(shù)和消費水平的限制，研究工作成果并未受到重視。直至1986年，日本京都大學(xué)林力丸先發(fā)表了用超高壓處理食品的報道，超高壓處理技術(shù)才開始引起人們的關(guān)注。

從20世紀(jì)80年代開始，日本就開始了超高壓在食品中的應(yīng)用研究。1990年，日本開始試售被稱為21世紀(jì)的食品——果醬。隨后，日本明治屋食品公司推出了一系列的超高壓果醬食品。隨著超高壓技術(shù)的不斷發(fā)展和以林力丸為代表的研究者不斷的研究與開發(fā)，日本又相繼開發(fā)和生產(chǎn)了肉制品、飲料、調(diào)味汁、濁酒方便米制品等超高壓食品[11]。

歐美等國家也先后對高壓食品加工原理、方法及應(yīng)用前景開展了廣泛的研究，在歐美的市場也已經(jīng)出現(xiàn)了超高壓處理過的食品，如法國的超高壓殺菌鵝肝小面餅，西班牙的片狀火腿和熟肉制品，美國的牡蠣、酸奶、鮭魚等，墨西哥的鱷梨等[7]。

盡管高壓技術(shù)應(yīng)用于食品加工在國際上已有十多年的歷史，但在我國高壓技術(shù)還處于起步階段，僅為高壓產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)提供理論和試驗依據(jù)，沒有成熟的超高壓滅菌技術(shù)可投入食品行業(yè)生產(chǎn)中。

國內(nèi)最早應(yīng)用超高壓技術(shù)進行食品加工研究的是葉懷義(1995，1996，1998，2000)等[12～15]和勵建榮(1997，1999)等[16,17]，前者就超高壓對微生物、酶的滅活機理，果肉飲料和果醬的加工工藝以及對小麥、玉米、綠豆、藕、木薯、甘薯、土豆等淀粉的糊化特性影響進行了詳細研究，后者則對橙子、草莓、西瓜、黃瓜、豬肉、牛肉、草魚、河蝦、雞蛋等超高壓處理滅菌效果、營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味以及超高壓催陳黃酒的一系列研究，取得了預(yù)期實驗效果，獲得超高壓保鮮果汁和超高壓催陳酒類技術(shù)。李汴生(1998)等[18]對超高壓處理的豆?jié){進行了感官狀態(tài)和流變特性研究。張紅康(2001)[19]研究了超高壓對大豆分離蛋白凝膠的影響，并對高壓生成豆腐凝膠進行了掃描電鏡觀察。德力格爾桑教授指導(dǎo)的碩士研究生對牛乳的物化特性和牛乳中的乳清蛋白、脂肪酶、纖溶酶、枯草芽孢桿菌芽孢及病原微生物在高壓條件下的影響進行了研究[20～23]。潘見(2004)等[24]分別對草莓汁、西瓜汁的超高壓滅菌效果進行了研究。靳燁(1998，2000，2001)[25～27]，馬漢軍(2004)[1]，白艷紅(2005)[28]等分別采用不同的高壓處理對牛肉和羊肉的感官特性、酶活性和保藏性能、理化特征、顯微結(jié)構(gòu)的變化進行了詳細的研究，獲得了大量有價值的數(shù)據(jù)。隨著消費觀念的更新和超高壓技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，高壓食品不久也會進入市場，并受到消費者的青睞。

4 高壓技術(shù)對食品品質(zhì)的影響

4.1 高壓技術(shù)對食品原料中酶活性的影響

高壓對酶活性的影響主要是通過改變酶與底物的構(gòu)象和性質(zhì)而起作用的。高壓對酶的影響分為兩種情況：壓力較低時可能可以激活酶；壓力較高時使酶失去活性。此外，加熱可以協(xié)同高壓抑制酶活性[29]；循環(huán)的壓力也可以改善酶活性，例如多次超高壓處理與相同時間長度的一次性超高壓處理相比，酶的活力較低[30]。

20世紀(jì)70年代，Macfarlane(1973)[31]首次報道了超高壓可以明顯改善肉的嫩度，這對肉品特性的影響是非常重要的。隨后有很多的研究者對這方面的工作進行了大量的研究，結(jié)果證明，100MPa以上的壓力對僵直前后的牛肉均有顯著的嫩化作用。主要是高壓處理對肉中鈣激活蛋白酶的活性有影響，導(dǎo)致肌質(zhì)網(wǎng)中鈣離子釋放和需鈣ATP酶活性增加，加速糖元降解，從而使肌肉嫩化[32～34]。Arroyo(1999)等[35]研究了超高壓處理對洋蔥中POD的影響，發(fā)現(xiàn)在300～350MPa壓力下處理30min會使其活性上升，400MPa壓力活性下降不顯著。Prestamo(2001)等人[36]對蘋果切片的研究發(fā)現(xiàn)，在600～800MPa壓力下處理15min均使POD的活性上升，在1 000MPa壓力下活性下降40左右?？梢姴牧蟻碓床煌Y(jié)果會表現(xiàn)出一定的差異。超高壓對PME的影響隨材料的不同則表現(xiàn)較大的差異：PME隨壓力上升活性下降[37]，隨壓力上升保持不變，在較低壓力時活性上升，壓力上升到一定程度后下降[38]。黃麗(2005)等[39]研究了超高壓處理對荔枝果肉中過氧化物酶(POD)、果膠甲基酯酶(PME)的影響，發(fā)現(xiàn)在100～200MPa超高壓處理使荔枝果肉中POD活性上升且出現(xiàn)新的同工酶，300～400MPa超高壓處理則使其活性降低且出現(xiàn)新的同工酶消失；100MPa壓力處理使荔枝果肉中PME活性上升且出現(xiàn)新的同工酶，200～400MPa超高壓處理則使其活性降低且出現(xiàn)的同工酶消失。

4.2 高壓技術(shù)對肉及肉制品品質(zhì)的影響

超高壓技術(shù)用于肉類加工，主要對原料肉的保水性、乳化性、黏結(jié)性、口感等方面產(chǎn)生影響。此外，還可在包裝后對產(chǎn)品進行殺菌，以降低二次污染。

高壓能在不進行熱處理的情況下使肌原纖維蛋白形成凝膠[40]。壓力處理后的肌原纖維蛋白再進行熱處理，形成的凝膠強度更高[41]。Crehan and Troy(2000)[42]研究發(fā)現(xiàn)，食鹽用量在1.5%的法蘭克福腸經(jīng)150MPa壓力處理后，肉的乳化穩(wěn)定性增加。其原因可能與肌原纖維蛋白的疏水性和巰基之間相互作用的增加有關(guān)[43,44]。白艷紅(2004)等[45]研究超高壓處理對綿羊肉嫩化的機理，發(fā)現(xiàn)超高壓處理后綿羊肌肉的感官特性發(fā)生變化，隨處理壓力升高，綿羊肌肉顏色變淡，出現(xiàn)輕微的類似蒸煮的成熟風(fēng)味。超高壓處理后綿羊肉的剪切力值顯著下降。段旭昌(2005)等[46]研究了超高壓處理后鮮、熟牛肉的感官特性、保藏性和殘存微生物的影響。結(jié)果表明，超高壓處理對鮮牛肉的感官品質(zhì)有顯著影響，可明顯延長牛肉的保藏期，但有微生物殘存，主要是革蘭氏陽性桿菌。

4.3 高壓技術(shù)對水產(chǎn)品品質(zhì)的影響

目前，將高壓技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)品的典型例子是對牡蠣的高壓加工，主要是高壓殺菌作用。采用高壓這種冷殺菌技術(shù)，不僅可以改變牡蠣的原有口味、質(zhì)構(gòu)，還可延長產(chǎn)品的貨架期限[47,48]。

高壓對于魚肉組織及其肌原纖維蛋白的凝結(jié)有重要作用,用400MPa壓力處理鮭魚肉30min能夠使部分肌細胞分解,細胞的大小也有所改變[49]。高壓作用下的魚肉的質(zhì)地相對熱敏感,并且會在低溫?zé)崽幚硐伦冘浕?同時比起未經(jīng)高壓處理的樣品,高壓加工鱈魚更具有粘著性和耐咀嚼性及好的口感[50]。

4.4 高壓技術(shù)對果蔬品質(zhì)的影響

經(jīng)過超高壓處理的果汁，其顏色、風(fēng)味、營養(yǎng)成分與未經(jīng)過超高壓處理的新鮮果汁相比幾乎沒有差別[51]。并且，對于果蔬中的有益成分，如抗突變、抗氧化物質(zhì)、抗壞血酸、類胡蘿卜素等，可以被更好的保持，并可以延長制品的貨架期。柑橘類果汁在300～1 000MPa下保持10min，果汁中易生長的酵母、霉菌及一般細菌完全死亡[52]。在此基礎(chǔ)上，人們更多地關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)。Horie曾報道，經(jīng)過超高壓處理的草莓醬可保留95%的氨基酸，在口感和風(fēng)味上明顯優(yōu)于經(jīng)加熱處理的果醬[53]。

4.5 高壓技術(shù)對乳制品品質(zhì)的影響

超高壓處理對乳制品的理化性質(zhì)和成分物質(zhì)都有影響。用經(jīng)過高壓處理乳制品的干酪，不僅可以加快成熟速度，還可殺滅其中的致病菌和有害微生物，增加干酪的安全性，延長貨架期[54,55]。

但是，超高壓處理對乳制品產(chǎn)生一個副作用是對其外觀有一定影響，即壓力使牛乳分散光的能力下降，使牛乳的透明度上升，用電子顯微鏡觀察會發(fā)現(xiàn)牛乳中酪蛋白膠囊出現(xiàn)離解現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在脫脂乳中最為明顯，而對均勻度好的全乳影響很小。如果在高壓處理前對牛乳進行均質(zhì)處理或者增加鈣離子可以降低這種不良影響[56]。

4.6 高壓技術(shù)對白酒品質(zhì)的影響

在100MPa及以上的壓力條件下，白酒內(nèi)的氫氧離子鍵、氫鍵、親水鍵等非共價鍵被破壞或結(jié)合成新的共價鍵，使物質(zhì)內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且這些反應(yīng)是可逆的，從而改善蒸餾白酒的風(fēng)味和口感，也縮短了陳釀時間[57]。

目前，對白酒的高壓催陳技術(shù)有動態(tài)高壓、超高靜壓和超高壓水射流等三種技術(shù)。白酒中的香味成分因為多是低沸點易揮發(fā)性物質(zhì)，所以高壓處理過程中的非熱加工的特點特別適合。并且在催陳之后，對白酒的體積、pH值等特性基本沒有影響，同時在保留白酒原有風(fēng)味的基礎(chǔ)上，減少辛辣和不良風(fēng)味的刺激感。在整個操作過程中，這種方法較為簡單，所需時間也較短，安全性也較高[58]。