對超高壓殺菌技術現狀及影響殺菌效果因子的研究
■ 叢立生 丹東出入境檢驗檢疫局
王鐵龍 中國檢驗檢疫科學研究院
付 楠 中國檢驗檢疫科學研究院
田世民 中國檢驗檢疫科學研究院
張天軍 中國質量認證中心
摘 要：本文介紹我國超高壓殺菌技術研究的現狀，及其影響殺菌效果的關鍵因子：壓力大小和加壓時間、加壓方式、處理溫度、微生物、食物本身組成和添加物、pH 值、水分活度等等，通過研究關鍵因子，希望為以后的超高壓殺菌的研究起到推動和借鑒的作用。
關鍵詞：超高壓殺菌 現狀 殺菌效果 影響
隨著人們生活水平的提高，人們對食品的質量及產品的品質要求越來越高。人們總是去追求色澤好、形狀好、營養豐富的產品，而且希望盡可能的保證產品安全，不添加防腐劑和其他化學添加劑。在罐頭食品殺菌發展的歷史長河中，熱力殺菌是我們最常使用、最為經濟的、最為有效的殺菌方式，但是由于其自身有一定的局限性，因此，我們在不停的追尋新的殺菌方式。利用超高壓技術加工產品就是其發展的一個方向。它能夠有效地克服傳統熱加工處理方法帶來的很多弊端，能夠較好的保持物料原有的營養成分，而且加工活食品的口感適宜、色澤鮮艷、保質期較長，而且整個食品加工過程的能量消耗也較傳統的加工工藝有著很大程度地降低。本文結合研究了超高壓殺菌技術現狀及殺菌的特點 ，旨在推動我們國家在罐頭食品超高壓殺菌技術方面的研究和應用。
1 超高壓殺菌技術現狀
超高壓加工技術（Ultra high-pressure processing）, 又稱高靜水壓加工技術（High hydrostatic pressure processing）或高壓加工技術（High-pressure processing）, 是指媒介物（通常是液體介質，如水）在極高的壓力（例如100~1000MPa）下產生蛋白質變性、淀粉糊化，進而引起酶鈍化、微生物滅活、組織改性等物理化學生物效應，從而達到食品安全保藏及改性。
早在1899 年，美國化學家Bert、Hite 就證明了牛奶、果蔬和其他食品、飲料中的微生物對壓力的敏感，并證明高壓處理能夠延長食品的貨架期。1914 年，美國物理學家Briagmum 提出了在靜水壓500MPa下蛋白質凝固，700MPa 形成凝膠的報告。高壓在食品工業上的應用，有日本京都大學林力丸教授于1986 年提出，并于1991 年4 月日本開發了首個高壓食品—果醬。直到今天，世界上許多國家都對高壓食品加工原理、方法和技術細節及應用前景進行了廣泛深入的研究，并應該開始向市場供應超高壓食品。在歐洲，已經開發出了許多水果和熟食等超高壓產品。近年來，我國也已經對高壓設備和超高壓食品進行研究。
1.1 超高壓殺菌技術特點
根據帕斯卡原理，在食品殺菌過程中液體可以瞬間均勻地傳遞到整個食品，與食品的幾何尺寸、形狀、體積等無關，食物受壓均一，壓力傳遞速度快，而且不存在壓力梯度，使得殺菌過程較為簡單，能耗也明顯降低。固態食品和液態食品的處理工藝不同。固態食品如肉、禽、魚、水果等需裝在耐壓、無毒、柔韌并能傳遞壓力的軟包裝內，進行真空密封包裝，以避免壓力介質混入，然后置于超高壓容器中，進行加壓處理。處理工藝是升壓—保壓—卸壓三個過程，通常進料、卸料為不連續方式生產。液態食品如果汁、奶、飲料、酒等，一方面可像固態食品一樣用容器由壓力介質從外圍加壓處理。也可以直接以被加工食品取代水作為壓力介質，但密封性要求嚴格，處理工藝為升壓—動態保壓—卸壓三個過程，用第二種方法可進行連續方式生產。
1.2 超高壓殺菌對微生物的影響
我們知道微生物的熱力致死是由于細胞膜結構變化（損傷）、酶的失活、蛋白質的變性、DNA 直接或間接的損傷等主要原因引起的。超高壓能破壞氫鍵之類的結合鍵，使基本物性變異，產生蛋白質的壓力凝固及酶的失活；還能使菌體內成分產生泄漏和細胞膜破裂等多種菌體損傷。
食品超高壓殺菌，即將食品物料以某種方式包裝好之后， 放人液體介質中，在100MPa ～1000MPa 壓力下作用一段時間， 使之達到滅菌要求。極高的靜壓會影響細胞的形態，高壓對細胞膜、細胞壁都有影響。在壓力作用下，細胞膜磷脂雙分子層結構的容積隨著每一磷脂分子橫切面積的縮小而收縮。壓力引起的細胞膜功能劣化將導致氨基酸攝取受抑。
1.3 超高壓殺菌對酶的影響
蛋白質三級結構是形成酶活性中心的基礎，超高壓作用使維持蛋白質三級結構的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級鍵被破壞，導致三級結構崩潰，使酶的活性中心發生改變或喪失活性中心，從而改變其酶催化活性。酶的活性一般隨著施加壓力的提高先上升后下降，在較低的壓力下，酶的失活通常是可逆的，有時還會造成酶活性的增強。而在較高的壓力下，酶活性顯著下降，且為不可逆的失活。酶的活性一般隨著施加壓力時間的延長逐漸下降，但超過半小時以上影響不在顯著。間歇式的加壓對一些酶的鈍化效果要比單純的連續加壓好一些。體系中存在的蛋白質、糖、脂肪和一些可溶性的鹽類等都對酶具有一定的保護作用，使酶的耐壓性有所提高。
1.4 超高壓殺菌對產品品質的影響
由于超高壓對共價鍵的影響較小，因此超高壓本身對產品品質，如顏色、風味和營養成分破壞較小，但是超高壓會破壞細胞，使原本分區的底物和沒有完全滅活的接觸，從而引發一些列復雜的化學反應。此外，不能完全滅活的微生物對產品品質也有重要影響。
1.4.1 超高壓殺菌對食品營養成分的影響
目前已有很多的研究表明，除極端高壓外，一般強度的高壓不會影響產品中維生素的含量。Polydera 等比較了還原橙汁的超高壓處理（500MPa,35℃，5min）與傳統熱處理（80℃， 30sec）效果, 發現前者Vc 降解較慢，而且顏色幾乎沒有受到影響。同Vc 類似，維生素B 族在室溫的高壓下比較穩定，但是隨著溫度或是壓力的升高其分解加快。
總的來說，壓力對維生素等營養物質影響較小，但極端條件（如極高壓、高溫）會導致營養物質的大量損失。
1.4.2 超高壓殺菌對果蔬食品顏色的影響
常溫高壓不影響葉綠素，甚至顏色更深，但由于細胞被破壞，葉綠素呈游離態，在貯藏期間易發生氧化使顏色變化。相比之下，高溫高壓處理使酶完全鈍化而不會導致貯藏期間顏色的變化。同樣的，花青素在常溫高壓處理下比較穩定，但在貯藏期會發生變化。
除了色素的變化，貯藏期間的酚類物質的酶促褐變也是高壓果蔬變色的重要原因。Palou 等發現香蕉漿的PPO 活性與25℃貯藏的褐變率正相關。因此，PPO 的鈍化成為抑制褐變的關鍵。Lopez-Malo 等指出鱷梨汁的顏色變化依賴于超高壓處理后殘留的PPO 活性及貯藏溫度，超高壓結合低pH 可以有效抑制鱷梨汁的PPO 活性。另外超高壓處理使果蔬組織結構發生變化，組織結構和色素交互作用也影響著果蔬的顏色和透明度。
1.4.3 超高壓殺菌對果蔬食品風味的影響
通常認為超高壓處理不會改變果蔬的新鮮風味，因為超高壓殺菌不影響風味分子的共價結構。然而，由于超高壓會增強或是抑制酶促及非酶促反應，因此可以間接地改變一些風味物質的含量并干擾果蔬中風味的平衡，從而間接地導致其他風味的產生。例如800MPa20℃處理20min 改變了草莓漿的風味，產生一些顯得化合物，如r- 內酯，這種風味與桃子相似； 400MPa 室溫處理20min 草莓漿中乙醛含量翻倍。
盡管高壓不能完全保持果蔬原有的新鮮風味，但較之于對風味破壞更加嚴重的傳統熱加工來說，該方法依然有著很好的前景。
2 影響殺菌效果因素
和熱力殺菌一樣，超高壓殺菌效果也與諸多因素有關系， 這里我們借鑒熱力殺菌中對這些因素的稱呼，也稱之為“關鍵因子”。超高壓殺菌中的關鍵因子主要有：壓力大小和加壓時間、加壓方式、處理溫度、微生物、食物本身組成和添加物、pH 值、水分活度等等。根據產品的不同這些關鍵因子影響的順序和大小是不一樣的，因此我們要對此進行評估。
2.1 壓力大小和加壓時間的影響
在一定范圍內，壓力越高滅菌效果越好，相同壓力下，滅菌效果隨滅菌時間的延長也有一定程度的提高。富余非芽孢類微生物，施壓范圍為內300 ～ 600MPa 時有可能全部致死， 對于芽孢類微生物，有的可在1000MPa 的壓力下生存，對于這類微生物，施壓范圍在300MPa 以下時，反而會促進芽孢發芽。池元斌研究了高壓對鮮牛奶中細菌行為的影響，鮮牛奶中細菌菌落的尺寸取決于處理壓力的高低以及齙牙時間的長短。保壓時間越長，處理壓力越高，細菌菌落直徑越小。
2.2 加壓方式
采用間歇式加壓殺菌的方式殺菌效果明顯優于連續式加壓殺菌效果，許多研究人員認為這是優于第一次加壓會引起芽孢發芽，第二次加壓則使這些發芽而成的營養細胞殺死。因而對于易受芽孢菌污染的食物用超高壓多次重復短時處理， 殺滅芽孢的效果較好。
2.3 處理溫度
受壓時的溫度對于滅菌效果有明顯的影響。在高溫和低溫下，高壓對于微生物的活性影響都比較敏感。微生物本身就怕高溫，因此有高溫的協同，高壓滅菌效果大大提高。低溫下， 壓力會使得細胞內冰晶析出而破裂的程度加劇，所以低溫對于高壓滅菌也有促進作用。對一定濃度的糖溶液，在不同溫度下進行高壓殺菌，在同樣的壓力下，殺死同等數量的細菌，則溫度高，所需殺菌時間短。因為在一定溫度下，微生物蛋白質、酶等成分均會發生一定程度的變性。因此，根據不同食品的需要， 在對食品各個方面的品質沒有明顯影響的情況下，適當提高溫度對高壓殺菌有促進作用。
2.4 微生物的種類與特性
不同生長期的微生物對壓力反應不同。一般地說，處于指數生長期的微生物比處于靜止生長期的微生物對壓力反應更敏感。革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對壓力更具抗性，革蘭氏陰性菌的細胞膜結構更復雜而更易受壓力等環境條件的影響而發生結構的變化。孢子對于壓力的抵抗力更強。芽孢類細菌， 同非芽胞類的細菌相比，其耐壓性很強，當靜壓超過100MPa 時，許多非芽胞類的細菌都失去活性，但芽孢類細菌則可在高達1200MPa 的壓力下存活。革蘭氏陽性菌中的芽孢桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬的芽孢最為耐壓。
2.5 食物本身的組成和添加物
超高壓殺菌時，各種食品的物理、化學性質不同，使用的壓力要求也不同，例如：用300MPa 的壓力可滅活豬肉糜中腐敗菌和食物中毒菌，而且含菌量隨著施壓時間的延長而逐漸減少， 而滅活橙汁中的酵母、霉菌，所需的壓力低得多。在高壓下，食品的化學成分對滅菌效果有明顯作用。蛋白質、脂類、碳水化合物對微生物有緩沖保護作用，而且這些營養物質加速了微生物的繁殖和自我修復功能。Kanjiro Takahashi 研究了低溫下共存物對高壓滅菌效果的影響，選用的物質分別為NaCl、蛋清、葡萄糖、豬油，在不同壓力和不同溫度下處理，均證明這些物質的存在使微生物存活率提高。 食品基質含有的添加劑組分對超高壓滅菌影響很大，但有些食品在高壓殺菌時可考慮使用天然抑菌劑，其協同效應使處理壓力降低。
2.6 pH 值
每一種微生物生長繁殖所適應的pH 值都有一定的范圍， 氫離子濃度對其生命活動影響 很大。高濃度的氫離子可起菌體表面蛋白質和核酸水解，并破壞酶類活性。因此酸性環境不利于多數微生物的正常生長，這也是第一代高壓食品以酸性食品，如果醬、果汁等為主的原因之一。Roberts 報道pH 4 ～ 7 的范圍內，以pH4 對凝結芽孢桿菌孢子的壓力致死效果最好。Kajiyama 以大腸桿菌苗懸液為對象，發現加壓時間相同時， pH 7 ～ 8.8，400MPa 的處理與pH 4.4 ～ 5，300MPa 具有相同的致死率。Cola 等人對杏蜜中的啤酒酵母施以700MPa 的高壓滅菌有pH 3.5 優于 pH 5.0 的結論。當然，也有不同結論。Oxen 用200 ～ 400MPa 處理魯伯紅酵母，結果pH3.0 ～ 8.0 的范圍內結果差別不大。這可能是由于該試驗中，水分活度的影響占了主要地位。總的來看，高壓酸性食品的研究比較全面， 而關于超高壓對低酸性食品的作用則需要對更多的實驗數據進行評估。
2.7 水分活度
水分活度是指食品中水的蒸汽壓和該溫度下純水的飽和蒸氣壓的比值。不同類群微生物生長繁殖的最低水分活度范圍不同，大多數細菌為0.99 ～ 0.94， 大多數霉菌為0.94～ 0.80， 大多數耐鹽細菌為0.75，耐干燥霉菌和耐高滲透壓酵母為0.65 ～ 0.60。在水分活度低于0.60 時，絕大多數微生物就無法生長。所以 水分活度對滅菌效果影響很大。
阮征等的實驗是用蔗糖等調節水分活度，結果表明，水分活度低于0.94 時，室溫下400MPa 處理紅酵母15min 所產生的致死作用會受到抑制。30℃，水分活度為0.96，400MPa 時， 15min 的處理可使酵母細胞減少1 個數量級；當水分活度減至0.94，酵母失活不足兩個數量級；當水分活度低于0.91，幾乎沒有失活現象。研究表明，水分活度大小對微生物抵抗壓力非常關鍵，對于固體與半固體食品的超高壓滅菌，考慮水分活度的大小十分重要。
三 結論
超高壓殺菌技術在國內外日趨成熟，從在我國應用方面來看，也取得了一定的發展，引起了人們的廣泛重視。超高壓技術具有傳統熱加工技術無法比擬的優勢，因此也是我們未來發展的方向之一。
針對我國出口食品農產品逐年增加的現狀，我們迫切需要提高我們的產品競爭力，那么在高壓殺菌領域里面，我們怎么才能夠取得更大的發展。我們針對特定食品選擇特定的殺菌工藝，優化殺菌參數，積累數據，從而保證超高壓食品的安全性。同時，應積極研究超高壓與關鍵因子的關系，調節好產品，關鍵因子，殺菌協同的關系，從而獲得良好的超高壓殺菌效果。是超高壓處理的食品符合21 世紀食品簡便、衛生、天然和營養的消費要求，不僅如此，超高壓殺菌技術還是我們節能減排，節約成本的發展方向，同樣也可以提高我國產品在世紀商品中的競爭力。
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