超高压技术在果蔬产品杀菌中的应用研究进展

王华斌，徐玉霞

(宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室，陕西 宝鸡721013)



超高压技术在果蔬产品杀菌中的应用研究进展

王华斌，徐玉霞

(宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室，陕西 宝鸡721013)

介绍了超高压处理的基本原理和主要特点、国内外有关超高压灭菌原理及动力学研究的最新进展，以及超高压处理对果蔬中主要微生物、酶活性、色素、色泽、质地、风味、营养活性的影响，并分析了超高压处理果蔬产品安全性和应用前景。

超高压；灭菌动力学；酶活性；色泽；质地；风味；营养活性

在我国，通常将压强超过100MPa称为超高压，而在其他国家或地区称为高压。因此，习惯上将超过100MPa的压强称为超高压。超高压技术(ultra high pressure processing，UHPP)可简称高压技术(high pressure processing，HPP)或静水压技术(high hydrostatic pressure，HHP)。食品超高压技术是将食品原材料包装后置于密闭的超高压容器中，在静高压(常用的压强范围在100～1000MPa)和适当的温度下加工一定时间，引起食品成分中非共价键(即离子键、氢键等)的破坏或形成，使食品中的蛋白质、酶、淀粉等天然有机高分子化合物发生变性、失活和糊化，并杀灭食品中的细菌等微生物，使食品达到灭菌、加工和保藏的目的[1]。

超高压技术在现代食品工业中最广泛的应用是果蔬产品的杀菌加工。美国、日本、法国等大量果汁饮料厂已开始运用这项新的食品加工技术。经过超高压处理过的果汁可达到商业无菌状态，而杀菌处理后的果汁无论从风味、组成、营养成分等都没有发生显著改变，并且在常温下可以保持数月之久。因此，对果汁进行超高压处理可以使果汁原浆保存较长时间。从1895年H.Royer发现超高压可杀死微生物，至1991年超高压食品的工业化生产在日本成为现实，经历了近百年的过程，超高压技术最有价值的应用之一就是杀灭果汁原浆中的致病菌，从而保证产品的卫生和安全。

1 超高压技术的基本原理、主要特点及动力学研究

1.1 超高压技术的基本原理和主要特点

超高压技术主要遵循Chatelier原理和Pascal原理。Chatelier原理是指在加压的条件下，一些导致化学平衡系统体积减小的因素将会加强，包括化学反应、相变，以及某些分子的构象发生变化。增大压强促进分子内和分子中氢键的形成，减小原子间的距离，破坏离子键等相互作用，但其对共价键影响较小，从而使食品的色、香、味和营养成分得以保留[2]。Pascal原理是指在加压的条件下，食品中所有分子和原子几乎同时受到相同的压强。因此，超高压技术具有均匀和迅速的特点，不受食品大小和形态的影响。超高压技术具有耗能低、污染少的特点，并且可在常温或低温下应用，也促使组织变性得到新型食品。但超高压技术也有不足之处，一次性投入成本较高，难以连续化生产是一直制约其广泛应用的重要因素。[3]

1.2 超高压灭菌的动力学研究

超高压技术最早应用于化学工业，在应用于食品工业时，还没有有一套可行的行业标准。因此，国际食品微生物标准鉴定委员会(ICMSF)提出“食品安全目标”为标准的“等效性”原则，以期望建立起不同食品工艺间的可比性。“等效性”原则是指在所有的食品加工工艺中，都能使食品安全风险降低到一定程度均是效果等同而被认可的。“等效性”原则为超高压灭菌技术和其他灭菌技术在食品加工工艺中的推广提供理论基础。超高压灭菌过程中的动力学数据以及由此得到的数学模型可用于比较不同的工艺条件对食品中微生物的灭活效果。值得注意是，微生物经过亚致死条件的超高压处理后可能会重新恢复活性，后期检测所使用的培养条件不同，结果可能也会存在差异，从而最终影响超高压灭菌效果的评价及模型建立[4]。

Balasubramaniam等[5]在研究超高压灭菌的动力学研究中发现，超高压设备和样品的传热性也是非常重要的2个因素。因为使用不同的超高压设备，在其他因素相同的条件下，获得的灭菌效果有一定的差异性。他还提出样品的传热可能对超高压灭菌会有影响，但还有待于进一步研究。并且他希望能够完善超高压灭菌的标准化研究方法。在高温灭菌时，绝大多数微生物的死亡规律遵循一级反应动力学，其动力学曲线几乎成呈直线。然而超高压灭菌的动力学曲线在多数研究中表明并不是呈直线。无论是在食品样品中天然存在的微生物还是专门接种到食品样品中的微生物，超高压灭菌的动力学曲线开始阶段均为“肩形”，表明起初有一定的滞后性；而后期又有拖尾现象，表明少量耐压菌群的存活。这种滞后和拖尾现象可能是由于食品样品中原先存在的微生物芽孢在超高压处理过程中出现了萌发或者在超高压设备内部有残留微生物。Trujillo等[6]在研究中提出了平方根模型，成功地预测了大肠杆菌(E,coli)的超高压灭菌动力学数据。他还认为该模型除了设备条件外对灭菌的因素还有4个，分别为温度、pH、水分活度(Water activity)和样品的营养组成。

2 超高压处理对果蔬中微生物的影响

超高压处理主要是破坏微生物的细胞膜和蛋白质的结构，并抑制DNA的转录和复制，从而杀死微生物。微生物的细胞膜是由磷脂双分子层构成，超高压处理可引起细胞膜双分子层的体积减小，从而影响了细胞膜的通透性，导致细胞的破坏和凋亡。

2.1 超高压对细菌的影响

Arroyo等[7]研究发现超高压处理不同种类的细菌需要的压强参数不同。在350MPa压强下可杀死绝大多数革兰氏阴性菌，而在400MPa压力还有部分的革兰氏阳性菌存活。Wang等[8]运用超高压处理了分别接种在苹果、柑橘、杏子和樱桃汁中的葡萄球菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌，结果表明在40℃、350MPa压强的条件下，处理5min均可杀死这些微生物，但无法杀灭微生物的孢子。

2.2 超高压对细菌孢子的影响

细菌孢子不仅有耐热耐辐射性，而且耐压性也很强。在室温下甚至能够在1000MPa压强下存活。细菌孢子可以在50～300MPa的压强下发芽，发芽后的孢子在中等温度和压强下大部分都可被杀死[9]。Lee等[10]采用超高压结合热处理技术对苹果汁中酸土芽孢杆菌进行处理后发现，在207MPa、45℃条件下处理10min或在71℃条件下处理1min，样品中活的孢子数量可降低3.5个对数级。Ananta等[11]将超高压处理技术运用在接种有嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的青花菜泥上，结果表明，超高压处理对微生物的致死效应除了与压强大小、处理时间、处理温度、介质性质等因素外，还与微生物的种类、微生物生长发育的阶段等因素有关。

2.3 超高压对霉菌和酵母菌的影响

霉菌和酵母菌均可使果蔬腐败变质，甚至有些霉菌还会产生毒素，进而引发严重的食品安全问题。Ogawa等[12]运用超高压处技术对温州蜜橘汁中霉菌和酵母菌进行处理发现，在一定压强下，果汁浓度与超高压杀菌效果成反比。在350～400MPa压强下，在常温下，果汁中霉菌和酵母菌的数量降低了5个对数级。Shimada等[13]研究发现，在<400MPa，25℃的条件下处理10min，酵母菌细胞外部形态发生了轻微变化；当压强增大到400～600MPa时，酵母菌细胞的线粒体和细胞质均发生了变化；在200MPa、-20℃的条件下，处理3h后，细胞核膜几乎完全消失。

3 超高压处理对果蔬品质的影响

传统巴氏灭菌技术和超高温灭菌技术对食品的营养成分和风味物质有较大的破坏作用，破坏程度与热处理的温度及时间有关。而绝大多数有关超高压处理均是在中低温度条件下进行的。超高压处理对果蔬品质的影响主要包括酶活性、色素、色泽、风味、质地、营养活性、食品安全7个方面。

3.1 超高压处理对果蔬中酶活性的影响

在果蔬加工中往往需要抑制酶的活性以保证产品质量。在超高压下，酶的分子结构和分子中心构象往往会发生变化进而失活。多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、脂肪氧合酶(LOX)、果胶酯酶(PE)均与果蔬的品质密切相关。

3.1.1 多酚氧化酶(PPO)

PPO(EC 1.14.18.1)容易引发酶促褐变。程建军[14]在200～600MPa、60℃条件下处理10～20min能将新鲜荔枝PPO的相对活性降至20%以下，但相同条件下处理荔枝果酱，其PPO的相对活性仍可保持在40%～60%。曾庆红[15]在800MPa、18～22℃条件下处理15min后，砀山梨汁的PPO相对活性仍然保持在70%以上；然而在相同的温度和时间下，600MPa压强会使草莓PPO的完全钝化。说明超高压处理不同果蔬，其PPO的活性变化差异性较大。

3.1.2 过氧化物酶(POD)

POD(EC 1.11.1.7)对果蔬的风味会造成不良影响。Quaglia等[16]在900MPa、室温条件下处理绿豆10min后，其POD的活性只有原来的12%，若在600MPa并结合热处理可促使其POD的钝化。Garcia-Palazon等[17]在800MPa、室温的条件下处理草莓15min后，其POD的活性仍可保持在60%以上。Fang等[18]在400MPa以上压强并结合热处理可促进猕猴桃POD的钝化，但延长了15min的处理时间，POD的活性变化并不显著。

3.1.3 脂肪氧合酶(LOX)

LOX(EC 1.13.1.13)能破坏果蔬中的脂肪酸，从而影响产品的风味和色泽。Hendrickx等[19]研究发现超高压对绿豆LOX的耐压性随着酶浓度的增大而增强，而随着pH(9.0～5.4)的降低而减弱。Rodrigo等[20]研究发现当压强小于400MPa、20℃的条件下处理土豆，其LOX的活性反而增强，而在550MPa压强下处理12min能将LOX完全钝化。Wang等[8]研究了超高压结合热处理技术对大豆粗提物中的LOX的影响，发现在恒温下，随着压强的增加，LOX的钝化速率常数随之增大。

3.1.4 果胶酯酶(PE)

PE(EC 3.1.1.11)会影响到果蔬的稳定性和质地。PE耐热性较强，即使在80～95℃仍能保持部分活性。Guiavarc等[21]研究发现，当压力在0.1～300MPa、温度≥58℃时对白葡萄柚的PE的钝化具有拮抗效应。Balogh等[22]分别采用超高压处理和热处理胡萝卜块、胡萝卜汁，发现这2种处理方式均可使样品的PE钝化。然而胡萝卜果块比胡萝卜汁中的PE无论从耐压性还是耐热性都更加显著。

3.2 超高压处理对果蔬色素的影响

果蔬色素主要包括叶绿素、花青素、类胡萝卜素等。这些色素不仅使果蔬鲜艳的色泽，而且还具有一定的生理活性功能。在光、热、氧气和酸等作用下，这些色素容易发生化学变化，引起果蔬变色。

3.2.1 超高压处理对叶绿素的影响

绿色果蔬经热烫和高温杀菌处理后往往会造成叶绿素的损失，其主要原因是热和酸会促使叶绿素向焦脱镁叶绿素转化。Butz等[23]采用600MPa、25℃条件处理青花菜泥10～40min后，叶绿素a和叶绿素b的得率均有提高，其中在20min时达到最大；在相同的压强和时间条件下，温度控制在75℃时，叶绿素b的得率略有降低，但叶绿素a的得率几乎没有变化。Van等[24]研究发现，在常压和高压条件下青花菜汁叶绿素的降解均符合一级动力学模型，100℃条件下处理37min后总叶绿素降解了90%。

3.2.2 超高压处理对花青素的影响

花青素是果蔬中水溶性色素之一，多存在于细胞液中。Zabetakis等[25]在200～800MPa、室温环境下处理草莓15min，再将样品分别置于4、20、30℃条件下贮藏9d，发现在800MPa处理后于4℃贮藏花青素的损失率最低；Suthanthangjai等[26]在同样条件下处理并贮藏树莓，经200、800MPa处理后贮藏9d花青素的保留率依然较高。

3.2.3 超高压处理对类胡萝卜素的影响

类胡萝卜素具有清除自由基、增强免疫力、抗肿瘤等功效。胡萝卜、柑橘和西红柿等果蔬是类胡萝卜素的良好来源。Butz等[27]采用超高压处理橙汁、柠檬汁和胡萝卜混合果汁后发现，类胡萝卜素的含量略有提高；但在相同条件下马铃薯类胡萝卜素的含量略有降低。De Ancos等[28]在350MPa、30～60℃环境下处理橙汁2.5～15min后，发现类胡萝卜素的含量增加了20%～43%。De Ancos等[29]运用超高压技术处理西红柿，并对其类胡萝卜素组成和含量进行了分析：各种类胡萝卜素单体的含量发生了不同的变化，总类胡萝卜素的保留率为89%～120%。超高压处理可能改变了植物细胞的通透性，被阻隔色素成分得以释放溶出，因此超高压处理后类胡萝卜素含量提高。

3.3 超高压对食品色泽的影响

果蔬的色泽容易发生变化。基于CIE Lab颜色空间是评价色泽的一种重要方法，其中L表示明度值、a表示红绿值、b表示黄蓝值。Phunchaisri等[30]在200～600MPa、20℃条件下分别处理新鲜荔枝和荔枝果酱10min后发现，其L、a、b值均发生了变化。新鲜荔枝的L值在400MPa时处理后最大，而a值则随着压强增加而降低，b值在600MPa处理时最大。荔枝果酱的L值随着压强增加而增大；但a值与压强成反比，b值在200MPa处理时最大。

3.4 超高压处理对果蔬风味的影响

果蔬香气物质主要包括萜、醇、醛和酯类。Zabetakis等[31]在200～800MPa、室温环境下处理草莓15min，并于4、20、30℃贮藏24h后，发现在400MPa处理后酸的保留率最高，800MPa处理后醇的保留率最高，200MPa和800MPa处理后酮的保留效果更好。Dalmadi等[32]分别运用超高压和热处理对树莓、草莓、黑醋栗果泥，再电子鼻测定其挥发性物质，并通过混淆矩阵区别分析，发现热处理对挥发性物质的影响更为显著。洋葱的风味的改良也可用超高压技术处理，可降低二丙基硫化物等辛辣物质的含量，增加二烯丙基二硫化物和3，4-二甲基异噻酚的浓度并呈现烹饪过的气味。果蔬风味往往与酶促反应等因素有关，超高压处理能够影响酶的活性，促进底物、离子和酶等从细胞内部释放出来，最终对果蔬的风味产生间接影响[33]。

3.5 超高压处理对果蔬质地的影响

果蔬的质地主要由初生细胞壁和胞间层的结构决定，正是由于包埋于多糖和蛋白中的纤维素网状结构才导致细胞壁拥有复杂的结构。Préstamo等[34]运用超高压处理对花椰菜和菠菜叶片进行处理，再用冷冻断裂和扫描电镜观察其变化。超微结构显示经超高压处理后菠菜叶的薄壁组织消失、空穴形成。这是由于超高压处理改变了原有细胞的通透性，促进了水分和代谢物质的挥发；经超高压处理的花椰菜结构却依然牢固，因而花椰菜比菠菜更适宜超高压处理。Yen等[35]分别运用超高压处理和热处理番石榴汁，发现95℃的环境下处理5min后果汁的黏度和浊度均有变化，而在500MPa，25℃的环境下处理，黏度和浊度变化并不显著。通过扫描电镜进一步观察表明，热处理促进了混浊物质的混凝聚沉，而超高压处理则没有这种变化。

3.6 超高压处理对果蔬营养活性的影响

果蔬不仅含有丰富的多种维生素，同时还富含多酚类物质和异硫氰酸盐等营养活性成分。这些成分往往具有一定的生理活性功能，有益于人类的健康。由于超高压处理对共价键几乎无影响，因而可以有效地保留这些营养活性成分。

3.6.1 超高压处理对果蔬维生素的影响

超高压处理对果蔬中水溶性维生素的影响研究较多，对果蔬中脂溶性维生素的影响研究相对较少。Van等[36]将超高压结合中温处理橙汁，发现Vc的含量几乎不变。Sancho等[37]在400MPa、20℃条件下处理草莓沙司30min后发现，Vc的保留率达88.7%。Sancho等还对Vc、硫胺素和吡哆醛等水溶性维生素的耐压性进行了模型研究，发现在200～400MPa、室温处理30min后Vc的保留率为87.8%～89.9%、硫胺素的保留率是101.8%～102.4%、吡哆醛的保留率在99.4%～99.9%。Kubel等[38]对超高压处理维生素A和维生素A醋酸酯的醇溶液动力学特性进行了研究，结果表明两者的含量几乎没有变化。

3.6.2 超高压处理对果蔬酚类物质的影响

苹果和柑橘等果蔬中含有丰富的酚类物质。Baron等[39]在200～400MPa、室温下处理混浊苹果汁5～10min后发现，羟基肉桂酸保留率在94.3%～116.0%、双氢查耳酮的保留率为95.3%～123.0%、儿茶素保留率为29.7%～292.3%、原花青素的保留率为120.3%～169.6%。Sanchez等[40]在100～400MPa、30～60℃的条件下处理橙汁1～5min，结果显示总黄酮的含量略有提高，且冷藏10d后总黄酮含量依然没有发生显著变化。

3.6.3 超高压处理对果蔬异硫氰酸盐的影响

十字花科植物如甘蓝、青花菜、花椰菜和辣根等富含硫代葡萄糖甙及其分解产物异硫氰酸酯，这些物质具有一定的抗氧化抗肿瘤的功效。Butz等[41]在200～600MPa、25℃的环境下处理异硫氰酸盐水溶液40min后，发现其含量几乎不变；但在75℃时处理40min，异硫氰酸盐的含量随着压强的增大而降低。在同样温度下处理青花菜匀浆，采用超高压处理，异硫氰酸盐得率提高。Tríska等[42]比较了超高压、冷冻和巴氏杀菌处理包心菜、红甘蓝、青花菜、花椰菜、抱子甘蓝的菜汁，发现青花菜汁经超高压处理后异硫氰酸盐含量较高，其他蔬菜汁经冷冻处理后异硫氰酸盐含量较高。

3.6.4 超高压处理对果蔬抗氧化活性的影响

果蔬抗氧化活性主要与其生理活性成分的变化密切相关。Mcinerney等[43]通过亚铁还原能力实验(FRAP)评价了采用不同压强(400MPa和600MPa)在室温下处理2min分别对胡萝卜、绿豆和花椰菜抗氧化活性的影响。结果显示，经400MPa压力处理后胡萝卜、绿豆和花椰菜的FRAP值分别为对照的79.0%、125.5%和84.7%；而在600MPa压力下胡萝卜、绿豆和花椰菜的FRAP分别为对照的102.6%、192.8%和92.7%。Indrawati等[44]采用TEAC方法评价了100～800MPa、30～65℃的环境分别对橙汁和胡萝卜汁抗氧化活性的影响。结果表明，经超高压处理后橙汁的TEAC值降低，而胡萝卜汁的TEAC值增加；并且在一定温度下，随着压强增加，橙汁的抗氧化活性降低。经超高压处理后果蔬的营养活性发生变化，主要是因为一些营养活性成分容易受到多种因素影响而被破坏。另外，超高压可以通过影响酶等有机高分子物质而间接影响小分子化合物。此外，超高压处理还可能导致细胞壁和细胞膜发生破坏，增加通透性，促使有效成分溶出。从大量试验结果可以看出，与热处理相比，超高压处理能够更加有效地保留主要营养的活性成分[45]。

3.7 超高压处理对果蔬产品安全性的影响

超高压食品的安全性相关研究在国内外的报道较少。为了更加客观全面地认识和使用该技术，进行安全性评估显得尤为重要。食品的安全性评估通常包括生物性、化学性、毒理学、变应原性[46]。Iwasaki等[47]通过危害性分析、关键点控制以及体外抗突变活性等方法评价了苹果、胡萝卜、番茄等几种超高压果蔬汁的安全性。超高压果蔬产品属于新型食品，变应原性是评价新型食品安全性的关键组成部分。而进行热处理后蛋白质会发生变性，降低了某些食品的变应原性，但变性后的蛋白质可能产生新的抗原位点。超高压处理能够影响样品中的氢键、离子键及疏水性相互作用，改变酶的活性和蛋白质的结构。因此，有必要研究超高压果蔬产品潜在的变应原性。

4 结语

在20世纪70年代中期，我国对超高压食品的研究逐步展开，但由于科研力量有限，超高压技术在我国进展缓慢，生产的设备性能也远远落后于国外同等设备，这都制约了我国超高压技术的进一步发展。虽然种种研究表明采用超高压技术处理的食品多项指标均优于热力杀菌的食品，但超高压的设备价格偏高。我国目前虽能生产超高压的设备，但多用于工程力学试验，并不适合食品加工及连续化生产，这使得这项新技术离真正商业化还有很长一段距离。超高压技术问世了一个多世纪，而真正用于食品工业仅十余年时间。随着科技的进步和研究的进一步深入及投入的加大，这项新技术将会展现出极大的发展潜力。

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2016-07-15

国家自然科学基金项目 (41071359)；宝鸡文理学院院级重点项目(ZK12067)。

王华斌(1979-)，男，硕士，讲师，主要从事植物资源开发与利用与生态安全评价研究， huaxue77@sina.cn。

TS255.3

A

1673-1409(2016)27-0061-07

[引著格式]王华斌，徐玉霞.超高压技术在果蔬产品杀菌中的应用研究进展[J].长江大学学报(自科版)，2016，13(27)：61～67.