高压技术对食品品质影响的研究进展

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高压处理与热处理完全不同。热处理过程中分子剧烈运动，不仅破坏了非共价键使蛋白质等高分子物质变性，同时也破坏了共价键，使维生素、色素和风味物质及低分子物质发生改变，产品的色、香、味被极大的破坏。而高压处理只对形成高分子立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生作用，不对共价键发生作用，从而使蛋白质等变性、酶失活、腐败微生物被抑制或杀死。而对形成蛋白质分子、维生素和风味物质等的低分子化合物的影响甚微，使食品能够保持其原有的营养价值、色泽和风味[1]。并且高压处理也不会使食品产生异臭物。另一方面，高压处理是液体介质短时间内等同压缩过程，可实现杀菌的均匀、瞬时、高效性，且与热处理相比，能耗低很多[2]。

1 高压处理设备

目前使用的高压处理设备加压的方式分为直接式(图1)和间接式(图2)两种[1]。

图1 直接加压式高压设备原理示意图Fig 1 Direct method for generation of high pressure

图2 间接加压式高压设备原理示意图Fig 2 Indirect method for generation of high pressure

直接式压力设备，也称活塞式，是压力泵通过活塞直接对高压舱中的液体介质施以压力。压力介质通常是水和油(如蓖麻油)的混合物，添加油的目的是润滑和防锈。这种方法升压速度快，但对密封材料要求严格，且耗损较大。间接升压式是用高压泵通过管道将高压介质泵入压力舱中以达到设定的压力。这种方法为大部分工业化生产所采用[3]。在升压过程中，高压舱中的温度会随着压力增加而上升，当压力达到设定值时，温度也达最高值，此后则逐渐降至原来温度。这是由于流体的绝热压缩导致温度的上升，上升幅度大约为2～3℃/100MPa。

2 高压对食品作用的基本原理

超高压处理食品是一个物理过程，对食品大分子的结构、液体和水的温度变化及许多化学反应有着重要影响[4～6]。在食品的超高压处理过程中，遵循帕斯卡原理和Le Chatelier原理。

根据帕斯卡原理，压力的传递具有均匀性和瞬时性。在超高压处理过程中，整个食品受到均一的处理，并且压力传递速度快，不存在压力梯度。所以，压力处理的效果与样品的大小、形状等无关。这与热处理相反，热处理时温度的传导需要一定的时间，各个部位会存在不均一性。

而Le Chatelier原理是指反应平衡将朝着减小施加于系统的外部作用力影响的方向移动。压力的上升增加总是导致体积缩小(ΔV<0，这里ΔV=处理后体积-处理前体积)，反之亦然。因此，当压力作用于一个体系时，这个体系要作出的反应就是向体积紧缩方向移动，以使该压力降到最低。反应速度常数(Kkinetic)根据反应体积变化(ΔV)的正负而增加或减小，LnKkinetic=(ΔV×P/RT)[1,7]。

3 高压技术在食品领域的发展

1899年，美国化学家Bert Hite发现450MPa的高压能延长牛奶的保存期[8]。此后高压被用于处理水果、蔬菜和肉类食品等[9]。1914年，美国高压物理学家Bridgman通过试验发现，超高压不仅可导致蛋白质的凝固和酶失活，还可杀死生物及微生物[10]。但是，受当时超高压设备制造技术和消费水平的限制，研究工作成果并未受到重视。直至1986年，日本京都大学林力丸先发表了用超高压处理食品的报道，超高压处理技术才开始引起人们的关注。

从20世纪80年代开始，日本就开始了超高压在食品中的应用研究。1990年，日本开始试售被称为21世纪的食品——果酱。随后，日本明治屋食品公司推出了一系列的超高压果酱食品。随着超高压技术的不断发展和以林力丸为代表的研究者不断的研究与开发，日本又相继开发和生产了肉制品、饮料、调味汁、浊酒方便米制品等超高压食品[11]。

欧美等国家也先后对高压食品加工原理、方法及应用前景开展了广泛的研究，在欧美的市场也已经出现了超高压处理过的食品，如法国的超高压杀菌鹅肝小面饼，西班牙的片状火腿和熟肉制品，美国的牡蛎、酸奶、鲑鱼等，墨西哥的鳄梨等[7]。

尽管高压技术应用于食品加工在国际上已有十多年的历史，但在我国高压技术还处于起步阶段，仅为高压产品的商业化生产提供理论和试验依据，没有成熟的超高压灭菌技术可投入食品行业生产中。

国内最早应用超高压技术进行食品加工研究的是叶怀义(1995，1996，1998，2000)等[12～15]和励建荣(1997，1999)等[16,17]，前者就超高压对微生物、酶的灭活机理，果肉饮料和果酱的加工工艺以及对小麦、玉米、绿豆、藕、木薯、甘薯、土豆等淀粉的糊化特性影响进行了详细研究，后者则对橙子、草莓、西瓜、黄瓜、猪肉、牛肉、草鱼、河虾、鸡蛋等超高压处理灭菌效果、营养品质、风味以及超高压催陈黄酒的一系列研究，取得了预期实验效果，获得超高压保鲜果汁和超高压催陈酒类技术。李汴生(1998)等[18]对超高压处理的豆浆进行了感官状态和流变特性研究。张红康(2001)[19]研究了超高压对大豆分离蛋白凝胶的影响，并对高压生成豆腐凝胶进行了扫描电镜观察。德力格尔桑教授指导的硕士研究生对牛乳的物化特性和牛乳中的乳清蛋白、脂肪酶、纤溶酶、枯草芽孢杆菌芽孢及病原微生物在高压条件下的影响进行了研究[20～23]。潘见(2004)等[24]分别对草莓汁、西瓜汁的超高压灭菌效果进行了研究。靳烨(1998，2000，2001)[25～27]，马汉军(2004)[1]，白艳红(2005)[28]等分别采用不同的高压处理对牛肉和羊肉的感官特性、酶活性和保藏性能、理化特征、显微结构的变化进行了详细的研究，获得了大量有价值的数据。随着消费观念的更新和超高压技术的不断发展与完善，高压食品不久也会进入市场，并受到消费者的青睐。

4 高压技术对食品品质的影响

4.1 高压技术对食品原料中酶活性的影响

高压对酶活性的影响主要是通过改变酶与底物的构象和性质而起作用的。高压对酶的影响分为两种情况：压力较低时可能可以激活酶；压力较高时使酶失去活性。此外，加热可以协同高压抑制酶活性[29]；循环的压力也可以改善酶活性，例如多次超高压处理与相同时间长度的一次性超高压处理相比，酶的活力较低[30]。

20世纪70年代，Macfarlane(1973)[31]首次报道了超高压可以明显改善肉的嫩度，这对肉品特性的影响是非常重要的。随后有很多的研究者对这方面的工作进行了大量的研究，结果证明，100MPa以上的压力对僵直前后的牛肉均有显著的嫩化作用。主要是高压处理对肉中钙激活蛋白酶的活性有影响，导致肌质网中钙离子释放和需钙ATP酶活性增加，加速糖元降解，从而使肌肉嫩化[32～34]。Arroyo(1999)等[35]研究了超高压处理对洋葱中POD的影响，发现在300～350MPa压力下处理30min会使其活性上升，400MPa压力活性下降不显著。Prestamo(2001)等人[36]对苹果切片的研究发现，在600～800MPa压力下处理15min均使POD的活性上升，在1 000MPa压力下活性下降40左右。可见材料来源不同，结果会表现出一定的差异。超高压对PME的影响随材料的不同则表现较大的差异：PME随压力上升活性下降[37]，随压力上升保持不变，在较低压力时活性上升，压力上升到一定程度后下降[38]。黄丽(2005)等[39]研究了超高压处理对荔枝果肉中过氧化物酶(POD)、果胶甲基酯酶(PME)的影响，发现在100～200MPa超高压处理使荔枝果肉中POD活性上升且出现新的同工酶，300～400MPa超高压处理则使其活性降低且出现新的同工酶消失；100MPa压力处理使荔枝果肉中PME活性上升且出现新的同工酶，200～400MPa超高压处理则使其活性降低且出现的同工酶消失。

4.2 高压技术对肉及肉制品品质的影响

超高压技术用于肉类加工，主要对原料肉的保水性、乳化性、黏结性、口感等方面产生影响。此外，还可在包装后对产品进行杀菌，以降低二次污染。

高压能在不进行热处理的情况下使肌原纤维蛋白形成凝胶[40]。压力处理后的肌原纤维蛋白再进行热处理，形成的凝胶强度更高[41]。Crehan and Troy(2000)[42]研究发现，食盐用量在1.5%的法兰克福肠经150MPa压力处理后，肉的乳化稳定性增加。其原因可能与肌原纤维蛋白的疏水性和巯基之间相互作用的增加有关[43,44]。白艳红(2004)等[45]研究超高压处理对绵羊肉嫩化的机理，发现超高压处理后绵羊肌肉的感官特性发生变化，随处理压力升高，绵羊肌肉颜色变淡，出现轻微的类似蒸煮的成熟风味。超高压处理后绵羊肉的剪切力值显著下降。段旭昌(2005)等[46]研究了超高压处理后鲜、熟牛肉的感官特性、保藏性和残存微生物的影响。结果表明，超高压处理对鲜牛肉的感官品质有显著影响，可明显延长牛肉的保藏期，但有微生物残存，主要是革兰氏阳性杆菌。

4.3 高压技术对水产品品质的影响

目前，将高压技术应用于水产品的典型例子是对牡蛎的高压加工，主要是高压杀菌作用。采用高压这种冷杀菌技术，不仅可以改变牡蛎的原有口味、质构，还可延长产品的货架期限[47,48]。

高压对于鱼肉组织及其肌原纤维蛋白的凝结有重要作用,用400MPa压力处理鲑鱼肉30min能够使部分肌细胞分解,细胞的大小也有所改变[49]。高压作用下的鱼肉的质地相对热敏感,并且会在低温热处理下变软化,同时比起未经高压处理的样品,高压加工鳕鱼更具有粘着性和耐咀嚼性及好的口感[50]。

4.4 高压技术对果蔬品质的影响

经过超高压处理的果汁，其颜色、风味、营养成分与未经过超高压处理的新鲜果汁相比几乎没有差别[51]。并且，对于果蔬中的有益成分，如抗突变、抗氧化物质、抗坏血酸、类胡萝卜素等，可以被更好的保持，并可以延长制品的货架期。柑橘类果汁在300～1 000MPa下保持10min，果汁中易生长的酵母、霉菌及一般细菌完全死亡[52]。在此基础上，人们更多地关注产品的品质。Horie曾报道，经过超高压处理的草莓酱可保留95%的氨基酸，在口感和风味上明显优于经加热处理的果酱[53]。

4.5 高压技术对乳制品品质的影响

超高压处理对乳制品的理化性质和成分物质都有影响。用经过高压处理乳制品的干酪，不仅可以加快成熟速度，还可杀灭其中的致病菌和有害微生物，增加干酪的安全性，延长货架期[54,55]。

但是，超高压处理对乳制品产生一个副作用是对其外观有一定影响，即压力使牛乳分散光的能力下降，使牛乳的透明度上升，用电子显微镜观察会发现牛乳中酪蛋白胶囊出现离解现象。这一现象在脱脂乳中最为明显，而对均匀度好的全乳影响很小。如果在高压处理前对牛乳进行均质处理或者增加钙离子可以降低这种不良影响[56]。

4.6 高压技术对白酒品质的影响

在100MPa及以上的压力条件下，白酒内的氢氧离子键、氢键、亲水键等非共价键被破坏或结合成新的共价键，使物质内部分子结构发生改变，并且这些反应是可逆的，从而改善蒸馏白酒的风味和口感，也缩短了陈酿时间[57]。

目前，对白酒的高压催陈技术有动态高压、超高静压和超高压水射流等三种技术。白酒中的香味成分因为多是低沸点易挥发性物质，所以高压处理过程中的非热加工的特点特别适合。并且在催陈之后，对白酒的体积、pH值等特性基本没有影响，同时在保留白酒原有风味的基础上，减少辛辣和不良风味的刺激感。在整个操作过程中，这种方法较为简单，所需时间也较短，安全性也较高[58]。