超高压(HHP)冷杀菌技术...棘浓浆饮料加工中的应用研究_张芳.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:张芳(1 9 8 4-),女,内蒙古鄂尔多斯人,本科,研究方向:食品质量与安全技术。通信作者:闫秀芳(1 9 8 0-),女,内蒙古呼和浩特市人,硕士,讲师,主要研究方向:化工机械运行、控制与检修技术。超高压(HH P)冷杀菌技术在沙棘浓浆饮料加工中的应用研究张 芳1,闫秀芳2*,王文婷2(1.内蒙古鄂尔多斯市东胜区市场监督管理局,内蒙古 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0;2.内蒙古化工职业学院,内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 7 0)摘要:超高压冷杀菌技术作为一种时下颇为新颖的沙棘冷处理技术,由于其在杀菌、灭酶等方面有着不错的效果,并且可以
2、有效地保持沙棘本身的营养,在改善沙棘风味、保持其天然的色泽和新鲜等方面也有着天然的优势,因此,超高压杀菌技术(HH P)在沙棘浓浆饮料加工中的应用方法和成果已成为当前研究与应用的热点和亮点。在课题论文撰写过程中,结合国内外多篇研究成果和应用文章,以及多种观点和实验结果,系统介绍了超高压杀菌技术在沙棘浓浆饮料加工中的应用,展望了超高压杀菌技术在沙棘全产业链上的发展前景。关键词:超高压杀菌;杀菌机理;研究进展;应用方法和成果;中图分类号:T S 2 0 7.7:T S 2 7 5.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 4-0 0 8 4-0 8 随着中国
3、人均收入和保健知识的提高,越来越多的人渴望拥有超高压冷榨沙棘浓浆饮料。随着现代人肉食增加,热量摄入增多,体重增加,人们对凉性补阴的沙棘的需求也越来越大。特别是超高压冷榨沙棘浓浆饮料方便快捷,可以随时随地食用,取代了传统的水果食用方式,这对于促进人们经常补充沙棘营养起到了至关重要的作用,因此食用人群的规模也将不断扩大。国内庞大的中产阶级是超高压冷榨沙棘浓浆饮料的主要消费群体,而前卫的年轻人一直是新事物的追求者和参与者。此外,餐饮企业、星级饭店、高级会所以及团购市场的需求,将使市场规模达到几十亿元。使用食品超高压技术加工的冷榨沙棘浓浆饮料,让人们回归自然,享受新鲜、营养、方便、安全的食品,满足了很
4、多人的理想追求和现实需求。因此,食品超高压技术成为了一种应运而生的绿色加工新技术。1 超高压杀菌、灭酶的机理1.1 超高压杀菌机理一般来说,引起微生物热力致死的主要原因有以下几种:细胞膜结构的变化、酶失活、蛋白质水解或变性、D NA结构损伤等。超高压杀菌技术,是通过破坏例如氢键的弱结合键,使蛋白质内部的高级结构被破坏,以造成蛋白质的基本物性变异,从而造成蛋白质的压力凝固、酶的失活1、菌体细胞膜的破裂,以及细菌内部化学组分的外流等,导致多种细胞性损伤2。蛋白质内部的离子键和疏水键,在经过高压处理后,会因蛋白质体积的缩小而被切断,从而摧毁蛋白质的立体结构,导致蛋白质变性、酶失活。一般情况下,6 0
5、 0 MP a及以上的超高压导致的蛋白质变性是不可逆的。1.2 超高压灭酶机理酶是具有催化活性的特殊蛋白质,超高压会造成蛋白质变性,同时也会破坏酶的活性,其中酶的活性部位将受到影响。在催化过程中,酶蛋白分子内的活性部位才是直接参与催化反应的部分,而不是整个分子。2 影响微生物灭活的各种因素影响微生物灭活的因素很多,除了压力外,保压时间、温度、加压方式、升压和卸压速率、食品组分、溶剂、微生物的种类、生存状态、初始菌量、介质的p H值和水分的活度等。2.1 压力对超高压杀菌的影响与加热杀菌类似,随着压力的升高,灭活率提高。低于某一压力时,微生物不能失活,或者发生可逆性失活,经过一段时间,还会恢复活
6、性。超过这一压力就会发生不可逆失活,这一压力值也称作压力阈值。每一种微生物,在不同的特定条件下,48 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 都有一定的压力阈值。随着压力的增大,微生物灭活率提高,直到全部杀灭或大部杀灭。压力越高,则处理所需的时间越短。但是对一些芽孢,在某一段压力范围施压,反而促使其生长。由此,超高压杀菌时并非压力越高越好,尤其是对于芽孢菌,先通过适当的条件促使其孢子发芽,然后再利用高压杀菌或配合其他方法协同杀菌3,才是杀死孢子的有效途径之一。压力一定的条件下,一般随着保压时间的延长,杀菌效果越好。但是存在一个临界时间。就是说加压到了一定时间,再延长时间,杀菌效果也不会有太明显的
7、提高。另外,保压时间的长短,还取决于施加压力的大小。压力越高,所需要的时间就越短。另外还有一个现象,高压短时间加压与较低的压力长时间加压相比较,后者比前者的非在位效应显著,即加压后的一段时间内,菌类继续失活的速率比前者高。图1 超高压灭活大肠杆菌的实验曲线2.2 温度对超高压杀菌效果的影响提高环境的温度,可以降低微生物失活所需要的压力。但有时也会出现热变性和压力变性相互削弱的拮抗现象。如果细胞出现了破裂,会导致细胞的膜结构更容易受到损伤。低温条件下的超高压处理能够有效保持沙棘品质,较为有利地避免了沙棘中热敏性成分的 破 坏。在 低 温(-2 0)下 进 行 超 高 压 处理4,甚至可以完全杀除
8、一些常见的致病菌和耐热性芽孢菌。所以,-2 05的温度下有利于保持沙棘的风味和物理性能。图2 温度对超高压杀菌(大肠杆菌)的影响2.3 延长加压时间对超高压杀菌效果的影响在给定压力的条件下,延长施压的时间,可以提高杀菌的效果。超高压杀菌技术在应用时可分为三种类型:短时高压、长时低压和瞬时超高压。其中,短时高压杀菌需要在大约6 0 0 MP a的压力下加压处 理1至2分 钟;长 时 低 压 杀 菌 需 要 在 约4 0 0 MP a的压力下加压处理1 0至2 0分钟;瞬时超高压杀菌需要在6 0 0 MP a以上的压力下加压处理数秒至1分钟内。但是,当细菌残留率较高时,仅仅延长加压时间并不能很好地
9、杀菌,此时需要使用其他处理方法来提高杀菌效果。图3 时间对杀菌(大肠杆菌)效果的影响2.4 p H对超高压杀菌效果的影响高静压在高酸性环境下效果好,这主要是由于高浓度的氢离子对细菌有破坏作用。每种微生物生长繁殖所适应的p H值都有一定的范围。在压力的作用下,介质的p H值发生变化,会影响微生物的生命活动。高浓度的氢离子会使细菌表面的蛋白质和核酸水解,破坏酶活性5。因此酸性环境不利于大多数微生物的正常生长,这也是高压食品是酸性食品的原因之一,如果酱、果汁等。58 2 0 2 3年第4期张 芳等 超高压(HHP)冷杀菌技术在沙棘浓浆饮料加工中的应用研究p H值一直被认为是影响微生物在压力下生长的主
10、要因素之一。常温区加压p H值的影响不明显,低温区加压p H值的影响明显,在低p H值时,两者都有助于杀死微生物6。p H值低有利于微生物失活,因此酸性食物比甜味食物更容易杀死细菌,因为酸性成分本身具有防腐作用。另一方面,在食物允许的范围内。改变介质p H值,降解微生物生长环境,也会加速微生物的死亡率,缩短超高压杀菌时间,或降低所需压力。图4 p H值对杀菌效果的影响2.5 抑菌剂对超高压杀菌效果的影响为了杀死耐压性芽孢杆菌孢子,可以使用超高压处理并结合壳聚糖、细菌素、溶菌酶或乳链球菌等抑菌剂进行处理。乳链球菌可有效抑制大多数革兰氏阳性菌7。2.6 沙棘成分对超高压杀菌效果的影响由于沙棘的成分
11、非常复杂,对高压杀菌的影响也非常复杂。一般来说,产品中盐和糖的含量越高,对细菌的保护作用越强(但在低温下效果不明显),从而表明杀菌速度会出现减缓。对富含蛋白质和油脂的产品进行高压杀菌比较困难,但适当加入脂肪酸酯、糖酯和乙醇,高压杀菌效果会增强8。在高压下,沙棘的化学成分对杀菌效果有明显影响。蛋白质、碳水化合物和脂类对微生物有保护作用。这主要是由于脂肪、蛋白质等大分子有机化合物的缓冲和保护作用,丰富的营养加速了微生物的繁殖和自我修复。2.7 微生物的种类对超高压杀菌效果的影响大肠杆菌和葡萄球菌分别是革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌。阳性菌细胞壁厚,肽聚糖含量高,网络结构紧密,脂质含量低。革兰氏阴性
12、菌细胞壁肽聚糖层比较薄,当受到超高压时,细胞壁更容易受到机械损伤,细胞更容易死亡。孢子是食品保鲜中最关键的环节,是食品完全杀菌的象征,即食品安全的象征,也是食品加工和保鲜中最难解决的问题9。相对于芽孢杆菌和梭状芽孢,营养细胞在革兰氏阳性菌中的耐压能力较低。2.8 微生物生长阶段对超高压杀菌效果的影响微生物对超高压的抗性随着其生长阶段的变化而有所不同。它们在对数生长期间对压力更加敏感。因此,在微生物的最佳生长温度范围内进行高压杀菌可以提高杀菌效率。换句话说,针对微生物不同的生长阶段,采用合适的高压杀菌温度,可以更有效地杀灭微生物。2.9 水分活度对超高压杀菌效果的影响低水 活 度Aw抑 制 了
13、超 高 压 杀 菌 的 灭 活 效果1 0。控制水的活动性可以降低压力水平。因此,控制Aw对超高压杀菌具有重要意义。水分活度主要是通过渗透压影响细胞的生理特性,从而抑制细菌生长甚至使其死亡。一般来说,水分活度低可保护细胞抵抗压力,但微生物一旦经过高压处理后,对水分活度就更加敏感1 1。压力会使微生物呈现亚致死状态,而低水活性可以阻止亚致死的微生物细胞的复活。以蔗糖、食盐等调节水分活度。食物中的不同成分可能会提供不同的保护或抑制作用,但是Aw(水分活度)的控制对68 内蒙古石油化工2 0 2 3年第4期 于高压杀菌在固体和半固体食品的保存和加工中具有至关重要的意义。因此,正确地控制食品的水分活度
14、,可以提高高压杀菌的效果,从而更好地保护和加工食品。2.1 0 修复与再生在经过超高压处理后,有时微生物能够自动修复和再生。其原因可能是残留的微生物仍保留活性,或者一部分微生物,在压力下损伤,但还没有彻底死灭,一旦条件适合,就会修复恢复活性。这是由于内部脂肪等成分的缓冲和保护作用,丰富的营养加速了微生物的繁殖和自我修复。因此,为了抑制微生物高压处理后的修复和再生,一般超高压加工的食品最好在5以下低温保存。3 超高压杀菌的协同措施单纯地使用超高压并不能完全确保食品的安全性。为了更有效地杀灭微生物,我们需要采取其他的辅助措施,例如配合围栏技术。针对微生物的不同特点,我们还可以采用多种方法,例如匹配
15、温度、改变压力模式、使用添加剂、以及微波、超声波等技术。这些方法可以使超高压技术更加有效地用于食品处理,从而保障食品的安全性。3.1 脉冲加压在超高压杀菌处理中,由于不同微生物的耐压特性各异,而仅仅依靠延长保压时间往往对微生物的致死率影响不大1 2。因此尝试用间歇、多次、重复加压的方式,发现杀菌效果比较明显。这种方式被称作脉冲加压,或交变加压。一般认为第一次加压导致大量微生物失活,一部分微生物受到损伤,第二次加压会使一部分已经损伤的微生物再度受到压力的作用而致死,如此反复多次加压能给予微生物多次剧烈的冲击,从而提高杀菌的效率。此外,针对各种不同类型的低酸食品还试验总结出经过两次脉冲超高压处理达
16、到无菌状态的工艺参数选择方案1 3。脉冲加压可以增强超高压杀菌的效果,其机理在于,脉冲加压会对被处理的微生物细胞壁、细胞膜、代谢酶和核酸造成损伤积累。由于脉冲加压的快速加压和减压降低了这些物质对环境条件的反应,从而减弱了微生物的适应性,增加了对微生物薄弱部位的破坏。这些因素共同作用,提高了脉冲加压技术的杀菌效果,使其更加适用于食品工业中的微生物控制。3.2 温度协同超高压杀菌正如前面所说,温度是影响超高压杀菌的重要因素。积极采取温度控制手段配合超高压提高杀菌效果是最可行的方法,已成为高压食品加工研究的重要方向。温度和压力会引起蛋白质变性,但其机理不同。当施加不同的温度和压力时,不同微生物的杀菌
17、效果是不同的。这是一个非常复杂的问题,需要通过实验和体验杀菌参数来探索。此外,加热和加压的顺序也会影响杀菌效果1 4。这里对温度范围做以下定义:低于0为低温,0-6 0为中温,高于6 0为高温。3.2.1 中温协同杀菌细菌细胞对2 03 5条件下的超高压不敏感。当温度高于3 5时1 5,细胞膜脂质相变增强了细菌对压力的敏感性。在脉冲压力结合温和加热的条件下,细菌芽孢死亡的主要原因有:(1)超高压的释放会引起芽孢菌细胞壁与水的绝热膨胀;(2)超高压(2 07 0)下温度升高会增大孢子细胞壁内外的压差,加速水向细胞壁和细胞膜的渗透,导致水的粘度和表面张力降低等物理变化,从而增强孢子的破坏能力。图5
18、 压力和温度对脂嗜热芽孢杆菌的作用图中(1)6 0 m i n,2 0(2)6 0 m i n,6 03.2.2 低温协同杀菌换一种说法,低温超高压处理被证明能够有效杀灭微生物。这个效果有两种可能的解释:第一种观点认为,超高压下低温的冰晶沉淀能够加重细胞破裂程度,从而降低微生物在低温下的耐压能力;第二种观点认为,蛋白质在低温下更容易受到超高压的影响,这导致细菌细胞膜结构在低温超高压下更容易被破坏,从而杀死微生物。总的来说,培养基的状态也会影响细菌死亡率。3.2.3高温协同杀菌超过6 0,热杀菌的效果开始显现,此时配合超高压会获得更好的效果。78 2 0 2 3年第4期张 芳等 超高压(HHP)
19、冷杀菌技术在沙棘浓浆饮料加工中的应用研究表1 高温协同灭活芽孢菌种压力MP a温度时间m i n初始菌数处理后菌数枯草芽孢杆菌(B a c i l l u ss u b t i l i s)6 2 16 0 08 59 84 0-6 03 051 0-e0杀死嗜热脂肪芽孢杆菌(B a c i l l u ss t e a r o t h e r m o p h i l u ss p a r e)6 2 18 0 08 59 86 03 056 01 0-e01 0-e梭状芽孢杆菌(c l o s t r i d i u ms p o r o g e n e s)芽孢6 2 18 59 83 0
20、51 0-e1 0-e0金黄色葡萄球菌(S t a p h y l o c o c c u sa u r e u s)2 0 75 05下降6-7个数量级埃希氏大肠杆菌(E s c h e r i c h i ac o l i)2 0 75 05下降6-7个数量级单核细胞增生李斯特氏菌(L i s t e r i am o n o c y t o g e n e s)2 0 75 05下降6-7个数量级肠炎沙门氏菌(S a l m o n e l l ae n t e r i t i d i s)2 0 75 05下降6-7个数量级单核细胞增生李斯特氏C A菌(L i s t e r i am
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