超高压技术

一、超高压技术简介

　　超高压技术(ultra-high pressure processing)简称UHP，又称高静压技术(high hydrostatic pressure，HHP)，或高压加工技术(high pressure processing，HPP)。

　　超高压技术就是在密闭的超高压容器内，用水或用高级液压油作为介质对食品等物料施以400MPa～1000MPa的压力的一个物理过程，其主要机理是超高压使微生物细胞膜和细胞壁损伤、改变微生物细胞形态、影响微生物细胞内酶活力及细胞内营养物质和废弃物的运输，从而杀死食品中的腐败菌和致病菌。

　　超高压技术技术的主要优点：首先是作为一种物理方法在不加热或不添加化学防腐剂的条件下达到杀死致病菌和腐败菌的效果，从而保障食品的安全、延长食品的货架期;其次，在杀菌过程中没有温度的剧烈变化，能较好地保持食品原有的色、香、味以及营养成份，而且能使淀粉成糊状、蛋白质成胶凝状，获得与加热处理不一样的食品风味。

　　在1899年BertHite首次发现450MPa的高压能延长牛奶的保存期，以后Bridgman因发现高静水压下蛋白质发生变性、凝固而获得了1946年诺贝尔物理奖。

　　但直到1990年有关UHP装备、技术和理论的研究才得到了突破与发展，由日本明治屋食品公司首先实现了UHP技术在果酱、果汁、沙拉酱、海鲜、果冻等食品的商业化应用。之后，欧洲和北美的大学、研究机构和公司也相继加快了对HHP技术的研究。

　　我国超高压技术在食品和医药卫生等领域中消毒杀菌的研究起步较晚，超高压设备存在着巨大的潜在市场和广阔的发展空间。

二、影响超高压杀菌效果的因素

　　1、与微生物有关的变量

　　此类变量包括微生物的种类和数量及细胞的状态。一般而言，革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌具有更强的耐压性。病毒结构多种多样，对压力抗性变化较大。酵母对压力敏感，霉菌营养体相对敏感，而囊孢子非常耐压。通常营养体能够在400～600MPa压力下被灭活，而一些孢子在室温下能够耐受1000MPa以上的压力。

　　2、与产品有关的变量

　　(1)水分活度(Aw)

　　一般认为，随着Aw的降低，微生物的耐压性增加，细胞质表现为不可压缩性，蛋白质的稳定性得到增强。345MPa、21℃保压5min，当Aw>0.98时，拜耳结合酵母完全失活;当Aw为0.92、0.91和0.90时，酵母数量减少量的对数值为1。在不同Aw下，超高压(600MPa)300s对李斯特菌冻干细胞的影响试验结果显示，当配制李斯特菌冻干细胞悬浮液的蛋白胨水浓度减少至60%(Aw0.8)时，细菌存活率明显增加。

　　(2)pH值

　　每种微生物都有适应其生长的pH值范围，不同pH值条件下，微生物的耐压性均有所不同。已发现酸性比中性压力对细胞的破坏更大。蒸馏水中的细胞比缓冲液中的细胞对压力更敏感。据报道，压力会改变介质的pH值，并逐渐缩小微生物生长的pH值范围。在低pH值下，芽孢对压力更敏感，明显失活。

　　有学者研究了8种微生物在不同pH环境下超高压处理效果，结果证明，当pH降低时，微生物的杀灭效果得到增强。比如大肠杆菌0157：H7933在25℃、345MPa下处理5min，当环境pH为6.5时可杀灭1.86个对数值;当pH值降低至4.5时，灭菌效果增强了两倍多。此外，高压造成的损伤微生物可在营养丰富环境中复活，却不能在酸性条件下修复。

　　(3)产品组成

　　蛋白质、碳水化合物和脂类在压力传递的过程中具有一定的抗压性，因此它们对微生物具有保护作用。一般来说，盐的浓度越高，细菌对超高压的耐性越大。

　　(4)过程变量

　　主要包括压力大小、保压时间、温度、使用的脉冲。在一定范围内，压力越高，杀菌效果越好;而在相同压力下，增加处理时间，杀菌效果也在一定程度上得到提高。对牛奶中大肠杆菌的耐压性进行试验，结果表明，处理时间越长，压力越大，大肠杆菌存活数越少。处理压力(100～600MPa)和保压时间对鲜榨苹果汁和胡萝卜汁中的菌落总数的降低均有显著影响，但在低压下，时间对杀菌效果影响不大。

　　在一定温度下，微生物中的蛋白质、酶等物质会发生一定程度的变性。一些学者证明，当在15～30℃室温下采用超高压处理时，微生物有Z大的抗性，因而，高于或低于室温的处理倾向增加杀灭效果。

　　Alpas等人研究8种微生物对高压结合中温处理后发现，在温度从25℃升到50℃后，8种微生物的死亡率都显著提高。如金黄色葡萄球菌485在345MPa、25℃下处理5min，只能杀灭1个对数值;而当温度升至50℃时，灭菌效果增强了5倍。

　　曾庆梅等发现，在压力为450MPa、保压时间为10min的条件下，协同温度≥29℃时，梨汁中菌落总数为70CFU/mL，大肠菌群、霉菌和酵母菌未被检出，完全达到国家食品卫生标准。

　　Koseki等对牛奶进行中温协同灭菌(李斯特菌)，在550MPa压力下，将温度从37℃提高到50℃，保压时间可以从4h减少为10min。

　　Ailine等人研究了前后施加热处理对超高压处理黑曲霉的效果的影响，结果显示，在高压前施加热处理只有叠加作用，并没有协同作用。而先超高压处理，后进行热处理时，就表现出了协同作用。

　　除金黄色葡萄球菌(增加不明显)、枯草芽孢杆菌、生芽孢梭状杆菌和嗜热脂肪芽孢杆菌外，大多数微生物在-20℃条件下的高压杀菌效果要比20℃条件下好。超高压处理(100～500MPa)羊奶时，4℃条件下比常温(25℃)条件下，杀灭荧光假单胞菌、无害李斯特(氏)菌和瑞士乳杆菌的效果要好，而大肠杆菌和金黄色葡萄球菌恰好相反。

　　加压可以是静态或动态，不同模式的效果直接相关于压力大小和保压时间。动态加压可以是脉冲或循环式，而后者是脉冲和静态的结合。脉冲加压灭菌效果显著。

　　此外，加压泄压的速度也影响超高压杀菌的效果。60℃和70℃条件下缓慢加压结合缓慢泄压对枯草芽孢杆菌孢子的破坏力大于快速加压和快速泄压。但快速加压和缓慢泄压时，致伤细胞的数量会更大。

三、超高压技术在食品工业中的应用

　　1、超高压技术概念

　　超高压技术也叫超高压杀菌技术，是指利用100MPa以上的压力，在常温或较低温度条件下，使食品中的酶、蛋白质及淀粉等生物大分子改变活性、变性或糊化，同时杀死细菌等微生物的一种食品处理方法。

　　超高压技术在食品杀菌、加工技术领域具有独特的优点:①作用均匀、瞬时、GX;②易控制，操作安全，能耗低，污染少;③可保持食品固有的营养品质和风味;④改善生物多聚体的结构，调整食品质构;⑤不同压力作用影响性质不同。

　　2、超高压技术的加工原理

　　超高压加工食品的原理是:

　　当食品在超高压状态下时，其中的小分子(如水分子)间的距离会缩小，而食品中的蛋白质等大分子团构成的物质仍保持原状。这时水分子就会产生渗透和填充作用，进入并且粘附在蛋白质等大分子团内部的氨基酸周围，从而改变了蛋白质的性质，当压力下降为常压时，“变性”的大分子链会被拉长，使其部分立体结构遭到破坏。从而使蛋白质凝固、淀粉变性、酶失活或激活，细菌等微生物被杀死，食品的组织结构改善，促成新型食品生成。

　　只作用于非共价键是超高压技术的一个独特性质，因此它对维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键无明显影响，因此可较好地保持食品原有的营养价值、色泽和天然风味。

　　3、超高压在食品加工中的应用

　　超高压加工技术不仅可用于食品杀菌、灭酶与质构改善，而且对食品的营养价值、色泽和天然风味也具有独特的保护效果。目前，超高压技术已在肉制品、乳制品、蛋类食品、果蔬制品、水产品加工及有效成分的提取中得到广泛的应用。

　　(1)超高压在果蔬加工中的应用

　　果蔬产品的杀菌是超高压技术在食品加工中Z成功的应用。与传统的热力杀菌相比，超高压技术可以在常温或较低温度下达到杀菌、抑酶及改善食品性质的效果，不会破坏果蔬制品的新鲜度和营养成分，符合消费者对果蔬制品营养和风味的要求。

　　新鲜果汁中富含蛋白质、维生素、氨基酸以及还原糖等营养成分，传统热力杀菌处理会使这些营养成分损失很大，超高压杀菌技术则可以有效地避免果汁中营养成分大量损失。

　　有学者研究了超高压对部分果蔬产品中的抗诱变物质、抗氧化物质、抗坏血酸、类胡萝卜素等的影响，发现超高压一般不会引起风味物质的丢失。

　　王寅等采用超高压对蓝莓汁处理后，发现蓝莓汁的还原糖的含量变化不大，压力为500MPa时，蓝莓汁V_c的保留率可达94.2%。

　　采用高压技术杀菌不仅可杀死水果中的微生物，还能降低酶的活力。

　　刘兴静等采用超高压处理鲜榨苹果汁，发现压力的升高和保压时间的延长，都会使菌落总数、大肠菌群数显著下降。

　　姜莉等研究了超高压对马铃薯多酚氧化酶和过氧化物酶的影响。压力超过200MPa时酶的活性下降，压力为400MPa时，随着时间的延长，多酚氧化酶和过氧化物酶活性都呈下降趋势。

　　果汁的感官品质包括颜色、香气、滋味等方面。超高压杀菌属于冷杀菌技术，其操作过程在常温下进行，并且超高压只作用于非共价键，不影响共价键，因而能较好保持果汁原有的口感、风味及色泽。

　　林怡等将杨梅鲜果经过超高压处理后，样品的颜色没有显著变化，汁水流失的速率与鲜果硬度减小的速率和未处理的对照组相比明显降低。

　　(2)超高压在肉制品加工中的应用

　　采用超高压技术处理肉制品，可以有效改善肉制品的柔嫩度、风味、色泽和成熟度等特性，同时还可以延长肉制品的货架期。

　　肉的嫩度反映肉的质地和食用品质，是指肉在食用时口感的老嫩，它是消费者评价肉质优劣的常用指标。

　　为研究超高压处理对南京盐水鸭品质指标和货架期的变化规律，沈旭娇等以不同压力分别处理真空包装盐水鸭胸脯肉。并在4℃贮藏条件下，每周对超高压处理样品的颜色、感官指标、pH值、脂肪氧化程度及微生物总数进行测定。结果表明经超高压处理的南京盐水鸭的滋味风味、色泽、结构质地都与未经处理的产品无明显变化。并且超高压处理能够有效YZ南京盐水鸭中的微生物，延长产品的货架期。

　　(3)超高压在水产品加工中应用

　　水产品的加工要求具有水产品原有的风味、色泽、口感及质地。常用的干制处理、热处理都不能满足要求。而超高压处理后的水产品可较好的保持原有的新鲜风味。

　　胡庆兰等采用超高压处理鱿鱼片，对处理后的鱿鱼色泽、组织、口感进行感官评价和权重分析，并利用模糊数学综合评价法对超高压处理的样品进行综合评分，结果表明，在300MPa的条件下，鱿鱼片弹性Z好，剪切力Z低，白度值Z高，品质达到Z优。

　　欧仕益等采用超高压处理鲜虾仁，研究了不同压力及保压时间的杀菌效果以及对产品质构的影响。结果表明，压力是影响杀菌效果的主要因素。当压力为500MPa时具有Z佳灭菌效果。与高温灭菌相比，超高压灭菌能更好地保持虾仁的硬度、弹性和咀嚼性。

　　(4)超高压在酒类加工中应用

　　酒类生产中酒的自然陈化是个既耗时、能耗又大的处理过程。而超高压技术对酒的催陈可起到重要作用。

　　申圣丹等用超高压射流处理新酒，并与常压(0.1MPa)下的新酒对比。结果随着压力的上升，酒中的总酸、电导率、乳酸乙酯增加，异戊醇/异丁醇等都有所变化，总的趋势是朝酒陈化方向变化。这充分说明超高压射流技术对白酒的催陈具有十分显著的效果。

　　此外，超高压技术在啤酒中还具有良好的杀菌作用。

　　刘睿颖等采用超高压射流设备对新鲜未经灭菌的啤酒进行灭菌处理，分析压力对灭菌效果的影响。结果表明:超高压射流对啤酒中主要的腐败菌—乳酸菌具有很好的杀菌作用，而且随着射流压力的增大，其杀菌效果也不断增加，当压力超过150MPa时，啤酒中的乳酸菌可以被完全杀灭。

　　(5)超高压在蛋制品加工中的应用

　　将600MPa的压力作用于鸡蛋时，鸡蛋虽然是冷的，却已经凝固。与煮熟的鸡蛋比较，经超高压处理的鸡蛋味道非常鲜美，蛋黄为鲜黄色并具有较好的弹性。研究表明超高压处理的蛋白质变性凝胶，比加热凝胶软而且更有弹性，消化率较高，此外，氨基酸和维生素也没有损失，保留了鸡蛋的自然风味，不会生成其他物质。

　　夏远景等用超高压对液体蛋进行处理。研究表明，随着压力和保压时间的增加，液体蛋中细菌致死率逐渐增大。在压力为400MPa、保压时间为20min时，蛋液的初始细菌总数由13100cfu/mL降到31cfu/mL，完全符合国家鸡蛋卫生标准细菌总数的要求。通过感官评价，室温下，密封在消毒培养皿中未经处理的液体蛋10d后便已发霉、变质，而经过300MPa、保压10min处理的液体蛋在30d以后依然新鲜如初。

　　(6)超高压在乳制品加工中应用

　　热处理是现代乳制品生产中Z常见的加工处理方法。它虽能杀灭乳品中部分或全部的微生物，破坏酶类，延长产品的保质期。但是同时也会给产品带来不利的一面，而超高压技术既能够保证乳品在微生物方面的安全，又可以较好地保持乳品固有的营养品质、风味和色泽。

　　酪蛋白是牛奶中的主要蛋白质，超高压处理使酪蛋白胶粒直径变小，乳蛋白表面暴露的疏水性基团增加，引起乳清蛋白变性，使其凝块。

　　胡志和等对酪蛋白用超高压进行处理，结果表明:超高压处理能够明显改善酪蛋白的加工特性，其黏度、持水性、溶解性、乳化性均有较大幅度的提高，在400MPa时效果Z好。通过对超高压处理的牛奶和经单一的巴氏杀菌的牛奶生产的两种奶酪进行对比，发现经超高压处理之后生产的奶酪持水性更强，货架期远远高于传统的杀菌方法。

　　(7)超高压技术在有效成分提取中的应用

　　与传统的提取方法相比，超高压技术在有效成分提取方面具有提取时间短、提取得率高、能耗低的优点。超高压提取可在常温下进行，避免了因热效应引起的有效成分结构变化、损失以及生理活性的降低。

　　目前，超高压技术已在多糖类成分、黄酮类成分、皂苷类成分、生物碱类成分、萜类及挥发油、酚类及易氧化成分、有机酸类成分等的提取中得到了应用。

　　岳亚楠等用响应面优化超高压法提取苹果渣中的多酚，并在相同实验条件下对比超高压法与传统提取方法的苹果渣多酚得率，结果表明，超高压提取的苹果渣多酚得率比其他常用提取方法高出10%以上，且提取率高、环境污染小、安全性高。

四、超高压技术在化学研究中的应用

　　(一)化学领域研究中超高压技术的应用策略

　　1、化学领域中有机成分的组合

　　在化学研究领域中，热力和电力学是化学领域中的重要组成部分，同时也有机成分反应的重要途径。在有机组成组合部分中不仅仅有主要的物质，也有附属的物质。

　　在这样的情况下，化学领域选择是化学有机成分组合中重要的相关数据，其中化学的选择性、区域的选择性、立体的选择性是化学领域有机成分组合选择性的重要组成部分，并且利用温度、催化剂、溶剂等形式对超高压技术进行一定程度上的控制。

　　根据我国有关部门的调查和研究，超高压技术可以在一定程度上对化学领域中有机成分组合部分进行控制，并且在超高压技术的作用下，也会在化学领域在研究的过程中，产生一些新的化学有机成分，从而对化学领域中的热力和电力学在一定程度上获取行相对较好的化学选择性。

　　另外，超高压技术在化学研究领域应用的过程中，对化学压缩而言生产了一定的影响。因此，在应用的过程中，首要的任务就是对化学领域中的有机成分组合机要起到一定的作用。在进行控制的过程中，化学领域中不对称的物质是超高压技术控制过程中较为有难度的，将原来松散的物质可以进行紧密的结合，同时也将从不同的反应角度进行分析和研究。

　　从整体的角度来说，超高压技术在化学领域研究应用的过程中，具有一定的发展前景，同时也是我国化学领域技术研究过程中重要的组成部分。

　　2、化学领域中气体组合

　　在超高压技术应用的过程中，经常会有想象不到的气体组合的现象产生，我国的一些相关人员经过不懈的努力和研究，不仅仅取得优异的成绩，将研究结果展现给人们的眼前。并且在研究和分析的过程中，可以经常会出现化学活性的成分出现，并且对简单的化学物质，在高压技术应用的过程中，不同的物质和化学成分，在不同的结构中会有效的组合在在一起，形成容一种结构的气体。例如：CH₄-H₂超压技术的应用下，可以将CH₄-H₂中的结构和物质进行划分，可以产生CH₄(H₂)₂、(CH₄)₂H₂、CH₄(H₂)₄等化学物质和气体。

　　另外，在一些化学物质和气体在超高压技术的应用下，可以有效的将这些化学中的物质和气体进行一定程度上的转移。

　　我国一些化学研究者对这些物进行一系列的研究，已将在N₂O和H₂等化学物质上发现了NO⁺NO₂^-和H₂⁺H₂^-等物质形成化学的气体。并且化学研究者在海洋进行了提取和研究，在超高压技术的应用过程中，产生的一种的晶状的物质，同时也不断的研究和分析的过程中，可以发现大量的新奇的化学物质，并且这写物质已经封闭在海洋的深部，由此看来，超高压技术在化学领域中具有非常可观的发展前景。

　　(二)化学研究领域中超高压技术的发展前景

　　随着我国经济的不断发展，在化学研究领域中，我国的一些学者经过不断的努力、研究和分析，并且也取得了优异的成绩，但是在化学研究领域中的并没得到广泛的应用，其原因没有的到很多，其中Z为重要的一项原因就是原有的超压技术不仅仅在应用的过程中，有着较为繁琐的工作流程，其设备体积也较大的而且也是非常笨重的。

　　但是在超高压技术领域的不断创新和改革下，超高压技术打破了传统的超高压技术传统的应用模式。在新型的超压技术有效的将应用流程变得简单化，其设备也像传统的设备那样笨重。

　　另外，在超高压技术在化学领域研究和分析的过程中，也对化学领域中的各项物质和气体进行了重新的认识，同时对化学领域中物质和气体可以有效的进行控制。由此看来，超高压技术在我国化学领域研究和分析的过程中，起到了非常重要的作用，并且在一定程度上也有客观的发展前景。