日本的Meidi-Ya公司于1990年生产出第一种超高压保藏果酱,之后又有经超高压处理的果冻、沙拉和调味品上市。美国的FMC公司和英国的凯氏食品饮料公司已开始建立商业化的超高压杀菌食品的工艺流程,应用于天然果汁等饮料的杀菌。采用超高压处理不同食品,也会伴随品质的变化。用超高压处理牛乳,使凝乳酶在酸性条件下发生作用,制成的干酪硬度增加,透光性提高。用高压处理马铃薯丁,发现超高压处理的马铃薯组织软化,携带的微生物大为减少,维生素C的保存率可达90%。用高压处理牛肉,可使肉的剪切值降低或抑制其升高,达到嫩化牛肉的目的。用高压处理番茄汁和常规方法加工的产品相比,虽然黏度和颜色要好得多,杀菌效果也不错,但可能由于髙压使植物细胞破裂和酶的作用,导致正乙醇浓度高于其范围值,3-乙烯醛浓度也很高,产品有败坏的味道,而且灭酶效果不如热处理。由于超高压处理的特殊性,使其对固态食品的连续操作较难实现,生产效率不高,且高压杀菌对设备的耐压性要求高,设备投资大,仍有必要加强这方面的研究。
微生物灭活会带来一些变化。其中之一是细胞膜渗透性的改变。包括蛋白质变性,是由连接关键灭活酶的键断裂引起。101——3O3MPa压力范围导致可逆变性,303MPa以上压力导致不可逆变性(Swientek,1992年;Hoover等,1989年)。超高压影响细胞形态学有不同方式:①细胞内的气体空泡崩溃;②已证明大肠杆菌中细胞的扩大发生从1——2Mm变为10——100Am;③在可移动的微小生物(原生动物)中运动能够消除,尽管现象是可逆的;④在假单胞菌中,单个细胞增大,细胞壁和膜分离,细胞壁变薄,核糖体数量减少(Hoover等,1989年),但是在其他微生物中,有细胞核的改变和细胞器官的变化,细胞内物质流失到外界环境中,ATP酶的抑制,细胞膜中磷脂的结晶化等(Cheftel,1992年)。超高压使细胞改变的一个标志是细丝的形成。在大肠杆菌、弧菌、蕈状芽孢杆菌和海红沙雷菌中可以观察到(Barbosa-C6novas等,1998年)。Perez-Delgado(1996年)在一个微生物研究中观察到对酵母使用高压处理(517——689MPa)引起细胞壁的皱缩,胞浆分离,细胞壁瓦解或破损,因为这是可逆的,它使得细胞死亡,冷库工程但是较低的压力(175MPa和345MPa)仅仅对于细胞壁引起微小的物理损坏。酿酒酵母细胞在400——500MPa压力下处理时,细胞核的结构和细胞质器官出现变性;同样,室温下400MPa以上压力的应用引起细胞内容物的逸出(Aleman等,1994年)。250MPa下处理15min,应用于酿酒酵母和内抱霉酵母(Saccharomycesfibu-ligem),细胞体积减少了25%,其在处理后没有完全复原,并观察到至少10%的体积减少归因于细胞和介质之间的质量转移,导致细胞膜的透性改变(Aleman等,1996年)。Carballo等(1997年)发现牛肉焰饼中的微生物群体的细胞直径变化了;大约75%的常压下的细胞直径为0.5mm,300MPa下处理20min后,75%细胞的直径低于0.5mm。同样,将压力的改变应用于介质的状况(pH、水分活度、电离度、压缩性),在细胞和介质间产生一个渗透梯度。Penier-Comer等(1995年)发现细胞失活伴随着三段动力学。在指定压力到达后的第一个阶段里,细胞膜压缩了;维持压力时,内容物转移至介质中;在第三阶段,发生细胞膜的又一次压缩而没有恢复最初的体积,已观察到水中的损失的营养物质,蛋白胨水或磷酸盐缓冲液阻止压力引起的细胞损坏的恢复(Palou等,2000年)。
超高压处理受一些变量如应用压力的大小、保压时间、降压速率、温度、pH、水分活度、产品盐浓度、介质的成分、微生物种类与数量及细胞生长状况、升压时间等的影响(Swientek,1992年;Palou等,2002年;Hoover等,1989年;Pandya等,1995年;Crawford,1996年)。根据研究目的,依据与微生物、产品(或介质)和处理过程的关系,将这些变量分组如下。
与微生物有关的变量
此类变量包括微生物的种类和数量。关于微生物的种类,重要的区别发生在同族的不同株之间的差异上。例如,霉菌和酵母菌的孢子在200——400MPa压力下很容易失活,但是丝衣霉菌的子囊孢子对热和髙压有很强的抗性,变压的应用会破坏孢子,先采用低压能激发潜伏孢子的萌发,使其对热更敏感,再采用高压会更有效(Polou等,2002年;Smelt,1998年;Popper和Knorr,1990年)。
一些酵母菌在高压均匀处理后会失活。Popper和Knorr(1990年)报道100%的面包酵母在170MPa的均匀压力下灭活。对于病原体微生物,一些对高压有抗性的菌种已经在研究中,发现小肠结肠炎耶尔森菌是最敏感的,因为在275MPa下处理15min就减少了105cfu,而鼠伤寒沙门菌、单核细胞增生李斯特菌、肠炎沙门菌、大肠杆菌0157:H7和金黄色葡萄球菌分别在350、375、450、700和700MPa下15min才达到相同的减少量(Patterson等,1995年)。另一种情况是沙门菌中,森夫顿堡沙门菌比鼠伤寒沙门菌对髙压更敏感;牛肉和鸡肉中繁育的微生物,在牛肉中破坏程度更大(Metrick等,1989年),其他的微生物表现出对压力有高的抗性的是金黄色葡萄球菌和粪链球菌,只有当压力大于607MPa时才会失活(Crawford等,1996年)。一般来说,革兰阳性菌比革兰阴性菌对热和压力更有抗性。酵母菌和霉菌非常敏感,然而细菌孢子很有抗性,能够在lOOOMPa以上压力下存活,若将温度和压力联用,可以降低对压力的要求。病毒种类很多,对高压有很强的抗性(Borderias,1995年;Smelt,1998年)。微生物对压力抗性的多样性与它们的生长阶段有关研究,介质中盐和糖浓度提高可提高孢子对压力的抗性。
对不同食品中病原体微生物的研究表明牛乳对细菌有保护作用,而在鸡肉和牛肉中更敏感(Patterson等,1995年)。
与产品有关的变量
介质中的这些因素影响了微生物的灭活,可以按产品分成几类,如水分活度、盐浓度、产品成分和pH。
一般情况下,高浓度盐、糖醇和其他因素对细胞有保护作用(Cheftel,1992年)。
Palou等(1997年)报道高压处理水分活度的不同值对于拜耳接合酵母(Zygosaccha-romycesbailii)的影响。研究水分活度在0.900——0.998、345MPa,21X;下处理5min,当水分活度大于0.98时,酵母菌完全失活;但实验表明,当水分活度为0.92、0.91和0.90时,处理有重压保护作用,微生物数量减少1个对数值。
介质的pH影响微生物的灭活(Smelt,1998年),已发现酸性pH比中性pH时压力对细胞产生的破坏更大。蒸馏水中的细胞,比缓冲剂中的细胞对压力更敏感,并且细胞在5T或40丈下比在室温下更敏感(Pandya等,1995年)。
通常,HP的应用引起介质PH降低(Hoovei?等,1989年),因为压力产生离子,而分离的时候有机酸是更好的抑制剂(Smelt,1998年)。Pandya等(1995年)报道拜耳接合酵母在200MPa下处理lOmin,其减少1.5个对数值;处理20min,其减少2个对数值;但是,在最低pH估计值(PH3.0)下处理30min,其减少3个对数值,而在PH4.0和pH5.0的介质中没有发生。
过程变量
压力大小、保压时间、降压速率、温度、使用的脉冲等是属于此类的变量。
当微生物的处理时间延长时,细胞损伤更明显,存活细胞的数量在一定压力水平下降低。CUT和降压速率的影响还需要进一步研究。Palou等认为CUT对酿酒酵母的损伤也是相似的情况。517MPa以上压力下的拜耳接合酵母的研究结果表明其在到达所需要压力后不能存活;这意味着CUT可以达到灭活的效果,尽管低于200MPa时细胞不受影响(Palou等,1998年)。慢速的CUT能引起重压反应,对反应产生影响较小,故推断快速降压会加快失活速率。后者看似对酵母菌更有效,而对细菌繁殖体影响不大(Smelt,1998年)。对酿酒酵母的研究使用不同的压力水平。在500MPa下处理,细胞几乎没有显示任何的变化,而压力在500MPa以上时细胞壁有损坏和破裂(Palou等,2000年)。对三种介质中拜耳接合酵母和酿酒酵母进行研究,用不同的PH和温度,在304MPa下没有存活,达到107cfu/mL的减少量(Pandya等,1卯5年)。
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