超高压杀菌技术处理对乳品质的影响

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1、Vol127,No 15 汪家琦 侯立宏其对乳中微生物和乳成分的影响。关键词关键词:超高压杀菌;乳品质粉经加压处理后的表面状态与热处理完全不同,因间的处理和不需很大的压力容器,食品就可以获得均一的处理。ponent in milk.Key words:high pressure sterilization;milk quality(4)比加热处理所消耗的能源低。中图分类号中图分类号:TS 252.41 文献标识码文献标识码:A1 超高压杀菌的原理及其对乳中微生超高压杀菌的原理及其对乳中微生文文 章章 编编 号号:1001-2230(1999)05-0020-06物的影响物的影响0 引引 言言

2、生物大分子如蛋白质、核酸等通常具有多级构超高压杀菌技术是 90 年代由日本明治屋食品象,其最高一级构象系由离子键、氢键、疏水性结合公司首创的杀菌方法,它同加热杀菌一样,经 100和二硫键等较弱的结合来维持。在超高压下,由于M Pa 以上超高压处理后的食品,可以杀死其中大部体积的缩小会使这些较弱的结合被打断,造成生物分或全部的微生物、钝化酶的活性,从而达到保藏食大分子的立体构象崩溃而导致变性。当压力不大时品的目的。与加热处理方法比较,超高压杀菌食品(100 200 M Pa)这种变性是短暂的、可逆的,一旦具有以下特点:释压后则可恢复到未变性状态;而压力太大时,此种(1)由于几百个 M Pa 压力

3、不会使食品的温度变化是永久性的、不可逆的。由于核酸、蛋白质、多升高,而只是使高分子物质中的部分共价键被切断糖类等物质或细胞膜在高压下都会受到影响,于是或发生交联,故没有色、香 味及营养成分的劣变,也生物体的生命活动就会受到影响而停止,从而达到不产生各种毒性因子,可以较多地保留食品原有的杀菌和钝化酶的目的。收稿日期收稿日期 1999-08-10作者简介作者简介 technology and it s effect on microor ganism and com 2第 27 卷 第 5 期 中 国 乳 品 工 业1 9 9 9 年 1 0 月 CHINA DA IR Y INDU STR Y

4、Oct.,1 9 9 9专题论述超高压杀菌处理对乳品质的影响超高压杀菌处理对乳品质的影响Effect of High Pressure Sterilization on the Quality of Dairy Products Wang Jiaqi Hou Lihong(东北农业大学畜产品加工研究所哈尔滨 150030)(华中农业大学武汉 430070)(Instit ute of Animal Product Processin g,Nort heast A gri.U niv.)(Middle-China A gri.U niv.)骆承庠L uo Chengxiang(东北农业大学畜产品

5、加工研究所哈尔滨 150030)(Instit ute of Animal Product Processing,Nort heast Agri.U niv.)营养,但同时也不会产生由加热引起的所希望的颜摘摘 要要:超高压杀菌技术是一项冷杀菌技术,近年色和香气。来已在食品工业中应用。叙述了超高压处理技术及(2)可以保持新鲜食品或发酵食品的原有风味,但可能会发生一些物性的变化。如蛋白质和淀Abstract:The hi gh pressure t reat ment is a cold sterilization technique.It is a pplied in food indust r

6、 y 而可利用超高压处理生产各种新的食品素材。in recent years.This article reviews for hi gh pressure (3)压力可以在瞬间传到食品的中心,故短时汪家琦(1972-),男,东北农业大学畜产品加工研究所在读博士生,研究方向为功能性奶粉.1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.21、10101020、8403060605-、)、在1999 年 10 月 超高压杀菌处理对乳品质的影响多数生物经 100 M Pa 以上加压处理即会死亡,而微生物因种类和

7、试验条件不同有所差异,一般而言,细菌 霉菌 酵母的营养体在 300 400 M Pa 压而言,向高蛋白和高油脂的食品中添加脂肪酸酯,蔗糖酯或乙醇等添加剂,将提高加压杀菌的效果。表表 1 高压处理对乳中主要微生物的影响高压处理对乳中主要微生物的影响 1 力下可被杀死;病毒在稍低的压力下即可失活;寄生虫的杀灭和其他生物体相近,只要低压处理即可杀名称加压条件压力/MPa 时间/min温度/结果死;而芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的芽孢对压力比其营养体具有较强的抵抗力,需要更高的压力才会被杀灭。超高压杀菌对乳中常见微生物的影响如大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌200400300201030-20 25 40 杀菌

8、 杀菌 杀菌 表 1 所示。压力越高,则处理所需的时间越短。资料表明 1 ,在 2025 下加压处理粘质沙雷氏菌 乳链金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌短乳杆菌巨大芽孢杆菌(芽孢)60029040030025 杀菌 25 大部分死灭25 杀菌 60 杀菌 球菌 荧光假单胞菌和产气气杆菌时,当压力为 200300 M Pa 时,需加压处理 60 min 才能杀死;而在340400 M Pa 时,只需 50 min。这种现象类似于加热杀菌中出现的低温长时 高温短时和超高温瞬时杀菌,故也可将超高压杀菌分为低压长时(L PL T)、高压短时(HPST)和超高压瞬时杀菌(U HP)。林力丸(1993 年)提出

9、的设想是:L PL T 杀菌是指在 400M Pa 左 右 加 压 处 理 10 20 min;HPST 指 在 600M Pa 左右加压处理 1 2 min;U HP 指在 600 M Pa以上加压处理几秒至 1 min 以内。研究表明,超高压杀菌的效果除压力和时间外还受各种环境因素(如温度 食品的组分)的影响。温度对超高压杀菌效果的影响尚不完全清楚。多粘芽孢杆菌(芽孢)枯草杆菌(芽孢)蜡状芽孢杆菌(芽孢)巴雷利沙门氏菌副溶血孤菌乳链球菌嗜酸乳杆菌产朊假丝酵母铜绿假单胞菌鼠伤寒沙门氏菌低发酵度酿酒酵母粪链球菌米曲霉白假丝酵母3004506002002002002004003003003006

10、002002002020402020202010101020106018060 60 60-20-20-20-20 25 25 25-20 25 40 40 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 杀菌 有试验表明在适度加温时,果汁中的酵母 霉菌和一般细菌所需的致死压力会下降。枯草杆菌等芽孢杆菌的耐热性芽孢,在常温下其耐压性很强,而在加热至 4560、加压至 600 M Pa 时即可杀灭。但某些牛乳中的芽孢杆菌伤寒沙门氏菌乳链球菌产气气杆菌粘质沙雷氏菌50060034040820430657868035 大部分死灭-杀菌 2025 杀菌 2025 杀菌 杀

11、菌 微生物(如大肠菌)在 47、常压下会迅速死亡,可是加压至 400 M Pa 时,在上述温度下反而能生存。又如高桥(1991 年)对 13 种微生物在不同温度下进行加压试验,结果发现在-20 下的杀菌效果要比荧光假单胞菌炭疽杆菌(营养体)嗜热脂肪芽孢杆菌(芽孢)2043069720060101 44020252540杀菌 死灭 大部分死灭在 20 下高,特别是在 200 M Pa 下,20 时微生物仅死灭数为 12 次方,但在-20 下却几乎全部死亡;有人认为在低温区(-205 由于水相出现冰晶,杀菌效果会增强,所以-205 低温和压力的合并使用,同压力与加热合并使用一样有增强作用,而且在-

12、205 下更有利于保持食品的风味及其物理性质。微生物的耐压性还与其所处环境的化学组成有关。研究发现,细菌在高浓度蛋白 高油脂 高糖或高盐分的环境中耐压性增高。如大肠杆菌和葡萄球菌随介质食盐浓度的上升而杀菌效果下降;沙门氏菌在鸡肉培养基中比在磷酸缓冲液中耐压;又如在果汁中含糖量越高,加压杀菌的效果就越差。一般2 高压处理对乳蛋白质和其他成分的高压处理对乳蛋白质和其他成分的影响影响高 压 处 理 对 蛋 白 质 稳 定 性 的 影 响 符 合 LeChatelier 规律,即随着压力的升高,蛋白质会缩小其体积以适应这种变化。与此同时,由于蛋白质分子间的疏水作用 离子键 氢键被打断或重组,而发生可逆

13、或不可逆的结构变化。高压导致的蛋白质变性是一种复杂的现象,它和蛋白质的结构 压力 温度、p H 值以及溶剂的成分密切相关。低蛋白浓度(0.05%0.2%)时,压力导致的变性通常可以部分或全部的恢复。对高浓度蛋白(10%),会发生较强 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.mater dist ribution)见图 1(a),从图 1(a)可知,在 0200 M Pa 范围内,压力对酪蛋白胶粒直径的影响尚不显著:在 200450 M Pa,随着压力的增加,胶粒直(c)径急剧减小,此时酪蛋白胶粒中

14、的氢键、疏水作用力和离子键逐步被打断,蛋白胶粒被压缩;当压力超过450 M Pa,蛋白胶粒已被压缩至极小,直径不再发生酪蛋 白 胶 粒 的 水 化 直 径 分 布(Hydrodynamic dia2图 1 复原脱脂乳经高压处理后的光学和流变学性质 3 到 250M Pa 时,酪蛋白胶粒的平均直径已有明显的2.2 乳蛋白质表面暴露的疏水性基团增加乳蛋白质表面暴露的疏水性基团增加Gaucheron F 等 2 用 ANS(8-aniliao-1-na2群:250 nm 的大颗粒和 50 nm 的小颗粒;在 450 度联合作用下脱脂乳蛋白质疏水区域的暴露情况,时一样,颗粒直径不再发生明显的变化。(a

15、)22)中 国 乳 品 工 业 第 27 卷第 5 期烈的分子间作用和不可逆的沉聚现象。在高压处理条件下,乳中蛋白质的变化主要包括如下。2.1 酪蛋白胶粒直径减小酪蛋白胶粒直径减小在 20 下,随着压力(0600 M Pa)的增加,乳明显的变化。但这一变化过程还受温度的影响。Gauchcron F 等 2 在研究压力和温度对脱脂乳蛋白质的影响时发现在不同温度条件下(4,20,40 ,虽然随着压力(0450 M Pa)的升高,乳酪蛋白胶粒的直径总体呈下降趋势,但下降的过程存在着较大 (d)的差异(见图 2(b)。图 2(b)中,4 时,当压力达(a)酪蛋白胶粒的平均水化直径;(b)浊度;(c)亮

16、度;(d)平均动力学粘度下降;而在 40,0 250 M Pa 范围内,胶粒的平均直径还略有升高,电镜显示此时主要存在两种颗粒p hyalene sulp honate)荧光探针测定在不同压力和温600 M Pa 范围内,温度的影响几乎不存在,同 20 结果如图 2(a)所示。图 2(a)中,ANS 可以和蛋白质表面的疏水性区域结合而使其可以定量的测定,其中 Fmax的增大表示疏水性区域的增多,这些 Fmax值随压力的变化显示在不同的压力和温度下乳蛋白质发生了部分(或全部)变性,从而使其疏水性区域不同程度地暴露出来。但 Hayakawa I 等 4 在研究牛血清白蛋白(BSA)在高压作用下的疏

17、水性区域外露情况时发现,其用 ANS 荧光探针测定的荧光强度随压力的升高而降低,作者认为这并不表示 BSA 在高压处理下稳定性提高,而是由于高压处理后 BSA 蛋白之间发生了交联作用,从而使蛋白表面的疏水性区域被掩盖而相对减少。(b)(a)1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.23,a.蛋白质疏水基团暴露程度;b.胶粒平均直径2.3 高压处理脱脂乳超离心沉淀物高压处理脱脂乳超离心沉淀物(Skim milk ul2t racentif uged pellet,SMU P)水化度增大水化度增大SMU

18、 P 是将脱脂乳在 77 000 g 下超速离心 2 h后除去上清液而得到的沉淀物,其主要成分为酪蛋理的-L g 溶液(p H=7.0),调至 p H 值为 6.0,经图 3 可以看出,高压处理使 SMU P 的水化度由 2.0体,这些单体不能再形成二聚体形式,说明高压处理可能对-L g 结构的链 I 位置或其附近产生了影响,使其不能再发生交联作用。-Lg 高压处理下的另一个重要变化是被蛋白的水化度略有下降(由 2.45 降至 2.30 g 水/g 干物质)。这种水化度增加分析其原因是由于高压处理使蛋白质的空间结构发生改变,一些化学键被打断,分子表面的氨基酸残基和肽键也发生了改变,并出现时胃蛋

19、白酶开始可以水解 -L g,并随着压力(300 M Pa)的升高,其蛋白水解能力增强(见图 4)。)41999 年 10 月 超高压杀菌处理对乳品质的影响2.4 对对-乳球蛋白乳球蛋白(-Lactoglobulin-Lg)影响影响-乳球蛋白是乳清蛋白质的主要成分,为一种高水溶性蛋白。-L g 在高压处理(450 M Pa)时同样也发生了较明显的变化(包括蛋白结构的展开和水溶解性的变化等)。根据 Dumay E M 等 6 报道,-Lg 在低蛋白浓度(2.5%)时的变性程度较高浓度(5%)时要低,而且低浓度 -L g 蛋白溶液经高压处理变性后放置一段时间,有较大比例的变性得到恢复;而 5%的-L

20、 g 溶液则没有发现明显的恢复现象,可能与高浓度蛋白溶液的界面凝聚现象图 2 不同温度下对乳的高压处理(b)有关。众所周知-L g 在 p H 值为 7.0 时,有两种存在形式 7 :单体和二聚体,二者平衡存在。在 p H 值为 7.58.0,平衡向单体方向转移;反之,在 p H 值为 6.0 时,平衡向二聚体方向转移。-L g 的二聚体的稳定性是通过两个单体的链 I(St rands I)间的疏水作用来维持的。将 450 M Pa(25 ,15 min 处白。高压处理对 SMU P 的水化度的影响见图 3。由凝胶过滤层析发现出现部分被修饰了的 -L g 单L 2.4 g 水/g 干物质。在

21、0250 M Pa 范围内温度的影响不显著;在 4 和 20,250600 M Pa 范围内,SMU P 的水化度几乎不变(2.4 2.5 g 水/g 干物质);但 40 时,在 250600 M Pa 范围内,SMU P酶水解的能力提高 8 。胰蛋白酶和嗜热菌蛋白酶均能水解天然的-L g,但胃蛋白酶即使是在其最佳 p H 值(2.0)时也不能水解天然 -L g。在逐渐增高压力(0 300 M Pa)时胰蛋白酶和嗜热菌蛋白酶对-L g 的水解作用增强。当压力超过 150 M Pa离子化;而且疏水性区域的外露,使一些水分容易扩散到其空穴中,并在其中定位,从而也使水化度有所增加。Anena S G

22、 和 Creamer L K5 认为小的蛋白颗粒具有更好的溶解性,说明高压处理的蛋白质水化度的增加与其蛋白质颗粒直径的减小也有一定的关系。图 4 高压处理对-乳球蛋白被蛋白酶水解能力的影响图 3 不同温度下高压处理对 SMU P 水化度的影响 -胃蛋白酶;-嗜热菌蛋白酶;-胰蛋白酶 ;20 ;40 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.24程度上提高蛋白质在加热和冷冻过程中的抗变性能力。据报道,在中性条件下 20%50%的蔗糖或山应的不同可能归源于两者蛋白结构中2仅有两个,故2。量将之全部打断,

23、在释压后,其分子结构会逐渐恢 多元醇类对蛋白质在高压下的稳定性同样也具有一定的保护作用。Dumay E M 等 6 报道 5%的蔗复,故 BSA 具有很高的耐压能力。糖可以降低 2.5%-L g 在高压下的展开程度(H由 44%降至 27%)。张和平等 10 在研究不同浓度的蔗糖 对 牛 Ig G 在 高 压 下 的 保 护 作 用 时,发 现50%的蔗糖对牛 Ig G 在高压下的变性失活有很好的抵制作用,见图 6。但是,一些报道显示高浓度的蔗糖或甘油对微生物在高压下的变性失活也有保护作用。耐压保护剂的作用机理是:多元醇类多是强亲水性物质,它可以改变蛋白质和溶剂水的界面作用,使蛋白质内部的疏水

24、作用增强,从而使蛋白质的结构更加紧凑,提高了其对高压和热的稳定性。图 5 高压处理对乳中 NCP 及可溶性-L g 含量的影响 NCP;-Lg2.6 对乳中免疫球蛋白的影响对乳中免疫球蛋白的影响 高压处理对乳中生物活性物质的影响目前研究尚少。张和平等 10 对高压下免疫球蛋白的活性变化进行研究发现:在 10%的脱脂乳中,牛乳 Ig G 在500 M Pa 时开始变性失活,而在 p H 值为 7.0 的磷酸缓冲液中,400 M Pa 的压力就可以使牛乳 Ig G 部分失活。Ig G 在脱脂乳和磷酸缓冲液中表现出不同的耐压性说明乳中的其他成分,如蛋白质和乳糖等对Ig G 在高压下的稳定性具有一定的

25、保护效果。2.7 超高压处理对乳中可溶性超高压处理对乳中可溶性 Ca,P 的影响的影响 脱脂乳经高压处理后乳中可溶性 Ca,P 的浓度图 6 牛乳 Ig G 在不同浓度蔗糖的磷酸缓冲液及会相应发生变化:在 0250 M Pa 范围内,乳中可溶不同压力下的活性变化性 Ca,P 的浓度增加比较显著(分别为约 20 和 25 200 MPa;400 MPa;500 MPa;700 MPamg/kg);而在250 600 M Pa范围内,可溶性 Ca,P2SH 和 17 个2S2S2键,高压处理尚不能蓄积足够的能、。中 国 乳 品 工 业 第 27 卷第 5 期2.5 对乳清蛋白成分和含量的影响对乳清

26、蛋白成分和含量的影响高压处理会降低脱脂乳中非酪蛋白蛋白(No-Cascein Protein,NCP)的含量,并且主要是降低 -L g 的含量(见图 5),-乳白蛋白(-Lactobumin,L b)的含量在高压处理过程中变化很小(低于 5%)。Nakamura T 等 9 在研究处理 10%的乳清浓缩物时也发现同样的现象。-L g 和 L b 对高压处理的反的浓度几乎不再变化,但温度的影响不显著。由于高压处理后乳中可溶性 Ca,P 浓度变化的趋势极其相似,而且高压处理后游离酪蛋白的浓度没有变化,所以 Gaucheron F 等 2 认为增加的 Ca,P 来自胶体磷酸钙,而与游离的酪蛋白无关。

27、2.8 多元醇类对乳中蛋白质的耐压保护作用多元醇类对乳中蛋白质的耐压保护作用多元醇类,包括一些单糖和双糖类,能够在一定L b 比 -L g 在结构上更稳定,从而具有更高的耐 梨醇可使球蛋白的热变性温度提高 3 17 ;De压能力。Wit 和 Klarenbeek(1981)发现较低浓度多元醇类乳清中另一主要蛋白成分牛血清白蛋白(BSA)(约 5%的葡萄糖 乳糖或山梨醇)使 10%的-L g对 高压处理非常稳定 由于BSA 分子中含有一个 (p H=6.7)溶液的 Tmax(最大吸收峰温度)升高了 1 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Lt

28、d.All rights reserved.25、unfolding and aggregation of-lactoglobulin and t he baro27 Silva J L.Pressure dissociation and conformation drift of t he-dimer tryptop han synt hase J .J Biol Chem ,1989,2264:15 86315 868另外,Desobry-Banon S 等 3 还发现高压(200on t he hydrolysis of -lactoglobulin B by trypsin,t her

29、29 乳的凝胶强度增强。genic whey protein hydrolysates by enzymatic hydrolysis anddenaturation wit h high pressure J .Milchwissenschaft,1993,48:14114510 张和平.高压下牛乳 Ig G 的变性及蔗糖的稳定化作用.第三届利乐杯青年乳业科技工作者论文集 C,1998,2123tats dmiquesJ .Lait,1991,71:42343411 Nakamuraultreefiltretion.Coagulation pressure Traitements reten

30、21999 年 10 月 超高压杀菌处理对乳品质的影响3 超高压处理对脱脂乳物化和凝乳特超高压处理对脱脂乳物化和凝乳特性的影响性的影响参考文献参考文献3.1 超高压处理后脱脂乳亮度超高压处理后脱脂乳亮度 浊度及粘度的变化浊度及粘度的变化众所周知,脱脂乳的亮度和浊度与乳中蛋白颗粒直径的关系符合 Rayleigh 公式(光散射与颗粒直径的 6 次方呈正比),脱脂乳的动力粘度与乳中总蛋白体积比有关(Eilcr 关系式),故与蛋白颗粒的直径有直接的关系。从前面的论述可知,高压处理使乳中蛋白颗粒直径发生变化,故必然也会影响到脱脂乳的亮度 浊度和粘度性质,高压处理后脱脂乳的上述性质与压力的关系如图 1 所

31、示。从图 1 可以看出,压力对脱脂乳的亮度 浊度和动力粘度的影响规律和压力对蛋白颗粒直径的影响规律是相同的。3.2 高压处理对脱脂乳凝乳特性的影响高压处理对脱脂乳凝乳特性的影响Desobry-Banon S 等 3 和 Shibauchi Y 等 12 分别用脱脂乳 原乳和再制乳为原料,研究高压处理后1 陈祥奎.超高压杀菌新技术 J .食品与发酵工业,1995(4):69792 Gaucheron F.Combined effects of temperature and high-pressure treatment on p hysicochemical characteristics o

32、fskim milkJ .Food Chemistry,1997,59(3):4394473 Desogry-Banon S,Richard F,Hardy J.Study of acid andrennet coagulation of high pressured milk J .J Dairy Sci ,1994,77:3 2673 2744 Hayakawa I,et al.Denaturation of bovine serum albumin(BSA)and ovalbumin by high pressure,heat and chemicalsJ .J Food Sci,199

33、2,57:2882925 Anena S G,Creamer L K.Effects of t he A and B variants ofbot hs1 -and -casein micelle solvation and -caseincontent J .J Dairy Res,1993,60:5055166 Dumay E M,Kalichevsky M T,Chefel J C.High-pressure其凝乳酶凝乳特性的变化,结果发现,当处理压力大于 150 M Pa 后凝乳酶凝乳的时间急剧缩短;至 230 protective effects of sucrose J .J Ag

34、ric Food Chem,1994,M Pa 时,凝乳时间由原来的 145 s 降至 122 s;150 42:1 8611 868M Pa 以下压力处理对凝乳时间没有影响;在 230 670 M Pa 范围内,凝乳时间仅由 122 s 降至 112 s,下降幅度不大,见图 7。8 Henrik Stapelfeldt,et al.Effect of high hydrostatic pressureM Pa 和 240 M Pa)处理使脱脂乳酸凝乳的起始 p Hmolysin and pepsinJ .J Dairy Res,1996,63:111118值由 5.0 升至 5.3,而且经高压处理脱脂乳的酸凝12 Shibauchi Y.Conformational change of casein micelles byhigh pressure treament.In:Balny C eds.High Pressure andBiotechnology M .INSERM.John Libbeey EurotextLtd.,1992.239242图 7 不同压力处理后的脱脂乳在 35 时的凝乳时间 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.