知识讲堂 | 微生物世界的压力革命：高压处理技术在食品工业中的微生物调控作用探析

来源：灰藻科技　　浏览量：385　　发布时间：2024-01-13 14:27:48

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关键词：#高压处理技术| #食品保藏| #微生物灭活 | #High-pressure Processing

| 引言

高压处理技术（High-pressure Processing，HPP）是一种现代化的食品加工手段，它利用超高压力环境在特定温度下对食品进行处理，以实现有效抑制和灭活微生物，提升食品安全性和延长食品保质期的目的。该技术基于科学原理调控微生物活性和化学反应过程，且能在保持食品原有品质与营养的同时，减少防腐剂使用，满足消费者对于健康食品的需求。本文将从HPP的工作机制、微生物敏感性差异、设备类型及其应用范围等方面详细介绍这项革新技术。

高压处理示意图

图1、高压处理（HPP）来源：https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/high-pressure-processing/en/what-is-hpp

| 高压处理（HPP）技术原理

高压加工技术（High-pressure processing，简称HPP）是一种新型食品保藏方法，它在特定温度区间内（可从零下几度至超过100摄氏度），对食品施加40至1000兆帕的压力，并保持一段时间（短则毫秒、长则几分钟），以达到微生物灭活或调整食品特性的目的。该技术也常常被称为高压静水压处理（High hydrostatic pressure，简称HHP）或超高压处理（Ultrahigh-pressure processing，简称UHP）。

基于勒夏特列（Le Chatelier）平衡原理：当一个处于平衡状态的系统受到压力作用时，系统将产生反应以抵消压力的影响。具体来说，在高压条件下，这种反应会导致系统体积减小，进而有效抑制微生物和酶的活性。

等静压处理是HPP技术的另一基本原则。该原则指出：在HPP过程中，食品会在全方位均匀受压的状态下被压缩，当解除这种高压后，食品会因其自身的弹性而恢复到原有的形态结构。

此外，高压处理对微生物活动、化学反应过程、生物化学反应途径以及酶的催化反应具有显著的调控作用，并且能够改变生物分子原有的功能属性。

高压处理原理

图2、高压处理（HPP）原理来源：https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/high-pressure-processing/en/what-is-hpp

| 高压处理（HPP）设备

根据压力产生模块的不同，高压处理技术主要有两种压缩装置类型：

1、直接压缩式HPP

这种设置通过液压驱动小直径活塞移动来产生压力，从而减小体积。其特点是快速压缩，但需要在活塞与内部容器表面之间采用高压动态密封技术。适用于实验室或中试规模的系统。

2、间接压缩式HPP

该压缩系统利用高压增压器将储罐中的压力泵送至封闭的高压容器内，以此实现所需压力。因其特点而适用于商业化大规模生产环境。

3、高压处理系统的主体组成部分包括：

（1）高压容器及其封闭系统

（2）压力施加系统

（3）加热与冷却系统

（4）物料输送系统

（5）数据生成系统；微处理器控制器

高压工艺系统的组件

图3、高压工艺系统的组件来源：https://microbenotes.com/high-pressure-processing-hpp/

| 高压对微生物的影响

1、不同类型的微生物对压力的敏感性各异，这体现在食物中毒菌或导致食物腐败的不同形态微生物上，包括营养体（繁殖体）和芽孢形态。

2、革兰氏阳性菌由于其细胞壁中含有大量的磷壁酸（又称甘氨酰胺酸），相对于革兰氏阴性菌具有更高的耐压性。

3、相较于营养体，芽孢形态的微生物对压力表现出更强的抵抗力。这是因为芽孢内部富含钙二磷酸肌醇酸，这种物质能够保护芽孢免受过度离子化的影响，从而在高压环境下保持生存能力。

高压对微生物致死率的影响

图4、压力对微生物致死率的影响来源：https://microbenotes.com/high-pressure-processing-hpp/

| 不同类型细菌与高压处理条件

表1、不同类型细菌与高压处理条件

序号	细菌	处理条件
1	营养体	400-600 Mpa
2	孢子体	超过1000 Mpa
3	葡萄球菌	超过500 Mpa，超过60分钟
4	大肠杆菌	405 Mpa下，6个对数周期减少，10分钟
5	酿酒酵母	405 Mpa下，超过6个对数周期减少，10分钟
6	蜡样芽孢杆菌孢子	超过800 Mpa
7	副溶血性弧菌	200 Mpa下，6个对数周期减少，20分钟
8	单核细胞增生李斯特菌	340 Mpa，20分钟

| 高压处理（HPP）的工作机制

1、食品准备：首先，将食品置于柔韧性包装材料（如塑料袋或瓶中）内并密封。推荐使用乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）和聚乙烯醇（PVOH）作为食品包装材料。

2、装载过程：将封装好的食品放置于充满压力传递流体的高压舱内。

3、预处理步骤：通过泵进行脱气操作，以确保食品在受压过程中无气体残留。

4、加压阶段：启动系统中的液压泵产生压力，并将压力维持在所需水平，对食品进行一定时长的高压处理。

5、卸载与储存：完成高压处理后，将产品从设备中取出，并按照适宜条件妥善储存。

| 高压处理参数与系统类型

1、处理参数

（1）操作成本取决于暴露时间、处理温度和压力水平。具体的压力范围根据食品的水分活度及种类进行调整。

（2）低温高压杀菌（HP冷巴氏杀菌或HP-LT）主要针对营养体形式的致病菌进行失活。

（3）高压辅助巴氏杀菌和高压辅助灭菌技术则旨在对低酸性食品进行灭菌，并对细菌芽孢进行失活。

（4）在高压容器内的保持时间，会依据食品基质类型和处理温度的不同而有所差异。

（5）优化高压处理工艺直接关系到目标消除的致病菌和腐败菌种。

（6）实际应用中，高压处理可采用批处理或半连续模式运行。在批处理过程中，预包装食品被装入处理容器内；而在半连续处理模式下，则使用可泵送的产品进行加工。

（7）工业级高压处理通常采用批处理方式运作。

水分活度和食品类型

图5、水分活度和食品类型来源：https://microbenotes.com/high-pressure-processing-hpp/

加工温度

图6、加工温度来源：https://microbenotes.com/high-pressure-processing-hpp/

2、高压处理系统按照布局方向分为两大类：

（1）横向高压处理系统

（2）竖直高压处理系统

| 高压处理（HPP）的应用范围

1、病原体灭活：通过高压处理技术可以有效杀灭食品中的病原微生物，提升食品安全性。

2、保质期延长：该技术能够显著延缓食品变质速度，增强食品的稳定性和储存期限。

3、新鲜创新型产品开发：利用HPP可生产出既保持原有新鲜品质又具有新颖特性的新型食品。

4、提高水产品产量：在贝类、虾蟹等水产品的加工中，高压处理能提高其出品率和利用率。

5、减盐产品制备：有助于减少食品中钠含量，从而制造更健康的低钠产品。

6、无添加标签产品：因高压处理对食品的物理杀菌作用，使得产品无需使用化学防腐剂，有利于实现“清洁标签”诉求。

7、方便快捷：经过高压处理的产品，在保证食品安全及品质的同时，也方便消费者快速便捷地享用。

表2、高压加工（HPP）的应用

序号	食品	处理条件	包装
1	果酱，果酱，果冻，酸奶	400 Mpa，20ºC，10-30 分钟	塑料杯
2	葡萄柚汁	120-400 Mpa，20ºC，2-20 分钟	玻璃瓶
3	热带水果	50-200 Mpa	纸杯
4	牛肉	100-250 Mpa，20ºC，30分钟到几小时	无
5	年糕	400 Mpa，45-70ºC，10 分钟	无

| 总结

高压处理技术（HPP）通过精确控制压力、时间和温度参数，有效针对不同类型细菌和芽孢，实现病原体灭活和腐败菌控制。在保持食品新鲜度、营养成分和口感的同时，显著增强食品稳定性、延长保质期，并助力开发低钠、无添加标签的新鲜创新型产品。其广泛应用涵盖了从肉类、果汁到年糕等多种食品类别，革新了传统加工方式，成为现代食品工业提高食品安全性和满足消费者对清洁标签需求的重要工具。