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超高压灭菌技术

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  食品超高压灭菌技术(high pressure processing, HPP)就是在密闭的超高压容器内,用水作为介质对软包装食品等物料施以400~600MPa的压力或用高级液压油施加以100~1000MPa的压力。从而杀死其中几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌,而且不会像高温杀菌那样造成营养成分破坏和风味变化。

  超高压灭菌技术(ultra—high pressure processing )简称UHP,又称超高压技术(ultra-high pressure,UHP),高静压技术(high hydrostatic pressure ,HHP),或高压食品加工技术(high pressure processing,HPP)

  食品超高压灭菌就是在密闭的超高压容器内,用水作为介质对软包装食品等物料施以400~600MPa的压力或用高级液压油施加以100~1000map的压力。从而杀死其中几乎所有的细菌霉菌酵母菌,而且不会像高温杀菌那样造成营养成分破坏和风味变化。超高压灭菌的机理是通过破坏菌体蛋白中的非共价键,使蛋白质高级结构破坏,从而导致蛋白质凝固及酶失活。超高压还可造成菌体细胞膜破裂,使菌体内化学组分产生外流等多种细胞损伤, 这些因素综合作用导致了微生物死日本超高压食品高等静压技术在食品保藏中的应用研究最早是由Bert Hite在1899年提出的,Bert Hite首次发现450MPa的高压能延长牛奶的保存期,他和他的同事做了大量研究工作,证实了高压对多种食品及饮料的灭菌效果。这以后,有关HHP技术的研究一直没有间断,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HHP装备、技术和理论的研究才得到了突破与发展,20 世纪90 年代由日本明治屋食品公司首先实现了HHP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、公司和研究机构也相继加快了对HHP技术的研究。它同加热杀菌一样,经100MPa 以上超高压处理后的食品,可以杀死其中大部分或全部的微生物钝化酶的活性,从而达到保藏食品的目的,它是一个物理过程,在食品加工过程中主要是利用Le Chace-lier 原理和帕斯卡原理。

  通常情况液体或气体压力在0.1mpa~1.6mpa称为低压,1.6mpa~10mpa称为中压,10~100MPa称为高压,100MPa以上称为超高压.本文阐述的HPP技术的压力通常在100~1000MPa.

  HHP技术作为新兴技术应用于食品保藏,主要机理是能够使微生物细胞膜和细胞壁损伤、改变细胞形态、影响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;同时,HHP能够有效或部分钝化食品中的内源酶。该技术的主要优点,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杀死致病菌和腐败菌,从而保障食品的安全、延长食品的货架期;其次,HHP作为一种非热加工手段,在杀菌过程中没有温度的剧烈变化,不会破坏共价键,对小分子物质影响较小,能较好的保持食品原有的色、香、味以及功能与营养成份。

  细菌结构不同微生物对HHP技术敏感性是不同的,酵母、霉菌容易在较低的压力下被杀灭,细菌营养体(vegetative cell)则需要较高的压力,而细菌胞子很难杀死。目前HHP技术主要应用于高酸性食品。由于高压高温协同效应能够杀死细菌胞子,近年来高压高温工艺(high pressure high temperature, HPHT)研究引起了广泛关注。最近,美国NCFST(National center for food safety and technology)成功开发了PATS(pressure-assisted thermal sterilization)工艺, PATS工艺与传统高温杀菌工艺相比,大幅缩短杀菌时间,提高了低酸性食品品质。因此,HHP技术在低酸性食品的应用会不断增加。 超高压技术不仅能杀灭微生物,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。超高压技术采用液态介质进行处理,易实现杀菌均匀、瞬时、高效。 但是,UHP技术对杀灭芽孢效果似乎不太理想,在绿茶茶汤中接种耐热细菌芽孢后,采用室温和400MPa静水高压处理,不能杀灭这些芽孢。另一方面,由于糖和盐对微生物的保护作用,在粘度非常大的高浓度糖溶液中,超高压灭菌效果并不明显。由于处理过程压力很高,食品中压敏性成分会受到不同程度的破坏。其过高的压力使得能耗增加,对设备要求过高。而且,超高压装置初期投入成本比较高,

  一般食品工厂不利于工业化推广细菌的三种形态。 另外,超高压灭菌一般采用水作为为压力介质,当压力超过600MPa时,水会出现临界冰的现象,因而只能使用油等其他物质作为压力介质。超高压灭菌的效果受多种因素的影响,如微生物种类、细胞形态、温度、时间、压力大小等。

  一般而言,压力越高杀菌效果越好。但在相同压力下延长受压时间并不一定能提高灭菌效果。在400~600 MPa的压力下,可以杀死细菌、酵母菌、霉菌,避免了一般高温杀菌带来的不良变化,超高压冷杀菌技术的先进性是高压、常温灭菌,采用该项技术对食品进行处理后,不但具备高效杀菌性,而且能完好保留食品中的营养成分,食品口感佳,色泽天然,安全性高,保质期长,这是传统高温热力杀菌方法所不具有的优点。

  目前,国外超高压灭菌已在果蔬酸奶果酱乳制品水产品蛋制品等生产中有了一定的应用。在每cm2的肉食上施加大约6t重的压力进行高压灭菌。结果,其味跟原来一样,色泽也比原先更好看。日本明治屋食品公司将草莓、苹果和猕猴桃等果酱经软包装后在400~600MPa、10~30min条件下灭菌,产品的色泽和风味不变,并保持了水果原有的口感,VC的保留率较高。超高压技术和其它技术相结合,能更有效杀灭微生物,破坏酶,延长货架寿命。利用高压CO2和高压技术相结合方法处理胡萝卜汁,使用4.9MPaCO2和300MPa高静水压结合处理,可使需氧菌完全失活,多酚氧化酶脂肪氧化酶果胶甲酯酶残留活性分别低于11.3%、8.3%、35.1%。

  是通过由液压推动的超高压倍增器(超高压泵)将水或油以超高压的形态打入密闭的容器内。

  工业化推广的超高压灭菌设备压力是100- 600mpa 超高压容器介质为水,部分实验型的可也达到1000mpa或更高,高压腔工作介质是油。国外超高压食品处理设备的研究开发较早,国际上知名的超高压加工设备制造企业有美国Avure和西班牙NC Hyperbaric公司。目前能够生产实验室研究用或生产用的HHP设备的公司主要有美国Avure Technologies公司、Elmhurst Research公司,英国Stansted公司,西班牙NC Hyperbaric公司,法国Alstom公司,

  日本Kobelco公司、Mitsubishi公司、Ishikawajima-harima公司,荷兰Stork FoodDairy Systems B.V.公司,瑞典ABB公司和德国Uhde等。

  当时瑞典的 ASEA 是第一家将 Battelle Memorial Institute(俄亥俄州哥伦布市)提出的等静压技术实现商业化的公司。

  20 年之后,ASEA成为了ABB的一部分,而后者主要致力于等静压和钣金成型压机的市场开发。 1999 年,ABB 的高压事业部被美国 Flow International 收购。而 Flow 引领了高压技术在食品防腐市场的拓展应用,所用的品牌名称即为 Avure。 2005 年,Avure Technologies, Inc. 成为了私有的独立公司。 今天,所有四种品牌的压机都在全球各地的制造厂内正常运行着。

  美国Avure Technologies公司生产的设备最大容积为687L,西班牙NC Hyperbaric公司生产的设备最大容积为600L。

  通常表述如下内容:密闭液体上的压强,能够大小不变地向各个方向传递。 帕斯卡定律是流体力学中,由于液体的流动性,封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将大小不变地向各个方向传递。帕斯卡首先阐述了此定律。压强等于作用压力除以受力面积。根据帕斯卡定律,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强仍然相等。 这一定律是法国数学家、物理学家、哲学家布莱士·帕斯卡首先提出的。这个定律在生产技术中有很重要的应用,液压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途,如液压制动等。帕斯卡还发现静止流体中任一点的压强各向相等,即该点在通过它的所有平面上的压强都相等。这一事实也称作帕斯卡原理。 可用公式表示为: F1/S1=F2/S帕斯卡原理

  超高压水射流灭菌方法(西南交通大学药学院王盛民教授的发明专利,专利申请号:0.5),该方法是一种利用超高压水射流瞬态卸压的膨化作用而使微生物破碎的灭菌方法,在研究的压力范围100~350 MPa内的杀菌效果随着压力的升高而提高,取得了较好的效果,显示了该灭菌方法的可行性,为杀菌领域增添了一项新的杀菌技术。

  鉴于超高压技术在食品和医药卫生等领域中消毒杀菌的研究应用,超高压产品存在着巨大的潜在市场和广阔的发展空间。随着现代高科技的发展,研究的不断深入,超高压技术的应用必定会越来越高效、成本越来越低,应用的领域也会越来越广。

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