河 北 工 业 科 技
第19卷 第2期 第21页H EBE I JOU RNAL O F I NDU STR I AL V o l.19 N o.2 P.21总第72期 2002年SC IEN CE&T ECHNOLO GY Sum72 2002口红管
文章编号:100821534(2002)022*******
赵立川1，唐玉德2，祁振强3
(11河北科技大学后勤集团，河北石家庄,050018;21甘肃工业大学，甘肃兰州 730050;
31哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要：介绍了超高压食品加工技术的发展历史、技术优势及应用机理，就该项技术的关键——超高压设备的研制现状、结构特点和设计方法进行了论述，并对其应用前景进行了 展望。关键词
：高压容器；食品加工；技术
中图分类号:T S21013 文献标识码:A
随着科技的进步，超高压食品加工技术以其领先的技术特性、良好的经济效益和社会效益已经在实际生产中得到了迅速的发展。利用超高压技术加工食品，有效地克服了传统的热加工法处理食品所带来的种种弊端，在满足能源问题、化学污染问题和社会对高质量食品的需求等方面充分体现出了其自身价值。经超高压处理后的食品在完成杀菌的同时，较好地保持了原有的营养成分，而且加工后的食品口感佳、泽鲜艳、保质期延长，超高压食品加工过程的能耗也较传统的工艺有着很大程度地降低。该加工方法在国际上已得到了学术界和工业界的广泛关注。[1]
1 超高压技术的发展[1,2]
随着现代高压物理的诞生和发展，国外于20世纪80年代末出现了食品的超高压加工技术。追溯起历史，超高压食品(简称“高压食品”)的研究几乎与现代高压技术的发展同步。1899
收稿日期:2000210210；责任编辑：张 军
作者简介：赵立川(19732)，男，河北省隆尧县人，政工师。年，美国化学家B ert H ite首次发现了450M Pa 的高压能延长牛乳的保藏期，以后相继有很多报道证实了高压对各种食品和饮料的杀菌效果，
而公认的开创现代高压技术先河的却是美国物理学家P1W1B ridgem an，他在1906年开始对固体压缩性、熔化现象、力学性质、相变、电阻变化和液体、粘度等宏观物理行为的高压效应进行了系统的研究，并于1914年又提出了静水压下卵白变硬和蛋白质变性、凝固的报告。但是限于当时的条件，如高压设备、包装材料的开发研制以及产品的市场需求和有关的技术原因等，这些研究成果并未引起足够的重视，在实际生产中也未得到推广和应用。而在同一时期，高压技术在聚态物理上的研究和在化工及冶金工业上的应用得到了迅速的发展。
20世纪80年代末，人们又重新开始考虑高压技术在食品行业中的应用价值，很多国家投入了大量的人力、物力、财力，开展高压食品的研究和应用。日本在此方面走在了世界的前列，是最先将高压技术运用到食品工业的国家。1986年，日本京都大学的林力丸教授率先开展了高压食品的实验，引起了日本工业界的浓厚
兴趣，日本国内的很多学者，如小川浩史、昌子有、崛江耀、松本正等人也纷纷开展了与此有关的实验研究工作。
1991年4月世界上第一号高压食品——果酱(七个风味系列)问世，并在日本取得良好的试售效果，引起了整个日本国内的轰动，被人们誉为21世纪食品。目前日本在超高压食品加工方面仍居国际领先水平，而德、美、英、法等欧美国家也先后对高压食品的加工原理、方法及应用前景开展了广泛的研究，并取得了不少成果。
信号采集我国对高压食品的研究与认识早在20世纪70年代中期便已开始，但由于科研单位对此投入力量不足，有关部门对此的重视程度不够，生产厂家也仅满足于一知半解，从而使我国消费者对高压食品的认识普遍存在一个误区：高压食品即爆米花一类的产品是仅用于哄孩子玩的一种儿童食品。而设备引进的厂家在对国外设备的消化吸收上也存在着差距，这就使设备的性能低于其应有的实际水平，这也影响了产品的进一步开发。近年来，我国系统阐述和专题研讨高压食品的论文相继发表，引起了食品业界和众多相关学科人士的关注。杭州商学院、兵器工业部第五二研究所、华南理工大学等先后成立了课题组，在高压食品科学、高压食品开发和高压装置的设计、试制方面正努力探索，并已取得了一些阶段性成果。
2 超高压技术及其机理
2.1 超高压技术的概念及应用的基本原理
所谓食品的超高压处理技术，就是将食品放入压媒(如水等)中，使用100～1000M Pa的压力，在常温或较低温度下对食品保持一定的作用时间，从而达到灭菌、物料改性和改变食品中成分的某些理化反应速度的效果。
根据L e Chatelier定律，外部高压会使受压系统的体积减小(即∃V(0,∃V=产物的体积-反应物的体积)，反之亦然成立。因此食品的加压处理会使食品成分中发生的理化反应向着最大压缩状态的方向进行，
反应速度常数k 的增加或减小则取决于反应的“活性体积”(∃V3=反应复合物体积-反应物体积)是正还是负。以水为例，当水溶液被压缩时，压缩能量E=2 5×P×C×V0(其中P为外部压力;C为溶液的压缩常数;V0为体积的初试值)。在压力为400M Pa下,1升水的压缩能量为19.2 KJ，这与一升水从20℃升至25℃时所吸收的20.9KJ的热量大致相当。再根据帕斯卡定律，外加在液体上的压力可以在瞬时以同样的大小传递到系统的各个部分，故而如果对液体在外部施以高压的话，将会改变液态物质的某些物理性质。仍旧以水为例，对其在外部施压，当压力达到200M Pa时，水的冰点将降至-20℃；把室温下的水加压至100M Pa，将会使其体积减少19%;30℃的水经快速加压至400M Pa 时将会产生12℃的温升。
同样，食品的高压处理过程中，高压也会改变食品中某些生物高分子物质的空间结构，使生物材料发生某些不可逆的变化。研究发现，食品在液体中，加压100～1000M Pa，并保持一定的作用时间之后食品中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质将分别失活、变性和糊化，对食品达到了杀死其中细菌等微生物的灭菌目的。上升过程是一个纯物理过程，它与传统的食品加热处理工艺机理完全不同。当食品物料在液体介质中体积被压缩之后，形成高分子物质立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键即发生变化，结果导致蛋白质、淀粉等发生变性，酶失去活性，细菌等微生物被杀死。但在此过程中，高压对形成蛋白质等高分子物质以及维生素、素和风味物质等低分子物质的共价键无任何影响，故此高压食品很好地保持了原有的营养价值、泽和天然风味，这一特点正好迎合了现代人类返朴归真、崇尚自然、追求天然低加工食品的消费心理。
2.2 超高压食品的技术优势
相比于传统的食品加工工艺，高压食品加工有着其独具特的优点。
1)经高压处理的食品，最大程度地保持了
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其原有的营养成分，并容易被人体消化吸收。传统的加热方式，甚至是高温短时(H T ST)的挤压膨化过程，均伴随有一个食品在较高温度下受热的过程，都会对食品中的营养成分有不同程度的破坏。M uelenaere和H arp er曾经报告称，在一般的加热处理或热力杀菌后，食品中维生素C的保留率不到40%，即使挤压加工过程也只是有大约70%的维生素C被保留。而超高压食品加工是在常温或较低温度下进行的，它对维生素C的保留率可高达96%以上，从而将营养成分的损失程度降到了最低。
此外，李汴生等人[3]通过对超高压处理的豆浆凝胶特性的研究发现，高压处理会使豆浆中蛋白质颗粒解聚变小，从而更便于人体的消化吸收。
2)经过超高压处理的食品无“回生”现象，杀菌效果良好，便于长期保存。
以食品中的淀粉为例，传统的热加工或蒸煮加工方法处理后的谷物食品中糊化后的淀粉，在保存期内，
会慢慢失水，淀粉分子之间会重新形成氢键而相互结合在一起，由糊化后的无序分子排布状态重新变为有序的分子排布状态，即Α2淀粉Β化(即俗称的“回生”现象)。而超高压处理后的食品中的淀粉属于压致糊化，不存在热致糊化后的老化、“回生”现象。与此同时，食品中的其他组分的分子在经一定的高压作用之后，也同样会发生一些不可逆的变化。
超高压技术的应用现以杀菌为主，其杀菌的效果已完全被食品业界所肯定。
3)超高压食品在最大程度地保持其原有营养成分不变的同时，感官特性有了较大的改善。
超高压会使食品组分间的美拉德反应速度减缓，多酚反应速度加快，而食品的粘度均匀性及结构等特性变化较为敏感，这将在很大程度上改变食品的口感及感官特性，消除传统的热加工工艺所带来的变发黄及热臭性等弊端。并且当人们食用前在加热时，会获得高质量原有风味的食物。该特点也是超高压技术最突出的优势所在。
4)超高压食品加工技术适用范围广，具有很好的开发推广前景。
超高压技术不仅被应用于各种食品的杀菌，而且在植物蛋白的组织化、淀粉的糊化、肉类品质的改善、动物蛋白的变性处理、乳产品的加工处理以及发酵工业中酒类的催陈[4]等领域均已有了成功而广泛的应用，并以其独特的领先优势在食品各领域中保持了良好的发展势头。
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5)利用超高压处理技术，原料的利用率高，无“三废”。
超高压处理过程是一个纯物理过程，瞬间压缩，作用均匀，操作安全、耗能低，有利于生态环境的保护和可持续发展战略的推进。该过程从原料到产品的生产周期短，生产工艺简洁，污染机会相对减少，产品的卫生水平高。
此外，超高压处理后的食品物料的各种理化指标将不同于其他加工方法处理的食品，从而可以期待获取具有新物性的食品。
213 超高压技术对食品品质影响的机理
2.3.1 超高压对食品微生物活性的影响
高压将对食品中微生物的活性产生很大的影响，这正是超高压技术广泛应用于杀菌的重要原因。食品中存在大量的细菌、霉菌、酵母菌等微生物，其中有些会导致食品的腐坏、变质，或引起食物中毒。Chong等[5]发现，在高压下，细胞膜磷脂分子的横切面减小，细胞膜双层结构的体积随之降低，细胞膜的通透性将被改变。超高压杀菌正是通过高压破坏其细胞膜，抑制酶的活性和DNA等遗传物质的复制来实现的。影响高压杀菌的主要因素有压力的大小及受压时间、温度、PH值、食品成分等[6]。林立丸(1993年)曾对受压值及受压时间的组合作出相关假设，陈祥奎、陈迎春[7,8]等也对各因素的影响作用作了较为深入的研究。
2.3.2 超高压对蛋白质和酶的影响[9]
生物学的研究表明：在蛋白质的四级结构中，二级结构是由肽链内和肽链间的氢键来维持的，而超高压的作用有利于氢键的形成。故而超高压对蛋白质一级结构无影响，有利于二级
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天文圆顶 第2期 赵立川等 超高压食品加工及其装置
结构的稳定，但会破坏其三级和四级结构，迫使蛋白质的原始结构伸展，从而导致蛋白质的变性，使其可消化性变好。
酶也是蛋白质的一种，但其压致失活的根本机制在于高压将改变分子的内部结构并使其活性部位上的构象发生变化。酶受到高压作用后，维持其空间结构的盐键、氢键、疏水键等遭到破坏，从而使肽键分子伸展成不规则的线形多肽，则其活性部位不复存在，导致了酶的失活。并且，一般来讲，只有处理压力达到350 M Pa以上时，才会使酶产生永久性的不可逆失活，否则在压力撤除之后会有酶的再生现象发生。此外，值得注意的是高压固然对一些酶的活性起到了抑制作用，但对某些酶却起到了相反的激活作用。
2.3.3 超高压对淀粉的影响
在常温下把淀粉加压到400～600M Pa，并保持一定的作用时间后，淀粉颗粒将会溶胀分裂，内部有序态分子间的氢键断裂，分散成无序的状态，即淀粉糊化为Α2淀粉，并呈不透明的粘稠糊状物。研究还发现，超高压所致完全糊化的淀粉无老化现象，而超高压所致的未完全糊化的淀粉有老化现象，且低于700M Pa的压力不足以使淀粉产生类似热加工的变。
2.3.4 超高压对脂类、风味物质、维生素、素等的影响全桥整流
李汴生等人[3]研究发现，超高压处理后，豆浆中的脂肪球将会增大，从而豆浆的粘度降低。但陈迎春、杨巧绒等[8]指出，脂类的耐压能力较低，通常100～200M Pa即基本使其固化，不过解压后其仍会复原，只是对油脂的氧化有一定的影响。如前所述食品中的风味物质、维生素、素及各种小分子物质结合状态为共价键的形式，故而高压处理过程对其几乎没有任何影响。
3 超高压食品加工装置
目前，除少数高压食品已投入商品生产外，高压技术在食品方面应用的基础研究和产品开发方兴未艾。性能完备的超高压食品加工装置是深入研究开发的关键所在，而降低其昂贵的造价则更直接关系到高压食品能否实现其最终的产业化。现如今日本在超高压食品加工方面仍旧居国际领先地位，其他发达国家在高压加工装置(通用型和专用型的设备)的定型化、标准化、实现批量生产等方面也取得了一些新的成就，如美国的W enger公司、日本的明治屋食品公司等就都拥有各自的特产品。
311 超高压食品加工装置的结构特点
目前国外常见的高压食品加工装置的主体部分，即其加压装置是由高压容器和压力发生器(或称加减压系统)两大部分组成，高压容器是整个装置的核心，它承受的操作压力可高达数百甚至上千M Pa，对其技术要求也较高。而压力发生器的加压方式又分为外部加压式和内部加压式两种。
结合食品工业的行业特，人们发现高压食品加工装置的特点是，承受很高的操作压力(150M Pa～1000M Pa)，循环载荷次数多(连续工作，通常为215次 h)。因此，高压容器及其密封结构的设计必须正确合理地选用材料，保证其足够的力学强度，高的断裂韧性，低的回火脆性和时效脆性，一定的抗应力腐蚀及腐蚀疲劳性能。鉴于食品加工工业中的特殊要求，即要有一定的处理能力和较短的单位生产时间，有效保证产品的高质量要求，故而要设法缩短生产附加时间(如密封装置的开启时间)，把装置设计成便于快装快卸操作的轻便形式。
312 超高压食品加工装置的设计
我国在超高压容器设计方面尚无十分完善的标准，因而给设计工作带来一定的难度，目前我国尚未研制出食品高压处理的专用装置。浙江工业大学的刘红等人[10]用有限元应力分析计算的方法，对高压食品加工装置的设计进行了探索研究。
31211 高压容器筒体的强度与疲劳设计高压容器的操作压力高达数百M Pa，从而使筒体的应力远远超过了材料的许用应力，因而仅仅依靠材料本身是无法满足其强度要求的。再者，高压筒体制造困难且价格昂贵，探求
42河 北 工 业 科 技 第19卷
其合理的轻形化结构也有着很重要的经济意义。鉴于以上两点，人们设法从结构上寻突破口。
高压容器多为圆筒形，可考虑采用如下的多层结构[2]:
1)多层热套结构，即将钢板卷焊成圆筒，套合面经机加工控制为相邻层之间呈过盈配合，而后通过热套加工工艺复合。经冷却收缩后，在内筒承受压力，外筒承受拉力。而且内层材质选用高强度的不锈钢以保证强度要求，其余各层均选用碳钢以降低造价，这样既达到了提高承压能力的目的，又抵抗较高的循环交变载荷且保证了结构的轻型化。
2)绕带式结构，即在整体锻造经热处理、机加工而成的单层结构高压容器上以钢带缠绕。此法较好地改善了多层热套结构中焊接热套技术要求高，各层预应力精度不易控制的缺憾，并进一步使结构轻型化。
3)缠绕式结构，即在加工好的单层结构高
压筒体上用高强度钢丝一圈圈、一层层地缠绕而成。此种结构的端盖及密封结构设计相对较为容易，也较前两者进一步改善了筒体的应力分布状态，延长了筒体的疲劳寿命，但它需借助移动式纵向承压框架支撑以承受轴向力的作用。cslg
3121
2 超高压装置压力发生器的设计[11,12]
超高压装置的压力发生器，即加减压系统，在容器内产生高压基本有两种方式：一是外部加压式，即液压装置与高压容器分开，压媒经配管送入高压容器内产生高压；二是内部加压式，即以活塞直接加压或由液压装置推动活塞压缩高压容器内压媒产生高压。
根据液压装置与高压容器的连接形式又可分为分体型和一体型两种。前者的高压容器顶盖兼具活塞功能，后者的液压装置与高压容器经高压活塞连成一体。两种加压方式如图1所示。
external p ressure style internal p ressure style internal p ressure style
12cop ing ;22h igh p ressure container ;32receive p ressure fram ewo rk ;42a flum e fo r coal ;
52h igh p ressure crock ;62a valve fo r changing directi on ;72fluid p ressure pump ;82fuel tank;92fluid p ressure crock;102low p ressure p iston;112cop ing of p iston
122h igh p ressure p iston
外部加压式 内部加压式(分体型) 内部加压式(一体型)
1—顶盖 2—高压容器 3—承压框架 4—压媒槽 5—高压缸(增压缸) 6—换向阀7—液压泵 8—油箱 9—液压缸 10—低压活塞 11—活塞顶盖 12—高压活塞
图1 高压装置的两种加压方式
F ig .1 Tw o k inds of comp ressi on style of h igh 2p ressu re in stallati on
不同加压方式的特征对比如表1所示。
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2 第2期 赵立川等 超高压食品加工及其装置
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