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超高壓技術在現(xiàn)代殺菌領域的應用
殺菌技術是人類發(fā)明的一項重要的應用技術，它廣泛應用于醫(yī)藥衛(wèi)生、工業(yè)和農業(yè)等行業(yè)，在減少人類遭受病菌折磨、防止食品腐敗、延長物品使用和保存期限等方面起著巨大的作用。
超高壓殺菌技術作為一種新型的冷殺菌技術，在我國的研究起步較晚。該技術屬于物理殺菌技術，包括靜態(tài)殺菌和動態(tài)殺菌，靜態(tài)殺菌即超高靜壓殺菌，動態(tài)殺菌也稱瞬時高壓殺菌，目前研究較多的是超高壓均質殺菌技術。本文論述了超高壓技術在現(xiàn)代殺菌領域的研究現(xiàn)狀，對超高靜壓殺菌和超高壓均質殺菌作了比較，并介紹了一種新型的瞬時高壓殺菌方法——超高壓水射流滅菌方法，旨在推進我國超高壓技術在現(xiàn)代殺菌領域的研究應用。
1 超高靜壓殺菌技術
1.1 超高靜壓殺菌的基本原理及特點超高靜壓殺菌是將100～1 000 MPa的靜態(tài)液體壓力施加于食品、生物制品等物料上并保持一定的時間，起到殺菌、破壞酶等作用。處理過程中的物料可以是包裝的或未包裝的，通常采用能夠傳遞壓力的柔性材料密封包裝，一般在常溫下進行。
超高靜壓可改變微生物的細胞形態(tài)結構，使微生物體積減小，影響細胞的形態(tài)，使分化減慢；超高靜壓破壞了微生物細胞膜和細胞壁，使受壓的細胞膜表現(xiàn)出通透性的變化，發(fā)生功能障礙，導致細胞內容物流失，可使細胞壁遭到不同程度的破壞；超高靜壓抑制了微生物的生化反應，壓力改變了細胞內的物理化學平衡，阻遏了細胞的新陳代謝過程，細胞分裂減慢，導致微生物生長滯后，甚至停止；超高靜壓影響DNA復制，壓力直接影響著微生物的遺傳與變異，影響基因表達和蛋白質的合成；超高靜壓鈍化酶的活性，破壞酶分子內部結構，使活性部位上的構象發(fā)生變化，致使主要酶類變性失活［1］。
1.2 超高靜壓殺菌的研究現(xiàn)狀
1.2.1 在乳制產品中的研究鮑志英研究了超高壓對牛乳的殺菌效果，結果表明，500 MPa處理20 min，大腸埃希氏菌致死率為99.998 1%，豬霍亂沙門氏菌豬霍亂亞種致死率為99.999 4%（2004年內蒙古農業(yè)大學碩士論文集）。
田曉琴等［2］研究鮮牛奶時發(fā)現(xiàn)，在200～500 MPa時，隨著壓力的升高，殺菌效果直線上升；在500～600 MPa時，壓力升高，殺菌效果增幅不明顯。超高壓處理鮮牛奶的最優(yōu)工藝是500 MPa下處理30 min。
多數(shù)對牛乳的研究證實，100～600 MPa作用5～10 min可殺滅一般細菌和酵母菌，但孢子有一定耐受性，當壓力達600 MPa并結合一定的溫度處理15～20 min可完全殺菌［3］。
1.2.2 在果類制品中的研究趙玉生等［4］對獼猴桃汁的超高壓殺菌效果研究表明，在100～400 MPa時，保壓的前5 min大腸菌群的殺滅效果十分顯著，但保壓5 min后大腸菌群的滅亡速率，在200MPa與300MPa時變得平緩，而400 MPa時依然強勢，在保壓10min后大腸菌群的死亡率達到理想值。
Bull等［5］研究發(fā)現(xiàn)經過超高壓處理過的Valencia and Navel橙汁在600 MPa能夠將微生物降低到理想的水平；黃麗等［6］研究發(fā)現(xiàn)，超高壓處理對荔枝果汁中的細菌有明顯的殺滅作用，400 MPa以上壓力處理后可達到商業(yè)無菌的要求；吳萬貴等［7］研究了超高壓對哈密瓜汁的殺菌作用，發(fā)現(xiàn)哈密瓜汁滅菌壓力達400～450 MPa后尚不能達到商業(yè)無菌要求。
1.2.3 在肉制產品中的研究高壓配合中等溫度處理碎豬肉，414 MPa，50℃處理6 min可使單核細胞增多性李斯特菌的數(shù)量減少1010cfu/g。高壓對鮮肉中沙門氏菌和單核細胞增多性李斯特菌也有良好的滅活作用［8］；Hugas等［9］研究了醋漬牛肉、煮制火腿和干腌火腿經600 MPa，31℃，6 min高壓處理后的結果顯示，降低水分活度可提高微生物對高壓的抵抗能力。
1.2.4 在酒類產品中的研究超高壓對米酒進行處理后可使酵母菌和乳酸菌得到有效抑制。對啤酒在350 MPa，20℃下處理3～5 min，對酒中酵母菌、乳酸菌等細菌的殺滅作用顯著［10］。
1.2.5 在水產品中的研究Cruz-Romero［11］研究表明，在207～345 MPa對生牡蠣加壓2 min能夠消除S形霍亂菌，高壓處理過的牡蠣在2℃下可穩(wěn)定保藏41 d，未經高壓處理的樣品只能保存13 d。
對章魚的超高壓研究表明：200 MPa，7℃能殺死大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，而對乳酸桿菌基本不影響。在7℃和40℃下，用400 MPa連續(xù)處理15 min后發(fā)現(xiàn)，在7℃時章魚肉中所含的微生物數(shù)量大大低于對照組［12］。
1.2.6 在生物制品中的研究超高壓對病毒的滅活作用可用于制備疫苗，加壓處理后病毒所產生的抗體同未加壓的病毒產生的抗體是一樣有效的［13］。超高壓能殺死血漿中包括突變株在內的所有病毒，而且不影響血漿主要成分的生物活性。血漿中的HIV經400 MPa，25℃，10 min處理后，對CD4+-T細胞的感染性降低5個數(shù)量級單位，因子Ⅸ 100%恢復，γ-球蛋白100%恢復［14］。
1.2.7 其他研究高瑀瓏等［15］研究發(fā)現(xiàn)，超高壓處理時隨著大豆分離蛋白濃度的增加或蔗糖濃度的增加枯草芽孢桿菌死亡數(shù)量級降低，而豆油濃度的變化對枯草芽孢桿菌死亡數(shù)量變化不明顯。
國外科研人員通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，經過高壓處理過的酵母細胞，細胞核膜、溶菌體、液泡發(fā)生了嚴重的分裂，而細胞膜、細胞壁只受到輕微的損壞［16］。
1.3 影響超高靜壓殺菌效果的因素超高靜壓殺菌的影響因素包括微生物的種類、壓力大小和加壓時間、施壓方式、處理溫度、pH值、介質成分等。革蘭陽性菌比革蘭陰性菌對壓力更具對抗性，芽孢菌的芽孢耐壓性強于非芽孢類細菌；在一定范圍內壓力越高滅菌效果越好，在相同壓力下滅菌時間越長滅菌效果也有一定程度的提高；超高靜壓的滅菌方式中，對于芽孢菌，間歇式循環(huán)加壓滅菌效果好于連續(xù)式加壓；溫度是微生物生長代謝最重要的外部條件，不同溫度與超高靜壓的協(xié)同滅菌有利于殺滅細菌芽孢；壓力會改變介質的pH值，影響微生物的生命活動；超高靜壓殺菌時，物料的化學成分對滅菌效果有顯著影響［1］。
2 超高壓均質殺菌技術
2.1 超高壓均質殺菌的作用機理及特點超高壓均質殺菌是一種用物理方法動態(tài)連續(xù)進行的液態(tài)物料破碎的冷殺菌技術。在動力殺菌中，液態(tài)物料中的微生物受到壓力瞬間釋放產生的強烈剪切、高速撞擊等動力作用，盡管這些作用產生的基本條件仍為高壓，但形式已遠不止超高靜水壓殺菌中單純的擠壓作用。
超高壓均質的殺菌機理是：利用超高壓產生對液態(tài)物料的擠壓，以及壓力釋放時強烈剪切和高速撞擊等聯(lián)合作用，使其中細菌的細胞結構發(fā)生破壞和改變，從而失去或鈍化其生物活性，達到殺菌目的［17］。
2.2 超高壓均質殺菌的研究現(xiàn)狀
2.2.1 在乳制產品中的研究 杜軍等［17］應用超高壓均質處理牛乳后發(fā)現(xiàn)，在所采用的實驗條件下，大腸菌群菌落數(shù)可以達到小于10 ml-1以下；即使是在殺菌效果較差的條件下，細菌總數(shù)最大也可以降低3個對數(shù)單位。
2.2.2 在果類制品中的研究
李菁等［18］應用超高壓均質處理西瓜汁后發(fā)現(xiàn)，采用150 MPa壓力處理3次，并控制料溫不高于40～45℃，菌落總數(shù)和霉菌及酵母菌數(shù)均可達到要求。Neil H.Mermelstein等［19］研究了超高壓(45 000 Psi，約310 MPa)均質處理的鮮橙汁，貨架期可達6個月。
2.2.3 其它研究
劉成梅等［20］在牛奶、桔囊溶液、胡蘿卜溶液中添加大腸桿菌后的超高壓均質處理實驗結果顯示，在14 000 Psi(96.5 MPa)、流速350～400 ml/min時，牛奶處理3次后大腸桿菌下降率為99.997%，桔囊溶液處理4次后下降率為99.992%，胡蘿卜溶液處理4次后下降率為99.998%。
鐘業(yè)俊等［21］研究發(fā)現(xiàn)，在120 MPa，25℃下對枯草桿菌瞬時高壓處理1次，致死率為93.82%；酸性和堿性條件下較中性下更有利于瞬時高壓殺菌，酸性條件下殺菌效果最好。
代元忠等［22］對大腸桿菌和酵母菌進行了實驗破碎，以103～117 MPa處理一次可使大部分大腸桿菌中的細胞破裂；用60 MPa進行均質，使酵母菌微粒粒徑2～5 μm，再用超高壓均質機調壓至135 MPa循環(huán)處理3次，最小粒徑0.01～0.05 μm。
2.3 影響超高壓均質殺菌效果的因素殺菌效果影響因素基本同超高靜壓，但超高壓均質殺菌的處理次數(shù)對殺菌效果影響較大。
3 超高靜壓殺菌與超高壓均質殺菌比較［23］
3.1 承受壓力不同兩者殺菌時的壓力都很高，超高靜壓范圍為100～1 000 MPa，超高壓均質壓力一般為40～60 MPa，最高可達100～200 MPa［24］，超高壓均質殺菌的常用壓力小于超高靜水壓常用處理壓力。
3.2 作用機理不同超高靜水壓殺菌的原理主要是高壓對微生物的擠壓致死作用，導致微生物原有功能破壞或發(fā)生不可逆的變化；超高壓均質殺菌是利用超高壓對液體物料的擠壓，以及壓力釋放產生的強烈剪切和高速撞擊等動力作用，使細菌的結構發(fā)生破壞和改變。
3.3 處理工藝不同超高靜水壓殺菌是在一定溫度下，把物料裝入柔性材料中密封后放于水中對水進行高壓處理的過程，處理量較小，難以實現(xiàn)工業(yè)上的連續(xù)化。而超高壓均質殺菌是呈流動狀態(tài)，可以實現(xiàn)工業(yè)上的連續(xù)化操作。
3.4 選用的設備不同超高靜水壓殺菌由專門的高壓殺菌設備來完成，高壓容器是整個加壓裝置的核心；超高壓均質殺菌由超高壓均質機同時完成了物料的均質乳化和殺菌作用。
3.5 處理時間不同超高靜水壓的殺菌效果遵循施加壓力越高，處理時間越短的規(guī)律，一般處理時間為5～30 min。超高壓均質殺菌由于連續(xù)化操作，處理時間極其短暫，整個過程只需1～5 s。并且處理次數(shù)是一個關鍵因素，一般處理2～3次的效果較理想。
4 前景展望
超高壓技術作為一種新型的冷殺菌技術，已引起越來越多的關注。除上述超高靜壓殺菌與超高壓均質殺菌外，另有一種新的瞬時滅菌方法——超高壓水射流滅菌方法（西南交通大學藥學院王盛民教授的發(fā)明專利，專利申請?zhí)枺?00410040040.5），該方法是一種利用超高壓水射流瞬態(tài)卸壓的膨化作用而使微生物破碎的滅菌方法，在研究的壓力范圍100～350 MPa內的殺菌效果隨著壓力的升高而提高，取得了較好的效果，顯示了該滅菌方法的可行性，為殺菌領域增添了一項新的殺菌技術。
鑒于超高壓技術在食品和醫(yī)藥衛(wèi)生等領域中消毒殺菌的研究應用，超高壓產品存在著巨大的潛在市場和廣闊的發(fā)展空間。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，研究的不斷深入，超高壓技術的應用必定會越來越高效、成本越來越低，應用的領域也會越來越廣。
