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超高压生物处理技术的应用

2020.7.14
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

巴浦洛夫说:“科学是依赖于方法的进步程度推动而前进的。”被列为二十一世纪十大尖端科技之一的超高压生物处理技术,是一次工业革命,它将对生物工艺学产生巨大的影响。它提出了大量的新的研究课题,丰富了生物学理论,蕴含着极大的技术开发潜力,具有广阔的市场前景。

超高压生物处理技术应用领域非常广泛,为生物、医药和食品工程的科学研究、产品开发、工艺改革提供新的平台。

  1. 病毒灭活

200~300Mpa超高压能破坏病毒膜结构内部的非共价键结合。使膜衣壳蛋白亚单位之间解体,空间结构变化,构象转换,生物活性改变,从而使病毒颗粒丧失感染性。但超高压不破坏共价键,因此抗原的单个亚单位未被破坏,保持了免疫原性不变。用此方法可以获得没有传染性而免疫原性不变的完整的病毒颗粒。

2.制取疫苗

传统的制取疫苗方法均采用热力和化学处理灭活病毒,这些方法存在很大弊端。例如流感病毒灭活疫苗传统制备方法为化学方法。它使用化学试剂甲醛灭活病毒,易使病毒表面粒子受损,影响疫苗的免疫原性。同时甲醛具有刺激性和副作用,接种后易引起人体反应。超离心机和层析色谱技术使病毒纯度大大提高,但儿童使用仍有不良反应。流感病毒亚单位和表面抗原疫苗接种,虽然不良反应有所减少,但其免疫原性不如纯化的全病毒粒疫苗。而超高压250Mpa灭活疫苗的方法,不仅保留流感全病毒完整结构不被破坏,而且病毒完全灭活,同时抗原的免疫原性不受影响,反而效价提高。它不残留化学物质成分,使用安全。超高压灭病毒具有广谱性,对于这种变异快,变种多的流感病毒最为适宜,它工艺简便,生产周期短,成本低。

3.处理血浆

目前已有多种方法应用于血液制品的病毒灭活处理,如:巴斯德法、S/D法、亚甲兰光照法等。但现有的这些方法都有一定缺陷。S/D法只对有脂质包膜的病毒有效,而且在给病人输血前必须将灭活剂彻底清除。过滤法处理过程缓慢,价格昂贵,而且只对高纯度血液制品有效。加热处理会使蛋白质变性,需加入稳定剂。更重要的是目前所采用处理过程都有降低血液及血液制品中蛋白质治疗功能的可能性。超高压灭活血浆中的病毒是一个物理过程,无化学品加入,也不同于高温处理,施压和泄压都是即时的,均匀的。它对致病微生物的杀灭有广谱效果。没有交叉污染。实验证明,适当的超高压对血液制品的活性成分无明显的损伤,是一种高效的、简洁的、可靠的病毒灭活方法,具有很好的应用前景。

4.生物提取

在超高压状态下不仅能促进化学反应,还可以改变一些物质的表面状态、分子排列以及物理性能。在生物提取过程中超高压能加快反应速度,缩短提取时间,提高产品收率。例如:从竹叶中提取黄酮素、从茶叶中提取茶多酚等,超高压不仅缩短提取时间,而且得率提高10%。

5.生物制药

在生物制药工艺中过程中,很多生理活性成分对温度敏感,如芦荟、苦瓜、螺旋藻、海参提取物等,一旦温度超过60℃,其活性成分即遭到破坏,因此不适于高温灭菌;采用超高压低温灭菌能充分保证活性成分不遭破坏。

6.中药制取

中药的传统工艺是煎制和萃取。但是很多天然药材对温度敏感,高温下药性受到影响,采用超高压处理工艺,能完整地保留原有的成分,提高疗效。

7.医疗器械的灭菌消毒

一般采用高压蒸气消毒,预热升温操作时间长,采用超高压液体消毒,可即时操作,时间短,更加方便。

8.热敏食品的低温灭菌

很多水果、蔬菜制品,如橙汁、苹果汁、西瓜汁、猕猴桃汁、黄瓜汁等高温灭菌后不仅口味变化,原有香气丧失,而且维生素C等营养素被破坏,用超高压低温灭菌能保持鲜果的原有香气,风味和营养成分。维生素C能保留98%以上。采用这个新的技术,可将果汁产品提升到新的档次。此外,采用超高压低温灭菌无须蒸气加热和再冷却工艺,节能、节水至少80%以上。

9.不易流动和易焦糊食品灭菌

草莓酱、苹果酱、番茄酱、芥末酱等不易流动食品,温度传递慢而且不均匀,加热时间长,不仅口味发生变化,而且营养成分流失。采用超高压灭菌,色香味和营养成分充分保留,为消费者所喜爱。

10.豆、乳制品处理

豆、乳制品富含蛋白质,经超高压加工后不仅能灭菌,而且能使蛋白质颗粒变细、分子链变短,易于人体吸收。特别是对牛初乳,在60℃以上高温条件下其免疫因子和生长因子均遭破坏,因此采用超高压低温处理牛初乳,是开发液态鲜牛初乳产品的最好方法。天然发酵乳是营养保健型的乳制品,为保持生理活性,不能高温灭菌,其保质期只有几天时间,同时其后酵难以控制,随时间的延长,口味变化较大。经超高压处理后,后酵得以控制,保质期可延长到20~30天。

11.鱼肉制品的处理

通常是采取高温的方法,烹制加工鱼肉,在高温条件下使蛋白质变性。超高压处理也同样能使蛋白质变性,供人食用,但其口味截然不同。美国投入市场的“生”鲜火腿、“生”鲜牛排,日本投入市场的“生”鲜鱼糕均受到欢迎。对于生食的鱼、虾、肉制品和烧、烤、涮的鱼肉制品,预先进行超高压处理,不仅可保持原有的生鲜风味,而且杀灭了虫卵和细菌,食用更加安全。另外在超高压作用下,鱼肉的组织纤维发生变化,在不同条件下有的口感变得柔韧,有的变得鲜嫩。

12.酒的处理

白酒、黄酒、葡萄酒等都需要储存一段时间使酒液变得醇香柔和,这往往需要几年的时间。应用超高压催陈技术,可大大缩短储存时间,在超高压作用下,水和酒精加速形成缔和体系,同时也促进一系列氧化、还原、酯化和缩合等化学反应,减少了暴辣、冲鼻和刺激性,使口味变得柔和、醇香。例如黄酒在超高压条件下保持20分钟,香气增加15-20%,相当于窖储16个月以上的效果。

用超高压对生鲜啤酒灭菌处理,比高温灭菌简单,快捷,工艺性好,节省能源,并且能保持生啤的香气和口感。

13.罐头食品处理

用超高压处理的水果、蔬菜罐头不再是熟透味充分保持原有鲜果蔬的口味和营养。

14.冷冻食品

将高水份食品加压200MPa后,冷冻到-20℃,然后迅速降压,瞬间产生大量极细微的冰结晶,分布于冷冻食品中,避免了组织变性破坏。特别是对于水果蔬菜,用超高压方法速冻更有意义。这种高压速冻的方法同样可用于某些生物制品的冷藏。

15.粮食的处理

大米在超高压作用下淀粉糊化,大大缩短蒸煮时间,可生产速熟米。普通米需煮20分钟,速熟米只需5分钟即可。陈大米细胞壁和膜比新米坚硬,抑制了淀粉粒子的膨润和糊化,超高压处理后硬壁膜被破坏,煮制时其硬度下降,粘度上升,平衡值提高到新米范围,改善了光泽,有新米口味和香气。

17.蛋白质变性处理

蛋白质的四级结构中,二级结构是由肽链和肽链间的氢链来维持的,超高压有利于氢键的形成。超高压对一级结构无影响,有利于二级结构的稳定,但会破坏三、四级结构,迫使蛋白质原始结构伸展,从而导致蛋白质变性,使其更有利于消化。在常温条件下,400MPa蛋白质即可变性,变色后其色泽、风味、透明度、硬度、弹性均有良好特性,因此可用超高压变性处理的方法,生产出诸多新型食品。


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