超高壓均質技術在鮮榨果蔬汁加工中應用的研究進展*

周林燕，關云靜，畢金峰，劉 璇，李淑榮

(1.中國農業(yè)科學院農產品加工研究所，農業(yè)部農產品加工重點實驗室，北京 100193； 2.北京農業(yè)職業(yè)學院，北京 102442)

1 引 言

鮮榨果蔬汁即NFC(Not-From-Concentrate)果蔬汁，其口感、風味和營養(yǎng)更接近新鮮水果。隨著人們消費意識和生活水平的提高，高品質、純天然、營養(yǎng)豐富、少加工且新鮮的果蔬汁[1]越來越受到消費者的青睞。目前，市售NFC果蔬汁的種類主要有橙汁、蘋果汁、胡蘿卜汁、西紅柿汁等[2]。傳統(tǒng)的熱處理通過高溫殺滅果蔬汁中的致病、腐敗微生物，鈍化對品質有害的酶，但是高溫處理會誘導一些反應的發(fā)生，降低果蔬汁的營養(yǎng)品質和口感[1]，如非酶促褐變、異味形成、維生素破壞等[3]。而非熱加工技術通過高壓、電場、超聲波等手段，既可以殺滅NFC果蔬汁中的微生物，又能較好地保持產品的新鮮度、營養(yǎng)成分和安全品質，因此逐漸受到人們的重視[4-5]。

傳統(tǒng)均質技術的壓力一般為20～60 MPa。隨著設備制造能力的提高，均質設備的最高壓力提高至400 MPa[6-7]，一般將60 MPa以上的均質技術稱為超高壓均質技術(Ultra-High Pressure Homogenization，UHPH)[8]。UHPH是一種具有廣闊前景的非熱加工技術，可以有效地降低熱加工過程中熱效應對食品的影響，提高產品的“新鮮度”，特別適合流體食品的連續(xù)加工[3,9]。在UHPH處理過程中，流體通過均質閥中狹窄的可調間隙，獲得高壓、高速，產生壓力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效應等作用[1]。一方面，UHPH可以使食品的顆粒大小達到納米級，增加食品的穩(wěn)定性，達到均質、乳化、改善食品外觀的效果；另一方面，UHPH還具有殺菌、鈍酶的作用。到目前為止，UHPH技術已應用到制藥、化學、生物化學等行業(yè)[10]中，用于破碎分散體、減小顆粒粒徑、提取代謝產物等[7]。食品行業(yè)也開始將UHPH技術應用于食品加工中[10]：在乳制品方面，UHPH技術可實現乳液的進一步細化[11-12]、乳制品的殺菌[12-14]及滅酶[11,14]、乳蛋白結構和牛奶凝結特性的改變[15-16]等；在果蔬汁方面，UHPH技術可實現橙汁[17-19]、蘋果汁[9,20-21]、番茄汁[22]和胡蘿卜汁[23-24]等果蔬汁的殺菌、鈍酶及穩(wěn)定性改善，更重要的是，UHPH是低溫物理殺菌，能避免傳統(tǒng)熱處理造成的果蔬汁品質劣化，從營養(yǎng)、風味、色澤等方面更好地保留果蔬汁原有的品質[25]。

近年來，有關UHPH技術在NFC果蔬汁中的應用研究越來越多，主要集中在殺菌、鈍酶或改善混濁穩(wěn)定性方面。本文從殺菌、鈍酶和改善品質3方面綜述UHPH在NFC果蔬汁中的應用研究，分析UHPH在NFC果蔬汁中的應用前景。

2 UHPH設備及產業(yè)化現狀

1900年，Auguste發(fā)明了均質技術，并在巴黎世界博覽會上展示了均質機及均質機處理后的牛奶，證明了均質可以延長牛奶的保質期[26]。之后，均質技術在食品工業(yè)中用于提高奶制品、乳化液和懸浮液的穩(wěn)定性，以改善食品的品質、風味和貨架期[27]。傳統(tǒng)的均質設備能提供的壓力較低，一般在20～60 MPa，而UHPH設備的最高壓力可達400 MPa[6]。UHPH技術的發(fā)展拓寬了均質技術的應用領域，在食品、化妝品、制藥領域中用于破碎分散體或乳液中的顆粒(使顆粒粒徑達到微米級或亞微米級)、改變顆粒的物理結構、提取代謝產物、殺菌、鈍酶，甚至殺滅一些病毒等[8]。UHPH機由高壓泵、均質閥、傳動設備等組成[28-29]，工作時由柱塞泵將液體物料輸送至均質閥(一級高壓均質閥和二級低壓均質閥[8])，液體物料在高壓作用下迅速通過均質閥中狹窄的間隙，獲得高壓高速，產生壓力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效應等，達到均質、細化、乳化、殺菌、破壞細胞結構等作用[1,28-29]。UHPH機在果蔬汁加工中的應用主要有以下特點：(1) 細化作用強烈，且壓力越高，細化效果越好；(2) 溫度低，能較好地保持感官和營養(yǎng)品質；(3) 定量輸送物料[28]；(4) 在40～50 ℃的處理溫度下，能達到殺菌、鈍酶的效果[6]。

目前，國內的UHPH設備主要有上海東華高壓均質機廠生產的GYB系列均質機(最高壓力達150 MPa)[30]、河北廊坊通用機械制造有限公司研制的納米超高壓均質機(最高壓力可達150～200 MPa)[31]、廣州聚能生物技術有限公司生產的JN系列超高壓納米均質機(最高壓力為207 MPa)[32]。進口設備因具有均質壓力高、處理量大、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，占據了市場的主導地位[29]，主要的生產商有Stansted Fluid Power(英國)、Avestin(加拿大)、Microfluidics(美國)、APV(德國)、Niro(意大利)等[6]，其中：Stansted Fluid Power公司研制的HYD-LOK系列實驗用機型的最高壓力達400 MPa[6]，中試和生產系列的UHPH機的處理量超過1 000 L/h[33]；Avestin公司的Emulsiflex系列機型的最高壓力可達207 MPa，EmulsiFlex-C1000的處理量可達1 000 L/h[34]。近年來，國外的UHPH生產商推出了均質效果更好的微射流均質機。微射流均質機主要由高壓泵和振蕩頭組成，工作時液流經過加壓后被一分為二，在反應室內兩股液流從相反方向進行撞擊，產生沖擊和空化等作用，可用于高黏度乳狀液的均質[6]。我國的一些企業(yè)也開始積極研制微射流均質機，如廊坊通用機械制造有限公司生產的NCJJ系列生產型UHPH機，其最高壓力可達150 MPa，最大處理量為200 L/h[31]。

UHPH機在食品、化工、醫(yī)藥、生物工程等研究領域已得到了應用[6]，但是在產業(yè)化方面尚未得到廣泛推廣。國內生產的UHPH機的最高壓力一般為100～150 MPa，而國外生產的UHPH機的最高壓力可達400 MPa，因此盡量縮小與國外先進水平的差距，研制高效節(jié)能、均質壓力高、生產量大的UHPH機，是我國均質機產業(yè)的一個發(fā)展方向[35]。

3 UHPH對NFC果蔬汁中微生物的影響

UHPH可有效殺滅或減少NFC果蔬汁中的微生物。研究結果表明，進行UHPH處理的樣品在經過高壓均質閥時受壓力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效應等[24,27]作用，生物細胞結構被破壞，從而達到殺菌的目的。目前，有關UHPH對NFC果蔬汁殺菌效果的研究多集中在橙汁、蘋果汁和胡蘿卜汁等，殺菌種類多集中在果蔬汁中常見的乳酸菌、大腸桿菌、酵母和霉菌等。表1列出了近期研究[7，9,22，36-42]中UHPH對NFC果蔬汁中微生物的滅菌效果。

表1 UHPH對NFC果蔬汁中微生物的滅菌效果Table 1 Effect of UHPH processing on microorganism of NFC juices

由表1可知，UHPH對NFC果蔬汁(如胡蘿卜汁、杏汁、荔枝汁、西瓜汁、橙汁、蘋果汁、葡萄汁)中的微生物有較好的殺菌效果。UHPH的均質壓力越高，均質次數越多，進料溫度越高，UHPH對微生物的殺菌效果越好。UHPH主要從以下5方面影響殺菌效果。

(1) 微生物種類

對于不同種類的微生物，UHPH所產生的影響有所不同。UHPH對革蘭氏陰性菌的殺滅作用比革蘭氏陽性菌更強，可能是由于革蘭氏陽性菌的細胞壁比革蘭氏陰性菌更堅固且耐壓性更強[43]。Velzquez-Estrada等人[7]研究發(fā)現，經過相同條件的UHPH處理(壓力為400 MPa，溫度為6 ℃，均質1次)，橙汁中的革蘭氏陰性菌森夫滕貝格沙門菌775W比革蘭氏陽性菌李斯特菌更易死亡。程銀棋等人[39]在研究UHPH(壓力為200 MPa，均質1次)對荔枝汁的殺菌效果時，也發(fā)現殘留菌主要為革蘭氏陽性菌芽孢桿菌屬(Bacillus)和明串珠菌屬(Leuconstoc)細菌。此外，UHPH的殺菌效果還與微生物的結構有關。Patrignani等人[22]研究發(fā)現：在15 ℃、100 MPa的條件下均質3次可使杏汁和胡蘿卜汁中接種的3.0 lg(cfu/mL)的釀酒酵母635減少至檢出限(1.0 lg(cfu/mL))以下，但是不能使另一種釀酒酵母SPA減少至檢出限以下。

(2) 均質壓力

UHPH的均質壓力越高，對微生物的滅菌效果越好，可能是由于隨著均質壓力的升高，果蔬汁通過高壓均質閥時獲得的速度增加，微生物受到的剪切力和空穴效應增強，殺菌效果增強。Surez-Jacobo等人[9]對蘋果汁進行了壓力為100 MPa的UHPH處理，發(fā)現其中的霉菌、酵母、乳酸菌、大腸桿菌均未顯著減少，而經過200 MPa的UHPH處理后，這幾種微生物的數量低于檢出限(0.1 lg(cfu/mL))。此外，有研究表明：250 MPa以上的UHPH處理可完全殺滅橙汁中的乳酸菌(1.2×107cfu/mL)和釀酒酵母(2.9×105cfu/mL)[42]以及蘋果汁中的大腸桿菌(7.5 lg(cfu/mL))[41]，并使橙汁和葡萄汁中的致病菌森夫滕貝格沙門菌775W和李斯特菌減少5個以上對數單位[7]，達到美國食品及藥物管理局(FDA)規(guī)定的非熱力殺菌的衛(wèi)生安全要求(采用非熱力殺菌技術，將果汁中的致病菌減少5個對數單位)[24]。

(3) 均質次數

UHPH的均質次數對殺菌效果有顯著的影響。當均質壓力相同時，隨著均質次數的增加，殺滅效果提升。潘見等人[38]研究發(fā)現，經過150 MPa、均質1次的UHPH處理后，西瓜汁中的酵母和霉菌數沒有降至國家食品衛(wèi)生標準，而均質3次后降至20 cfu/mL，達到國家食品衛(wèi)生標準；Patrignani等人[22]也得到相同的結論。Maresca等人[19]的研究結果表明：均質次數對果汁(菠蘿汁、橙汁)中的釀酒酵母有顯著的殺菌效果，在50 MPa的壓力下均質5次與在150 MPa的壓力下均質1次對釀酒酵母的殺滅效果相同；均質次數對芽孢桿菌屬細菌沒有顯著的殺菌效果。

(4) 進料溫度

對于同種原料，當均質壓力和均質次數相同時，進料溫度越高，UHPH處理的殺菌效果越好。Carreo等人[37]采用壓力為120 MPa的UHPH處理柑橘汁，發(fā)現當進料溫度由15 ℃上升至30 ℃時，植物乳酸桿菌下降1.3 lg(cfu/mL)，即進料溫度升高，殺菌效果增強。

(5) 其他因素

初始菌落數和果蔬汁的環(huán)境體系等因素對UHPH的殺菌效果也有一定的影響。當初始菌落數增加時，可通過增加均質次數或升高均質壓力達到相同效果[38]。經過溫度為20 ℃、壓力為200 MPa、均質1次的UHPH處理后的蘋果汁[9]中嗜溫好氧菌的殘余量比相同處理的橙汁[40]大，可能是由不同的果汁環(huán)境體系(如pH值)引起的。

4 UHPH對NFC果蔬汁中酶的影響

近年來，有關UHPH鈍化果蔬汁中酶活性的研究主要集中在UHPH對橙汁中果膠甲基酯酶(Pectin Methyl Esterase，PME)的鈍酶效果上，還未發(fā)現有關UHPH鈍酶機理的研究報道。果蔬汁中的PME可以降解果膠，破壞其混濁體系，最終影響果蔬汁的感官品質和消費者的購買欲[17]。鈍化PME[44]是保持果蔬汁穩(wěn)定性、延長果蔬汁貨架期的必要條件之一。表2列出了近年來關于UHPH對NFC果蔬汁中酶活性鈍化效果的研究結果[1,,17-18,23,40,45]。

表2 UHPH對NFC果蔬汁中酶活性的鈍化效果Table 2 Effect of UHPH processing on enzyme activity of NFC juices

由表2可知，酶的種類、均質壓力、進料溫度、均質次數、果蔬汁的pH值等均會影響UHPH的鈍酶效果。

(1) 酶的種類

UHPH對不同酶的鈍化作用不同，可能與酶的自身結構或存在體系等有關。UHPH雖然對果蔬汁(如橙汁、胡蘿卜汁等)中的PME和過氧化物酶(Peroxidase，POD)有鈍化效果，但卻不影響桑葚汁中α-葡萄糖苷酶的活性，很好地保留了其抑制血糖升高的作用[45]；Tribst等人[46]也發(fā)現UHPH有利于提高淀粉葡糖苷酶、葡糖氧化酶、中性蛋白酶的活性。

(2) 均質壓力

與殺菌效果一樣，UHPH的均質壓力也顯著影響鈍酶效果。Velzquez-Estrada等人[40]的研究表明：采用100 MPa的壓力均質處理橙汁時，其PME的殘余活性為53%；當壓力升高至200 MPa時，PME的殘余活性顯著降低，殘余活性小于或等于4%。然而，Welti-Chanes等人[17]發(fā)現，只有當UHPH的均質壓力大于或等于250 MPa時，橙汁中PME的活性才會出現顯著降低。UHPH鈍酶效果不同的原因可能是研究中所使用的UHPH設備不同，導致樣品通過均質閥時的作用力強度不同。

(3) 進料溫度

在表2所示的鈍酶效果研究中，關于進料溫度對鈍酶效果的研究較多，且鈍酶效果隨著進料溫度的升高而提升。Welti-Chanes等人[17]研究發(fā)現：采用250 MPa的壓力均質處理橙汁時，若進料溫度從22 ℃上升至45 ℃，則PME的殘余活性從50.4%降至38.0%。吳奕兵[23]在采用UHPH技術鈍化胡蘿卜汁中的POD時也得到類似的結果：進料溫度升高20 ℃時，POD的殘余活性降低40%。

(4) 均質次數

UHPH的鈍酶效果隨著均質次數的增加而增強。Welti-Chanes等人[17]的研究表明：當均質次數增加至5次時，UHPH對PME的鈍酶效果顯著增強，殘余活性從50.4%降低至20%以下。

(5) pH值

當均質壓力較低時，UHPH結合溫和的熱處理或調節(jié)果蔬汁體系的pH值等也可以有效地鈍酶。由表2可知，170 MPa的UHPH結合溫和的熱處理[1]或150 MPa的UHPH結合稍高溫度的熱處理[18]處理橙汁時，其鈍酶效果優(yōu)于單獨的250 MPa的UHPH處理。當酶所在環(huán)境的pH值降低時，蛋白質的高級結構可能發(fā)生變化，導致活性部分暴露，從而有利于提高UHPH的鈍酶效果[47]。Navarro等人[18]的研究表明，橙汁經過150 MPa的UHPH處理后，其pH值從3.9降至3.1，PME的剩余酶活降低約21%，鈍酶效果顯著增加。Lacroix等人[1]也驗證了該結果：經過170 MPa的UHPH處理后，橙汁的pH值從3.75降至3.0，PME的剩余酶活降低40%。

5 UHPH對NFC果蔬汁品質的影響

5.1 營養(yǎng)成分

NFC果蔬汁富含維生素C、酚類、礦物質等成分，營養(yǎng)更接近新鮮果蔬，故而深受人們的歡迎和喜愛，因此UHPH對NFC果蔬汁營養(yǎng)成分的影響成為其應用研究的熱點。目前已有的關于UHPH對果蔬汁中維生素C、維生素A、酚類等營養(yǎng)物質影響的研究多集中在橙汁和蘋果汁等。

(1) 維生素C

(2) 維生素A

UHPH會加速維生素A的損失，并且提高均質壓力和進料溫度均會加快維生素A的損失。Suarez-Jacobo等人[50]的研究表明：在4 ℃下對蘋果汁進行100～200 MPa的UHPH處理后，其維生素A損失18%；當均質壓力升至300 MPa時，維生素A損失達33%；若進料溫度升高至20 ℃，則維生素A的損失也達33%。目前認為UHPH導致維生素A損失的原因可能是類胡蘿卜素的共軛多烯鏈不穩(wěn)定，UHPH處理導致其發(fā)生幾何異構化和氧化，從而造成類胡蘿卜素的降解[51]。

(3) 酚類

Yu等人[45]的研究表明：UHPH提高了酚類、黃酮等活性物質的含量；添加抗壞血酸的桑葚汁在經過200 MPa的UHPH處理后，總酚含量增加了0.01 g/L。此外，UHPH還可以提高果汁中類黃酮的提取率，增加水溶性黃酮的含量，提高果汁的營養(yǎng)品質。柑橘水果中含有類黃酮，但是在采用傳統(tǒng)工藝生產的柑橘果汁中類黃酮的含量很少[52]。Velzquez-Estrada等人[48]的研究表明，UHPH處理會增加柑橘果汁中的類黃酮含量，并且在處理壓力為200和300 MPa時，類黃酮含量達到最大值。

5.2 抗氧化活性

果蔬汁中的生物活性成分如酚類、維生素C、胡蘿卜素等直接影響其抗氧化能力。到目前為止，大多數研究更多地關注果蔬汁中的生物活性成分，而較少有針對抗氧化能力的直接研究。Suarez-Jacobo等人[50]的研究表明，酚類、維生素C、β-胡蘿卜素和抗氧化活性存在相關性。此外，他們還發(fā)現：采用DPPH和FRAP(Ferric Reducing Antioxidant Power)法測定抗氧化活性時，與未處理的蘋果汁相比，UHPH處理后的蘋果汁的抗氧化活性沒有發(fā)生顯著變化，但是低于巴氏殺菌后的蘋果汁的抗氧化活性；采用TEAC(Trolox Equivalent Antioxidant Capacity)和ORAC(Oxygen Radical Antioxidant Capacity)法測定抗氧化活性時，未處理的蘋果汁與4 ℃下UHPH處理的蘋果汁的抗氧化能力沒有顯著差異，并且均高于20 ℃下UHPH處理的蘋果汁；ORAC法測試結果顯示，在20 ℃下經過200或300 MPa的UHPH處理后，蘋果汁的抗氧化能力與巴氏殺菌后的蘋果汁沒有顯著差異，但是高于100 MPa的UHPH處理和未處理蘋果汁的抗氧化活性。雖然4種測定方法得到的結果不完全相同，但是4種方法的相關性較高，且均表明UHPH處理對蘋果汁的抗氧化活性沒有顯著影響。目前，關于UHPH處理后果蔬汁抗氧化能力的研究數據較少，有待進一步研究和驗證。

5.3 其他品質特性

果蔬汁的感官品質是影響消費者購買和飲用的主要因素[53]，其中：色澤直接影響消費者的視覺效果和對果蔬汁的喜好，理化特性如pH值、可滴定酸、糖度等直接影響果蔬汁的味道，黏度和果肉顆粒粒徑則直接影響果蔬汁的口感。

(1) 色澤

UHPH有助于抑制果蔬汁的褐變。果蔬汁的顏色與酶活有關，果蔬汁在儲藏過程中易發(fā)生酶促褐變，已有研究表明UHPH可鈍化多酚氧化酶[19]。UHPH處理還可以改善果蔬汁的光澤。UHPH處理后，果蔬汁中果肉顆粒粒徑變小，使光線發(fā)生散射，從而提高果蔬汁的亮度[3]。Sonia等人[3]研究發(fā)現，香蕉汁經過150 MPa的UHPH處理后，其光澤度變好，果汁更透亮，在4 ℃下儲存20 d后，亮度沒有變化。

(2) 理化性質

UHPH對果蔬汁的理化特性沒有顯著影響。當進料溫度為20 ℃時，經過壓力為150 MPa、均質3次的UHPH處理后，橙汁、紅橙汁、菠蘿汁的pH值、折射率和糖度均未發(fā)生顯著變化[19]；Suarez-Jacobo等人[50]對澄清的蘋果汁進行了壓力為100～300 MPa的UHPH處理，得出相同的結果。Patrignani等人[22]采用100 MPa的壓力對胡蘿卜汁進行UHPH處理，發(fā)現其pH值也沒有發(fā)生顯著變化。

(3) 黏度

UHPH顯著影響果蔬汁的黏度。UHPH處理會改變果蔬汁中顆粒的形狀、分散性、體積分數、顆粒最大聚集率、特性黏度等黏度特性。一方面，UHPH所產生的壓力梯度、剪切力、空穴作用使果蔬汁中懸浮顆粒的粒徑減小，增加懸浮顆粒的表面積，進而增強顆粒間的相互作用；另一方面，UHPH作用使果蔬細胞進一步破碎，不僅增加了懸浮顆粒的表面積，而且釋放出細胞壁成分(如果膠、蛋白質)，進而提高顆粒之間、顆粒與果汁清液之間的相互作用，導致黏度發(fā)生變化[54]。Suarez-Jacobo等人[50]研究發(fā)現：蘋果清汁的黏度隨著均質壓力和進料溫度的升高而升高；當均質壓力為300 MPa、進料溫度為20 ℃時，蘋果汁的黏度達到最大。Augusto等人[54-55]對番茄汁進行了均質壓力為50～150 MPa的UHPH處理，發(fā)現處理后番茄汁的表觀黏度增加，而番茄汁清液的表觀黏度減小[55]。Patrignani等人[56]對杏汁進行了均質壓力為100 MPa的UHPH處理，發(fā)現杏汁的黏度先增大后減小，其原因可能是UHPH處理后杏汁體系中小顆粒和清液的特性均發(fā)生了變化。不同的果蔬汁在經過UHPH處理后，其黏度特性的變化有所不同，可能與果蔬汁中顆粒和清液的特性有關。

(4) 果肉顆粒粒徑

UHPH會減小果蔬汁中果肉顆粒的平均直徑，影響粒度分布，并且均質壓力越大，對顆粒粒徑的影響越顯著。這是由于UHPH的均質壓力越大，均質閥的空隙就越小，壓力梯度、剪切力、空穴作用就越強烈，對果肉顆粒的作用也越大，因此UHPH處理后果肉顆粒的平均直徑減小。對于經過20 MPa均質處理的橙汁[57]，其果肉顆粒的平均直徑由1 mm降至100 μm；對于經過200 MPa均質處理的蘋果汁，其顆粒平均直徑減小至100 μm以下，顆粒直徑大部分集中在20 μm[58]，并且隨著均質壓力和均質次數的增加，顆粒平均直徑越來越小，粒度分布范圍越來越窄，由100～1 000 μm降至10～100 μm[58]；對于經過50 MPa均質處理的西紅柿汁，顆粒平均直徑為100～1 000 μm，而當均質壓力增加至150 MPa時，顆粒平均直徑減小到10～300 μm[54]。

6 結 束 語

隨著消費者健康意識的提高，對果蔬汁的營養(yǎng)、安全、感官等提出了更高的要求。由于UHPH是一種非熱加工技術，具有低溫殺菌、鈍酶、營養(yǎng)成分損失少和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并且可實現流體的連續(xù)處理，因此在果蔬汁加工和貯藏方面具有很好的開發(fā)和應用前景。就目前UHPH在NFC果蔬汁中的應用研究結果來看，UHPH具有替代熱處理進行果蔬汁殺菌、滅酶的潛力。隨著UHPH技術在NFC果蔬汁加工中的應用潛力被逐步挖掘，其商業(yè)應用也將快速發(fā)展。

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