超高壓處理對(duì)果蔬品質(zhì)的影響

熊孜 廖李 喬宇 程薇 史德芳 王俊 陳學(xué)玲

摘要：超高壓技術(shù)已成為當(dāng)今世界最熱門的非熱處理果蔬加工技術(shù)之一，從超高壓處理的基本原理和主要特點(diǎn)入手，分析了超高壓處理對(duì)果蔬中主要微生物、酶活性、色澤、質(zhì)地、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)活性等的影響，闡述了超高壓處理果蔬產(chǎn)品的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。超高壓處理的食品在較好地保持了其原有的天然風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的前提下，有效地延長(zhǎng)了保質(zhì)期，該技術(shù)將從果蔬加工延伸到更加廣泛的食品加工，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

關(guān)鍵詞：超高壓;果蔬;品質(zhì)

中圖分類號(hào)：TS255.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）09-0145-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.031

超高壓（Ultra-high pressure，UHP）技術(shù)是指在室溫或稍高于室溫的環(huán)境下，在密閉的超高壓容器內(nèi)，用液體作為介質(zhì)對(duì)食品等物料施以百兆帕級(jí)的壓力，以達(dá)到殺滅微生物、鈍化內(nèi)源酶、改善食品品質(zhì)等目的的一項(xiàng)純物理加工技術(shù)，屬于非熱加工技術(shù)。因其主要利用液體（一般為水）作為壓力傳導(dǎo)介質(zhì)對(duì)樣品進(jìn)行加壓處理，故又稱為高靜水壓或高流體靜壓技術(shù)[1，2]。

1 超高壓處理的基本原理和主要特點(diǎn)

超高壓設(shè)備產(chǎn)生的極高靜壓（通常為100～1000MPa）不僅會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)，還會(huì)使氫鍵、疏水鍵、離子鍵等非共價(jià)鍵（形成生物高分子立體結(jié)構(gòu)）被破壞，從而使得酶、蛋白質(zhì)、淀粉等大分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致酶失活[3]，蛋白質(zhì)變性，淀粉糊化或部分糊化，微生物被殺死[4]。但是，超高壓不影響共價(jià)鍵的完整性，低分子量的生物分子如維生素、氨基酸、單糖或寡糖、色素和風(fēng)味物質(zhì)等的共價(jià)鍵未受高壓影響（共價(jià)鍵至少要在1000MPa以上才對(duì)壓力敏感），因而超高壓處理的食品在滅菌延長(zhǎng)保質(zhì)期的同時(shí)，還較好地保持了其原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5]、色澤和天然風(fēng)味[6，7]。

與傳統(tǒng)熱加工相比，超高壓具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是超高壓具有瞬間性和一致性。即超高壓的壓力是瞬間傳遞的且在食品中均勻分布，同批物料在同一壓力容器中經(jīng)短時(shí)間處理，就可獲得均一的處理效果[8]。因此，超高壓處理不受食品大小和形狀的影響，一旦壓力達(dá)到要求，不再需要額外的能量[9];二是超高壓會(huì)破壞氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價(jià)鍵，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、酶失活，使細(xì)菌等微生物被殺死，從而在一定程度上減緩果蔬類產(chǎn)品在貯存過程中的腐敗過程，延長(zhǎng)食品的貯藏期[10];三是超高壓處理幾乎不會(huì)破壞氨基酸、維生素、色素和香氣成分等低分子化合物的共價(jià)結(jié)合，因此可以最大限度地保持食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、色澤和天然風(fēng)味[11];四是超高壓能提高食品的附加值。例如，對(duì)黃酒用50～150MPa的高壓處理30min，其揮發(fā)酯的含量提高了10%～20%，苦澀味氨基酸的比例減少，甜鮮味氨基酸的比例增加，酒的口味在經(jīng)過處理后更加濃郁醇香，總體催陳效果達(dá)1年以上[12]。一些研究表明，應(yīng)用超高壓技術(shù)可以使得加工中的香氣損失得到避免，此外部分酶的活性也可以被激活，從而釋放了果蔬汁某些潛在的香味成分[13]。五是超高壓還具有對(duì)環(huán)境無污染以及少用或不用化學(xué)添加劑等優(yōu)點(diǎn)[14]。

2 超高壓對(duì)果蔬加工產(chǎn)品微生物的影響

細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞核是微生物細(xì)胞的主要結(jié)構(gòu)，各組成部分相互協(xié)調(diào)，使得新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖得以順利進(jìn)行，從而使微生物的生命得以延續(xù)。超高壓產(chǎn)生的極高的靜壓可改變細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性發(fā)生變化，使微生物細(xì)胞內(nèi)生理功能紊亂、喪失，導(dǎo)致微生物死亡[15]。因此，隨著處理壓力的提高，保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，菌落總數(shù)的對(duì)數(shù)值呈明顯的下降趨勢(shì)[16]。例如，鮮切南瓜在350MPa壓力下細(xì)菌總數(shù)急劇下降;450MPa時(shí)即可達(dá)到商業(yè)無菌的效果;當(dāng)壓力為550MPa時(shí)，南瓜中幾乎檢測(cè)不到細(xì)菌[17]。

微生物種類包括真核微生物和原核微生物，兩者具有不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)壓力也表現(xiàn)出不同的敏感程度。草莓汁中的大腸菌群對(duì)壓力的敏感性很高，全部殺滅只需要在350MPa的壓力下保壓3min;而酵母菌和霉菌的耐壓能力比大腸菌群高，在350MPa壓力下，需要保壓10min才可全部被殺滅[18]。酵母菌、真菌和大部分細(xì)菌包括食源性致病菌在300～600MPa高壓處理5～10min可被殺滅，但如果要達(dá)到國(guó)家食品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，則需在650MPa壓力下處理15min以上[19，20]。

超高壓難以改變微生物的DNA，但與DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶在超高壓下會(huì)失活，從而影響了微生物的生長(zhǎng)繁殖。鮮榨胡蘿卜汁經(jīng)400MPa壓力處理45min，能在4℃下貯藏3d，鮮榨蘋果汁經(jīng)過400MPa壓力處理15min，可在4℃下貯藏7d仍保持食用安全性[21]。

微生物所在體系不同，表現(xiàn)出來的耐壓性也不同。對(duì)于果汁而言，經(jīng)500MPa壓力保壓15min處理，菌落總數(shù)可達(dá)到國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求[18]。但作為生鮮的蓮藕要達(dá)到國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在600MPa的壓力下處理2.5min以上[22]。

總的來說，超高壓對(duì)微生物有明顯的殺滅作用，壓力越大，保壓時(shí)間越長(zhǎng)，微生物致死率越高，但并不是線性關(guān)系。超高壓對(duì)細(xì)菌的殺滅效果主要取決于壓力的大小，保壓時(shí)間只在一定范圍內(nèi)有作用。不同的微生物因自身結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)出不同的耐壓性，同樣的微生物因所處體系不同也表現(xiàn)出不同的耐壓性。

3 超高壓對(duì)果蔬加工產(chǎn)品酶活力的影響

酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因此也具有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)，不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)對(duì)酶分子具有不同的意義。一級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中的氨基酸排列順序，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，至今還沒有超高壓破環(huán)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的報(bào)道[23]。在一定范圍內(nèi)，隨著壓力增加，酶分子中α-螺旋含量逐漸減少，β-折疊含量逐漸增加，即酶分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)在超高壓的作用下發(fā)生了變化。超高壓處理同樣改變了酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)[24]，表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度、峰位和峰型的改變。這是因?yàn)槌邏浩茐牧耸咕S持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級(jí)鍵[25]。酶的生物活性來源于活性中心——由分子的三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，即使是活性中心構(gòu)象一個(gè)微小的變化也能改變酶的功能性質(zhì)[26]。

4.3 超高壓處理對(duì)果蔬加工產(chǎn)品風(fēng)味的影響

與傳統(tǒng)食品加工模式熱力加工相比，超高壓處理不影響共價(jià)鍵的完整性，可以更好地保持食品的天然風(fēng)味。橙汁經(jīng)超高壓處理后特征香氣醛類成分基本不受影響[48]。但是超高壓會(huì)激活或者降低某些與風(fēng)味相關(guān)的酶的活性，從而改變風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量，同時(shí)，超高壓通過減小體積可能導(dǎo)致風(fēng)味物質(zhì)前體物的濃度增大，從而改變風(fēng)味物質(zhì)的濃度。

果蔬中的香氣成分主要包括醇、醛、酯等有機(jī)物質(zhì)[1]。哈密瓜汁在500MPa高壓下處理10min后，醋的種類及含量都有不同的變化，烯醛類新增加了4種，它們呈現(xiàn)出較濃的新鮮氣;酮類新增加了6種，它們多呈現(xiàn)出花果的香甜氣[49]。獼猴桃汁施以600MPa高壓處理20min后，桃汁中醇類化合物的種類和數(shù)量都有所減少，而羧酸類、醛酮類和雜環(huán)類物質(zhì)的種類和數(shù)量都有所增加[50]。芒果汁在施加500MPa壓力20min后，主體特征香氣成分萜烯類等的含量沒有明顯變化，但醇類物質(zhì)的含量增長(zhǎng)較多，且新增了2-已烯醛和十八醛等香氣成分，而酯類香氣成分含量有所降低，因此，對(duì)芒果汁而言，超高壓處理既能使芒果的特征香氣得以很好保持，并且更加突出了芒果汁的青鮮香氣[51]。草莓漿經(jīng)超高壓（300～400MPa）處理后香氣成分發(fā)生明顯改變，發(fā)揮主導(dǎo)作用的酷類醛類等物質(zhì)含量顯著增加[52]。

5 超高壓處理對(duì)果蔬加工產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分及活性成分的影響

果蔬不僅是維生素的主要來源，同時(shí)還富含酚類物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)活性成分。由于超高壓處理對(duì)共價(jià)鍵無影響，因而可以有效保留這些營(yíng)養(yǎng)活性成分。

5.1 超高壓處理對(duì)果蔬加工產(chǎn)品維生素C含量的影響

分子中的共價(jià)鍵不會(huì)因?yàn)楦邏憾黄茐?，因此理論上超高壓技術(shù)能保持食品中的營(yíng)養(yǎng)成分，很多研究證明超高壓對(duì)果蔬中的維生素不會(huì)產(chǎn)生破壞，或者影響較輕[53]。200～500MPa的超高壓對(duì)西瓜處理后，其維生素C含量能保留在90%以上[54]。獼猴桃汁經(jīng)500MPa的壓力處理后，其維生素C含量仍保持87%以上，是傳統(tǒng)熱力處理保存率的1.7倍[55]。超高壓（300～600MPa，15min）處理的黑莓汁維生素C的保留率為90.10%97.92%[州。草莓汁經(jīng)超高壓處理后濁汁飲料和清汁飲料的維生素C保留率為92.2%和87.4%[57]。超高壓對(duì)黃瓜中維生素C含量的影響也不大，在300～600MPa的各個(gè)壓力下，其保留率均在93%以上[37]?？偟貋砜矗邏簩?duì)果蔬加工產(chǎn)品的維生素C有影響，會(huì)造成果蔬維生素C的損失。但這種影響可能不是超高壓造成的破壞，而是維生素C本身性質(zhì)極不穩(wěn)定，易氧化造成的[58]。另外超高壓會(huì)造成果蔬的組織被破壞，隨著水分的流失，水溶性維生素C也會(huì)流失，從而造成果蔬維生素C的損失。亦有研究認(rèn)為超高壓處理把氧氣壓人食品體系，造成其體系中的活性氧含量增加，加速與維生素C的接觸使其氧化，從而造成維生素C含量減少[59，60]，例如，OEY等[61]研究了超高壓狀態(tài)下維生素C的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)降低原料中氧氣含量后，維生素C的穩(wěn)定性得到了明顯提高。

5.2 超高壓處理對(duì)果蔬加工產(chǎn)品總酚含量的影響

植物多酚具有較強(qiáng)的抗氧化性和清除自由基的能力[62]。屬于小分子化合物的多酚同樣對(duì)超高壓不敏感。Patras等[63]研究發(fā)現(xiàn)草莓和黑莓中多酚類物質(zhì)對(duì)壓力不太敏感;Prasad等[64]對(duì)龍眼果皮的研究也認(rèn)為超高壓對(duì)總酚含量沒有影響。藍(lán)莓汁經(jīng)各種壓力（200、300、400、500MPa）處理后，各處理組藍(lán)莓汁的總酚含量變化都不明顯[16]。

同時(shí)，由于總酚所存在的物料及其酶活性不同，總酚含量在超高壓作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的變化。楊小蘭等[65]認(rèn)為超高壓處理（500MPa，20min）能顯著提高獼猴桃漿多酚的含量，其中，獼猴桃游離酚含量能增加78.68μg/mL，獼猴桃結(jié)合酚含量能提高15.58μg/mL;魏煒等[66]認(rèn)為甜橙果肉中的總酚隨著壓力的增大呈上升趨勢(shì)，低于200MPa時(shí)提高不顯著（P>0.05），當(dāng)壓力達(dá)到400MPa時(shí)，總酚含量極顯著增加（P<0.01），分別提高了25.72%（400MPa）和36.04%（500MPa）;而馬靜等[37]認(rèn)為超高壓處理會(huì)降低蔬菜中的多酚物質(zhì)，但損失較小。例如黃瓜經(jīng)300MPa超高壓處理后多酚類物質(zhì)損失9.7%。由于壓力作用促進(jìn)了果蔬中其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化為總酚類物質(zhì)，從而使總酚類物質(zhì)含量增加。因此，超高壓一般不直接影響果蔬加工產(chǎn)品中的總酚含量，但可以通過改變酶的活性間接影響其含量。

5.3 超高壓處理對(duì)果蔬加工產(chǎn)品抗氧化性的影響

超高壓可能對(duì)果蔬加工產(chǎn)品的抗氧化性沒有顯著影響。例如，草莓果肉在600MPa超高壓下處理4min后，其抗氧化性無顯著性影響（P>0.05）[67];芒果果漿經(jīng)超高壓處理后能夠保持較好的DPPH·清除能力[68];藍(lán)莓汁經(jīng)200MPa處理5～15min后的抗氧化能力與新鮮果汁相比無顯著性差異（P>0.05）[69];超高壓處理對(duì)枸杞汁的DPPH·清除能力無顯著影響（P>0.05），即超高壓處理能較好地保持枸杞汁的抗氧化活性[70]。

超高壓也可能降低果蔬加工產(chǎn)品的抗氧化性。例如，經(jīng)400、600MPa處理15min后，藍(lán)莓汁抗氧化能力下降[69]。超高壓也可能提高果蔬加工產(chǎn)品的抗氧化性。例如，胡蘿卜和綠豆碎屑在600MPa壓力下處理2min，兩者的FRAP值均提高，表明其抗氧化性增強(qiáng)[71]。胡抽汁經(jīng)超高壓處理后抗氧化性提高[40]。白潔等[56]亦報(bào)道超高壓處理后黑莓汁的DPPH·清除能力顯著增強(qiáng)（P<0.05）。

總地來看，超高壓對(duì)果蔬產(chǎn)品抗氧化能力的影響與主要活性成分的變化密切相關(guān)，因而取決于果蔬原料中的抗氧化成分及含量。

6 超高壓處理果蔬加工產(chǎn)品的應(yīng)用前景

隨著生活水平的不斷提高，人們開始追求更高質(zhì)量的生活，天然無添加的新鮮食品更受大眾的認(rèn)可。傳統(tǒng)的熱殺菌技術(shù)雖然可以殺死微生物，但卻不可避免地影響了食品的色澤、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)，于是作為替代傳統(tǒng)熱加工手段之一的超高壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了：滅菌，延長(zhǎng)保藏期;鈍酶，抑制酶促褐變;可保持食品原有風(fēng)味色澤，并且對(duì)營(yíng)成分破壞較小。果蔬是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚男迈r食品，然而果蔬本身含水量高，組織脆嫩，難以長(zhǎng)時(shí)間貯存，且采摘后是有生命的，極易受機(jī)械損傷而腐爛變質(zhì)，具有鮮明的季節(jié)性和地域性。將超高壓技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮加工，在保持原有風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，有利于延長(zhǎng)果蔬的貨架期[72]。因以上諸多優(yōu)點(diǎn)，超高壓技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[73]。

目前對(duì)超高壓技術(shù)的研究?jī)H停留在現(xiàn)象層面，沒有從細(xì)胞層面和分子層面對(duì)超高壓的殺菌機(jī)理進(jìn)行研究，也沒有深入研究超高壓對(duì)酶結(jié)構(gòu)的影響[2]。未來的研究方向之一是建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型來解釋殺菌、鈍酶等不同的動(dòng)力學(xué)過程。隨著研究的不斷深入，未來超高壓技術(shù)的研究和應(yīng)用將向更廣闊的領(lǐng)域延伸。

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收稿日期：2019-11-05

基金項(xiàng)目：湖北省知識(shí)產(chǎn)權(quán)局高價(jià)值專利培育轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（201701033A）

作者簡(jiǎn)介：熊孜（1988-），女，湖北應(yīng)城人，助理工程師，碩士，主要從事食品加工與安全研究，（電話）13720368319（電子信箱）846714190@qq.com;通信作者，程薇（1962-），女，研究員，（電子信箱）823093607@qq.com。