超高壓技術(shù)在果汁加工中應(yīng)用的研究進(jìn)展

王明雪，趙江麗，關(guān)曄晴，關(guān)軍鋒,*，王永霞

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲056000；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所，河北 石家莊050051）

超高壓是指大于100 MPa的壓力，一般把對物體施加大于100 MPa壓力的技術(shù)稱為超高壓技術(shù)（Ultra-high pressure，UHP），該技術(shù)在冶金、化工、成型、切割及食品等領(lǐng)域均有應(yīng)用。將100～1 000 MPa的靜態(tài)液體壓力施加于包裝好的固態(tài)或液態(tài)食品上并保持一段時間，可以起到對食品殺菌滅酶和保鮮加工的目的[1]。采用UHP進(jìn)行食品滅菌保鮮可以在延長食品保質(zhì)期的同時，更好地保留其營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味特點(diǎn)，UHP滅菌是果汁加工中最常用的滅菌手段[2]。本文從UHP處理工藝參數(shù)對微生物的滅活效果、果汁品質(zhì)和酶活性的影響3個方面進(jìn)行綜述，闡述了UHP處理中的常見問題與技術(shù)難點(diǎn)，以期為UHP的應(yīng)用提供參考。

1 影響果汁中微生物滅活效果的UHP工藝參數(shù)

采用UHP對果汁進(jìn)行處理時，其工藝參數(shù)（壓力、保壓時間、過程溫度、升壓和卸壓速率及加壓次數(shù)[3-4]）的不同，會對微生物的滅活效果產(chǎn)生影響。

1.1 壓力

研究表明，壓力是UHP處理中影響微生物滅活效果的主要因素，隨著處理壓力的升高，微生物滅活效果增強(qiáng)[5-6]。草莓汁經(jīng)200 MPa或250 MPa處理120 s后，耐酸大腸桿菌數(shù)對數(shù)值分別減少3.52和4.02[7]。UHP處理樹莓汁時，處理壓力越高，大腸桿菌、沙門氏菌、酵母菌和霉菌等微生物的滅活效果越好[8]。對南果梨汁的超高壓滅菌研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力由200 MPa升高到300 MPa時，菌落總數(shù)由8×103CFU/mL減少到0.26×103CFU/mL，滅活效果顯著提高[9]。其原因可能是隨著壓力水平增加，微生物細(xì)胞被破壞的幾率也隨之增加。

1.2 保壓時間

保壓時間對微生物滅活效果的影響次之，延長保壓時間可以更有效地破壞微生物細(xì)胞。處理壓力為350 MPa時，對南果梨汁的保壓時間由5 min增加到25 min時，菌落總數(shù)由319 CFU/mL降至14 CFU/mL，微生物數(shù)量顯著減少[9]。研究發(fā)現(xiàn)，用300 MPa的壓力處理藍(lán)莓汁24 min，微生物的滅活效果明顯優(yōu)于6 min[10]。隨著保壓時間的延長，楊桃汁中細(xì)菌存活數(shù)量明顯減少[11]。經(jīng)UHP處理的草莓汁中，菌落總數(shù)隨保壓時間的延長而顯著減少，但總體減少趨勢是先快后慢再快速減少，這可能是由于在壓力處理下，部分耐壓性弱的微生物迅速死亡，隨著保壓時間的延長，其他微生物也會陸續(xù)滅亡，從而使滅菌效果增強(qiáng)[12]。

1.3 過程溫度

UHP處理的過程溫度對微生物滅活效果的影響也比較明顯[13]，在高于或低于常溫下進(jìn)行UHP處理的微生物滅活效果均優(yōu)于常溫[14]。研究表明，多數(shù)的微生物在-20℃下的滅菌效果優(yōu)于20℃。UHP處理對冷凍樣品中大腸桿菌的滅活效果顯著優(yōu)于常溫樣品[13]，這與低溫高壓下菌體細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)更易被破壞有關(guān)[15]。在高于常溫的UHP處理中，微生物被滅活的比率隨溫度升高而增加。獼猴桃果汁經(jīng)30℃、400 MPa處理可達(dá)到商業(yè)無菌狀態(tài)，而將溫度升高到50℃時，僅需200 MPa的壓力即可達(dá)到商業(yè)無菌狀態(tài)[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌細(xì)胞對20～35℃的靜水壓力相對不敏感，當(dāng)操作溫度大于35℃時，細(xì)菌細(xì)胞對壓力變得敏感，這可能與細(xì)菌細(xì)胞膜脂的相變及其流動性的變化有關(guān)[17]。

1.4 升壓和卸壓速率

升壓、卸壓速率也會對殺菌效果產(chǎn)生影響。緩慢的升壓速率可能會引起細(xì)菌細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，從而影響微生物的失活率。提高升壓速率可以增強(qiáng)UHP處理對總好氧菌（Total aerobic bacteria）的滅活效果，采用60 MPa/min的速率加壓，失活的總需氧菌數(shù)的對數(shù)值為0.8～1.3，采用120 MPa/min的速率加壓，失活的總需氧菌的對數(shù)值則升高到0.88～2.14[18]。采用快速卸壓的方式可以提高對大腸桿菌、沙門氏菌、綠膿假單胞菌、副溶血性弧菌的滅菌效果[3]。Ratphitagsanti等[19]發(fā)現(xiàn)，在卸壓速率不變的情況下，較慢的升壓速率使解淀粉芽孢桿菌TMW 2.479孢子的失活率更高。但在相同的加壓梯度條件下，不同的升壓速率對英諾克李斯特氏菌（Listeria innocua）的滅活效果差異不顯著[20]。由上可知，營養(yǎng)細(xì)菌細(xì)胞、酵母和細(xì)菌孢子對壓力的敏感性不同，因此，有必要研究不同微生物在不同升壓和卸壓條件下的活動情況。

1.5 加壓次數(shù)

增加加壓次數(shù)可以提高果汁中微生物的滅活效果。獼猴桃果汁經(jīng)400 MPa加壓1次時菌落總數(shù)小于100 CFU/mL，加壓2次時，殺菌率可達(dá)100%，果汁達(dá)到商業(yè)無菌狀態(tài)[21]。第1次加壓具有活化芽孢菌芽孢的作用，會引起芽孢菌芽孢發(fā)芽變成營養(yǎng)細(xì)胞，芽孢菌的營養(yǎng)細(xì)胞對壓力非常敏感，所以第2次加壓便很容易將已成為營養(yǎng)細(xì)胞的芽孢菌殺死[22]。因此，重復(fù)加壓處理具有明顯的殺滅芽孢的作用。

2 UHP處理對果汁品質(zhì)的影響

果汁品質(zhì)的變化是影響果汁產(chǎn)品貨架期的重要原因，評價果汁品質(zhì)的指標(biāo)主要有理化指標(biāo)、營養(yǎng)指標(biāo)和香氣品質(zhì)。

2.1 UHP處理對果汁理化指標(biāo)的影響

果汁理化指標(biāo)主要包括：可溶性固形物含量（SSC）、pH值、色度、濁度等。

大多數(shù)水果如橙子[23]、香蕉[24]、獼猴桃[16]、椰子[25]、楊梅[26]、山荊子[27]、檸檬汁[28]、柑橘汁[28]等，經(jīng)超高壓處理后，SSC變化較小，無顯著性差異。但是，桑葚果汁經(jīng)700 MPa保壓5 min處理后SSC增加了近30%[29]；鮮楊桃汁經(jīng)UHP處理后SSC由10.1°Brix降低至9.7°Brix，在冷藏40 d后逐漸降低至9.1°Brix；SSC在冷藏期的降低可能與果汁中未被滅活的微生物需要糖作為營養(yǎng)來源繼續(xù)生長，導(dǎo)致葡萄糖、果糖和總糖含量下降有關(guān)[11]。

果汁經(jīng)UHP處理后pH值變化不一致。對南果梨汁的研究發(fā)現(xiàn)，壓力由200 MPa升高到500 MPa時，pH值由3.84降低到3.66；350 MPa壓力下保壓時間由5 min延長到25 min時，pH值由3.88降低到3.82；隨著UHP壓力的升高和保壓時間的延長，果汁的pH值顯著降低[9]，可能是由于壓力升高使水溶液的電離平衡向生成更多H+的方向進(jìn)行，引起受壓介質(zhì)pH值下降。桑葚汁經(jīng)UHP處理后pH值上升，且隨壓力增大pH值變化顯著[29]，草莓汁經(jīng)300 MPa分別處理20 min、30 min、40 min后與處理前無顯著差異，但壓力大于300 MPa會使草莓汁pH值隨壓力升高顯著增加[12]，這可能與果汁的制備方法及其化學(xué)成分有關(guān)。

色度是評價果汁品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，一般用色差儀進(jìn)行測定，結(jié)果用L*、a*、b*值表示，其中，L*值表示果汁的明暗度，a*值表示紅綠偏向，a*＞0顏色偏紅，a*＜0顏色偏綠，b*值表示黃藍(lán)偏向，b*＞0顏色偏黃，b*＜0顏色偏藍(lán)。經(jīng)UHP處理后色度變化在不同類果汁中差異較大，蘋果、草莓、橙、藍(lán)莓、山荊子等果汁的色度參數(shù)隨壓力升高呈無規(guī)律性變化，且差異不明顯。南果梨汁的L*值隨壓力升高而下降[9]，超高壓處理對西番蓮果汁的色度無顯著影響[30]。這可能與果汁的固有屬性及果汁中的酶活性有關(guān)，也可能與果汁中多酚類物質(zhì)與氧氣充分接觸而被氧化，導(dǎo)致果汁褐變程度增加有關(guān)。

果汁的濁度可以直接反映出果汁的穩(wěn)定程度和品質(zhì)。UHP處理影響果汁濁度變化的因素較多。草莓渾濁汁經(jīng)UHP處理后濁度減小，但不同壓力作用下濁度的減小速率不同。壓力溫度協(xié)同處理后，獼猴桃清汁的濁度略有減小[16]，這可能是由于高壓和熱處理使果膠降解增多，果汁黏度增大，減少了懸浮顆粒在離心過程中的沉淀，進(jìn)而使?jié)岫葴p小[12]。對澄清蘋果汁的研究中發(fā)現(xiàn)，UHP處理對其濁度影響不顯著[31]，這可能與蘋果汁本身的澄清度有關(guān)。UHP處理導(dǎo)致濁度變化的可能原因有：①破碎的果肉細(xì)胞促進(jìn)了化學(xué)成分的溶出；②UHP引起與果汁狀態(tài)相關(guān)的細(xì)胞壁水解酶，如果膠甲酯酶（PME）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）等活性的變化；③果汁自身組織狀態(tài)的不同[32]。

2.2 UHP處理對果汁營養(yǎng)成分的影響

果汁的營養(yǎng)成分包括還原糖、有機(jī)酸、維生素、蛋白質(zhì)等。

有研究發(fā)現(xiàn)，UHP處理對橙汁的糖濃度和還原糖含量沒有顯著影響[33]。超高壓處理對蘋果汁糖和酸的濃度影響很小[34]，這可能與UHP一般只對食品中各組分分子間的非共價鍵起作用[35]有關(guān)。

大多數(shù)果汁經(jīng)UHP處理后VC含量明顯下降，如菠蘿汁、楊梅汁、山荊子汁、獼猴桃汁、蘋果汁[34]等。獼猴桃汁經(jīng)UHP處理后VC含量降低了14.89%[21]，其原因是超高壓處理加速了氧氣與VC的接觸，使VC被氧化[28]。草莓漿[36]、渾濁蘋果汁[37]經(jīng)UHP處理后VC含量無明顯變化。

一般認(rèn)為，UHP會破壞蛋白質(zhì)的3級和4級結(jié)構(gòu)，引起蛋白質(zhì)變性[35]，使果汁中的蛋白質(zhì)含量降低，但這對蛋白質(zhì)含量低的果汁影響不大，如UHP處理后，藍(lán)莓汁中蛋白含量為1.1～1.5 mg/mL，與處理前蛋白含量相比無明顯變化[10]。

2.3 UHP處理對果汁香氣成分的影響

香氣成分的種類與含量直接決定果汁的香氣品質(zhì)。滋味鮮美、氣味濃郁的果汁更受消費(fèi)者歡迎。果汁中香氣化合物的種類及含量變化與UHP處理壓力和保壓時間有關(guān)。大量研究表明，UHP對果汁的特有香氣成分影響較小，如蘋果汁、杏汁等。橙汁經(jīng)400 MPa保壓10 min處理后，香氣成分變化不明顯[38]。芒果汁經(jīng)UHP處理后其香氣成分中的β-月桂稀、α-水芹烯等萜烯類物質(zhì)含量均顯著下降[39]。黑莓汁在300 MPa保壓10 min處理后，其香氣成分中的醇類、酸類、酯類物質(zhì)含量均減少，而酮類、醛類物質(zhì)含量增加[40]。UHP處理導(dǎo)致香氣成分變化的原因可能與香氣成分在高壓環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)酶對香氣物質(zhì)的影響有關(guān)[32]。

3 UHP處理對果汁中酶活性的影響

果汁中常見的酶包括過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、果膠甲酯酶等，其酶活性的高低直接對果汁的褐變程度、風(fēng)味及穩(wěn)定性等造成影響。

3.1 壓力對酶活性的影響

壓力對酶活性的影響是雙重的，較低的壓力會激活酶的活性，而較高的壓力會抑制酶的活性。25℃，壓力為200 MPa時，保壓5 min或20 min，橙汁中的POD被激活，其活性隨壓力的升高而增大；壓力高于200 MPa后，酶活性隨處理壓力升高而降低[41]。白葡萄汁經(jīng)300 MPa和600 MPa處理后，POD活性分別降低了73.1%和52.1%[42]。鮮榨荔枝汁經(jīng)300 MPa處理后，POD活性變化不明顯，但經(jīng)450 MPa處理后POD活性顯著降低[43]。Krystian等[37]研究表明，不同UHP處理參數(shù)均導(dǎo)致蘋果汁PPO和POD失活，其中壓力的影響最大，壓力600 MPa時，PPO和POD活性分別下降到1.8%和58%。芒果、胡蘿卜混合果汁經(jīng)超高壓處理后PPO活性降低，但POD活性卻增加了約30%。高壓可以增加植物膜中酶和底物的釋放，甚至可以改變其2級和3級結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)象變化可以改變酶活性及其底物特異性，暴露新的活性位點(diǎn)，激活潛在同工酶，并修飾其功能[44]。

3.2 處理時間和溫度對酶活性的影響

保壓時間和溫度對酶活性影響較小。梨汁中PPO活性隨處理時間的延長而降低，達(dá)到閾值后，再延長保壓時間對酶活性幾乎沒有影響[45]。在100 MPa壓力下，處理12 min和24 min時，藍(lán)莓汁中POD活性殘余量與處理6 min相比分別減少了2.22%和8.9%[10]。但在小于200 MPa的范圍內(nèi)，時間的延長對草莓汁中PME的鈍化效果無顯著影響，隨著壓力升高，UHP對PME的鈍化作用隨時間延長而顯著減小，500 MPa條件下分別處理20 min和30 min，酶活性由85.39%降低到80.12%[12]。溫度協(xié)同超高壓對梨汁中PPO活性的降低效果較好，且溫度越高協(xié)同抑制效應(yīng)越明顯[45]。芒果漿經(jīng)熱燙后再進(jìn)行超高壓處理，其PPO和POD活性也存在被鈍化的現(xiàn)象[39]。方亮[16]研究認(rèn)為，升溫會弱化酶蛋白的某些氫鍵、疏水鍵、離子鍵和靜電相互作用，高壓可增強(qiáng)這種弱化作用，使酶的三維構(gòu)象受到破壞而加速其失活。

4 小結(jié)與展望

果汁是一個復(fù)雜的體系，UHP處理對果汁的影響受果汁品種、類型、加工工藝參數(shù)等多種因素影響。目前的研究結(jié)果明確表明，UHP可以使果汁中微生物滅活，同時較好地保留果汁的營養(yǎng)品質(zhì)及其特有香氣，但多數(shù)情況下UHP不能使果汁中的酶完全滅活，易導(dǎo)致果汁在貨架后期發(fā)生品質(zhì)劣變，縮短保質(zhì)期[32]。因此，將UHP大規(guī)模地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)針對特定果汁產(chǎn)品開發(fā)適用的加工工藝。同時，在UHP處理果汁的工藝中，還可以聯(lián)合電解質(zhì)水、超聲波、紫外線、熱處理、低溫儲藏、脫氣等手段，最大程度維持果汁的營養(yǎng)品質(zhì)，延長其保質(zhì)時間。