柑橘脫囊衣方法及囊衣檢測技術研究進展

白 雪，李曉賀，郭明媚，于文斐，于梅芝，于敏艷，貢漢生*

（1.魯東大學食品工程學院，山東煙臺 264000；2.山東魯海食品有限公司，山東煙臺 265200）

柑橘（Citrus reticulataBlanco）屬蕓香科柑橘屬植物[1]，是世界第一大類水果，口味酸甜，深受世界各國消費者喜愛。柑橘營養(yǎng)豐富，含有大量的碳水化合物、果膠、類黃酮、芳香物質(zhì)、礦物質(zhì)、膳食纖維和多種維生素等，具有重要的營養(yǎng)、保健和醫(yī)藥研究意義。國家統(tǒng)計局網(wǎng)站關于近年來我國柑橘產(chǎn)量、進出口貿(mào)易總量的數(shù)據(jù)顯示，2000 年以來，我國柑橘單產(chǎn)和種植面積不斷增加，柑橘產(chǎn)量不斷提高，2018 年產(chǎn)量超過蘋果成為我國第一大水果，2020 年我國柑橘產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，達到了5 121.9萬t。柑橘制汁后，貯藏時間與鮮果相比明顯延長，發(fā)展果肉飲料加工可以減少柑橘原料的損失，增加柑橘經(jīng)濟效益。經(jīng)過加工后的柑橘果肉飲品貨架期延長，口感好，營養(yǎng)豐富，消費需求增長迅速，行業(yè)發(fā)展空間廣闊。柑橘飲料中較出名的是柑橘果茸飲料，是近年來新興的一種柑橘飲料，以可口可樂公司的“果粒橙”為代表品種[2]。

柑橘加工過程中，柑橘囊衣的存在制約著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，柑橘深加工中的脫囊衣工藝是柑橘汁胞類產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要步驟。囊衣是指柑橘囊瓣由果膠質(zhì)黏合為一體的內(nèi)外兩層表皮。全去囊衣是指去掉這兩層表皮，半去囊衣是指去掉外表皮。橘瓣囊衣由10～20 層薄璧細胞組成，內(nèi)層細胞大而且排列不規(guī)則，表層細胞較小，排列整齊且致密；最外層被有蠟質(zhì)層；纖維素是細胞的結(jié)構物質(zhì)之一，細胞間有果膠質(zhì)相黏連[3]。柑橘罐頭加工的脫囊衣工藝是果膠新的重要來源[4]。目前，柑橘加工過程中的脫囊衣方法主要有手工剝除法、化學法和生物降解法。傳統(tǒng)的酸堿法、磷酸鹽堿法和EDTA 輔助低堿法效率較高，速度較快，但耗水多，環(huán)境污染嚴重。近年來酶法脫囊衣技術研究和應用逐漸增多，采用酶法脫囊衣能很好地解決傳統(tǒng)方法中存在的綠色壁壘和技術壁壘。酶法脫囊衣產(chǎn)品品質(zhì)好，囊胞完整且無污染；酶法脫囊衣作用環(huán)境溫和，橘瓣破碎率低，能夠節(jié)省勞動力和用水量，有利于改善勞動條件和保護環(huán)境，所以酶法脫囊衣成為現(xiàn)在柑橘加工的研究熱點。但酶法脫囊衣技術中的脫囊衣時間和重復利用次數(shù)仍需進一步提升，以適應工業(yè)化推廣應用。隨著脫囊衣技術的提升，檢測囊衣的方法也更加精進，根據(jù)光特異性差異來識別囊衣具有很好的發(fā)展前景。

本文闡述了柑橘脫囊衣方法的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，并闡述了柑橘囊衣的檢測方法，旨在為柑橘果肉飲料企業(yè)的生產(chǎn)提供一定的參考。

1 柑橘囊衣的成分

柑橘囊衣是包裹在柑橘果肉外，用來隔開橘瓣的一層膜狀物質(zhì)。從生物學角度來說，柑橘囊衣指的是由果膠質(zhì)黏合為一體的內(nèi)外兩層表皮，主要成分是果膠和纖維素。柑橘囊衣具有減少柑橘果肉機械損傷、保護柑橘果肉免受外界細菌侵害、減少柑橘果肉水分散失以及防止維生素C 氧化的作用。柑橘囊衣含有豐富的膳食纖維，葛青等[5]以柑橘囊衣為原料，以持水力和膨脹力為評價指標，通過正交試驗確定了擠壓改性加工的最佳工藝參數(shù)，并對產(chǎn)品膳食纖維含量及主要功能性質(zhì)進行了分析。但是在柑橘加工過程中，柑橘囊衣的存在制約著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而柑橘深加工中的脫囊衣工藝是柑橘汁胞類產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要步驟。所以，柑橘脫囊衣對于柑橘產(chǎn)品的加工尤為重要。

2 柑橘脫囊衣的方法

柑橘加工過程中的脫囊衣方法主要有化學法和生物降解法。

2.1 化學法脫囊衣

化學法脫囊衣主要是利用化學試劑（如氫氧化鈉等）腐蝕囊衣，使囊衣軟化溶解除去，主要包括堿法、酸堿二次處理法等。

2.1.1 堿法脫囊衣

堿法脫囊衣是指利用堿使柑橘囊衣的果膠溶解，造成囊衣組織崩裂，從而使囊衣脫落。堿法脫囊衣主要分為EDTA 輔助低堿法和磷酸鹽-堿法、表面活性劑-磷酸鹽及苛性鈉混合液法。

（1）EDTA 輔助低堿法

EDTA 輔助低堿法脫囊衣的原理是柑橘囊衣中含有果膠質(zhì)與纖維素等多糖類物質(zhì)，果膠質(zhì)分子的游離羧基與Ca2+、Mg2+等二價金屬離子交聯(lián)形成不溶性的原果膠。若要破壞囊衣組織，可利用EDTA 絡合劑“拆除”“Ca2+和Mg2+橋”，將原果膠轉(zhuǎn)化成可溶性果膠，以提高NaOH 的有效性。然后再經(jīng)過NaOH 處理，使果膠分子間的α-1,4糖苷鍵斷裂，達到脫囊衣的目的。方修貴等[6]闡述了EDTA作為柑橘囊瓣去囊衣助劑的理論依據(jù)，研究了NaOH-EDTA 法的配套工藝流程。結(jié)果表明，0.04%EDTA-Na2，0.15%NaOH 處理15 min 左右能完全去除囊衣。諸種絡合劑，如EDTA、聚磷酸鹽及檸檬酸鹽等，都能起到“拆除”“Ca2+橋”的作用，但EDTA 的絡合能力大大高于其他絡合劑，同時又不像聚磷酸鹽那樣對水質(zhì)產(chǎn)生嚴重污染[6]。

（2）磷酸鹽-堿法

磷酸鹽-堿法的原理是利用磷酸鹽和堿使柑橘囊衣的果膠溶解，同時磷酸鹽還有緩沖pH 值的特性，能夠在一定程度上減少溶液pH 值變化對囊衣的影響。別小妹等[7]研究了用三種不同的去柑橘囊衣方法對囊瓣營養(yǎng)成分的影響，并據(jù)此綜合評定出了柑橘去囊衣處理的最佳方法為磷酸鹽-堿法。2015 年，朱偉進等[8]對甌柑砂囊半成品工藝技術進行了總結(jié)，他得出，柑橘囊衣用堿含量0.5%～1.0%、三聚磷酸鈉含量0.1%～0.3%的堿處理液在30 ℃下處理8 min 左右能完全脫除。

（3）表面活性劑-磷酸鹽及苛性鈉混合液法

表面活性劑-磷酸鹽及苛性鈉混合液法的原理是，利用表面活性劑蔗糖脂肪酸酯降低表面張力的特性，改善溶液的濕潤性及滲透能力，使堿液能夠盡快透過囊衣表面的蠟質(zhì)層，進入囊衣中，將囊衣細胞中的纖維素、半纖維素水解，使其崩解。囊衣細胞間的果膠質(zhì)中，有一部分是結(jié)構致密、堅硬、抗堿能力強的果膠酸鈣。三磷酸鈉具有絡合Ca2+、Mg2+的作用，它能螯合囊衣細胞間果膠質(zhì)中的Ca2+，使囊衣結(jié)構軟化松弛，抗堿腐蝕能力降低，使去囊衣處理能在較低溫度和較低NaOH 濃度下進行，在這樣的條件下，桔瓣表面的汁胞破損率大大降低，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率。

李正明等[3]研究了表面活性劑-磷酸鹽及苛性鈉混合液去橘瓣囊衣技術，研究發(fā)現(xiàn)與酸堿二次去囊衣技術比較，該方法減少三道工序，工藝流程縮短，每次處理可節(jié)約時間40 min 以上，并提高了處理容器的利用率。

2.1.2 酸堿二次處理法去囊衣

酸堿二次處理法的原理是利用無機酸（HCl）將囊衣中具有黏性的果膠質(zhì)水解成無黏性的果膠酸，使囊衣結(jié)構松弛，再利用較低濃度的強堿（NaOH）腐蝕細胞壁中的纖維素、半纖維素，使囊衣崩解，從而達到去囊衣的目的。

周小平等[9]研發(fā)了經(jīng)濟實用的去橘子囊衣生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線由酸堿處理盆、簡易流槽和漂洗池三部分組成。褚維元等[10]研究了糖水橘子罐頭半去囊衣的方法。試驗表明，鹽酸溶液濃度0.3%，溫度30 ℃，處理時間10 min，氫氧化鈉溶液濃度0.15%，溫度40 ℃，處理時間2 min，半去囊衣時間短，效果好，工藝操作簡單，是半去囊衣的最理想工藝條件。在靜止的水池中酸堿處理液的濃度還可以提高，時間還可以縮短。黃亮等[11]通過對片片桔飲品的原料、生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究，確定了最佳工藝參數(shù)為原料8 成熟以上，熱燙50～60 s，手工去皮分瓣，0.4%HCl 浸泡10 min，0.4%～0.7%NaOH 去囊衣，漂洗1 h，加400～500 mg/kg CaCl2到熱糖水中，80～85 ℃殺菌13 min，得到質(zhì)地硬挺、脆度好、組織緊密、甜酸適口的片片桔飲品。白偉[12]采用正交試驗，確定了糖水橘子罐頭的優(yōu)化工藝條件，并分析了橘皮苷對糖水橘子罐頭的品質(zhì)影響。結(jié)果表明，在溫度為43 ℃時，酸（HCl）液濃度為0.2%，處理45 min；堿（NaOH）液濃度為0.15%，處理15 min 的情況下，去囊衣效果較好。糖液濃度在20%，pH 為3.7 時，制品品質(zhì)較佳。吳溁[13]研究了囊衣去除方法，比較了堿法去囊衣和酶法去囊衣的優(yōu)劣?？疾炝藟A液濃度、溫度和去囊衣助劑對去囊衣效果的影響。結(jié)果表明，去囊衣工藝為1%堿液在40 ℃下攪拌4～5 min，采用3 次逆流靜態(tài)漂洗堿液，時間分別為15、10、5 min，最后用1%檸檬酸靜態(tài)漂洗51 min，平均耗水量為1.8～2 L/kg 果肉；經(jīng)該工藝處理的琯溪蜜柚的囊衣去除率高、果肉形狀完整且營養(yǎng)成分基本無損失。

目前，國內(nèi)大部分柑橘罐頭加工廠仍然延用酸堿二次處理法。但是酸堿法存在工效低、水耗高及重金屬污染嚴重等問題，除此之外，酸堿處理后，汁胞壁易變軟，在汁胞分離過程中會造成汁胞破損和萎蔫，從而影響色澤和風味[14]。

2.2 生物降解法脫囊衣

生物降解法脫囊衣主要指酶法脫囊衣。柑橘囊衣的主要成分是果膠、纖維素與半纖維素等，可用相對應的果膠酶制劑、纖維素酶制劑來脫囊衣。酶法脫囊衣是指在能確保橘瓣結(jié)構及風味完好無損的情況下，利用復合酶制劑（果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶等）分解果膠物質(zhì)和纖維素組分，使囊衣組織細胞相互間失去連接，造成囊衣細胞松散，囊衣的緊湊結(jié)構被打破，實現(xiàn)囊衣的離散，接著使囊衣與汁胞分離。

2.2.1 復合酶解法脫囊衣

在酶法脫囊衣方面，多數(shù)人選擇復合酶解法脫去柑橘囊衣。藍航蓮[15]用含纖維素酶制劑、果膠酶制劑以及促進劑的混合酶降解果實外露囊衣。試驗結(jié)果表明，合適的酶濃度為纖維素酶0.2 g/100 mL，果膠酶0.4 g/100 mL促進劑0.5 mL/100 mL。處理果量為150～170 g 時，需要的混合酶溶液為200 mL，降解的條件為pH 4.0，溫度50℃。從時間上來看，40 min 后即可達到較佳的效果，與傳統(tǒng)的酸堿二步脫囊衣方法處理相比，混合酶作用后的果實表面光滑，汁胞幾乎沒有損壞。方修貴等[16]采用正交試驗研究了復合酶解法脫除柑橘囊衣的工藝。結(jié)果表明：pH 3.4，溫度50 ℃，果膠酶與纖維素酶比例1∶1，酶解時間38min，可得到完整而緊實的全去囊衣產(chǎn)品。鄧永燕等[17]研究了利用酶法脫除速凍蜜橘囊衣的方法，通過試驗篩選出合適的酶，在單因素試驗的基礎上進行正交試驗確定了最佳酶解工藝。結(jié)果表明，果膠酶A 和纖維素酶按2∶1 混合，去囊衣效果最理想。最佳的酶解工藝參數(shù)為酶濃度0.3%（g/L），溫度50 ℃，pH 4.5，酶解時間60 min。王美美等[18]對復合酶解制作紅樹莓汁工藝進行了研究，結(jié)果表明復合酶解制備紅樹莓汁的最優(yōu)工藝參數(shù)為果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶的質(zhì)量比5∶4∶1，酶添加量0.15%，酶解溫度47 ℃，酶解時間59 min。王小雪等[19]以柑橘和紅茶為主要原料，探究了柑橘紅茶復合飲料的制作工藝，結(jié)果表明，柑橘汁的最佳酶解工藝為0.2%果膠酶稀釋液10%，酶解pH 值3.5，酶解溫度45 ℃，酶解時間2.0 h。

2.2.2 微生物發(fā)酵果膠酶制劑去囊衣

采用微生物發(fā)酵果膠酶制劑去柑橘囊衣效果也較好。郭育齊[20]采用微生物發(fā)酵果膠酶制劑對臍橙進行脫囊衣正交試驗優(yōu)化，研究了臍橙生物酶法清潔加工。研究結(jié)果表明，最佳工藝條件為酶降解時間120 min，料液比1∶2（g/mL），酶濃度4%，pH 4，酶解溫度40 ℃。脫囊衣pH 更接近于果漿的自然pH 值，酶降解效果好。

近年來有不少學者對產(chǎn)脫囊衣酶的菌株進行了篩選研究。唐頌[21]以湘西椪柑為研究對象，研究了脫囊衣、汁胞分離、硬化這三個關鍵性加工工藝的方法和條件。通過單因素和正交試驗得到最佳脫囊衣工藝酸酶法的條件為酸濃度0.4%、果膠酶濃度1.0%、果膠酶作用溫度45 ℃、pH 3.5。張闖[22]通過底物限制性初篩和復篩，獲得了一株具備降解柑橘囊衣能力的主產(chǎn)半纖維素酶菌株。通過表型鑒定和分子生物學手段將該菌株鑒定為曲霉屬棘胞曲霉，命名為Aspergillus aculeatusZC-1005。陳亞妃等[23]從20 株產(chǎn)果膠酶菌株中篩選到一株對柑橘囊衣有較好降解能力，高產(chǎn)果膠酶的菌株，利用柑橘片水解后囊衣為原料，采用單因素和正交實驗得到了該菌株的最佳發(fā)酵條件。吳鵬飛[24]從253 份土壤中篩選出一株脫囊衣專用果膠酶高產(chǎn)菌株。菌株經(jīng)微生物形態(tài)學及真菌18S rDNA 序列同源性鑒定該菌株為黑曲霉，命名為Aspergillus nigerWZw001。李碧嬋等[25]篩選出了一株高產(chǎn)果膠酶的內(nèi)生真菌，編號為z4，菌株z4 被鑒定為紅綬曲霉（Aspergillus nomius）。陳鈺泉等[26]對枯草芽孢桿菌發(fā)酵中藥皂素共表達蛋白酶及果膠酶進行了研究，結(jié)果表明添加5%葡萄糖后得到的發(fā)酵液的洗滌效果與蛋白酶及果膠酶的酶活呈正相關。中藥皂素經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵后的酵素液產(chǎn)果膠酶率明顯升高。王艷梅等[27]在黑曲霉中成功構建了高效的Cas9 基因編輯技術，發(fā)現(xiàn)4978020基因功能缺失也不影響菌株產(chǎn)果膠酶，為構建高產(chǎn)單一性果膠酶黑曲霉底盤菌株奠定了基礎。何海燕等[28]通過硫酸銨鹽析、Mono Q 陰離子交換層析技術，對1 株來自沙福芽孢桿菌G7-7 所產(chǎn)果膠酶進行分離純化，得到分子質(zhì)量為57 kDa 電泳純的果膠酶。以上方法有利于制作懸浮型柑橘砂囊飲料[29]。毛文英等[30]研究了利用殼聚糖和果膠酶澄清歐李果汁的工藝，結(jié)果表明加入5 μL 果膠酶后，再加入4 mL 質(zhì)量分數(shù)1%的殼聚糖B 溶液，離心20 min，45 ℃水浴鍋中恒溫1 h，靜置48 h，所得歐李果汁的透光率可達92.4%，澄清效果最佳。

酶法脫囊衣綠色無污染，但是時間和重復利用次數(shù)仍有進一步優(yōu)化空間，以適應工業(yè)化推廣應用。

3 柑橘囊衣的檢測方法

柑橘囊衣的檢測方法多是物理法，利用柑橘類水果囊衣的光學特異性來檢測囊衣是否去除干凈。物理法具有識別率高、所用勞動力較少等優(yōu)點。

任磊等[31]利用白色環(huán)形光源與彩色相機采集橘瓣反射圖像，通過提取藍色分量用于檢測囊衣殘留以藍色為環(huán)境光源進行反射成像，以獲得清晰的橘瓣表面圖象，用于判別囊衣殘留橘瓣。Blasco 等[32-33]利用機器視覺進行缺陷橘瓣判別研究。利用白色透射光源進行背光成像，采集橘瓣的透射圖像，并通過分析橘瓣與背景、囊衣、橘籽的R、G、B值，采用兩次圖像分割來檢測缺陷橘瓣。提取B分量將背景與感興趣區(qū)域進行分割，提取R分量將橘瓣與橘籽和囊衣分割，達到檢測囊衣殘留橘瓣與橘籽殘留橘瓣的目的。王葉群等[34]為實現(xiàn)去囊衣帶芯橘瓣的機器視覺分選，給去囊衣帶芯橘瓣的機器識別提供直接、準確的判別信號，采用熒光分光光度計對50 顆去囊衣帶芯橘瓣的橘芯和砂囊分別進行三維熒光光譜掃描，通過對橘芯、砂囊平均三維熒光光譜分析，確定了橘芯相對砂囊的特征熒光信號，據(jù)此對帶芯橘瓣熒光圖像識別的可行性進行了驗證，去囊衣帶芯橘瓣檢出準確率可達85%。利用橘芯與砂囊的熒光特性差異進行機器視覺成像分析，可作為識別去囊衣帶芯橘瓣的一種有效方法。王葉群[35]依據(jù)去囊衣帶芯橘瓣上橘芯與砂囊的物化特性差異，分析去囊衣帶芯橘瓣上橘芯相對砂囊的光特性差異，通過實驗分析、確定橘芯相對砂囊光特性差異最大化條件，依據(jù)光特性差異最大化條件配置相應的成像系統(tǒng)，采集去囊衣橘瓣圖像，通過圖像處理識別去囊衣帶芯橘瓣，為機器視覺識別、判斷去囊衣帶芯橘瓣提供準確的前提和基礎。

囊衣的檢測方法主要采用機器識別，根據(jù)光特異性差異高效識別囊衣，解放了勞動力，缺點是對技術人員要求很高，在設計算法時易出現(xiàn)偏差。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了柑橘類水果脫囊衣的方法，從1982 年開始，從最初的堿法和酸堿法、磷酸鹽堿法和EDTA 輔助劑法到酶處理法，科研人員經(jīng)過不懈努力使柑橘脫囊衣技術日漸精進，朝著綠色、節(jié)約、高效的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的酸堿法、磷酸鹽堿法和EDTA 輔助低堿法效率較高、速度快，但耗水多，環(huán)境污染嚴重，近年來酶法脫囊衣研究較多。采用酶法脫囊衣能很好地解決傳統(tǒng)方法中存在的綠色壁壘和技術壁壘，此方法作用環(huán)境溫和、橘瓣破碎率低、能夠節(jié)省勞動力和用水量、有利于改善勞動條件，保護環(huán)境。但是酶法脫囊衣時間和酶重復利用次數(shù)仍有進一步優(yōu)化空間，以適應工業(yè)化推廣應用。

隨著柑橘類水果脫囊衣技術的提升，檢測囊衣脫除率的方法將更加精進，根據(jù)光特異性差異來識別囊衣也將具有很好的發(fā)展前景。