雪花梨汁超高壓處理工藝參數(shù)優(yōu)化

王明雪，趙江麗，程玉豆，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）

果汁是一個(gè)復(fù)雜的體系，一般指利用機(jī)械方法從水果中獲得的水果原汁，及水果原汁經(jīng)特定工藝制成的液體產(chǎn)品，應(yīng)具有原料水果的典型感官特征（色、香、味）[1]。殺菌是果汁生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，允許使用的加工方式有熱殺菌和非熱殺菌。巴氏殺菌屬熱殺菌技術(shù)的一種，殺菌和酶鈍化效果很好，但會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品營養(yǎng)成分、風(fēng)味及色澤改變，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降[2]。近年來研究較多的是果汁非熱處理技術(shù)，特別是超高壓（Ultra-High Pressure，UHP）處理技術(shù)，一般將100～1000 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(shí)間，可以起到殺菌滅酶和保鮮加工的目的，該技術(shù)因?yàn)椴粫?huì)發(fā)生共價(jià)鍵斷裂，在加工食品中化學(xué)變化很小，因此，感官特性、營養(yǎng)物質(zhì)，特別是目前具有較高商業(yè)價(jià)值的生物活性化合物，不會(huì)遭受重大損失，尤其在滅活微生物和延長保質(zhì)期的同時(shí)，可以更好地保留果汁的營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)[3,4]。據(jù)報(bào)道，利用UHP技術(shù)對(duì)草莓汁[5]、楊桃汁[6]、獼猴桃汁[7]、橙汁[8]等進(jìn)行滅菌處理均取得了良好效果。

雪花梨以果肉潔白如玉、似霜如雪而得名，具有清咽利喉、止咳化痰、解酒等多種功效[9]。在河北、河南、山東等省份均有種植，其中河北趙縣雪花梨種植面積最大，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雪花梨30多萬t，為我國地理標(biāo)志產(chǎn)品。梨汁是雪花梨主要加工產(chǎn)品之一，生產(chǎn)中采用巴氏殺菌技術(shù)處理所導(dǎo)致的后熟味道和香味變淡是影響產(chǎn)品選購的主要因素之一。因此，開展雪花梨汁非熱處理加工技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)具有重要意義。本文以衛(wèi)生情況和感官品質(zhì)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法研究了雪花梨汁 UHP處理優(yōu)化工藝條件，以期為雪花梨汁生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

雪花梨，于2020年10月初購于河北省趙縣，選擇可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）12.0%左右的果實(shí)，除去病蟲和腐爛果，于0 ℃冷庫貯藏備用；L-抗壞血酸鈉、無水檸檬酸均為食品級(jí)，河北百味生物科技有限公司；PDA培養(yǎng)基、氯霉素、瓊脂，北京酷來搏科技有限公司；胰蛋白胨、酵母浸膏，OXOID；D-無水葡萄糖（AR），上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

HPP 600 MPa超高壓食品處理裝置，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；JYL-CO12榨汁機(jī)，九陽股份有限公司；SF200-250塑料薄膜封口機(jī)，溫州市興業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司；MLS-3780-SV高壓蒸汽滅菌鍋，日本三洋電機(jī)株式會(huì)社；BSD-250振蕩培養(yǎng)箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；PAL-1數(shù)顯糖度計(jì)，日本ATAGO；pH計(jì)，OHAUS Starter 3100；CR-400色差儀，日本KONICA MINOLTA；SA402B電子舌味覺分析系統(tǒng)，日本；GCMS-TQ8040氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，日本島津。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

取雪花梨果實(shí)，清水洗凈瀝干，去皮、去核、切塊（加入0.5% L-抗壞血酸鈉進(jìn)行護(hù)色）、打漿，紗布過濾去渣留汁，用無水檸檬酸調(diào)節(jié)pH值后分裝于無菌袋中，一部分進(jìn)行真空熱封口后進(jìn)行超高壓處理，制備超高壓處理樣品，并以未經(jīng)超高壓處理梨汁為對(duì)照樣品（CK）。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

綜合文獻(xiàn)報(bào)道和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，以菌落總數(shù)、霉菌酵母菌數(shù)和色度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在雪花梨原汁（pH值5.7）經(jīng)400 MPa單次處理10 min的基礎(chǔ)條件上，設(shè)置處理壓力（100、200、300、400、500 MPa），保壓時(shí)間（5、10、15、20、25 min），處理次數(shù)（1、2、3、4、5 次）和果汁pH值（5.7、5.0、4.5、4.0）。

1.3.3 菌落總數(shù)、霉菌酵母菌數(shù)

分別按照GB 4789.2-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》[10]和 GB 4789.15-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn)霉菌和酵母計(jì)數(shù)》[11]規(guī)定的方法對(duì)樣品進(jìn)行菌落總數(shù)、霉菌酵母菌數(shù)檢測，結(jié)果表達(dá)為菌落數(shù)的對(duì)數(shù)形式，單位為lg CFU/mL。

1.3.4 色度

使用CR-400色差儀進(jìn)行測定，以標(biāo)準(zhǔn)白板校正后測定樣品的L*值（明暗）、a*值（紅綠）、b*值（黃藍(lán)），并計(jì)算處理樣品與CK的總色差ΔE[12]。

1.3.5 感官評(píng)分

挑選5位經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的感官評(píng)價(jià)人員，分別對(duì)梨汁的組織狀態(tài)、香氣、口感進(jìn)行評(píng)分，將總分取平均值作為感官評(píng)價(jià)的最終得分[13,14]，總分最高9分，具體感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，使用 Design-Expert 8.0.6軟件，以綜合評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，選擇處理壓力（A）、處理時(shí)間（B）、初始 pH值（C）為自變量，設(shè)計(jì) 3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)，因素與水平見表2。

表1 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standard

表2 響應(yīng)面優(yōu)化的因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface optimization

表3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝試驗(yàn)綜合評(píng)分表Table 3 Comprehensive score table of response surface optimization process test

依據(jù)國標(biāo)要求，在使果汁達(dá)到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，應(yīng)保證殺菌對(duì)其風(fēng)味、外觀指標(biāo)的影響最小。本文參照楊天歌等[15]的評(píng)價(jià)方法，選擇菌落總數(shù)、總色差ΔE及感官評(píng)分自行制定超高壓處理雪花梨汁效果綜合評(píng)分方案，具體評(píng)分情況見表3。

1.3.7 味覺分析

通過電子舌味覺分析系統(tǒng)對(duì)樣品的酸味、苦味、澀味、鮮味、咸味和甜味進(jìn)行檢測。清洗液：正極為0.1 mol/L KCl-0.1 mol/L KOH-30%乙醇水溶液，負(fù)極為0.1 mol/L HCl-30%乙醇水溶液；基準(zhǔn)液：30 mmol/L KCl-0.3 mmol/L酒石酸水溶液；取樣品30 mL于品嘗杯中進(jìn)行測定。

1.3.8 揮發(fā)性成分

利用GC-MS對(duì)梨汁的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測。取10 mL梨汁置于頂空螺紋口樣品瓶中，依次加入3 g NaCl、200 μL 3-壬酮（1 μg/mL），于 40 ℃金屬浴中平衡30 min后，吸附30 min。氣相色譜條件：色譜柱：DB-5ms（0.25 μm，0.25 mm×30.0 m）；程序升溫：初溫40 ℃，保持1 min，以2 ℃/min速率升到100 ℃，再以 4 ℃/min升至 190 ℃，保持 2 min，最后以10 ℃/min速率升到230 ℃，保持5 min；解吸時(shí)間3 min，接口溫度250 ℃，進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣為He，載氣流量3 mL/min，無分流進(jìn)樣。質(zhì)譜條件：電離方式為電子轟擊電離，離子源溫度為200 ℃，電子轟擊能70 eV；采集方式為Q3SCAN，掃描范圍為m/z45～500。

定性分析：根據(jù)匹配質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫NIST17及保留指數(shù)進(jìn)行定性分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

結(jié)果以 3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；采用Microsoft Excel 2010軟件及SPSS 21.0軟件處理數(shù)據(jù)，以Design-Expert.V8.0.6軟件繪圖，p＜0.05代表差異顯著具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 壓力對(duì)雪花梨汁超高壓處理結(jié)果的影響

由表4可知，與CK相比，UHP處理雪花梨汁中菌落總數(shù)、霉菌酵母菌數(shù)均明顯減少（p＜0.05），且100～500 MPa范圍內(nèi)不同壓力組間差異顯著，說明隨著壓力升高微生物滅活效果增加，壓力為400 MPa時(shí)，雪花梨汁已達(dá)商業(yè)無菌狀態(tài)（＜2 lg CFU/mL）；壓力達(dá)到500 MPa時(shí)，果汁中菌落總數(shù)及霉菌酵母菌數(shù)均為0，可能是UHP條件下細(xì)胞膜的流動(dòng)性和滲透性被破壞，細(xì)胞膜的部分功能改變，導(dǎo)致微生物細(xì)胞死亡的機(jī)率隨之增加[16,17]。各組梨汁的a*值為負(fù)值、L*值和b*值均為正值，與梨汁呈黃色一致。與CK相比，UHP處理雪花梨汁的 a*值無變化，L*值和 b*值均明顯減小，但不同處理壓力組間無差異，呂長鑫[2]對(duì)南果梨的研究也得到類似結(jié)果，總色差ΔE均為0.5左右，說明超高壓可以使梨汁顏色變深，但壓力變化對(duì)果汁顏色影響不明顯[18]。綜合考慮選取處理壓力為400 MPa作為響應(yīng)面分析的中點(diǎn)水平。

2.1.2 處理時(shí)間對(duì)雪花梨汁超高壓處理結(jié)果的影響

處理時(shí)間對(duì)超高壓雪花梨汁各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響結(jié)果見表5，與CK相比，在5～25 min范圍內(nèi)，處理后雪梨汁的菌落總數(shù)和霉菌酵母菌數(shù)均隨處理時(shí)間的延長迅速減少，各處理時(shí)間組間差異顯著（p＜0.05），處理時(shí)間為 15 min時(shí)，霉菌酵母菌數(shù)低于 1.3 lg CFU/mL，已符合衛(wèi)生要求，這與ZHANG的研究結(jié)果一致，即延長處理時(shí)間可有效增加大多數(shù)致病菌的滅活效果[19]；超高壓處理對(duì)梨汁a*值無影響，馬越對(duì)鮮榨番茄汁的研究中也得到了類似結(jié)果[20]。但會(huì)使L*值、b*值均明顯降低，不同處理時(shí)間組無差異，總色差ΔE均0.5左右，說明處理時(shí)間對(duì)顏色的影響不明顯。綜合考慮選取處理時(shí)間15 min。

2.1.3 處理次數(shù)對(duì)雪花梨汁超高壓處理結(jié)果的影響

由表6可知，UHP處理雪花梨汁中菌落總數(shù)及霉菌酵母菌數(shù)均顯著降低（p＜0.05），但處理次數(shù)之間無差異，而馬婧將獼猴桃果汁經(jīng)400 MPa加壓1次時(shí)菌落總數(shù)≤100 CFU/mL，加壓2次時(shí)，殺菌率可達(dá)100%，提高處理次數(shù)明顯提高了微生物的滅火率[21]，這可能與果汁本身性質(zhì)及果汁中微生物類群不同有關(guān)。處理后梨汁的 a*值無變化，L*值和 b*值均明顯降低但不同處理次數(shù)組間無差異，與CK的總色差ΔE均0.5左右，顏色變化略明顯，可能與超高壓處理使某些成分發(fā)生化學(xué)變化，改變蛋白的次級(jí)結(jié)構(gòu)，引起蛋白變性，酶活性改變，使果汁發(fā)生酶促褐變有關(guān)[22]。所以這里選擇單次處理。

2.1.4 果汁pH值對(duì)雪花梨汁超高壓處理結(jié)果的影響

由表7可知，隨pH值降低，UHP處理雪梨汁中菌落總數(shù)及霉菌酵母菌數(shù)不斷減少，說明果汁pH值降低有利于提高滅菌效果；pH值為4.0時(shí)，細(xì)菌總數(shù)和霉菌酵母菌數(shù)均為0，殺菌率達(dá)到100%。隨pH值升高，L*值不斷減小，說明果汁亮度變暗；a*和 b*值不斷減小，說明果汁顏色自藍(lán)紅色向黃綠色變化；總色差ΔE不斷增大，說明pH值對(duì)雪梨汁的顏色影響顯著，這可能與超高壓會(huì)增加多酚、Vc等氧不穩(wěn)定成分與氧氣的接觸，引起褐變有關(guān)[23]，HUANG認(rèn)為顏色的變化還與氨基酸、還原糖、蛋白質(zhì)等分子在壓力作用下會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng)有關(guān)[24]。綜合考慮，選取初始pH值為4.5。

表4 處理壓力對(duì)雪花梨汁各指標(biāo)的影響Table 4 Effects of processing pressure on indexes of ‘Xuehua’ pear juice

表5 處理時(shí)間對(duì)雪花梨汁各指標(biāo)的影響Table 5 Effect of processing time on indexes of ‘Xuehua’ pear juice

表6 處理次數(shù)對(duì)雪花梨汁各指標(biāo)的影響Table 6 Effect of processing times on indexes of ‘Xuehua’ pear juice

表7 pH值對(duì)雪花梨汁各指標(biāo)的影響Table 7 Effect of pH value on indexes of ‘Xuehua’ pear juice

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

以綜合得分為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面法對(duì)超高壓滅菌的壓力、時(shí)間和果汁pH值進(jìn)行分析，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表8。

表8 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 8 Design and results of response surface optimization experiment

用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表8數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到多元二次回歸模型：Y=8.60+0.43A+0.25B-0.39C-0.098AB+0.13AC+0.14BC-0.22A2-0.39B2-0.31C2，其方差分析結(jié)果見表9?？芍?，模型差異顯著（p＜0.0001），失擬項(xiàng)相對(duì)于純誤差不顯著（p=0.5405＞0.05）。模型決定系數(shù) R2=0.9829，R2adj=0.9608，說明該模型綜合評(píng)分的實(shí)測值與預(yù)測值之間具有較高的擬合度。模型的變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）為1.34%，相對(duì)較低，表明該實(shí)驗(yàn)值可靠性較高。此方程可預(yù)測雪花梨汁超高壓處理效果。根據(jù)F值的大小及模型系數(shù)的顯著性可知，各單因素對(duì)超高壓滅菌雪花梨汁綜合評(píng)分影響的顯著性由大到小依次為：壓力（A）＞初始pH值（C）＞時(shí)間（B）。AB、AC兩項(xiàng)對(duì)綜合評(píng)分無顯著影響，BC對(duì)綜合評(píng)分影響顯著，其他項(xiàng) A、B、C、A2、B2、C2對(duì)超高壓處理雪花梨汁綜合評(píng)分影響均極顯著（p＜0.01）。

表9 回歸模型方差分析Table 9 Variance analysis of regression model

以綜合評(píng)分為響應(yīng)值繪制各因素的響應(yīng)曲面圖，并分析處理壓力、處理時(shí)間和初始pH值間的交互作用，結(jié)果見圖1。該組相應(yīng)曲面圖顯示了單因素A、B、C中任意一個(gè)變量取零水平時(shí)，其余兩個(gè)變量對(duì)綜合評(píng)分的影響。響應(yīng)面圖彎曲程度越大，代表該因素對(duì)綜合評(píng)分的影響也越大，但當(dāng)兩個(gè)因素間存在交互作用時(shí)，一個(gè)因素在另一個(gè)因素的不同水平對(duì)綜合評(píng)分的影響過程存在差異。處理壓力（A）與處理時(shí)間（B）、處理壓力（A）與初果汁pH值（C）的交互作用不明顯，處理時(shí)間（B）與初始pH值（C）交互作用明顯，與方差分析結(jié)果一致。

超高壓處理雪花梨汁最優(yōu)工藝條件為：處理壓力481.46 MPa，處理時(shí)間15.69 min，初始pH值4.28；在該最優(yōu)條件下，處理梨汁的評(píng)分預(yù)測值為8.8767分。考慮到實(shí)際生產(chǎn)，將最優(yōu)處理工藝條件參數(shù)調(diào)整為處理壓力480 MPa，處理時(shí)間16 min，初始pH值4.3。按優(yōu)化的處理?xiàng)l件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，得到處理梨汁的綜合評(píng)分實(shí)際值為9.05分，說明最優(yōu)處理工藝條件可靠，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

2.3 UHP處理雪花梨汁感官品質(zhì)

在優(yōu)化工藝條件下制備超高壓處理雪花梨汁，并分別用電子舌和GC-MS對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味和揮發(fā)性物質(zhì)組成進(jìn)行分析。

2.3.1 味覺特點(diǎn)

味覺分析系統(tǒng)是可以利用整體選擇性的多通道味覺傳感器，將呈味物質(zhì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，從而模擬人的舌頭進(jìn)行感官鑒評(píng)，在食品感官品質(zhì)分析中應(yīng)用廣泛。本文對(duì)雪花梨汁的酸味、苦味、澀味、鮮味、咸味、甜味進(jìn)行了分析，各味覺的特征值見圖2。雪花梨汁共檢測到酸味、苦味、澀味、苦味回味、澀味回味、鮮味、豐富度、咸味、甜味9種，其中酸甜和鮮味為主要風(fēng)味。數(shù)據(jù)表明，UHP處理和CK梨汁的味覺特征值無差異（圖2），說明超高壓處理能較好的保留雪花梨汁的感官風(fēng)味。

2.3.2 GC-MS檢測結(jié)果

CK與UHP雪花梨汁中均檢測到13種揮發(fā)性成分，其中醛類3種、醇類2種、酯類3種、烷烴類3種、酮類和烯烴各1種。比較得出，兩組樣品各揮發(fā)性成分種類和含量無明顯差異（表10），說明UHP處理對(duì)雪花梨汁揮發(fā)性物質(zhì)保留較好，可以更好地保留梨汁的香氣成分。

表10 雪花梨汁揮發(fā)性物質(zhì)Table 10 Volatile compounds in ‘Xuehua’ pear juice

3 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，超高壓處理顯著降低雪花梨汁的微生物數(shù)量，且變化與壓力和時(shí)間相關(guān)，受循環(huán)次數(shù)影響不明顯；隨果汁pH值降低可提高滅菌效果，使果汁亮度變暗、顏色自黃紅向藍(lán)綠色變化。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果顯示，各單因素對(duì) UHP雪花梨汁綜合評(píng)分的影響為壓力（A）＞初始 pH 值（C）＞時(shí)間（B），AB、AC雙因素對(duì)綜合評(píng)分無顯著影響，BC對(duì)綜合評(píng)分影響顯著，與單因素結(jié)果相呼應(yīng)。UHP殺菌處理對(duì)雪花梨汁的感官品質(zhì)無明顯影響。雪花梨汁超高壓處理的最佳工藝條件為：果汁pH值4.3，于480 MPa下單次持續(xù)處理16 min，優(yōu)化處理后的雪花梨汁的微生物指標(biāo)滿足國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，色澤呈淡黃色，帶有雪花梨本身的香氣，酸甜比例適中，口感較好，綜合評(píng)分為9.05分。