超聲加工技術(shù)對(duì)果蔬汁品質(zhì)影響及其作用機(jī)制研究進(jìn)展

高瑞萍，朱建飛，周文斌，尤琳烽，吳 麗，吳 振

（1.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；3.重慶市中藥研究院，中藥健康學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

熱加工作為果蔬汁的傳統(tǒng)加工方式，能有效殺滅果蔬汁中的內(nèi)源酶和致病菌，以保證其貯藏穩(wěn)定性及安全性。然而，熱加工不可避免地造成色澤、熱敏營(yíng)養(yǎng)素（如抗壞血酸）和香氣等品質(zhì)劣變，同時(shí)還可能產(chǎn)生濃郁的“煮熟味”。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，非熱加工技術(shù)不僅能夠使果蔬汁具有較好的色澤、穩(wěn)定性、安全性，還能較好地保持甚至改善其風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，因此成為研究熱點(diǎn)。超聲技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、安全、無(wú)毒的非熱技術(shù)，在食品加工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。超聲波在處理果蔬汁的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空穴效應(yīng)，導(dǎo)致3個(gè)聲場(chǎng)的產(chǎn)生：空泡振動(dòng)及瞬間坍塌所形成的沖擊力和剪切力導(dǎo)致的聲機(jī)械作用場(chǎng)、空泡坍塌瞬間產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致的聲熱作用場(chǎng)、水被分解為自由基導(dǎo)致的聲化學(xué)作用場(chǎng)。不同的聲場(chǎng)能單獨(dú)或聯(lián)合作用于所處理果蔬汁中的結(jié)構(gòu)組分，從而對(duì)其品質(zhì)特性產(chǎn)生影響（圖1）[3]。許多研究表明超聲技術(shù)是一種能部分或完全替代果蔬汁熱加工的新型非熱技術(shù)，不僅能改善果蔬汁的理化特性和功能特性，同時(shí)也能延長(zhǎng)貨架期[4-5]。本文對(duì)近年來(lái)超聲技術(shù)在果蔬汁加工中的滅酶、滅菌及對(duì)理化和營(yíng)養(yǎng)特性等方面的作用進(jìn)行綜述，為超聲技術(shù)在果蔬汁加工中的應(yīng)用及其未來(lái)研究提供全面的理論基礎(chǔ)。

1 超聲波處理對(duì)果蔬汁中內(nèi)源酶的滅活作用及其機(jī)制

果蔬汁中存在許多與品質(zhì)特性密切相關(guān)的內(nèi)源酶，如與酶促褐變相關(guān)的多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD），與果蔬汁穩(wěn)定性、黏度相關(guān)的果膠甲酯酶（pectin methylesterase，PME）和多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG），與風(fēng)味相關(guān)的脂肪氧化酶（lipoxygenase，LOX）和抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ascorbate peroxidase，APx）等[5]。

圖1 超聲波在果蔬中的作用機(jī)理[3]Fig. 1 Action mechanism of ultrasonic treatment on fruits and vegetables[3]

表1 超聲波處理對(duì)果蔬汁中酶活性的影響Table 1 Effect of ultrasonic treatment on enzyme activities in fruit and vegetable juices

許多研究表明，一定條件的超聲波處理能達(dá)到較好的滅酶效果，表1列舉了超聲波處理對(duì)果蔬汁中內(nèi)源酶的滅活效果。Saeeduddin等[6]研究了熱處理和超聲波處理溫度對(duì)梨汁中POD、PPO和PME殘留活力的影響，結(jié)果表明65 ℃處理10 min后3種酶的活力殘留率分別為66%、59%、63%，750 W超聲波于25、45 ℃和65 ℃處理10 min后POD的活力殘留率分別是94.72%、43.20%、4.30%，PPO的活力殘留率分別是89.33%、37.83%、1.91%，PME的活力殘留率分別是92.57%、40.22%、3.52%。Cao Xiamin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波強(qiáng)度為90、180、271、362、452 W/cm2處理常溫楊梅汁12 min后，其POD活力殘留率分別為58.34%、20.65%、8.43%、1.39%、0.00%；90、180 W/cm2處理10 min后，PPO活力殘留率分別為53.23%和12.84%，271、362、452 W/cm2處理8 min后，PPO活力殘留率分別為4.22%、0.08%、0.00%。Abid等[8]研究了超聲波設(shè)備類(lèi)型、溫度、時(shí)間對(duì)蘋(píng)果汁中不同類(lèi)型酶的影響，0.06 W/cm3（頻率25 kHz）浴盆式超聲波于20、40、60 ℃處理蘋(píng)果汁30 min，POD活力殘留率分別為99.97%、96.15%、70.00%，PPO活力殘留率分別為99.10%、90.00%、63.00%，PME活力殘留率分別為99.12%、91.10%、62.00%；0.3 W/cm3（探頭直徑12.7 mm、頻率20 kHz）的探頭式超聲波于20、40、60 ℃處理蘋(píng)果汁5 min，POD活力殘留率分別為99.00%、68.00%、28.00%，PPO活力殘留率分別為98.16%、61.00%、21.15%，PME活力殘留率分別為98.00%、60.00%、23.70%；處理時(shí)間為10 min時(shí)POD活力殘留率分別為98.12%、57.00%、9.00%，PPO活力殘留率分別為97.04%、53.00%、6.15%，PME活力殘留率分別為97.00%、52.00%、7.10%。Terefe等[9]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波（探頭直徑10 mm、頻率20 kHz、振幅65 μm）于75 ℃處理番茄汁4 min后，PME和PG的活力殘留率分別為0%和28%，并提出PG對(duì)超聲波處理的抵抗作用大于PME。Zhu Jinyan等[10]研究了超聲波-壓力-熱聯(lián)合作用對(duì)藍(lán)莓汁中PPO活力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)功率560 W、壓強(qiáng)350 MPa、溫度20 ℃處理5 min和10 min，PPO活力殘留率分別降至24.03和4.56%；560 W、350 MPa、40 ℃處理5 min和10 min，PPO活力殘留率分別降低至10.91和0.12%。Wang Jingyi等[11]研究超聲波聯(lián)合紫外對(duì)芒果汁中PME、POD和PPO活力的影響，結(jié)果表明8 W、254 nm的紫外聯(lián)合20 kHz、600 W超聲波處理10 min能使這3種酶全部失活。Wahia等[12]研究超聲波-熱處理（頻率20 kHz、功率300 W、溫度47 ℃、時(shí)間30 min）后橙汁中的PME活力在24 d貯藏期內(nèi)的變化，發(fā)現(xiàn)4 ℃和25 ℃下貯藏12 d后橙汁中PME活力分別增加了131%和219%，并提出PME對(duì)超聲波-熱處理具有可逆性，但其中的機(jī)制尚未明確。由此可見(jiàn)，超聲波處理對(duì)果蔬汁中內(nèi)源酶的滅活是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其中的規(guī)律及其作用機(jī)制仍需要進(jìn)行深入探究。

從超聲波空化過(guò)程產(chǎn)生的3個(gè)作用場(chǎng)的角度可將超聲波處理對(duì)果蔬汁中內(nèi)源酶的滅活機(jī)制歸納為以下方面：1）超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫和高壓促使組成酶的蛋白質(zhì)中的氫鍵和范德華力被破壞，從而導(dǎo)致酶失活；2）超聲波分解水所產(chǎn)生的自由基能與酶結(jié)構(gòu)中的氨基酸殘基互作，從而影響酶的活性[25-26]；3）超聲波能破壞酶在細(xì)胞中的合成通路，從而抑制與酶形成相關(guān)的基因表達(dá)[27]。超聲波處理使酶部分失活還是全部失活，這主要取決于果蔬品種、酶類(lèi)型、超聲波設(shè)備類(lèi)型（浴盆式、探頭式）和參數(shù)（功率、頻率、溫度、振幅、時(shí)間等）及聯(lián)合方式等因素[25]。超聲波處理對(duì)果蔬汁中酶的滅活規(guī)律總結(jié)為如下方面：1）不同的酶對(duì)超聲波的敏感性不同（如敏感性由高到低為：PPO＞PME＞POD＞PG），其敏感度與超聲波的強(qiáng)度、時(shí)間和溫度成正相關(guān)；2）超聲波處理對(duì)酶的滅活效果通常與超聲波強(qiáng)度、溫度、時(shí)間呈正相關(guān)性；3）浴盆式超聲波處理對(duì)酶的滅活效果低于探頭式超聲波，通常浴盆式超聲波需要更長(zhǎng)的處理時(shí)間才能達(dá)到與探頭式超聲波處理相同的滅酶效果；4）單獨(dú)的超聲波處理達(dá)不到理想的滅酶效果，當(dāng)與熱、壓力、紫外等方式聯(lián)合作用能起到協(xié)同滅酶的作用[28]。值得注意的是，超聲波處理后，果蔬汁中殘留的酶在貯藏過(guò)程中發(fā)生的變化可能與產(chǎn)品的品質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

2 超聲波處理對(duì)果蔬汁中微生物的影響及其機(jī)制

通常，超聲波處理對(duì)果蔬汁中發(fā)酵微生物的促進(jìn)作用和對(duì)有害微生物的殺滅效果均取決于微生物類(lèi)型、超聲波參數(shù)（振幅、頻率、強(qiáng)度、處理時(shí)間、溫度）和基質(zhì)條件等因素[29]。其中對(duì)于超聲波強(qiáng)度而言，一方面，低強(qiáng)度的超聲波處理能提高果蔬汁中微生物的發(fā)酵性能[30]；另一方面，高強(qiáng)度超聲波處理卻能導(dǎo)致微生物失活，從而提高產(chǎn)品的安全性和延長(zhǎng)貯藏期。

2.1 超聲波處理對(duì)果蔬汁中發(fā)酵微生物的促進(jìn)作用及其機(jī)制

近年來(lái)，許多研究表明低頻超聲波處理可以縮短發(fā)酵時(shí)間、提高產(chǎn)品得率、獲得高品質(zhì)和安全的發(fā)酵產(chǎn)品[31]。Shokri等[32]通過(guò)低強(qiáng)度超聲波（0.53 W/L和1.2 W/L）處理乳酸乳球菌（Lactococcus lactissubsp.Lactis）菌液3～5 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的滲透性增加了3.0%～22.8%、活菌數(shù)增加了6.12%～21.82%、菌的增長(zhǎng)速率增加了7.09%～23.22%，并且其產(chǎn)乳酸的能力顯著提高。目前關(guān)于超聲波輔助發(fā)酵主要集中在酒類(lèi)、奶制品、肉制品發(fā)酵等方面[33]，而關(guān)于超聲波輔助果蔬汁發(fā)酵的研究報(bào)道較少。王紅梅等[34]研究超聲波處理（強(qiáng)度58.3 W/L、時(shí)間2 min）對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵蘋(píng)果汁和草莓汁的過(guò)程中微生物生長(zhǎng)和酚類(lèi)物質(zhì)代謝的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果汁發(fā)酵32 h后菌落數(shù)比對(duì)照組高0.15（lg（CFU/mL）），草莓汁發(fā)酵40 h后菌落數(shù)比對(duì)照組高0.39（lg（CFU/mL）），且發(fā)現(xiàn)超聲提高了蘋(píng)果汁發(fā)酵后期和草莓汁發(fā)酵前期的抗氧化能力。

超聲波促進(jìn)微生物發(fā)酵的機(jī)制包括如下4個(gè)方面：1）導(dǎo)致菌的細(xì)胞膜形成可逆的孔，從而促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞和廢棄物排出細(xì)胞[32]；2）增強(qiáng)細(xì)胞膜的滲透性從而促進(jìn)酶的釋放[35]，改變酶的構(gòu)象從而暴露更多的活性位點(diǎn)，促進(jìn)酶和底物結(jié)合[36]；3）對(duì)細(xì)胞基因表達(dá)和代謝通路產(chǎn)生影響從而對(duì)細(xì)胞代謝活動(dòng)產(chǎn)生顯著作用[37]；4）聲物理和聲化學(xué)作用可能對(duì)食物基質(zhì)進(jìn)行改性，提高菌對(duì)基質(zhì)的利用率，從而使得發(fā)酵過(guò)程加速[38]。

基于超聲波促進(jìn)微生物發(fā)酵機(jī)制的總結(jié)，可推測(cè)出超聲波處理促進(jìn)微生物發(fā)酵果蔬汁的效果取決于微生物的類(lèi)型、接種量、超聲波參數(shù)（功率、溫度、時(shí)間、頻率等）、基質(zhì)特性（pH值、糖含量、黏度、粒徑大小等）、處理方式等因素。未來(lái)應(yīng)著重探究超聲波處理影響果蔬汁發(fā)酵微生物的作用機(jī)制及提高微生物發(fā)酵性能的方式及條件。超聲波處理促進(jìn)果蔬汁發(fā)酵特性可以從如下方面進(jìn)行深入探究：1）通過(guò)低強(qiáng)度超聲波處理發(fā)酵菌液，使微生物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)從而大幅提高活菌數(shù)，從而提高微生物發(fā)酵以及產(chǎn)代謝產(chǎn)物的能力；2）通過(guò)對(duì)未接種的果蔬汁體系進(jìn)行高強(qiáng)度的超聲波處理以破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系的粒徑減小、黏度增大，穩(wěn)定性和流變學(xué)等特性發(fā)生改變，并使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)（如糖、酸、果膠、多酚、類(lèi)胡蘿卜素等）得以釋放，從而實(shí)現(xiàn)提高微生物發(fā)酵性能及產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的目的；3）對(duì)接種微生物的果蔬汁體系在發(fā)酵的不同階段輔以一定強(qiáng)度的超聲波處理，實(shí)現(xiàn)提高微生物的發(fā)酵能力及定向獲取代謝產(chǎn)物的目的。

2.2 超聲波處理對(duì)果蔬汁中有害微生物的殺滅作用及其機(jī)制

一定條件的超聲波處理能有效殺滅果蔬汁中的有害微生物，達(dá)到美國(guó)食品和藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）對(duì)果蔬汁中微生物減少5個(gè)對(duì)數(shù)值的要求，保證了果蔬汁的安全性。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理能控制果蔬汁中的致腐微生物，如橙汁和石榴汁中的釀酒酵母[39]、蘋(píng)果汁中是釀酒酵母和嗜酸耐熱菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）[29]，也能控制果蔬汁中的致病微生物，如橙汁中的大腸桿菌O157:H7、沙門(mén)氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌（以下簡(jiǎn)稱(chēng)單增李斯特菌）[40]，藍(lán)莓汁和仙人掌汁中的大腸桿菌等[10,41]，具體如表2所示。Tremarin等[42]研究浴盆式超聲波處理（35 kHz、480 W）對(duì)蘋(píng)果汁中嗜酸耐熱菌的影響，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的超聲波處理對(duì)微生物沒(méi)有顯著性影響；超聲波85 ℃處理90 min、90 ℃處理60 min和95 ℃處理20 min，使得蘋(píng)果汁中嗜酸耐熱菌數(shù)分別減少4.8、4.7（lg（CFU/mL））和5.5（lg（CFU/mL））；這表明當(dāng)超聲波與熱聯(lián)合作用時(shí)能大幅提高其對(duì)微生物的滅活作用[43]。Li Jiao等[44]研究探頭式超聲波處理（JY92-IIDN、探頭直徑10 mm、20 kHz）對(duì)楊梅汁中枯草芽孢桿菌的影響，結(jié)果表明熱處理（63 ℃）、400 W-55 ℃、400 W-63 ℃、200 W-63 ℃條件下使枯草芽孢桿菌減少5（lg（CFU/mL））所需的時(shí)間分別為36.91、23.06、9.59 min和14.18 min。Evelyn等[45]在研究超聲波處理對(duì)橙汁中的嗜酸耐熱菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）芽孢的作用效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，要想達(dá)到相同的失活率，超聲波和熱聯(lián)合作用所需的溫度比單獨(dú)的熱處理至少低8 ℃。Bevilacqua等[46]研究表明超聲波處理（104 W、4 s脈沖、4 min）使得接種于純水和菠蘿汁中的異常維克漢姆酵母分別減少3.35、1.65（lg（CFU/mL）），同時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲波聯(lián)合苯甲酸鈉和柑橘萃取物使得異常維克漢姆酵母減少3.96（lg（CFU/mL））。這說(shuō)明果汁體系對(duì)微生物起到保護(hù)作用，微生物在純水中對(duì)超聲波處理的抵抗作用小于在果汁中。Samani等[47]研究表明微波聯(lián)合超聲波處理對(duì)橙汁中釀酒酵母失活具有協(xié)同作用，且微波功率、超聲波功率、處理時(shí)間、橙汁溫度是主要的影響因素。Tremarin等[48]研究表明超聲波單獨(dú)作用對(duì)蘋(píng)果汁中嗜酸耐熱菌芽孢沒(méi)有顯著影響，當(dāng)與紫外聯(lián)合作用時(shí)芽孢的失活速率顯著提高。Khandpur等[49]研究超聲波、超聲波聯(lián)合紫外、超聲波聯(lián)合橘皮精油對(duì)橙汁、甜萊姆汁、胡蘿卜汁和菠菜汁中微生物的影響，結(jié)果表明超聲波聯(lián)合紫外和超聲波聯(lián)合橘皮精油具有比單獨(dú)超聲波處理更好的滅菌效果；橙汁和甜萊姆汁（pH＜4）中的菌落總數(shù)顯著低于胡蘿卜汁和菠菜汁（pH＞5），這表明微生物在低pH值條件下對(duì)超聲波的抵抗作用較小。Pérez-Grijalva等[50]研究發(fā)現(xiàn)，黑莓汁經(jīng)453 W微波處理60 s后再通過(guò)超聲波（探頭直徑13 mm、頻率20 kHz、功率300 W、溫度20 ℃）處理10 min，其酵母、霉菌、嗜溫需氧菌完全失活。

超聲波滅菌的機(jī)制如圖2所示，包括如下方面：1）通過(guò)聲化學(xué)作用和聲致發(fā)光作用產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）；（2）超聲波的空化作用產(chǎn)生的強(qiáng)大的微射流及空泡坍塌產(chǎn)生的局部高溫和高壓，使細(xì)胞壁變薄、形成孔隙、細(xì)胞膜破裂，最終使細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)被釋放[59-60]；3）超聲波促進(jìn)抑菌劑和產(chǎn)生的ROS進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)使得抑菌作用最大化[28]；4）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的ROS導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、酶失活、DNA損失；通過(guò)自由基增加氧化應(yīng)激、衰減能量代謝、抑制磷酸己糖通路導(dǎo)致與代謝相關(guān)酶活性降低[61]。

超聲波處理對(duì)果蔬汁中微生物的影響取決于超聲波強(qiáng)度、頻率、溫度、時(shí)間、微生物類(lèi)型、pH值及基質(zhì)條件等因素[29]。超聲波處理對(duì)微生物的滅活作用規(guī)律可歸納為如下方面：1）超聲波處理對(duì)微生物的作用與超聲波強(qiáng)度、溫度和時(shí)間呈正相關(guān)，且溫度越高所需的時(shí)間越短；2）超聲波處理對(duì)微生物的作用與果蔬汁的pH值和果肉含量呈負(fù)相關(guān)；3）單獨(dú)的超聲波處理對(duì)微生物的殺滅效果有限，通常與其他技術(shù)如熱、抑菌劑、紫外、微波、壓力等聯(lián)合使用能達(dá)到較好的滅菌效果。盡管如此，在有害微生物滅活領(lǐng)域，雖然超聲波處理可抑制有害微生物或其產(chǎn)毒能力，但微生物對(duì)超聲波的耐受能力及其機(jī)制應(yīng)進(jìn)一步深入探究。

表2 超聲波處理對(duì)果蔬汁中致腐和致病微生物的影響Table 2 Effect of ultrasonic treatment on spoilage and pathogenic microorganisms in fruit and vegetable juices

圖2 超聲波的滅菌機(jī)理[62]Fig. 2 Mechanism of microbial inactivation by ultrasound[62]

3 超聲波處理對(duì)果蔬汁理化特性的影響及其機(jī)制

果蔬汁體系是由顆粒懸浮在上清液中組成的兩相懸浮體系，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；其中顆粒相包含細(xì)胞簇、單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞碎片和細(xì)胞壁物質(zhì)等，上清相包含糖、有機(jī)酸、果膠等[63-64]。顆粒相中顆粒的特性如濃度、顆粒分布、形狀、形變能力、顆粒間互作等會(huì)對(duì)懸浮體系的理化性質(zhì)如穩(wěn)定性、流變特性產(chǎn)生影響[64]，例如粒徑減小會(huì)導(dǎo)致屈服應(yīng)力和黏彈特性增加[65]。上清相中可溶性果膠的含量及其特性對(duì)懸浮體系的穩(wěn)定性、流變學(xué)等特性起主要作用[66-67]。所以，加工過(guò)程對(duì)果蔬汁顆粒相和上清相的影響決定了其理化特性。

研究表明超聲波處理能有效降低番茄汁[56]、獼猴桃汁[68]、芒果汁[63]、桃汁[69]、蘋(píng)果汁[16]等果蔬汁的粒徑，從而改善果蔬汁的穩(wěn)定性及流變特性。表3列舉了超聲波處理對(duì)果蔬汁理化特性的影響結(jié)果。Illera等[16]研究超聲波處理（探頭直徑13 mm、頻率20 kHz、振幅79 μm、體積功率1.44 W/L、67 ℃、15 min）對(duì)蘋(píng)果濁汁粒徑的影響，蘋(píng)果汁的D[3,2]和D[4,3]分別從2.24、70.00 μm降低至0.138μm和0.217 μm。Rojas等[69]研究超聲波處理（0～15 min）對(duì)桃汁的理化特性和穩(wěn)定性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理3 min后，D[3,2]顯著降低，D[4,3]沒(méi)有顯著性變化；當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)至6 min的過(guò)程中，D[3,2]和D[4,3]呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，6～10 min保持穩(wěn)定；10～15 min，D[3,2]和D[4,3]降低。該研究將D[3,2]和D[4,3]增加的原因歸結(jié)為細(xì)胞吸水和滲透性改變所致；流變結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理時(shí)間為0、3、6、10 min和15 min時(shí)屈服應(yīng)力分別為0.512、1.473、1.060、1.606 Pa和1.795 Pa，稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)沒(méi)有顯著性變化。

超聲技術(shù)在食品工業(yè)中用于多糖萃取及定向修飾以提高其理化及功能特性方面具有較大的應(yīng)用前景[80]。關(guān)于不同方式對(duì)果蔬果膠提取的影響研究較多，而關(guān)于超聲波處理對(duì)果蔬汁在加工過(guò)程中果膠結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及對(duì)品質(zhì)特性影響的研究報(bào)道較少。Wang Jin等[68]研究超聲波（頻率20 kHz、功率400 W、冰浴、時(shí)間0～16 min）輔助加工獼猴桃汁，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理4～16 min使得粒徑減小23.00%～36.24%；獼猴桃汁的穩(wěn)定性在處理8 min時(shí)最高，隨后呈降低趨勢(shì)；超聲波處理12 min時(shí)果膠的萃取率達(dá)到最大值（36.7%），隨后保持穩(wěn)定；獼猴桃汁的黏度、屈服應(yīng)力、儲(chǔ)能模量（G’）和損耗模量（G”）隨超聲波處理時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。Huang Bohui等[63]研究超聲波處理對(duì)芒果汁的理化特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理使得D[3,2]從37.59 μm降低至30.68 μm，而D[4,3]沒(méi)有顯著性變化，這表明超聲波主要對(duì)芒果汁中的大顆粒產(chǎn)生影響；當(dāng)超聲波處理時(shí)間為5～15 min，芒果汁的表觀黏度、G’和G”呈增加趨勢(shì)，而20～40 min過(guò)程中均呈下降趨勢(shì)；通過(guò)測(cè)定上清液果膠含量和分子質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，黏度和流變學(xué)特性出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因是由于超聲導(dǎo)致上清相中果膠降解。Gao Ruiping等[52]研究超聲波輔助加工鮮榨番茄汁，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理時(shí)間從5 min延長(zhǎng)至20 min的過(guò)程中，番茄汁的粒徑逐漸減小，穩(wěn)定性和黏度都逐漸增大；當(dāng)處理時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至30 min過(guò)程中粒徑?jīng)]有顯著性變化，而黏度降低，穩(wěn)定性沒(méi)有顯著性變化；通過(guò)對(duì)上清相中果膠結(jié)構(gòu)的解析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波處理時(shí)間延長(zhǎng)至15 min的過(guò)程中，番茄汁上清相中果膠的結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著性變化，而時(shí)間延長(zhǎng)至20 min后果膠分子質(zhì)量降低，且降解主要發(fā)生在主鏈。由于果膠的降解導(dǎo)致番茄汁的黏度顯著降低，而主鏈降解后得到的富含支鏈的果膠產(chǎn)生較強(qiáng)抵抗剪切變稀的能力使得番茄汁的穩(wěn)定性得以保持。該研究提出超聲波處理對(duì)番茄汁兩相體系的影響具有時(shí)空特性，番茄汁中能被超聲波破壞的最大顆粒直徑為160 μm，當(dāng)該顆粒被完全破壞后，超聲波對(duì)顆粒相不再起作用，而對(duì)上清相中果膠產(chǎn)生降解作用。

從上述結(jié)果可得出，超聲波處理對(duì)果蔬汁理化性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其本質(zhì)是由加工過(guò)程中上清相和顆粒相的變化決定。從超聲波處理對(duì)顆粒相的作用來(lái)看，可將作用機(jī)制歸納為如下方面：1）超聲波的空化作用產(chǎn)生的微射流、局部的高溫和高壓會(huì)導(dǎo)致果蔬細(xì)胞

破壞，使得顆粒粒徑減小，能更好地分散到上清液中；2）顆粒變小使得顆粒間產(chǎn)生更大的接觸面積，形成了更強(qiáng)的顆粒間相互作用；3）較小的顆粒能更好地嵌入到果膠網(wǎng)絡(luò)中，從而增強(qiáng)了體系的穩(wěn)定性[81]。從超聲波處理對(duì)上清相的作用來(lái)看，可將作用機(jī)制歸納為如下方面（圖3）：1）超聲波通過(guò)空化作用能使細(xì)胞中的果膠釋放到上清液中，使上清液的黏度增大；2）一定的超聲波處理會(huì)導(dǎo)致上清相中的果膠發(fā)生不同程度的降解，使得果膠的功能特性（如凝膠特性、穩(wěn)定性等）發(fā)生改變，從而影響果蔬汁的黏度及流變學(xué)特性。

表3 超聲波處理對(duì)果蔬汁理化及營(yíng)養(yǎng)特性的影響Table 3 Effect of ultrasonic treatment on physicochemical and nutritional properties of fruit and vegetable juices

圖3 超聲波對(duì)果膠的萃取和降解作用示意圖[80]Fig. 3 Schematic illustration of ultrasound-assisted extraction and degradation of pectin[80]

超聲波處理對(duì)果蔬汁理化特性影響的復(fù)雜性通常受到果蔬品種、超聲波強(qiáng)度、溫度、時(shí)間、超聲波處理前的果蔬汁粒徑大小、果膠特性等因素影響。超聲波處理對(duì)果蔬汁理化特性的影響規(guī)律可歸納為如下方面：1）果蔬汁的懸浮顆粒越大，超聲波對(duì)其破壞作用越大；2）超聲波對(duì)顆粒的破壞效果與超聲強(qiáng)度、時(shí)間、溫度呈正相關(guān)；3）當(dāng)果蔬汁中一定大小的顆粒被完全破壞后，超聲波對(duì)顆粒不再起破壞作用；4）超聲波能破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促使細(xì)胞壁中的果膠釋放到上清液中，可以增加上清液的黏度及更好地提高兩相三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；5）超聲波通過(guò)空化作用產(chǎn)生的剪切作用、熱作用和自由基會(huì)對(duì)果膠結(jié)構(gòu)造成影響，包括發(fā)生于主鏈或側(cè)鏈的降解作用、酯化度增大或減小等。超聲波處理對(duì)兩相關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組分的影響可能同時(shí)發(fā)生，也可能存在階段性，對(duì)其進(jìn)行探究有利于更好地解釋果蔬汁理化性質(zhì)在超聲波處理過(guò)程中的復(fù)雜變化。因此，應(yīng)進(jìn)一步基于果蔬汁的兩相體系在加工中的變化規(guī)律及分子機(jī)制來(lái)深入探究超聲波處理對(duì)果蔬汁品質(zhì)特性的影響。

4 超聲波處理對(duì)果蔬汁營(yíng)養(yǎng)特性的影響及其機(jī)制

果蔬中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如抗壞血酸、多酚、類(lèi)胡蘿卜素、花青素等，加工條件對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有較大的影響。超聲波處理對(duì)果蔬汁營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響存在兩面性：一方面，超聲波在傳播過(guò)程中由空泡坍塌產(chǎn)生劇烈的剪切力及局部的高溫和高壓，使得細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞；當(dāng)細(xì)胞壁被破壞后，細(xì)胞內(nèi)含物釋放并分散到上清液中，從而提高這些物質(zhì)的萃取率（圖4）；另一方面，超聲波處理過(guò)程產(chǎn)生的自由基會(huì)導(dǎo)致活性組分發(fā)生降解。表3列舉了超聲波處理對(duì)果蔬汁營(yíng)養(yǎng)特性的影響。值得注意的是，超聲波的作用并不能直接導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)含量增加，而是提高了這些物質(zhì)的萃取率[82]。但也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)超聲波的空化作用會(huì)使植物細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，從而增加物質(zhì)的合成[70,83]。

圖4 超聲波在果蔬汁加工中可能的輔助萃取機(jī)制[82,84]Fig. 4 Possible mechanism of ultrasound-assisted extraction during fruit and vegetable processing[82,84]

4.1 超聲波處理對(duì)抗壞血酸的影響及其機(jī)制

抗壞血酸是果蔬中重要的營(yíng)養(yǎng)素，由于其對(duì)加工條件敏感，通常將抗壞血酸含量降低50%時(shí)作為貨架期結(jié)束的品質(zhì)指標(biāo)[8,85]。Gao Ruiping等[52]研究表明，預(yù)先脫氣的鮮榨番茄汁經(jīng)10 ℃超聲波處理10 min后，抗壞血酸含量增加了20.20%，并且在隨后的超聲波處理過(guò)程中，抗壞血酸沒(méi)有發(fā)生降解。Aguilar等[82]研究表明，當(dāng)果汁預(yù)先脫氣后，即使超聲波處理溫度達(dá)到55 ℃也沒(méi)有引起抗壞血酸降解，并建議在加工前對(duì)果蔬汁進(jìn)行脫氣處理，以減少果蔬汁中抗壞血酸在超聲過(guò)程中的損失。do Amaral Souza等[86]研究超聲波處理溫度對(duì)卡姆梅果汁的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波處理溫度為40 ℃時(shí)，抗壞血酸含量顯著高于對(duì)照樣品，而當(dāng)超聲波處理溫度從40 ℃增至60 ℃的過(guò)程中，抗壞血酸含量逐漸降低。Martínez-Flores等[70]報(bào)道胡蘿卜汁經(jīng)頻率24 kHz、振幅120 μm、功率2 181.68 mW/mL、溫度58 ℃的超聲波處理10 min后抗壞血酸得以100%保留，并且在4 ℃冷藏20 d后，抗壞血酸沒(méi)有發(fā)生降解。Abid等[8]研究浴盆式和探頭式超聲波處理對(duì)蘋(píng)果汁中抗壞血酸的影響，0.06 W/cm3浴盆式超聲波于20 ℃處理30 min后，抗壞血酸含量提高1.71%，當(dāng)超聲波處理溫度提高至40 ℃和60 ℃時(shí)，抗壞血酸含量分別降低了5.78%和11.38%；0.3 W/cm3的探頭式超聲波于20 ℃處理5 min后，抗壞血酸含量提高15.18%，而40、60 ℃處理5 min后，抗壞血酸含量分別降低了3.98%和5.69%。結(jié)果表明，探頭式超聲波處理對(duì)活性物質(zhì)的萃取作用及降解作用都大于浴盆式超聲波，但其降解與溫度有關(guān)。Jabbar等[23]研究超聲波處理（型號(hào)VC750、探頭直徑13 mm、頻率20 kHz、強(qiáng)度48 W/cm2）對(duì)胡蘿卜汁品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明20 ℃超聲波處理10 min使得抗壞血酸含量顯著提高，當(dāng)超聲波處理溫度升高至40～60 ℃后抗壞血酸發(fā)生了降解；但經(jīng)超聲波處理的樣品中抗壞血酸的含量顯著高于熱處理（80 ℃、1 min）。

文獻(xiàn)中關(guān)于超聲波處理對(duì)果蔬汁抗壞血酸的影響存在不同的結(jié)果，這可能與作用機(jī)制和條件有關(guān)[82]。1）超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的微射流、局部高溫和高壓，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[69]，從而使抗壞血酸從細(xì)胞中釋放出來(lái)，提高了其萃取率；2）超聲波空化作用產(chǎn)生的自由基導(dǎo)致抗壞血酸發(fā)生降解[87]，但自由基的產(chǎn)生受溶解氧、超聲波功率和溫度等因素制約，溶解氧含量與產(chǎn)生的自由基量呈負(fù)相關(guān)[88]；3）氧化降解，尤其是在鮮榨果蔬汁的加工中混入的氧氣通常會(huì)導(dǎo)致抗壞血酸發(fā)生降解，并且超聲波處理溫度越高，其降解的程度越大[6,8,23]。

與熱處理相比，超聲波處理能有效地保留果蔬汁中的抗壞血酸。但超聲波處理對(duì)抗壞血酸的影響取決于超聲波的功率、時(shí)間、溫度、溶解氧等因素[82]。超聲波處理對(duì)果蔬汁中抗壞血酸的影響規(guī)律可歸納為如下方面：1）超聲波處理溫度較低時(shí)對(duì)抗壞血酸的作用以萃取為主，體現(xiàn)在抗壞血酸含量增大；2）當(dāng)溫度高于40 ℃后發(fā)生顯著的降解，導(dǎo)致抗壞血酸含量降低；3）降低果蔬汁體系中的溶解氧水平可以有效減少抗壞血酸的降解。在一定情況下，在超聲波處理過(guò)程中，抗壞血酸被降解會(huì)消耗產(chǎn)生的自由基，這能起到對(duì)其他活性物質(zhì)如多酚類(lèi)、類(lèi)胡蘿卜素、花青素等的保護(hù)作用[83]。

4.2 超聲波處理對(duì)多酚、類(lèi)胡蘿卜素的影響及其機(jī)制

許多研究表明超聲波處理能提高番茄汁[52]、草莓汁[22,89]、蘋(píng)果汁[90]、仙人掌汁[18]、藍(lán)莓汁[10]、胡蘿卜-葡萄汁[76]等果蔬汁中多酚和類(lèi)胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。Abid等[90]研究超聲波處理（2 W/cm2、20 ℃）對(duì)鮮榨蘋(píng)果汁中活性物質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理時(shí)間為30 min和60 min時(shí)蘋(píng)果汁中的總類(lèi)胡蘿卜素含量分別增加了12.30%和27.05%；超聲波處理30 min使綠原酸、咖啡酸、兒茶素、表兒茶素和根皮苷含量分別增加41.12%、18.83%、19.67%、145.00%、76.06%；當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)至60 min，綠原酸、兒茶素和表兒茶素的含量有所降低。Wang Jin等[89]研究超聲波處理對(duì)草莓汁活性物質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)照樣品中總酚質(zhì)量濃度為57.60 mg/100 mL（以沒(méi)食子酸當(dāng)量計(jì)，下同）；處理12 min后總酚質(zhì)量濃度增至95.76 mg/100 mL；當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)至16 min時(shí)總酚質(zhì)量濃度降至68.18 mg/100 mL。通過(guò)對(duì)多酚單體的分析發(fā)現(xiàn)阿魏酸在整個(gè)超聲波處理過(guò)程中沒(méi)有顯著變化，而處理12 min使得兒茶素、沒(méi)食子酸、鞣花酸含量分別增加185.70%、150.00%、40.73%；當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)至16 min過(guò)程中沒(méi)食子酸含量沒(méi)有顯著變化，而兒茶素和鞣花酸含量分別減少了41.31%和53.58%。這表明超聲波處理會(huì)導(dǎo)致多酚物質(zhì)發(fā)生降解，且對(duì)多酚類(lèi)物質(zhì)的影響具有單體特異性。Gao Ruiping等[52]研究表明超聲波處理時(shí)間為30 min時(shí)鮮榨番茄汁中總酚含量增加24.71%，而對(duì)番茄汁中的類(lèi)胡蘿卜素的影響具有時(shí)間依賴(lài)性和單體特異性。總類(lèi)胡蘿卜素、總番茄紅素、總β-胡蘿卜素和總?cè)~黃素在超聲波處理時(shí)間延長(zhǎng)至10 min的過(guò)程中持續(xù)增大，隨后時(shí)間延長(zhǎng)至30 min的過(guò)程中逐漸降低；全反式β-胡蘿卜素和5-順式番茄紅素含量在超聲波處理5 min時(shí)達(dá)到最大值，隨后時(shí)間延長(zhǎng)至30 min過(guò)程中都保持穩(wěn)定；9,13-雙-順式-和9’-順式-番茄紅素含量在整個(gè)超聲波處理過(guò)程中保持恒定；而5’-順式-番茄紅素含量在超聲波處理時(shí)間為5 min時(shí)降低，時(shí)間延長(zhǎng)至20 min的過(guò)程中保持不變，當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)至30 min時(shí)又升至對(duì)照樣品水平。Campoli等[91]研究超聲波處理對(duì)番木瓜汁中番茄紅素的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)15 W/cm2超聲波于25 ℃處理9 min后番茄紅素含量降低了46.26%，而其生物利用率提高了90%以上。

超聲波處理對(duì)果蔬汁中多酚、類(lèi)胡蘿卜素的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要取決于超聲波強(qiáng)度、溫度、時(shí)間、單體類(lèi)型等因素。超聲波處理對(duì)果蔬汁中多酚、類(lèi)胡蘿卜素的影響機(jī)制包括如下方面：1）超聲波通過(guò)空化作用導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞，從而使得多酚、類(lèi)胡蘿卜素的提取率增大；2）超聲波處理過(guò)程產(chǎn)生的溫度、壓力、自由基也會(huì)導(dǎo)致多酚、類(lèi)胡蘿卜素發(fā)生不同程度的降解，且該降解作用具有單體特異性；3）一定條件的超聲波處理會(huì)導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素發(fā)生異構(gòu)化，從而影響其生物活性。

綜上所述，超聲波處理對(duì)果蔬汁中活性物質(zhì)的影響存在較大差異，這取決于果蔬汁類(lèi)型、品種、超聲波強(qiáng)度、溫度、時(shí)間、多酚和類(lèi)胡蘿卜素的構(gòu)型等復(fù)雜因素。一般而言，低溫短時(shí)間有利于活性物質(zhì)的萃取及保留，當(dāng)溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)后會(huì)導(dǎo)致抗壞血酸、多酚、類(lèi)胡蘿卜素發(fā)生降解或異構(gòu)化。文獻(xiàn)中關(guān)于超聲波處理導(dǎo)致活性物質(zhì)發(fā)生氧化及異構(gòu)化的機(jī)制及其生物活性的研究較少，因此有必要進(jìn)一步探究其對(duì)果蔬汁中活性物質(zhì)影響的規(guī)律及其作用機(jī)制。

5 結(jié) 語(yǔ)

超聲技術(shù)具有滅活果蔬汁中的內(nèi)源酶和有害微生物，改善果蔬汁的發(fā)酵性能、穩(wěn)定性、流變學(xué)特性、感官特性及提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)，這充分表明超聲技術(shù)在果蔬汁加工中具有較好的應(yīng)用前景。雖然超聲技術(shù)在果蔬汁加工中取得了許多成果，但仍然存在一些瓶頸問(wèn)題需要突破。1）超聲波處理對(duì)果蔬汁口感、風(fēng)味或香氣的影響及改善/保持能力需要深入研究；2）由于超聲波處理的效果受到果蔬汁類(lèi)型、復(fù)雜體系、超聲功率、振幅、時(shí)間、溫度等因素的影響，從而使文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果各異甚至出現(xiàn)互相矛盾的結(jié)論，因此超聲波處理對(duì)不同果蔬汁品質(zhì)特性影響的規(guī)律、具體機(jī)制及相關(guān)性還需要進(jìn)一步深入探究，以便在具體加工過(guò)程中合理設(shè)置條件、減少負(fù)面效應(yīng)；3）研究報(bào)道中對(duì)于超聲波處理的強(qiáng)度表達(dá)形式包括功率（W）、體積功率（W/L或kJ/cm3）、面積功率（W/cm2）等，使得對(duì)結(jié)果的比較及不同設(shè)備間的參數(shù)參考較為困難，因此需要對(duì)超聲波處理參數(shù)的表示進(jìn)行規(guī)范化；4）超聲波處理對(duì)果蔬汁的消化吸收特性及生物利用率的影響有待進(jìn)一步研究；5）酶及微生物失活需要較高的超聲波強(qiáng)度和溫度，但該條件下可能造成活性物質(zhì)的損失，因此未來(lái)應(yīng)著重研究超聲波與其他物理或化學(xué)方式聯(lián)用的協(xié)同機(jī)制，以使果蔬汁的整體品質(zhì)特性提升；6）超聲技術(shù)在工業(yè)層面的應(yīng)用需要優(yōu)化參數(shù)、降低能耗，研究它對(duì)食品批量生產(chǎn)的影響，更要考慮大規(guī)模超聲波處理對(duì)人體的安全性及對(duì)果蔬汁的負(fù)面效應(yīng)，后續(xù)應(yīng)側(cè)重于工業(yè)規(guī)模的實(shí)施。