高溫短時殺菌和聲熱殺菌對黑胡蘿卜汁品質(zhì)影響的比較研究

呂欣然，鮑詩晗，趙沁雨，李彩虹，葛謙，*，馬婷婷，*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品學(xué)科與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.寧夏農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，寧夏 銀川 750002）

黑胡蘿卜（Daucus carota L.），其根部呈紫黑色，原產(chǎn)于土耳其、阿富汗等國家，距今已有3 000多年的種植歷史[1]。黑胡蘿卜富含多種維生素、礦物質(zhì)、纖維素、類胡蘿卜素、酚類、花青素等營養(yǎng)物質(zhì)與生物活性物質(zhì)，尤其是花青素含量高達1 750 mg/kg鮮重[2-3]，是膳食花青素的良好來源[4]。黑胡蘿卜中含量較高的花青素對其各項生理活性做出了極大貢獻，其抗氧化活性是其他顏色品種胡蘿卜的10倍以上[5]。研究表明，花青素除了具有較強的抗氧化作用，還具有防紫外線[6]、抗癌、抗感染、改善肝功能損傷、預(yù)防糖尿病和保護視力等功效[7]。同時，黑胡蘿卜中的花青素多為?；ㄇ嗨豙8]，而?；鶊F的存在使花青素在光、熱以及中性與弱酸性基質(zhì)等不利條件下的穩(wěn)定性大幅增強且具有更高顯色性[9-10]。

黑胡蘿卜是一種營養(yǎng)豐富并且極具保健功能的蔬菜，然而，黑胡蘿卜中較高含量的萜烯類化合物使其萜烯味、藥腥味濃重[11]，不容易被消費者接受，因此，黑胡蘿卜通常在加工或烹飪后食用。目前對果蔬制品而言，制汁是最常見的且深受消費者青睞的深加工方式之一，胡蘿卜汁也是各類胡蘿卜深加工中的常見產(chǎn)品類型。殺菌是果蔬汁生產(chǎn)中重要的單元加工操作，不同的殺菌方式會影響果蔬汁的理化指標(biāo)、功能性物質(zhì)及感官品質(zhì)[12-13]。目前，傳統(tǒng)熱殺菌仍然是果蔬汁加工中應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟有效的殺菌鈍酶方式。然而，高溫處理會使果蔬汁風(fēng)味劣變[14]，熱敏性營養(yǎng)物質(zhì)和功能物質(zhì)損耗[15]，明顯降低果蔬汁產(chǎn)品的功能特性和感官品質(zhì)。近年來，隨著消費者對安全、營養(yǎng)、感官品質(zhì)優(yōu)良的果蔬汁產(chǎn)品需求的日益增長，眾多新型殺菌技術(shù)應(yīng)運而生。

超聲波（ultrasonication，US）處理是一種綠色高效的物理殺菌技術(shù)，近年來在液體食品的殺菌中受到了廣泛關(guān)注。聲熱殺菌（thermosonication，TS）技術(shù)是將超聲波與溫和熱處理（＜60℃）相結(jié)合，通過超聲的空化效應(yīng)聯(lián)合溫和熱效應(yīng)從而加速微生物和酶失活的新型殺菌方式[16]。研究表明，TS處理可以較好地保持果蔬汁的理化、功能性物質(zhì)和感官屬性，并且適宜的聲熱處理參數(shù)可以明顯提升果蔬汁中營養(yǎng)、功能物質(zhì)的含量[17]。目前，TS處理在獼猴桃汁[18]、蘋果汁[19]和楊梅汁[20]等中均有應(yīng)用。本文選取傳統(tǒng)熱殺菌中的應(yīng)用較為廣泛的高溫短時殺菌（high-temperature short-time sterilization，HTST）和新型的TS技術(shù)對黑胡蘿卜汁進行殺菌處理，探究兩種殺菌方式對黑胡蘿卜汁理化特性、功能性物質(zhì)含量及感官品質(zhì)的影響，研究結(jié)果以期為生產(chǎn)高品質(zhì)的黑胡蘿卜汁提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮黑胡蘿卜（品種選用“Purple 68”）：市售，選用外表無機械損傷、無病蟲害的新鮮成熟黑胡蘿卜。

沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品、兒茶酚標(biāo)準(zhǔn)品、6-羥基-2，5，7，8-四甲基色烷-2-羧酸（Trolox）標(biāo)準(zhǔn)品、福林酚、2，4，6-三吡啶基三嗪[2，4，6-Tris（2-pyridyl）-1，3，5-triazine，TPTZ]、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2，2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽[2，2'-azinobis-（3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonicacid），ABTS]：美國 Sigma 公司；所用標(biāo)準(zhǔn)品均為色譜純，其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

手持糖度儀（PAL-1）：日本ATAGO公司；pH計（雷磁PHS-3E）：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；電子鼻（PEN 3）：德國Airsense公司；色度儀（Ci7600）：愛色麗（上海）色彩科技有限公司；紫外分光光度計（UV2800）：上海尤尼柯儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)黏度儀（NDJ-5S）：上海平軒科技儀器有限公司；超高溫瞬時滅菌系統(tǒng)（FT74X）：英國Armfield公司；低溫冷凍離心機（GL-10MD）：湖南湘儀儀器有限公司；超聲波處理器（ATPIO-1000D）、恒溫器（XODC-0515-II）：中國江蘇南京先歐有限公司。

1.3 黑胡蘿卜汁樣品處理

將新鮮黑胡蘿卜清洗晾干去皮后切成厚度約為1 cm的薄片，于90℃、0.2%維生素C水溶液中熱燙5 min，隨后添加黑胡蘿卜總質(zhì)量50%的熱燙水混合打漿，200目紗布過濾后將黑胡蘿卜汁在溫度4℃、7 000×g條件下離心20 min后得到上清液，于4℃下保存在食品級無菌瓶中備用。

以制備好的黑胡蘿卜汁為對照組（check，CK），分別對黑胡蘿卜汁進行HTST和TS處理。HTST處理采用超高溫瞬時滅菌系統(tǒng)，處理溫度與時間為110℃、8.6 s，TS處理采用內(nèi)置探頭的超聲波處理器處理，處理過程中將容器連接到恒溫器內(nèi)使溫度穩(wěn)定在55℃，處理時間10 min、超聲功率700 W、超聲頻率25 kHz、脈沖持續(xù)時間2 s，停止3 s。處理結(jié)束后，迅速將黑胡蘿卜汁在無菌條件下轉(zhuǎn)入聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate，PET）瓶中。殺菌處理結(jié)束后，立即取部分黑胡蘿卜汁進行微生物指標(biāo)測定，其余黑胡蘿卜汁置于4℃保存，于24 h內(nèi)完成其他指標(biāo)的測定。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 微生物指標(biāo)測定

微生物指標(biāo)檢測依據(jù)GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗菌落總數(shù)測定》、GB 4789.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)》和GB 4789.15—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗霉菌和酵母計數(shù)》進行菌落總數(shù)、大腸桿菌、霉菌和酵母的檢測，結(jié)果以CFU/mL和MPN/mL表示。

1.4.2 理化指標(biāo)測定

黑胡蘿卜汁的黏度采用NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度儀進行測定，測定結(jié)果用mPa·s表示。pH值采用PHS-3E pH計進行測定。褐變指數(shù)值（browning index，BI）采用UV2800紫外分光光度計測定[21]?？偪扇苄怨绦挝镏担╰otal soluble solid，TSS）采用PAL-1手持糖度儀測定，結(jié)果用°Brix表示。

1.4.3 功能性指標(biāo)測定

黑胡蘿卜汁中的總酚含量（total polyphenol content，TPC）采用福林酚法進行測定[22]，結(jié)果用mg沒食子酸當(dāng)量（gallic acid equivalent，GAE）/L 表示?？傸S酮含量（total flavonoid content，TFC）采用 AlCl3比色法進行測定[23]，結(jié)果用 mg 兒茶酚當(dāng)量（catechin equivalents，CAE）/L表示。參考Sun等[24]的方法，黑胡蘿卜汁中的總花色苷含量（total anthocyanin content，TAC）采用雙波長pH示差法進行測定，結(jié)果用mg花青素-3-葡萄糖苷（cyanoside-3-glycoside，C3GE）/L表示?？傤惡}卜素含量（total carotenoid content，TCC）參考 De Carvalho等[25]的方法，采用萃取-比色法進行測定，結(jié)果以mg β-胡蘿卜素/L表示。

1.4.4 抗氧化活性測定

參考Ozgen等[26]的方法并結(jié)合實際情況進行修改，采用3種不同的方法來對黑胡蘿卜汁的抗氧化活性進行測定，包括DPPH自由基清除能力、ABTS+自由基清除能力和鐵離子還原能力（ferric ion reducing antioxidant power，F(xiàn)RAP）的測定，結(jié)果以 mmol Trolox/L表示。

1.4.5 顏色特征檢測

黑胡蘿卜汁的顏色特征通過Ci 7600色度儀進行測定，采用全透射觀察模式[22]，以CK為對照，每組樣品平行測定3次。所測參數(shù)包括亮度L*、紅綠度a*與黃藍度b*。總色差ΔE、色相角h和飽和度C*由色度儀自帶的軟件計算得出。

1.4.6 電子鼻檢測

采用含有10個金屬氧化物半導(dǎo)體的PEN 3電子鼻對黑胡蘿卜汁的整體氣味特征進行評估，根據(jù)Lan等[22]的研究方法稍作修改。將10 mL黑胡蘿卜汁放入20 mL的頂空瓶中，在25℃下平衡10 min后開始檢測，每組樣品重復(fù)測定8次。具體檢測參數(shù)：載氣流速300 mL/min、檢測時間 60 s、清洗時間 30 s。

1.4.7 感官品質(zhì)評價

由30名經(jīng)過訓(xùn)練的西北農(nóng)林科技大學(xué)食品學(xué)院師生（15男，15女，年齡20周歲～50周歲）組成感官品評小組，感官品評員獨立品嘗樣品后，對感官品評標(biāo)準(zhǔn)表進行討論并調(diào)整，最終確定感官品評標(biāo)準(zhǔn)見表1。之后將25℃下隨機3位數(shù)編碼后的樣品置于50 mL透明玻璃瓶中，提供給感官品評員進行正式感官品評。

表1 黑胡蘿卜汁感官品評標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria of black carrot juice

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本試驗使用Origin 2022軟件進行數(shù)據(jù)處理并分析制作圖片，除特殊說明外，本次試驗數(shù)據(jù)結(jié)果以3次平行測定結(jié)果的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS20統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA）、鄧肯多變量測試（p＜0.05）、顯著性分析以及生成電子鼻線性判別（linear discriminant analysis，LDA）圖譜。以p＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的殺菌效果

HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的殺菌效果見表2。

表2 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的殺菌效果Table 2 Germicidal effect of HTST and TS on black carrot juice

由表2可知，與CK相比，兩種殺菌方式均能顯著降低黑胡蘿卜汁中的菌落總數(shù)（p＜0.05），并且殺菌處理后大腸菌群、酵母和霉菌均未檢出。兩種殺菌處理后黑胡蘿卜汁中的菌落總數(shù)、大腸桿菌、霉菌和酵母均可達到GB 7101—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)飲料》中所規(guī)定的商業(yè)無菌條件，可以安全飲用。因此，HTST和TS處理均可確保黑胡蘿卜汁的微生物安全性。

2.2 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的理化指標(biāo)影響

HTST和TS處理黑胡蘿卜汁的理化指標(biāo)測定結(jié)果如表3所示。

表3 HTST和TS處理黑胡蘿卜汁的理化指標(biāo)測定結(jié)果Table 3 Physicochemical indexes of black carrot juice treated by HTST and TS

由表3可知，CK中黑胡蘿卜汁的pH值為5.98，兩種殺菌處理均造成了黑胡蘿卜汁pH值的顯著下降（p＜0.05），且TS處理相較于HTST處理后的黑胡蘿卜汁的pH值下降更為顯著（p＜0.05）。有研究在橙色胡蘿卜汁中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，這有可能是殺菌導(dǎo)致果蔬汁中酸分子中的氫離子被釋放到環(huán)境中最終使pH值下降[27]。與CK相比，HTST處理后的黑胡蘿卜汁中TSS未發(fā)生顯著變化（p＞0.05），而TS處理后黑胡蘿卜汁的TSS顯著下降（p＜0.05）。同樣，黏度的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)TS處理后黑胡蘿卜汁黏度顯著下降（p＜0.05）。Ma等[28]在TS處理的葡萄汁中也得出了類似結(jié)論。

此外，由表3可知，TS處理后黑胡蘿卜汁的BI值與CK相比未發(fā)生顯著變化（p＞0.05），而HTST處理后BI值與CK相比顯著下降（p＜0.05），這表明HTST處理有效地抑制了黑胡蘿卜汁的褐變。在熱殺菌處理的葡萄汁[28]、蘋果汁[29]中也觀察到了相同的結(jié)果，這主要是由于高溫殺菌過程中多酚氧化酶、過氧化物酶等與酶促褐變密切相關(guān)的內(nèi)源酶被滅活[30]。

2.3 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的功能性物質(zhì)和抗氧化能力的影響

不同殺菌方式處理的黑胡蘿卜汁的功能性物質(zhì)的測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 HTST和TS處理黑胡蘿卜汁的功能性物質(zhì)測定結(jié)果Fig.1 Functional substance and antioxidant indexes of black carrot juice treated by HTST and TS

由圖1（A）可知，CK 的 TAC 為 114.87 mg、TFC 為145.52 mg CAE/L，與CK相比，HTST處理造成了黑胡蘿卜汁中TAC含量和TFC含量顯著下降（p＜0.05），兩者分別下降了33.92%和35.63%。這是由于花色苷和黃酮對溫度敏感，HTST處理中110℃的高溫導(dǎo)致其含量明顯下降[31-32]。相反，TS處理分別使TAC和TFC的含量顯著提升了9.28%和15.02%。由圖1（B）可知，3組黑胡蘿卜汁中TPC差異顯著（p＜0.05），但HTST和TS處理后TPC依然保持在2 531 mg GAE/L以上，這說明殺菌處理后黑胡蘿卜汁中總酚水平仍然較高。這可能是由于穩(wěn)定的?；ㄇ嗨厥呛诤}卜汁中總酚的重要組成部分，因此，黑胡蘿卜汁中TPC較為穩(wěn)定[33]。此外，由圖1（B）可知，TS處理并未造成黑胡蘿卜汁中的TCC的顯著變化（p＞0.05），然而，HTST處理后 TCC顯著下降（p＜0.05），這可能是由于高溫處理導(dǎo)致了類胡蘿卜素的氧化降解[34]。以上結(jié)果表明，在本試驗的操作條件下，TS處理明顯提升或高度保留了黑胡蘿卜汁中的功能性物質(zhì)含量，這可能是因為TS處理的空化效應(yīng)破壞了植物細胞壁，促進了其中功能性成分的釋放[15]。

在抗氧化活性方面，采用DPPH、FRAP、ABTS這3種常用的抗氧化能力測定方法對黑胡蘿卜汁抗氧化能力進行測定，測定結(jié)果見圖2。

圖2 HTST和TS處理黑胡蘿卜汁的抗氧化指標(biāo)測定結(jié)果Fig.2 Antioxidant indexes of black carrot juice treated by HTST and TS

由圖2（A）可知，與CK相比，TS處理使DPPH自由基清除能力提升了4.82%，而HTST導(dǎo)致其顯著下降了 20.48%（p＜0.05）。由圖2（B）可知，CK 的FRAP 為10.63 mmol Trolox/L，與CK相比，HTST和TS均會導(dǎo)致FRAP 顯著下降（p＜0.05），然而，HTST處理較 TS處理后顯著下降 42.34%（p＜0.05），這表明高溫處理對FRAP影響更大。由圖2（C）可知，CK的ABTS+自由基清除能力為11.00 mmol Trolox/L，TS處理后未發(fā)生明顯變化，而HTST處理后顯著下降（p＜0.05）。

圖1和圖2的結(jié)果表明，TS處理對黑胡蘿卜汁中功能成分、抗氧化能力的保留或提升具有非常積極的促進作用，功能性物質(zhì)含量和抗氧化能力的提升是黑胡蘿卜汁營養(yǎng)價值的重要體現(xiàn)。因此，TS可作為一種有潛力的黑胡蘿卜汁營養(yǎng)高值化加工方法。

2.4 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁的感官品質(zhì)影響

2.4.1 色澤特性分析

色澤是果蔬汁最重要的感官屬性之一，直接影響消費者對食物的偏好、接受度及最終選擇。通過色度儀對黑胡蘿卜汁色澤參數(shù)進行分析，結(jié)果見圖3。

圖3 HTST和TS處理對黑胡蘿卜汁色澤參數(shù)的影響Fig.3 Effect of HTST and TS on color parameters of black carrot juice

由圖3可知，CK的a*值為12.79、b*值為 3.10、L* 值為 1.80、C* 值為 13.16、h 值為 13.63°，兩種殺菌處理均使胡蘿卜汁的a*、b*、L*、C*值和h值得到顯著提升（p＜0.05）。這表明兩種殺菌處理后黑胡蘿卜汁的紅度、黃度、亮度與色彩飽和度明顯提高，且相較于TS組，HTST組在各個色澤參數(shù)上顯著提升（p＜0.05）。HTST和TS組的ΔE值分別為20.78和3.61，均大于3，即可通過肉眼分辨出色彩差異[35]，且HTST組顏色差異更大。以上結(jié)果表明，兩種殺菌處理均會使黑胡蘿卜汁色澤發(fā)生明顯改變，使整體顏色特征向著更受消費者喜愛的方向變化，且HTST處理相較于TS處理對黑胡蘿卜汁色澤影響更佳。

2.4.2 電子鼻分析

LDA被認為是最基本和最廣泛使用的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法之一，LDA是一個變量線性組合，用于根據(jù)fisher線性判別式檢索和分離不同研究對象的特征[36]。本研究采用LDA線性判別法分析了電子鼻傳感器在50 s～55 s穩(wěn)定信號的平均值，并使用電子鼻不同傳感器對黑胡蘿卜汁中氣味物質(zhì)形成響應(yīng)雷達圖，結(jié)果見圖4。

圖4 不同殺菌方式的黑胡蘿卜汁的氣味LDA分析圖及氣味雷達圖Fig.4 Odour LDA analysis diagram and aroma radar diagram of black carrot juice with different sterilization methods

由圖4（A）可知，兩個判別函數(shù)可以解釋整個方差的100.0%，其中LD1解釋了89.0%，LD2解釋了11.0%。即利用LDA線性判別模型可以很好解釋電子鼻數(shù)據(jù)結(jié)果。不同殺菌處理后黑胡蘿卜汁的氣味特征可以被明顯區(qū)分。其中CK和TS組較為接近，說明TS處理后與CK氣味特征接近，HTST組和CK及TS組距離較遠，說明HTST處理對黑胡蘿卜汁氣味特征影響較大。

如圖4（B）所示，3種黑胡蘿卜汁樣品對傳感器W5S（氮氧化物）、W1S（甲基化合物）、W2S（醇類物質(zhì)與醛酮類物質(zhì)）和W1W（硫化物與萜烯類物質(zhì)）的響應(yīng)較高。相較于CK，HTST處理后黑胡蘿卜汁對這4個傳感器的響應(yīng)值降低，TS組對這4個傳感器的響應(yīng)值升高，這可能是因為超聲處理促進了黑胡蘿卜汁中結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)的釋放[37]。

2.4.3 感官品質(zhì)評價分析

對收集的黑胡蘿卜汁樣品的感官品評結(jié)果進行分析，結(jié)果見圖5。

圖5 不同殺菌方式處理黑胡蘿卜汁的感官品評結(jié)果Fig.5 Sensory evaluation of black carrot juice treated by different sterilization methods

由圖5（A）可知，HTST和TS處理后黑胡蘿卜汁的感官總分并未發(fā)生顯著變化（p＞0.05），這表明兩種殺菌處理均未對黑胡蘿卜汁樣品的感官品質(zhì)造成顯著影響。圖5（B）為感官品評的單項評分，結(jié)果表明，兩種殺菌處理同樣未對黑胡蘿卜汁的單個屬性得分造成顯著影響（p＞0.05），但HTST處理后黑胡蘿卜汁的色澤得分高于其他兩組，這與色度儀測量結(jié)果一致。而TS處理后的黑胡蘿卜汁的滋味得分高于HTST組。

3 結(jié)論

本文對比研究了HTST和TS兩種殺菌處理對黑胡蘿卜汁的理化指標(biāo)、功能特性和感官品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在理化指標(biāo)方面，HTST較好保持了黑胡蘿卜汁的理化特性，然而，TS處理導(dǎo)致黑胡蘿卜汁的TSS和黏度顯著下降（p＜0.05）。就功能性指標(biāo)和抗氧化活性而言，HTST處理導(dǎo)致了黑胡蘿卜汁中4種功能性成分含量和抗氧化活性顯著下降（p＜0.05），而TS處理較好保留或明顯提升了黑胡蘿卜汁中的功能性物質(zhì)含量和抗氧化能力。因此，TS可作為一種有潛力的黑胡蘿卜汁營養(yǎng)高值化加工方法。就感官品質(zhì)方面，3組黑胡蘿卜汁樣品的感官總分并無明顯差異，即兩種殺菌處理均未使黑胡蘿卜汁的感官品質(zhì)發(fā)生明顯變化。但通過色度與人體感官評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，HTST處理后黑胡蘿卜汁色澤表現(xiàn)明顯優(yōu)于CK和TS組。因此，不同殺菌方式對黑胡蘿卜汁品質(zhì)屬性的影響較大，加工時應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品需求合理選擇殺菌方式，從而獲得高品質(zhì)的黑胡蘿卜汁產(chǎn)品。