閆雪峰，趙有斌，韓清華

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京100083）

超高壓處理對果蔬汁殺菌效果和品質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀

閆雪峰，趙有斌*，韓清華

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京100083）

綜述超高壓處理的技術(shù)原理及其各工藝參數(shù)對果蔬汁殺菌效果、感官性質(zhì)、VC含量影響的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對超高壓處理在果蔬汁加工中的應(yīng)用進行展望。

超高壓；殺菌；果蔬汁

Abstract:This paper reviews the principle of Ultra-high pressure and influences of processing parameters on sterilization，sensory quality,the content of VCof fruit and vegetable juice about its home and overseas present status.The prospects of applications of Ultra-high pressure in the processing of fruit and vegetable juice were also mentioned in this paper.

Key words：Ultra-high pressure;sterilization;fruit and vegetable juice

超高壓處理技術(shù)（Ultra-high Pressure Processing，UHP）或稱靜態(tài)高壓技術(shù)（Hydrostatic High Processing）是將食品物料或生物材料以柔性材料包裝后，放入液體介質(zhì)（通常是食用油、甘油、油與水的乳液）中，使用100 MPa以上壓力，在常溫或較低溫度下處理一定時間，使食品達到殺菌、滅酶及組織改性目的的新型食品加工方法[1]。這種技術(shù)的優(yōu)點在于不僅能夠保證食品微生物方面的安全，還能較好地保證食品固有的營養(yǎng)品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味、色澤及新鮮程度。超高壓處理技術(shù)是20世紀(jì)80年代后逐步興起的食品加工高新技術(shù)之一，是目前食品加工領(lǐng)域的研究熱點，其已被廣泛應(yīng)用于果蔬、肉類、乳品、蛋類等各種制品的加工，在日本、美國、德國等發(fā)達國家均已產(chǎn)業(yè)化，我國的國家食品工業(yè)發(fā)展計劃也將超高壓殺菌技術(shù)作為20世紀(jì)90年代16項重點開發(fā)技術(shù)之一。本文綜述超高壓處理對果蔬汁殺菌效果和品質(zhì)方面的影響的研究現(xiàn)狀，為進一步的學(xué)習(xí)和研究提供參考。

1 超高壓處理的殺菌機理和技術(shù)特點

1.1 殺菌機理

超高壓殺菌的基本原理是壓力對微生物的抑制和致死作用。從細胞水平講，超高壓對微生物的抑制和致死機制與影響細胞結(jié)構(gòu)的細胞膜和細胞壁有關(guān)。細胞膜在細胞運輸、滲透性和呼吸方面起著重要作用，通過超高壓破壞細胞膜中的磷脂分子，使蛋白質(zhì)變性并改變滲透性。此外，超高壓處理還會損傷細菌細胞內(nèi)的酶系與遺傳物質(zhì)DNA分子，導(dǎo)致其遺傳及代謝功能發(fā)生紊亂，從而影響微生物原有的生理活動機能，甚至使原有功能破壞或發(fā)生不可逆變化。這種不可逆的變化也會直接導(dǎo)致微生物死亡[2]。從分子角度講，超高壓處理過程中，形成生物高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵易發(fā)生變化，改變其空間結(jié)構(gòu)，使之發(fā)生某些不可逆的變化，以達到殺菌的目的[3]。

1.2 技術(shù)特點

超高壓殺菌的技術(shù)特點包括：

1）能較好地保持食品超高壓處理前原有的色、香、味、形，營養(yǎng)損失小。

2）壓力作為能量因子，液壓能夠瞬間向各方向傳遞，殺菌均勻。

3）設(shè)備承受壓力大、制造難度高，邊緣工作性能差，制造成本高。

4）所加工食品形態(tài)為流態(tài)、半固態(tài)或者浸泡在液態(tài)中的固態(tài)。

2 超高壓處理對果蔬汁殺菌效果影響的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超高壓殺菌的效果與壓力、保壓時間、物料的pH、微生物的種類、果汁含菌量及保壓溫度等因素有關(guān)。

2.1 壓力對殺菌效果的影響

采用超高壓處理果蔬汁，隨著壓力的增大，果蔬汁中微生物的形態(tài)會發(fā)生變化，代謝會受到影響。為了進一步研究超高壓對殺菌效果的影響，小川浩史等將柑桔類果汁（pH2.5~3.7）經(jīng) 100 MPa~600 MPa、5 min~10 min加壓殺菌，研究結(jié)果表明：細菌、酵母菌和霉菌總數(shù)均隨壓力增大而減少，加壓至600 MPa再結(jié)合適當(dāng)?shù)牡蜏丶訜幔?7℃~57℃），則可以完全殺菌[4]。潘見研究發(fā)現(xiàn)，熱敏性純草莓汁在29℃下，大腸菌群、霉菌和酵母菌均隨壓力增大而減少；雖然經(jīng)500 MPa，保壓15 min處理，仍能發(fā)現(xiàn)耐壓菌，但菌落總數(shù)可降至30 cfu/mL，達到了國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求[5]；黃麗等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力上升到200 MPa時，荔枝汁中的細菌總數(shù)急劇下降，在200 MPa時細菌總數(shù)只有170個/mL，400 MPa時達到商業(yè)無菌的效果[6]；Baris等研究高壓對番茄汁中微生物的滅活效果時發(fā)現(xiàn)，25℃時，在300、350、400 MPa壓力下處理后大腸桿菌O157∶H7菌落總數(shù)分別降低3.0、3.0及5.0個對數(shù)[7]。上述研究都肯定了在一定范圍內(nèi)，壓力越大，殺滅細菌的速度越快，細菌的死亡率越高，超高壓對各種果蔬汁中的微生物具有良好的殺滅效果。但當(dāng)壓力升高到一定程度，殺菌效果提高就不再明顯。王雪青等利用超高壓室溫下處理獼猴桃醬，發(fā)現(xiàn)壓力越大，殺菌效果越明顯，且殺菌壓力大于500 MPa時，殺菌效果提高不明顯[8]，原因可歸為果蔬汁中存在少量耐壓菌，而殺死這部分耐壓菌，則需要更高的壓力或者是結(jié)合其他的處理形式。

2.2 保壓時間對殺菌效果的影響

保壓時間對超高壓處理果蔬汁的殺菌效果也有一定的影響，趙玉生研究超高壓處理對熱敏性獼猴桃汁的殺菌效果時發(fā)現(xiàn)，保壓時間的變化不會影響菌落總數(shù)隨著壓力增大而下降的趨勢[9]，邱偉芬對超高壓處理番茄汁的條件進行優(yōu)化的研究中發(fā)現(xiàn)，壓力范圍為200 MPa~400 MPa，以200 MPa為一個梯度,保壓時間為10 min~20 min，5 min為一個梯度，得到的殺菌數(shù)學(xué)模型中壓力影響系數(shù)是保壓時間的6.8倍[10]。我們在利用超高壓處理樹莓汁的研究中也發(fā)現(xiàn)，壓力范圍在100 MPa~500 MPa，梯度為200 MPa，保壓時間為5 min~25 min，梯度為10 min，延長保壓時間有一定殺菌效果，但所得到的殺菌數(shù)學(xué)模型的壓力影響系數(shù)是保壓時間的7.5倍。上述研究都肯定了超高壓處理過程中，在某一壓力下，隨著保壓時間的延長，殺菌效果會有所提高，但保壓時間對殺菌效果的影響顯著性遠不及壓力。我們研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)細菌殘存率達到一定值后，單純增加超高壓時間，殺菌效果并不明顯，只有結(jié)合其他處理方式才可進一步提高殺菌效果。

2.3 pH值對殺菌效果的影響

每一種微生物都有其生長、繁殖的最適pH范圍，引起酸性果蔬汁飲料腐敗變質(zhì)的微生物主要是酵母菌、霉菌和部分腐敗細菌，而耐熱性強的芽孢菌在酸性條件下無法生長繁殖。在400 MPa下，加壓10 min，pH小于4的果汁即可到達商業(yè)無菌狀態(tài)，在室溫下放置幾個月甚至一年半無任何微生物引起的腐敗變質(zhì)現(xiàn)象[11]。姜斌、胡小松等發(fā)現(xiàn)，超高壓對低pH的鮮榨蘋果汁的殺菌效果優(yōu)于pH值偏中性的鮮榨胡蘿卜汁。經(jīng)過400 MPa、15 min處理的鮮榨蘋果汁可在4℃下貯藏7d仍保持食品安全性，而鮮榨胡蘿卜經(jīng)過400MPa、45 min處理，僅能在4℃下貯藏3 d[12]。馬永昆等發(fā)現(xiàn)，調(diào)酸的哈密瓜汁加壓后，在pH為4.7時的殺菌效果強于5.7[13]。上述研究表明較低的pH值對超高壓殺菌有促進作用，主要原因可能是高濃度的氫離子對菌體的破壞作用[14]。

2.4 超高壓處理不同微生物的殺菌效果差異

每種菌都有自己的耐壓閾值，壓力敏感菌壓力閾值較低，耐壓菌的閾值高。張立云等發(fā)現(xiàn)常溫下草莓漿中大腸菌群在400 MPa處理5 min后全部殺死；霉菌、酵母菌在500 MPa處理10 min后即可全部殺死[15]。小川浩史研究發(fā)現(xiàn)，柑桔類果汁（pH2.5~3.7）經(jīng)100 MPa~600 MPa、5 min~10 min加壓殺菌試驗，酵母菌、霉菌和無芽孢細菌可以被完全殺死，但仍有棒桿菌、枯草桿菌等能形成耐熱性強的芽孢而有殘留[4]。曾慶梅發(fā)現(xiàn)研究梨汁的超高壓處理效果，發(fā)現(xiàn)大腸菌群在400 MPa，保壓時間為10 min即可完全殺滅，同樣條件下霉菌和酵母菌仍有殘留[16]。我們在研究超高壓處理樹莓汁時發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌在壓力為200 MPa，保壓時間為5min即可被殺滅，酵母菌和霉菌在壓力為400MPa時，保壓時間15 min時才能完全殺滅?？梢姡臀⑸锓N類來說，酵母菌、霉菌的耐壓力比細菌中的革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌）的耐壓性低，而革蘭氏陰性菌的耐壓性又比革蘭氏陽性菌低；芽孢細胞的耐壓性強，尤其是革蘭氏陽性菌中的芽孢桿菌和梭狀芽孢桿菌的芽孢最耐壓[17]。而對于耐壓菌，由于壓力遠未達到耐壓菌的閾值，在有限的范圍內(nèi)即使再升高壓力，菌落總數(shù)也幾乎不會減少。具體來說，一般在300 MPa~700 MPa的壓力下，即可殺死食品中的微生物，但對芽胞采用600 MPa~900 MPa的壓力作用40 min~20 min，也不能將其完全殺滅[18]，主要原因為革蘭氏陽性菌細胞壁較厚，肽聚糖含量高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，而革蘭氏陰性菌肽聚糖層很薄，當(dāng)高壓作用時，細胞壁受到損傷更容易，死亡也更容易。芽孢富含大量特殊的吡啶二羧酸鈣和帶有二硫鍵的蛋白質(zhì)，具有多層次厚而致密的芽孢壁，因此需要更高的壓力并結(jié)合其他殺菌方式才可殺滅[19]。

以上大量研究結(jié)果驗證了超高壓對果汁中微生物的滅活作用，得到了不同壓力、不同保壓時間，不同溫度、不同微生物、不同果蔬汁中的微生物超高壓壓力失活相關(guān)數(shù)據(jù)，為各種果蔬汁的超高壓處理生產(chǎn)提供很好的技術(shù)參考。

3 超高壓處理對果蔬汁品質(zhì)影響的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超高壓殺菌技術(shù)屬冷殺菌技術(shù)，與熱處理殺菌相比，超高壓殺菌在常溫下進行的，基本不破壞食品中的熱敏性成分，如：揮發(fā)性物質(zhì)、維生素、香氣成分以及其他有利于食品風(fēng)味的物質(zhì)等；但超高壓處理也不是對任何果蔬汁都合適的。

3.1 對感官性質(zhì)的影響

大多數(shù)的果蔬，特別是一些熱敏性水果，在熱加工過程中會發(fā)生感官性質(zhì)的變化，包括產(chǎn)生不良的風(fēng)味，香氣減少，失去原有顏色等。因此能夠保持果蔬汁令人愉悅的感官品質(zhì)成為果蔬加工中的重要問題。而超高壓處理被認(rèn)為是解決這一難題行之有效的方法。

3.1.1 對風(fēng)味物質(zhì)的影響

研究表明超高壓處理不僅能夠減少加工中果蔬汁風(fēng)味物質(zhì)損失，保持其迷人風(fēng)味，有時甚至能夠增強其香味。馬永昆等對哈密瓜汁施以500 MPa的壓力處理，10 min后，其汁液中新增加了4種烯醛類，呈現(xiàn)出較濃的新鮮氣;酮類新增加了6種，占4.99%，它們多呈現(xiàn)出花果的香甜氣。超高壓處理后，金皇后甜瓜汁的醇甜香氣和似黃瓜的清新氣明顯增加，超高壓處理后的總體香氣仍呈現(xiàn)出金皇后甜瓜典型的香氣[20]。他們又對草莓汁進行了研究，發(fā)現(xiàn)草莓香氣成分與未超高壓處理的草莓香氣成分無顯著的差異[21]。Baxter I A發(fā)現(xiàn)超高壓處理可以減少柑桔汁的苦味，同時并不影響柑桔汁的顏色和質(zhì)地,并且超高壓處理后的柑桔汁在4℃~8℃的條件下可以儲存16周[22]。張俊松發(fā)現(xiàn)超高壓處理后的桃汁的青鮮氣更加突出，說明超高壓處理增強了桃汁的特征香氣[23]。趙玉生發(fā)現(xiàn)超高壓處理葡萄柚汁能有效地抑制榨汁后苦味的產(chǎn)生[24]。我們認(rèn)為，由于壓力增加使各種風(fēng)味物質(zhì)的前體濃度增大，或激活了相關(guān)反應(yīng)酶的活性，促使風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生。

Fernandez A G對高壓處理后的橘汁-檸檬汁-胡蘿卜汁混合果汁進行了研究，在500 MPa的壓力處理下感官品質(zhì)沒有發(fā)生明顯的變化。但是在800 MPa的壓力處理下，混合果汁中胡蘿卜氣味增強、出現(xiàn)異常的金屬苦味，破壞了混合果汁的協(xié)調(diào)性[25]。Sebastiano P等研究了超高壓處理對番茄汁風(fēng)味的影響，結(jié)果表明，經(jīng)500 MPa壓力處理后，正己醛、3-順己烯醛含量明顯增加，并產(chǎn)生有脂肪氧化的酸敗氣味?？v偉等分析超高壓處理前后菠蘿汁香氣變化，表明菠蘿汁香氣物質(zhì)種類減少，并認(rèn)為由于壓力上升引起溫度升高導(dǎo)致部分化合物氧化[26]。我們認(rèn)為超高壓可能會抑制某些產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)酶的活性，或者促進風(fēng)味物質(zhì)的分解，關(guān)于超高壓對風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生酶促反應(yīng)機理的影響有待進一步研究。

3.1.2 對色澤的影響

果蔬汁的色澤直接影響消費者對商品的印象，是果蔬汁品質(zhì)的重要指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的熱殺菌，超高壓處理過的果蔬汁能夠較好的保持果蔬汁原有色澤，果蔬汁常用△E=[（△L）2＋（△a）2＋（△b）2]1/2的大小作為評價試驗樣品的色澤變化程度的指標(biāo)?！鱁值越小，表示顏色變化越小。其中L值表示亮度，L值越大，亮度越大；a值表示有色物質(zhì)的紅綠偏向，正值越大，偏向紅色的程度越大，負(fù)值絕對值越大，偏向綠色的程度越大；b值表示有色物質(zhì)的黃藍偏向，正值越大，偏向黃色的程度越大，負(fù)值絕對值越大，偏向藍色的程度越大[27]。李汴生等研究超高壓和熱滅菌對鮮榨菠蘿汁的品質(zhì)影響發(fā)現(xiàn)，超高壓處理樣品b值下降明顯小于熱處理，說明與熱處理相比，超高壓處理后黃色變淡的程度小，而超高壓處理樣品的△E值變化也遠小于熱處理樣品，說明熱處理樣品比超高壓處理樣品顏色變化大，對比發(fā)現(xiàn)，超高壓處理更好地保持了菠蘿汁原有的金黃色[28]。張文佳等研究了超高壓對樹莓汁品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)超高壓對樹莓汁的L值，a值、b值均無顯著影響[29]。趙光遠等也發(fā)現(xiàn)鮮榨蘋果汁在超高壓協(xié)同熱處理后，果汁的色澤得到了改善[30]。研究者普遍認(rèn)為超高壓處理能夠較好的保持果蔬汁的色澤，原因可歸為超高壓對果蔬汁內(nèi)源酶的鈍化作用及高壓的均質(zhì)作用使果蔬汁細胞內(nèi)的呈色物質(zhì)的溶出[31]。

3.2 對VC的影響

新鮮果蔬汁中含有豐富的維生素、蛋白質(zhì)、氨基酸以及還原糖等營養(yǎng)成分，這些營養(yǎng)成分經(jīng)過傳統(tǒng)的加工技術(shù)處理后損失很大，特別是熱敏性的營養(yǎng)成分，VC在經(jīng)過熱處理后其損失率高達95%[32]，這樣使得熱加工后果汁的營養(yǎng)成分大打折扣，超高壓殺菌技術(shù)則可以有效地避免果汁中營養(yǎng)成分大量損失，由于超高壓處理不會破壞共價鍵，因此超高壓處理不會直接破壞小分子化合物營養(yǎng)物質(zhì)[33]。

VC是果蔬汁中的代表性營養(yǎng)物質(zhì)，熱加工溫度一般在85℃以上，VC易被大量破壞，超高壓處理可較好的保持果蔬汁中VC。陳復(fù)生等發(fā)現(xiàn)對于柑橘類新鮮榨汁，在23℃,100 MPa～600 MPa的作用下，VC沒有明顯變化[34-35]。果醬經(jīng)超高壓處理后也能較好地保持其營養(yǎng)成分，經(jīng)超高壓處理的草莓醬能保留95%的VC，是熱力加工草莓醬VC保留率的1.7倍[36]。趙玉生等發(fā)現(xiàn)對于獼猴桃汁，當(dāng)壓強達到500 MPa時，其中的VC含量仍然達87%以上，是傳統(tǒng)熱力加工保存率的1.7倍以上[37]。Dede S等研究發(fā)現(xiàn)，番茄汁和胡蘿卜汁在35℃、250 MPa的條件下保壓15 min，其中的VC含量減少不明顯，并且經(jīng)過處理的番茄汁和胡蘿卜汁在貯存30 d后，VC的含量還能分別保持70%和45%，而經(jīng)過加熱處理的番茄汁和胡蘿卜汁中的VC含量只有16%和20%[38]。以上研究證明超高壓對VC含量的影響較小，可以有效地保持鮮榨果蔬汁中的VC。

4 超高壓處理在果蔬汁加工中應(yīng)用的展望

自從1990年日本明治屋食品公司生產(chǎn)出世界第一種超高壓食品（果醬），發(fā)展至今，超高壓處理技術(shù)已經(jīng)部分實現(xiàn)工業(yè)化。從它的發(fā)展歷程來看，超高壓處理技術(shù)的主要用途即是殺菌鈍酶，并以此為基礎(chǔ)主要開展了超高壓對食品品質(zhì)影響的研究。目前研究的水平也一直停留在色澤、口味、營養(yǎng)成分等表征分析，并未深入研究超高壓對食品品質(zhì)的作用機制。對各種果蔬汁的功能性成分活性變化情況也研究較少。另外超高壓設(shè)備對設(shè)備的耐壓性要求高，達到大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)困難比較大。

據(jù)統(tǒng)計，2009年，我國果蔬汁飲料為1180萬t，保持每年100萬t以上的增長速度，我國果汁飲料人均年消費僅為1 kg，為世界平均消費量的1/7，為西歐國平均消費水平的1/40[39]。可見，我國果蔬汁飲料的市場潛力巨大，由于超高壓處理的果蔬汁不僅能夠保證微生物方面的安全，還能很好的保證果蔬汁原有的營養(yǎng)成分、色澤、風(fēng)味，因此隨著人們對天然、不含防腐劑與最少加工的食品的日益青睞和超高壓設(shè)備的改進，超高壓處理技術(shù)在果蔬汁加工中的應(yīng)用前景十分廣闊，人們必會享受到更安全、更新鮮、高品質(zhì)的果蔬汁飲料。

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The Status Quo of Influence of Ultra-High Pressure Processing on Fruit and Vegetable Juice

YAN Xue-feng,ZHAO You-bin*,HAN Qing-hua
（China Academy of Agricultural Mechanization of Sciences，Beijing 100083,China）

2010-06-18

國家863計劃項目之子課題“食品非熱加工技術(shù)和設(shè)備”(2007AA100405)；北京市專項項目（D101105046610001）

閆雪峰（1985—），男（漢），在讀研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品深加工技術(shù)研究。

*通信作者：趙有斌（1966—），男，研究員。