李楠楠,賈 蒙,馬亞琴,2
(1.西南大學(xué) 柑橘研究所,重慶 400712;2.國(guó)家柑橘工程技術(shù)研究中心,重慶 400712)
柑橘汁是目前最受歡迎的果汁飲料,其中橙汁的產(chǎn)量和需求量最大。2017—2018年全球橙汁產(chǎn)品需求量達(dá)到160×104t,其中巴西作為橙汁的最大生產(chǎn)國(guó),其橙汁出口量占到全球的3/4以上[1]。盡管我國(guó)的橙汁人均消費(fèi)比例不足美國(guó)的1%,但近年來(lái)的橙汁進(jìn)口量也迅速增加,橙汁進(jìn)口量從1998年的0.52 t增加到了2016年的5.58×104t,增長(zhǎng)了近10倍[2]。隨著消費(fèi)市場(chǎng)不斷拓展和對(duì)健康理念的追求,新鮮、營(yíng)養(yǎng)、健康、安全的橙汁日益受到消費(fèi)者的青睞。
殺菌作為控制柑橘汁品質(zhì)最為關(guān)鍵的步驟,其通過(guò)殺滅微生物、鈍化抗壞血酸氧化酶、果膠分解酶,以有效延長(zhǎng)柑橘汁的貨架期,非熱加工技術(shù)因能最大限度地保持柑橘汁新鮮、風(fēng)味、色澤等特性引起了加工企業(yè)和研究人員的關(guān)注。目前,傳統(tǒng)的熱殺菌方式在柑橘汁實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛,但高溫引起柑橘汁中抗壞血酸、類胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失而降低其品質(zhì)。為了保證柑橘汁貨架期的同時(shí),又能最大限度地保持其品質(zhì),掀起了果汁加工行業(yè)及其研究領(lǐng)域發(fā)展“最少加工”的熱潮,進(jìn)而推動(dòng)了非熱殺菌技術(shù)的研究和發(fā)展[3-4]。
基于消費(fèi)者對(duì)柑橘汁色、香、味的更高要求,隨之在加工技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)的變革。綜述了熱殺菌和非熱殺菌2種殺菌方式對(duì)以柑橘汁為主的果蔬汁品質(zhì)的影響,并簡(jiǎn)要介紹了其他非熱殺菌的研究現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
熱殺菌是一種熱處理食品的過(guò)程,是將食品加熱使其上升到某一高溫并持續(xù)一段時(shí)間,殺滅食品中的有害微生物,從而達(dá)到延長(zhǎng)食品貨架期的目的[5]。熱殺菌按處理食品的溫度高低分為低溫殺菌(≤100℃)、高溫殺菌(>100℃)、超高溫殺菌(>130℃),其中pH值≤4.5的酸性食品和熱敏性成分較多的食品可采用低溫殺菌,pH值>4.5的食品采用超高溫殺菌或高溫殺菌。熱殺菌按殺菌效果的高低有巴氏殺菌(≤100℃)和商業(yè)殺菌(>100℃)2種殺菌方式,其中巴氏滅菌法能在相對(duì)合適的溫度下保持食品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),又達(dá)到殺死微生物的效果,因此成為目前應(yīng)用范圍最廣的殺菌方法。一般橙汁的pH值低于4.5,且其所含的維C及其風(fēng)味物質(zhì)屬于熱敏性物質(zhì),目前國(guó)內(nèi)外多采用巴氏殺菌(≤100℃)來(lái)對(duì)其滅菌[4]。
人類對(duì)熱殺菌的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用改變了自身的飲食習(xí)慣和消費(fèi)方式,熱殺菌技術(shù)中最具代表性的技術(shù)是巴氏殺菌,殺菌強(qiáng)度高,幾乎可以殺死食品中全部的病原菌,巴氏殺菌技術(shù)在橙汁殺菌中被廣泛應(yīng)用。Igual M等人[6]對(duì)貯藏期間西柚汁中類黃酮變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在-18℃冷凍條件下貯藏2個(gè)月鮮榨西柚汁的總類黃酮損失率為25%,而常規(guī)巴氏熱處理(80℃,11 s)和微波熱處理(900 W,80℃,30 s)總類黃酮損失率分別19.21%和12%。Chen Y,Noci F等人[7-8]認(rèn)為熱殺菌是從食品外部到內(nèi)部的一個(gè)熱傳遞過(guò)程,并把巴氏殺菌分為高溫短時(shí)殺菌(HTST,≥72℃,15 s)和低溫長(zhǎng)時(shí)殺菌(LTLT,63℃,≥30 min),相對(duì)于LTLT,HTST殺菌更能抑制細(xì)菌的生長(zhǎng),但當(dāng)溫度升高到94℃時(shí),導(dǎo)致了蘋(píng)果汁更多的酚類物質(zhì)降解(48%)。Vikram V B等人[9]采用50,60,75,90℃對(duì)橙汁進(jìn)行熱處理,發(fā)現(xiàn)溫度越高,維C降解率越大,且與同等條件下的歐姆、紅外照射和微波(100,105,110,125℃)熱處理對(duì)比溫度上升較慢,需要5 min才能使溫度升高到90℃,這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)熱處理的熱傳遞是從食品外部開(kāi)始,而電磁加熱的熱反應(yīng)最初發(fā)生在橙汁內(nèi)部。U?an F等人[10]研究了巴氏殺菌(90℃,15 s)的濁檸檬汁與天然渾濁檸檬汁的生物活性成分和品質(zhì)參數(shù),發(fā)現(xiàn)殺菌后的檸檬汁總酚含量增加,類胡蘿卜素下降,但差異不顯著,因此巴氏殺菌汁也可作為保護(hù)人體健康的良好生物活性來(lái)源。Stinco C M等人[11]研究了工業(yè)鮮榨橙汁(FISO)、工業(yè)巴氏殺菌橙汁(PISO)和手榨汁(HSO)等不同榨汁方式對(duì)橙汁顏色、粒徑和類胡蘿卜素的影響,發(fā)現(xiàn)PISO的類胡蘿卜素比例低于PISO,高于HSO。而Claudie Dhuiquemayer等人[12]參照巴氏殺菌的條件發(fā)現(xiàn)橙汁中維A、多酚和維C的含量并沒(méi)有減少,但引起了類胡蘿卜素的降解產(chǎn)物,如呋喃類化合物和順式異構(gòu)體,推測(cè)貯藏條件和非熱因素是橙汁微量元素?fù)p失的原因。Bai J等人[13]對(duì)比新鮮商品汁(FCJ)、巴氏殺菌新鮮商品汁(PFCJ)與巴氏殺菌加工汁(PPJ)和手榨汁(HSJ)離心處理后,發(fā)現(xiàn)黃酮含量高的果汁會(huì)加快渾濁態(tài)消失,而巴氏殺菌可以抑制渾濁態(tài)消失,但新鮮商品汁FCJ和PFCJ因含更多皮油反而提升渾濁態(tài)穩(wěn)定性;巴氏殺菌對(duì)FCJ和PFCJ上清液中檸檬苦素和生物堿含量無(wú)影響,但會(huì)導(dǎo)致哈姆林果汁沉淀中檸檬苦素、諾米林和未知生物堿含量的減少。Leizerson S等人[14]研究了歐姆處理加熱(在90,120,150℃的溫度條件下分別處理1.13,0.85,0.68 s)與巴氏殺菌(90℃,50 s)處理對(duì)橙汁品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)歐姆加熱處理使果膠酯酶活性降低98%,維C含量降低15%,但巴氏殺菌橙汁中5種代表性風(fēng)味化合物較歐姆加熱顯著降低,且感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明新鮮橙汁和歐姆橙汁沒(méi)有差異,因此后者可有效地用于替代巴氏殺菌。因此,巴氏殺菌處理橙汁導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)顯著降解,品質(zhì)快速劣變。
熱殺菌也引起橙汁發(fā)生非酶褐變現(xiàn)象和橙汁中酶活的變化。Lu Q等人[15]在100℃溫度下分別熱處理橙汁1,5,10,15,30,60,120,240,360,480,600 min,發(fā)現(xiàn)橙汁中類胡蘿卜素在熱處理100 min后降解緩慢,模擬體系中類胡蘿卜素會(huì)持續(xù)降解;黃酮類物質(zhì)中香蜂草苷在熱處理中無(wú)明顯改變,其余的物質(zhì)降解明顯,損失率為12.83%~48.50%;抗壞血酸損失率約為68.09%,導(dǎo)致橙汁褐變嚴(yán)重。Wibowo S等人[16]利用巴氏殺菌處理橙汁并在不同溫度(20,28,35,42℃)條件下貯藏32周,發(fā)現(xiàn)在較高的溫度延長(zhǎng)貯藏時(shí)間橙汁褐變明顯,這可能與類胡蘿卜素的降解和異構(gòu)化有關(guān),此外抗壞血酸的降解也有助于非酶褐變發(fā)生。Hirsch A R等人[17]在不同溫度(42,52,62,72,82,92℃)下對(duì)新鮮橙汁進(jìn)行熱處理,發(fā)現(xiàn)處理溫度≥42℃時(shí),除了Ortanique橙汁外其他橙汁的過(guò)氧化物酶(POD)活性低于新鮮橙汁的4.3%;溫度≤62℃時(shí),果膠甲酯酶(PE)的熱耐受性是最高的,但在72℃下PE失活達(dá)到84%~90%。
此外,熱殺菌也影響橙汁感官品質(zhì)、風(fēng)味物質(zhì)等。Lee H S等人[18]研究了瓦倫西亞橙汁熱巴氏殺菌(90℃,30 s)過(guò)程中類胡蘿卜素色素含量和果汁色澤的變化,發(fā)現(xiàn)熱殺菌后總胡蘿卜素色素含量損失顯著,對(duì)類胡蘿卜素色素含量的熱效應(yīng)特別是對(duì)紫黃質(zhì)(46.4%)和蒽黃素(24.8%)的熱效應(yīng)有明顯的影響,黃化素成為巴氏殺菌瓦倫西亞橙汁中主要的類胡蘿卜素,其次是玉米黃質(zhì);柑橘汁巴氏殺菌后有明顯的顏色變化,使果汁色澤變淺,變得更加飽和。韓燕等人[19]對(duì)7個(gè)甜橙品種橙汁分別經(jīng)煮沸殺菌(96℃,1 min)、微波殺菌(900 W,30 s)、高溫殺菌(110℃,30 s)處理后的色澤變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明對(duì)橙汁色澤影響從大到小依次是煮沸殺菌、高溫殺菌、微波殺菌。橙汁中類胡蘿卜素和維C對(duì)色澤影響較大,因此通過(guò)改變二者含量也是抑制褐變的途徑之一。王珺等人[20]發(fā)現(xiàn)熱殺菌(100℃,5 min)處理酶解球果萜烯類和酮類含量分別增加12.13%和9.44%,醛類、醇類和酯類分別下降42.32%,13.54%和62.35%,新檢出α-水芹烯、α-蓽澄茄油烯、乙酸辛酯、D-香芹酮等風(fēng)味物質(zhì)。蔣和體等人[21]綜合比較研究了熱殺菌(90℃,1 min)對(duì)橙汁品質(zhì)如色澤、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、香氣的影響,發(fā)現(xiàn)熱處理后的橙汁色澤、褐變指數(shù)變化呈現(xiàn)顯著性差異;維C損失率近4.85%,類胡蘿卜損失23.47%~28.62%,游離態(tài)氨基酸增加21.4%,醛類物質(zhì)無(wú)明顯變化;熱殺菌與鮮橙汁比較其他風(fēng)味物質(zhì)減少45%。亦有研究表明不同的熱殺菌條件影響橙汁貨架期,Bull M K等人[22]研究橙汁微生物貨架期發(fā)現(xiàn),巴氏殺菌(65℃,1 min)的橙汁貯藏在4℃時(shí)貨架期為4周;當(dāng)溫度升高至10℃時(shí),貨架期僅為14 d。
綜上可知,熱殺菌會(huì)明顯降低橙汁營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、感官品質(zhì)、風(fēng)味物質(zhì)和貨架期,引起橙汁品質(zhì)劣變。但熱殺菌效果好,目前仍是一種最為經(jīng)濟(jì)有效的殺菌方式。
熱殺菌是用于果汁中微生物滅活最常用的手段,但高溫處理導(dǎo)致橙汁中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)下降,口感風(fēng)味劣變。近年來(lái),非熱力殺菌技術(shù)的發(fā)展有效地彌補(bǔ)了熱殺菌的不足,通過(guò)常溫或低溫條件對(duì)果汁進(jìn)行殺菌,不僅能夠達(dá)到商業(yè)無(wú)菌的效果,而且還能最大限度地保留食品原有的功能性營(yíng)養(yǎng)成分。非熱殺菌已經(jīng)被證明是一種高效、安全的殺菌手法。同時(shí),非熱殺菌可以避免熱殺菌所造成的果汁的蒸煮味,可以更好地保留果汁的色、香、味等風(fēng)味品質(zhì)。但由于非熱殺菌的成本較高,且殺菌效果不及熱殺菌好,因此,目前還沒(méi)有成功地應(yīng)用于商業(yè)化殺菌橙汁。當(dāng)前,研究最為廣泛的非熱殺菌方法有超高壓殺菌、高壓脈沖電場(chǎng)殺菌、超聲波殺菌等。
超高壓殺菌技術(shù)是將特殊包裝的食品放到液體介質(zhì)中,施加100~1 000 MPa的壓力并持續(xù)一定時(shí)間后,使食品達(dá)到商業(yè)無(wú)菌的目的。研究表明,果汁在400~600 MPa的超高壓下,幾乎所有的細(xì)菌、霉菌和酵母菌都能被殺死。因此,超高壓殺菌相對(duì)于熱殺菌能使果蔬汁的營(yíng)養(yǎng)成分更多地保留,且具有誘人的色澤和更佳的口感,可延長(zhǎng)果汁保藏期至6個(gè)月以上[23-25]。
已有研究[21]表明,在400 MPa保壓處理15 min橙汁,橙汁色澤、褐變指數(shù)變化不明顯;維C損失率約3.35%,類胡蘿卜損失23.47%~28.62%,游離態(tài)氨基酸增加16.8%;醛類增加3倍以上,對(duì)香氣成分保留較高。利用超高壓處理晚期伊予柑、柚子果汁的研究發(fā)現(xiàn),450 MPa下處理10 min后菌落總數(shù)呈指數(shù)下降,可達(dá)到商業(yè)無(wú)菌的效果,但超高壓處理濃縮果汁殺菌效果差[26]。王珺等人[20]對(duì)酶解球果進(jìn)行超高壓殺菌(400 MPa,10 min)后榨出的橙汁與未殺菌的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)超高壓處理后萜烯類和酯類含量分別下降9.03%和65.87%,醛類、醇類和酮類分別增加5.70%,5.57%和109.22%,新檢出2,4-癸二烯醛、香葉醇、1-癸醇、諾卡酮等風(fēng)味物質(zhì),橙汁風(fēng)味更為濃郁。采用超高壓技術(shù)能最大限度地保持橙汁原有的品質(zhì),殺菌效果理想,但設(shè)備昂貴、殺菌成本較高。
超聲波在食品工業(yè)中的應(yīng)用一直是研究的主流趨勢(shì),已在食品分析(診斷超聲)和食品加工(功率超聲)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。功率超聲已被公認(rèn)為是替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)熱處理在食品工業(yè)中的一種有前途的加工技術(shù)。當(dāng)高功率超聲在液體中傳播時(shí),由于壓力的變化而產(chǎn)生空化氣泡。這些微氣泡在傳播聲波的后續(xù)壓縮循環(huán)中劇烈地坍塌,導(dǎo)致局部高溫達(dá)到5 000 K,壓力高達(dá)50 000 KPa,高剪切效應(yīng)[27]。超聲波處理的機(jī)制主要是物理效應(yīng)(空化、機(jī)械效應(yīng))或化學(xué)效應(yīng)(自由基如·OH,H+的聲化學(xué)反應(yīng)),已有的報(bào)道證明了超聲處理能使致病性和腐敗性微生物(大腸桿菌、李斯特菌)、酶(果膠甲基化酶、多酚氧化酶)失活。Valdramidis V P等人[28]確定了超聲振幅和溫度等外在參數(shù)對(duì)橙汁抗壞血酸(AA)和非酶褐變(NEB)質(zhì)量指數(shù)動(dòng)力學(xué)的聯(lián)合效應(yīng),發(fā)現(xiàn)不同超聲振幅的溫度對(duì)NEB和AA降解速率具有協(xié)同效應(yīng);振幅對(duì)NEB速率具有拮抗效應(yīng),因此超聲波對(duì)橙汁中的NEB比AA降解有更劇烈的效應(yīng)。GóMezlóPez V M等人[29]使用超聲波(20 kHz,500 W)對(duì)菌群失活的加鈣橙汁進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)超聲能有效延長(zhǎng)貨架期,貯藏期間的抗壞血酸明顯下降,亮度增加,黃、綠值增加,但與未處理果汁相比,色澤、香氣和風(fēng)味沒(méi)有顯著性差異。Valero M等人[30]用超聲(500 kHz,240 W,15 min)處理橙汁,發(fā)現(xiàn)其對(duì)橙汁中檸檬苦素和色澤幾乎沒(méi)有影響,但5℃和12℃分別貯藏14 d后發(fā)現(xiàn)有微生物的生長(zhǎng)。因此,超聲波能較好地保持橙汁的品質(zhì),但殺菌效果不及熱殺菌,未來(lái)可考慮將超聲波與其他非熱殺菌相結(jié)合,以延長(zhǎng)橙汁的貨架期。
PEF殺菌是一種基于高電場(chǎng)強(qiáng)度(5~55 kV/cm)的脈沖在毫秒范圍內(nèi)輸送到食品中的技術(shù),可用于提供安全、穩(wěn)定的產(chǎn)品,如具有新鮮特性和高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的果汁。PEF是一種連續(xù)處理技術(shù),可用于對(duì)大腸桿菌和酵母等營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的滅活。然而,由于缺乏對(duì)E.coli O157∶H7等致病微生物的報(bào)道,且PET對(duì)細(xì)菌芽孢的滅活作用不明顯,因此PEF可以作為果汁貯藏保鮮的有效手段[7]。
Cserhalmi Z等人[31]對(duì)不同類型的柑橘汁(柚子汁、檸檬汁、橙汁、橘子汁)進(jìn)行PEF殺菌處理后發(fā)現(xiàn),除了檸檬酸外其他酸的含量差異小于1%,維C損失量小于6%;糖度、黏度、導(dǎo)電率、非酶褐變和羥甲基糠醛沒(méi)有差異,色澤稍有差異,但對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)影響較大。Rah T等人[32]用高壓(600 MPa,1 min,17℃)與高壓脈沖電場(chǎng)(23 kV/cm,2μs)處理橙汁,發(fā)現(xiàn)其有助于橙汁保鮮,等效于溫和的巴氏殺菌(72℃,20 s),橙汁品質(zhì)、風(fēng)味俱佳。Plaza L等人[33]用HP(400 Pa,1 min,40℃)和PEF(35 kV/cm,750 ms)處理橙汁,并與低溫巴氏殺菌比較(LPT,70℃,30 s),發(fā)現(xiàn)PEF和LPT保持相似的類胡蘿卜素和黃烷酮水平,而HP的水平要比前兩者高;4℃冷藏期間三者也與上述結(jié)果相似。Agcam E等人[34]發(fā)現(xiàn)經(jīng)PEF處理的橙汁貯藏一段時(shí)間(4℃,180 d)后比巴氏殺菌橙汁(HP1:90℃,10 s;HP2:90℃,20 s)有更高的總酚含量,且類胡蘿卜素和酚酸含量更穩(wěn)定。Hartyáni P等[35]發(fā)現(xiàn),用高壓脈沖(PEF,28 kV/cm,50μs)和高靜壓(HHP,600 MPa,10 min)分別處理柑橘汁后,除了總色差以外,其他的理化性質(zhì),如pH值、維C、檸檬酸等沒(méi)有明顯差異,而HHP處理后的橙汁的香氣成分要比PEF處理后的要少。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)[36]高壓脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度為17 kV/cm時(shí)處理1 034μs橙汁的維C含量達(dá)到最高(583.91 mg/L),且4℃貯藏180 d后沒(méi)有檢出羥甲基糠醛(HMF)。方婷等人[37]研究了PEF(12.5 kV/cm,17μs)和熱殺菌(90℃,15 s)處理對(duì)鮮橙汁品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)高壓脈沖可有效滅活微生物,但滅菌效果不及熱殺菌;同時(shí)PEF在維C保存和感官評(píng)價(jià)均優(yōu)于熱殺菌。PEF技術(shù)能實(shí)現(xiàn)液體食品殺菌的連續(xù)化操作,非常合適于橙汁殺菌,未來(lái)主要解決PEF工業(yè)化的問(wèn)題。
紫外輻射是食品工業(yè)中表面微生物滅活的有效方法,紫外線波長(zhǎng)以265~266 nm處的殺菌能力最強(qiáng),會(huì)破壞微生物DNA并抑制細(xì)胞增殖,Noci F等人[8]報(bào)道,經(jīng)紫外輻射后的蘋(píng)果汁的總酚含量降低28%,遠(yuǎn)低于熱處理后的48%。但由于紫外線的穿透能力差,因此與清水相比,紫外輻射只能在果汁表面穿透很短的深度。
膜過(guò)濾包括超濾(UF)和微量過(guò)濾(MF)2個(gè)部分,膜過(guò)濾的效果取決于膜的類型、孔徑、跨膜壓力、膜面積和果汁特征等因素。它們可以把大分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)、酯類、微生物阻隔在外面;而使小分子物質(zhì),如維他命、膠體、糖和水通過(guò)微孔,從而減少細(xì)菌的數(shù)量,因此膜過(guò)濾被稱為“冷殺菌”,相對(duì)于熱殺菌膜過(guò)濾可以更好地保存香味成分[7]。
輻照是一種安全高效的殺菌方式,它是運(yùn)用Co γ射線照射食品,從而引起食品中微生物發(fā)生理化反應(yīng),破壞或抑制其生長(zhǎng),以達(dá)到殺菌消毒的效果。鄒立強(qiáng)等人[38]采用不同的輻照劑量對(duì)臍橙汁殺菌,發(fā)現(xiàn)臍橙汁pH值和可溶性固形物含量基本沒(méi)有變化,總酸和總糖含量略有降低,但高輻照劑量造成維C損失嚴(yán)重,經(jīng)10 kGy處理后損失達(dá)到61.2%。因此輻照處理比其他處理方式相比更不利于維C的保留,可考慮將輻照與其他處理相結(jié)合的方式以達(dá)到更好的殺菌效果。
熱殺菌是一種傳統(tǒng)柑橘汁殺菌方式,但會(huì)引起柑橘汁中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如類胡蘿卜素、酚類物質(zhì)、維C等的降解和其他理化組分的改變。而非熱殺菌技術(shù),如高壓脈沖電場(chǎng)殺菌、超聲波殺菌、超高壓殺菌和膜過(guò)濾都是非常有前景的果汁保存技術(shù),但是與熱殺菌相比,其較低的殺菌效果和較高的成本將阻礙非熱殺菌的工業(yè)化發(fā)展。未來(lái)需要在精簡(jiǎn)非熱殺菌設(shè)備和提高殺菌效率方面開(kāi)展深入的研究,降低殺菌成本,或考慮聯(lián)合不同殺菌方式,通過(guò)優(yōu)化加工工藝和技術(shù)參數(shù)以達(dá)到理想的殺菌效果。