張文樂，岳田利，周嘉佳，朱 璇，王 英,

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.西北大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710069）

蘋果汁貯藏過程中存在的主要問題是酵母生長導(dǎo)致的腐敗，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。其中，耐高滲酵母（Zygosaccharomyces rouxii）因具有能在高濃度糖環(huán)境中生長的能力以及對高水平防腐劑（山梨酸鉀、苯甲酸鈉）的抵抗力，成為導(dǎo)致含糖果汁腐敗的主要因素[2]。耐高滲酵母的存在會導(dǎo)致蘋果汁出現(xiàn)多種品質(zhì)問題：一方面，耐高滲酵母可以在低pH值下生長，會在蘋果汁表面形成菌膜或在底部形成白色沉淀[3]；另一方面，酵母引起的腐敗過程會產(chǎn)生二氧化碳，導(dǎo)致果汁脹包，降低產(chǎn)品的價值[4]。因此，探尋并實現(xiàn)能夠?qū)心透邼B酵母進(jìn)行高效、安全控制的方法勢在必行。

工業(yè)上常用熱處理來確保食品的微生物安全性[5]，但過度的熱處理可能會產(chǎn)生不良異味，尤其是對于蘋果汁[6]。為了減少高溫過程對食品品質(zhì)的負(fù)面影響，非熱滅菌技術(shù)應(yīng)運而生，其是非常有應(yīng)用前景的殺菌方式[7]。大氣壓低溫等離子體作為一種新興的非熱滅菌技術(shù)，在食品行業(yè)中顯示出了巨大的應(yīng)用潛力[8-9]。研究表明，低溫等離子體可產(chǎn)生活性氧、活性氮和臭氧等高活性物質(zhì)[10]，這些活性物質(zhì)使等離子體能夠有效地滅活蘋果[11]、草莓[12]、沙拉葉[13]、肉[14-15]等食品表面的污染微生物（產(chǎn)孢和腐敗/致病微生物）。

然而，由于大氣壓低溫等離子體的穿透能力較低，常用的介質(zhì)阻擋放電（dielectric-barrier discharge，DBD）等離子體和常壓等離子體射流（atmospheric pressure plasma jet，APPJ）僅適用于食品表面小區(qū)域的微生物滅活，難以作用于食品內(nèi)部[8]。因此，探尋一種能夠大批量、高效率、簡單易行的等離子體處理食品的方法很有必要。沿面放電等離子體反應(yīng)器可通過氣泡直接將活性物質(zhì)注入液體中，使活性物質(zhì)與待處理的液體能夠快速接觸，這將使液體食品中微生物迅速失活[16]。相對DBD等離子體和APPJ而言，沿面放電等離子體具有較高的處理速度和較強(qiáng)的處理能力，已被證明能夠成功降解水中的苯酚[17]。因此，采用沿面放電等離子體處理可能是蘋果汁工業(yè)中滅活耐高滲酵母的一種可行方法。

本研究的目的是通過沿面放電等離子體處理蘋果汁，評估蘋果汁中耐高滲酵母的殺滅效果，并研究沿面放電等離子體處理對蘋果汁品質(zhì)的影響。選擇耐高滲酵母LB作為目標(biāo)菌株，確定不同的放電電壓、氣體流速等工藝參數(shù)對滅活效果的影響。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）研究滅活過程中耐高滲酵母的結(jié)構(gòu)變化，分析耐高滲酵母的失活機(jī)制和沿面放電等離子體處理對蘋果汁主要的理化指標(biāo)（pH值、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（soluble solids content，SSC）、可滴定酸（titratable acid，TA）質(zhì)量濃度和還原糖質(zhì)量濃度）及果汁色澤和揮發(fā)性化合物的影響，為沿面放電等離子體在蘋果汁工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、菌株與試劑

‘紅富士’（Malus domesticaBorkh. cv. Red Fuji）蘋果，購于陜西楊凌，9月中下旬采摘，大小均一、無機(jī)械損傷、無病害或腐爛。

耐高滲酵母菌株Zygosaccharomyces rouxiiLB（B-WHX-12-54）（GenBank登錄號KC544459）分離自陜西蘋果汁。

葡萄糖 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；瓊脂粉上海源葉生物科技有限公司；蛋白胨 上海中秦化學(xué)試劑有限公司；3-辛醇（純度＞98%）標(biāo)準(zhǔn)品 日本東京化成工業(yè)株式會社；氯化鈉（分析純） 四川西隴化工有限公司；其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

QP 2010系列GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司；PANTONE X-rite Ci7600色差分析儀 美國愛色麗公司；Nova Nano SEM 450掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；雷磁PHS-3C型pH計 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；PAL-1型數(shù)顯折光儀 日本ATAGO公司；GTR16-2型高速冷凍離心機(jī) 北京時代北利離心機(jī)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果汁的制備

將耐高滲酵母菌株轉(zhuǎn)移到150 mL酵母浸出粉胨葡萄糖瓊脂培養(yǎng)液（yeast extract peptone dextrose medium，YPD）中，在（28.0±0.1）℃下?lián)u床振蕩培養(yǎng)（120～130 r/min）48 h，之后將培養(yǎng)液3 000 r/min離心5 min，除去上清液，用無菌蒸餾水洗滌兩次。然后將所得酵母細(xì)胞重懸于無菌蒸餾水中，使最終細(xì)胞濃度為107～108CFU/mL。蘋果去皮榨汁并過濾，在冷藏條件下備用。處理時將耐高滲酵母接種到每個蘋果汁樣品中，使每個蘋果汁樣品中耐高滲酵母的細(xì)胞濃度約為2×106CFU/mL。

1.3.2 沿面放電等離子體處理

沿面放電等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)由交流電源（0～21 kV、50 Hz）、等離子體發(fā)生器和處理室組成，與本課題組之前研究所用設(shè)備[18]類似，但有所修改。高壓電極（即直徑為1 mm的不銹鋼彈簧）附著在圓柱形石英管的內(nèi)壁上（內(nèi)徑12 mm、管壁厚1 mm），處理器內(nèi)蘋果汁被用作接地電極，沿該石英管的長軸方向進(jìn)行沿面放電。使用硅膠干燥后的空氣作為載氣，以最大程度地降低加工成本并防止短路。處理過程中氣體由體積流量計控制流量，并通過曝氣器注入蘋果汁中進(jìn)行處理，處理量為500 mL。

圖1 沿面放電等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of surface discharge plasma reactor system

固定氣體流速為150 L/h，利用不同峰值放電電壓（11、15、18、21 kV）的沿面放電等離子體處理蘋果汁30 min，研究放電電壓對耐高滲酵母殺滅的效果。固定峰值放電電壓為21 kV，利用不同氣體流速（60、100、150、200、300 L/h）的沿面放電等離子體處理蘋果汁30 min，研究氣體流速對耐高滲酵母殺滅的效果。

1.3.3 微生物計數(shù)

在沿面放電等離子體處理前后分別采集果汁樣品，并使用YPD平板在（28.0±0.1）℃下孵育72 h，采用細(xì)胞計數(shù)法測定微生物數(shù)量，所有測定重復(fù)3 次。并通過lg（N/N0）（N0是微生物的初始數(shù)量/（CFU/mL），N是經(jīng)沿面放電等離子體處理后的存活微生物數(shù)量/（CFU/mL））與處理時間的關(guān)系繪制微生物存活曲線。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

將樣品在體積分?jǐn)?shù)2.5%戊二醛溶液中固定2 h，在pH 6.8的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液中分別洗滌5、10、15、20、25 min和30 min，然后使用體積分?jǐn)?shù)1%鋨酸溶液固定2 h。再次用磷酸鹽緩沖溶液沖洗，將蓋玻片以體積分?jǐn)?shù)30%、50%、70%、80%和90%的乙醇溶液脫水10 min，最后在100%乙醇中脫水2 次，每次時間10 min。

1.3.5 理化指標(biāo)的測定

使用pH計測定果汁的pH值，并用折光儀測定果汁中SSC。TA質(zhì)量濃度參照SB/T 10203—1994《果汁通用試驗方法》進(jìn)行測定，按式（1）計算。還原糖質(zhì)量濃度使用3,5-二硝基水楊酸法測定[19]，所有測定重復(fù)3 次。

式中：V1為樣品滴定所消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積/mL；V0為蒸餾水代替樣品溶液所消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積/mL；c為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度/（mol/L）；m為樣品質(zhì)量/g；V為吸取樣品的體積/mL；K為果汁中相應(yīng)酸的換算系數(shù)（蘋果酸為0.067）。

1.3.6 色澤參數(shù)的測定

顏色是反映新鮮度和品質(zhì)的指標(biāo)，會影響消費者的購買決定。使用色差分析儀對蘋果汁色澤進(jìn)行測定。使用白色校準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)。在白色背景下測定L*值（亮度）、a*值（紅綠度）和b*值（黃藍(lán)度），所有測定重復(fù)3 次。根據(jù)式（2）～（4）分別計算總色差（ΔE*ab）、色相角（h）和色度（C*）[20]。利用ΔL*、Δa*和Δb*值對等離子體處理前后蘋果汁顏色的差異進(jìn)行定量，其中總色差ΔE*ab表示顏色變化的幅度，色度C*為飽和度指數(shù)，色相角h為顏色外觀的參數(shù)。

1.3.7 揮發(fā)性化合物分析

揮發(fā)性化合物的富集：采用頂空固相微萃取的方式富集揮發(fā)性化合物。吸取5 mL蘋果汁樣品注入20 mL進(jìn)樣瓶中，然后將3-辛醇（終質(zhì)量濃度0.2 μg/L）作為定量內(nèi)標(biāo)加入進(jìn)樣瓶中。添加NaCl（2 g）于進(jìn)樣瓶，以抑制酶降解并促進(jìn)揮發(fā)物向頂空釋放。首先將進(jìn)樣瓶在45 ℃下平衡30 min，然后將50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭暴露于頂空中30 min以收集分析物[21]。

質(zhì)譜條件：電子電離源的電子能量為70 eV，進(jìn)樣器、接口和離子源溫度分別為250、230 ℃和230 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z為35～500。以氦氣為載氣，不分流進(jìn)樣流速為1.0 mL/min。溫度程序設(shè)置為：40 ℃下保持3 min，以4 ℃/min的速率升至120 ℃，再以6 ℃/min的速率升至260 ℃，并保持9 min。

揮發(fā)性物質(zhì)的定性及定量：參考質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫（NIST 14和NIST 14s），采用匹配度和保留時間對揮發(fā)物進(jìn)行定性。由于每個測試具有相同質(zhì)量濃度的3-辛醇（定量內(nèi)標(biāo)），可通過式（5）計算每個蘋果汁樣品中香氣物質(zhì)的質(zhì)量濃度。

式中：S*為內(nèi)標(biāo)的峰面積；S為各成分的峰面積；ρ*為內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度/（μg/L）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗重復(fù)進(jìn)行3 次。采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和Duncan多重范圍檢測分析數(shù)據(jù)顯著性差異，以P＜0.05表示數(shù)據(jù)差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 放電電壓對耐高滲酵母殺滅的效果

圖2為耐高滲酵母在不同峰值放電電壓（11、15、18、21 kV）沿面放電等離子體處理下的存活曲線。在處理過程中，所有蘋果汁中的酵母細(xì)胞的數(shù)量都有所降低。放電電壓為11 kV時，經(jīng)30 min等離子體處理后，耐高滲酵母細(xì)胞數(shù)量降低了2.27 個對數(shù)；在15、18 kV和21 kV的放電電壓下處理30 min，耐高滲酵母細(xì)胞數(shù)量降低了2.90、3.39 個和5.60 個對數(shù)。當(dāng)放電電壓從11 kV升高到21 kV時，對果汁中耐高滲酵母的殺滅效果增強(qiáng)。這可能是由于所產(chǎn)生的電子在相對高的放電電壓下被較高強(qiáng)度的電場加速，因此具有更高的能量并且可以產(chǎn)生更多的自由基和帶電粒子，從而對微生物殺滅效果更好[21-22]。目前常用的APPJ一般通過噴嘴以點對點的形式處理樣品，適用于處理不均勻的小區(qū)域；而對于DBD等離子體處理，電極間距越小，等離子體通道越易形成，因此放電間隙大多為毫米級，適宜處理薄層樣品[9]。對比DBD等離子體，沿面放電等離子體可將蘋果汁的處理量從3 mL[23]提高到500 mL，極大地提升了處理能力。

圖2 在不同放電電壓下耐高滲酵母的存活曲線Fig. 2 Survival curves of Z. rouxii LB under different discharge voltages

2.2 氣體流速對耐高滲酵母殺滅的效果

圖3為不同氣體流速（60、100、150、200、300 L/h）下等離子體處理對蘋果汁中耐高滲酵母的殺滅效果。結(jié)果表明，氣體流速60 L/h和150 L/h下處理30 min時，耐高滲酵母細(xì)胞數(shù)量分別降低了3.28 個和5.59 個對數(shù)。當(dāng)氣體流速從150 L/h提高到300 L/h時，在相同的處理條件下，耐高滲酵母耐高滲酵母細(xì)胞數(shù)量分別降低了5.59 個和3.80 個對數(shù)，殺滅效果降低了32%。使用空氣作為工作氣體時，隨著氣體流速從60 L/h增加到300 L/h，沿面放電等離子體對蘋果汁中的耐高滲酵母的殺滅效果先提升后而降低。這可能是氣體流速的變化導(dǎo)致等離子體中活性物質(zhì)濃度和種類出現(xiàn)差異，從而影響了耐高滲酵母的滅活效果。Li Qing等在對毛細(xì)管射流等離子體的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢，在氣體流速接近7 L/min時獲得射流等離子體的最大強(qiáng)度，進(jìn)一步增加氣體流速會導(dǎo)致活性物質(zhì)的強(qiáng)度降低，這可能是氣體“吹脫”效應(yīng)導(dǎo)致的[24]。

圖3 在不同氣體流速下耐高滲酵母的存活曲線Fig. 3 Survival curves of Z. rouxii LB under different air flow rates

2.3 沿面放電等離子體處理對耐高滲酵母形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)上述實驗所得結(jié)果，選擇殺滅效果最優(yōu)的處理條件（電壓21 kV及氣體流速150 L/h）對樣品進(jìn)行處理，并通過SEM對耐高滲酵母進(jìn)行觀察，研究等離子體處理對耐高滲酵母形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響。處理前的耐高滲酵母細(xì)胞（圖4A）顯示出典型的橢圓形狀，具有光滑的表面和連續(xù)的細(xì)胞壁。沿面放電等離子體處理后，細(xì)胞形成孔狀和收縮的形態(tài)（圖4B），并且在SEM圖像中可以看到酵母完整的細(xì)胞壁被破壞（圖4C），細(xì)胞內(nèi)組分從細(xì)胞質(zhì)中泄漏，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。上述結(jié)果表明蘋果汁中耐高滲酵母的殺滅是通過破壞細(xì)胞壁并使細(xì)胞內(nèi)組分泄漏完成的。Xiang Qisen等在使用DBD等離子體處理酵母時也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)等離子體處理后細(xì)胞表面產(chǎn)生皺縮和穿孔，并伴有細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放[23]。這可能是由于沿面放電等離子體產(chǎn)生電穿孔、沖擊波和各種活性物質(zhì)（包括H2O2、O3和·OH等），能夠在耐高滲酵母細(xì)胞中引起細(xì)胞膜的破裂損傷，從而滅活微生物[22]。

圖4 最優(yōu)處理條件下蘋果汁中耐高滲酵母的SEM圖像（×50 000）Fig. 4 Scanning electron microscopic images of Z. rouxii LB in apple juice processed under the optimal conditions (× 50 000)

2.4 沿面放電等離子體處理對蘋果汁理化指標(biāo)的影響

表1顯示了沿面放電等離子體的處理對蘋果汁pH值、TA質(zhì)量濃度、SSC和還原糖質(zhì)量濃度的影響。在處理前后，蘋果汁中的SSC、可滴定酸質(zhì)量濃度和還原糖質(zhì)量濃度沒有顯著的變化（P＞0.05）。這與用DBD等離子體處理蘋果汁的研究結(jié)果[23,25]相似。

表1 沿面放電等離子體處理對蘋果汁理化指標(biāo)的影響Table1 Physicochemical indexes of apple juice subjected to surface discharge plasma treatment

雖然處理前后蘋果汁的pH值略有增加，但總體pH值保持在3.87～4.00。在用空氣DBD等離子體處理蘋果汁的研究中發(fā)現(xiàn)，處理40 s后蘋果汁的pH值略微降低[25]。然而用氬氣和0.1%氧氣等離子體射流處理480 s后，蘋果汁的pH值略有增加[26]。Dasan等使用等離子體射流處理蘋果汁120 s，在處理前后蘋果汁的pH值沒有顯著差異[27]。各研究中pH值的變化不同可能是使用不同的處理設(shè)備產(chǎn)生活性物質(zhì)的數(shù)量和種類均有差異所致[25]。

2.5 沿面放電等離子體處理對蘋果汁色澤的影響

表2為沿面放電等離子體處理對蘋果汁的色澤的影響。沿面放電等離子體處理30 min后，蘋果汁的L*值從52.81增加到65.21，表明樣品變澄清。色度C*值從51.54降至37.00，表明蘋果汁顏色變得不飽和。色相角h代表蘋果汁的特征顏色，該參數(shù)從61.83°增加到87.10°；根據(jù)顏色進(jìn)行分析，黃色對應(yīng)90°，紅色對應(yīng)0°，而等離子體處理后蘋果汁的色相角從紅色值向黃色值移動。盡管色相角h改變，但處理過的果汁顏色仍在蘋果汁的預(yù)期顏色范圍內(nèi)[28]。處理前后蘋果汁a*值和b*值下降，這可能是沿面放電等離子體處理期間由活性物質(zhì)誘導(dǎo)的有色顏料異構(gòu)化或氧化反應(yīng)所致[29]。

表2 沿面放電等離子體處理對蘋果汁顏色的影響Table2 Color indexes of apple juice treated by surface discharge plasma

隨著等離子體處理時間的延長，ΔE*ab顯著增加（P＜0.05）。沿面放電等離子體在21 kV下處理10、20 min和30 min時蘋果汁ΔE*ab分別為16.47、20.95和27.03，與未處理的樣品相比具有明顯的顏色差異。

2.6 沿面放電等離子體處理對蘋果汁揮發(fā)性化合物的影響

蘋果汁中的揮發(fā)性化合物成分很多，并且由于蘋果的香氣特性，揮發(fā)性化合物的鑒定非常復(fù)雜。已確定某些揮發(fā)性化合物是蘋果汁香氣最重要的組成成分，例如己酸丁酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、丁酸甲酯、乙酸己酯、1-己醛[30]。除了氣味活性值較高的化合物外，其他氣味活性值較低的化合物，例如乙醛、2-甲基-1-丁醇和1-己醇也起著重要作用[30]。

表3比較了處理前后樣品中主要揮發(fā)性化合物的質(zhì)量濃度，以確定沿面放電等離子體處理對蘋果汁香氣的影響。與未經(jīng)處理的樣品相比，處理后蘋果汁中的大部分醇、酯、醛和酮的質(zhì)量濃度無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。在醇類化合物中，除辛醇外，乙醇、2-甲基-1-丙醇、2-甲基-1-丁醇等作為蘋果汁風(fēng)味的重要組成部分，經(jīng)過沿面放電等離子處理后質(zhì)量濃度沒有顯著變化。在酯類物質(zhì)中，除了乙酸乙酯和1-丁醇-3-甲基-乙酸酯質(zhì)量濃度變化較明顯外，幾乎所有的揮發(fā)性化合物都保留了下來。

表3 沿面放電等離子體處理對蘋果汁揮發(fā)性化合物的影響Table3 Volatile compounds of apple juice treated by surface discharge plasma

3 結(jié) 論

本研究采用沿面放電等離子體對蘋果汁中耐高滲酵母進(jìn)行殺滅。結(jié)果表明，沿面放電等離子體以21 kV的放電電壓和150 L/h的氣體流速處理500 mL蘋果汁30 min會導(dǎo)致蘋果汁中耐高滲酵母細(xì)胞數(shù)量減少5.60 個對數(shù)。SEM顯示沿面放電等離子體處理過程中耐高滲酵母細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損，這可能是蘋果汁中微生物被滅活的直接原因。沿面放電等離子體處理后，蘋果汁的pH值僅略微增加，而SSC、可滴定酸質(zhì)量濃度和還原糖質(zhì)量濃度并沒有顯著變化（P＞0.05）。沿面放電等離子體處理會導(dǎo)致蘋果汁的顏色發(fā)生顯著變化，使L*值和ΔE*ab增加，令蘋果汁變得更黃更澄清。此外，蘋果汁中揮發(fā)性化合物的主要成分質(zhì)量濃度沒有發(fā)生顯著變化（P＞0.05）。綜上，沿面放電等離子體可以有效的殺滅蘋果汁中的耐高滲酵母，并能保持蘋果汁的理化指標(biāo)和香氣。本研究對沿面放電等離子體滅活蘋果汁中耐高滲酵母的應(yīng)用進(jìn)行了初探，發(fā)現(xiàn)不同的基質(zhì)會導(dǎo)致不同的滅活效果，故在濃縮蘋果汁及其他液體食品的處理中需要進(jìn)一步研究以優(yōu)化處理條件，并評估沿面放電等離子體處理對食品基質(zhì)中VC和其他營養(yǎng)成分的影響，以獲得最佳的工業(yè)應(yīng)用效果。