超高壓處理對果蔬汁殺菌效果和品質影響的研究現狀

閆雪峰，趙有斌，韓清華

（中國農業機械化科學研究院，北京100083）

超高壓處理對果蔬汁殺菌效果和品質影響的研究現狀

閆雪峰，趙有斌*，韓清華

（中國農業機械化科學研究院，北京100083）

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

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（Ultra-high Pressure Processing，UHP）或稱靜態高壓技術（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（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]。這種技術的優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品質、質構、風味、色澤及新鮮程度。超高壓處理技術是20世紀80年代后逐步興起的食品加工高新技術之一，是目前食品加工領域的研究熱點，其已被廣泛應用于果蔬、肉類、乳品、蛋類等各種制品的加工，在日本、美國、德國等發達國家均已產業化，我國的國家食品工業發展計劃也將超高壓殺菌技術作為20世紀90年代16項重點開發技術之一。本文綜述超高壓處理對果蔬汁殺菌效果和品質方面的影響的研究現狀，為進一步的學習和研究提供參考。

1 超高壓處理的殺菌機理和技術特點

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構的細胞膜和細胞壁有關。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，使蛋白質變性并改變滲透性。此外，超高壓處理還會損傷細菌細胞內的酶系與遺傳物質DNA分子，導致其遺傳及代謝功能發生紊亂，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生不可逆變化。這種不可逆的變化也會直接導致微生物死亡[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構的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵易發生變化，改變其空間結構，使之發生某些不可逆的變化，以達到殺菌的目的[3]。

1.2 技術特點

超高壓殺菌的技術特點包括：

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）所加工食品形態為流態、半固態或者浸泡在液態中的固態。

2 超高壓處理對果蔬汁殺菌效果影響的國內外研究現狀

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。

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會發生變化，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 100 MPa~600 MPa、5 min~10 min加壓殺菌，研究結果表明：細菌、酵母菌和霉菌總數均隨壓力增大而減少，加壓至600 MPa再結合適當的低溫加熱（47℃~57℃），則可以完全殺菌[4]。潘見研究發現，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500 MPa，保壓15 min處理，仍能發現耐壓菌，但菌落總數可降至30 cfu/mL，達到了國家食品衛生標準要求[5]；黃麗等研究發現，當壓力上升到200 MPa時，荔枝汁中的細菌總數急劇下降，在200 MPa時細菌總數只有170個/mL，400 MPa時達到商業無菌的效果[6]；Baris等研究高壓對番茄汁中微生物的滅活效果時發現，25℃時，在300、350、400 MPa壓力下處理后大腸桿菌O157∶H7菌落總數分別降低3.0、3.0及5.0個對數[7]。上述研究都肯定了在一定范圍內，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，發現壓力越大，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現，保壓時間的變化不會影響菌落總數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化的研究中發現，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，得到的殺菌數學模型中壓力影響系數是保壓時間的6.8倍[10]。我們在利用超高壓處理樹莓汁的研究中也發現，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，但所得到的殺菌數學模型的壓力影響系數是保壓時間的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。我們研究還發現當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無菌狀態，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現象[11]。姜斌、胡小松等發現，超高壓對低pH的鮮榨蘋果汁的殺菌效果優于pH值偏中性的鮮榨胡蘿卜汁。經過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，而鮮榨胡蘿卜經過400MPa、45 min處理，僅能在4℃下貯藏3 d[12]。馬永昆等發現，調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。張立云等發現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]。小川浩史研究發現，柑桔類果汁（pH2.5~3.7）經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]。曾慶梅發現研究梨汁的超高壓處理效果，發現大腸菌群在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現，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。可見，就微生物種類來說，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，在有限的范圍內即使再升高壓力，菌落總數也幾乎不會減少。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，網絡結構緊密，而革蘭氏陰性菌肽聚糖層很薄，當高壓作用時，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，具有多層次厚而致密的芽孢壁，因此需要更高的壓力并結合其他殺菌方式才可殺滅[19]。

以上大量研究結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數據，為各種果蔬汁的超高壓處理生產提供很好的技術參考。

3 超高壓處理對果蔬汁品質影響的國內外研究現狀

超高壓殺菌技術屬冷殺菌技術，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：揮發性物質、維生素、香氣成分以及其他有利于食品風味的物質等；但超高壓處理也不是對任何果蔬汁都合適的。

3.1 對感官性質的影響

大多數的果蔬，特別是一些熱敏性水果，在熱加工過程中會發生感官性質的變化，包括產生不良的風味，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成為果蔬加工中的重要問題。而超高壓處理被認為是解決這一難題行之有效的方法。

3.1.1 對風味物質的影響

研究表明超高壓處理不僅能夠減少加工中果蔬汁風味物質損失，保持其迷人風味，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，呈現出較濃的新鮮氣;酮類新增加了6種，占4.99%，它們多呈現出花果的香甜氣。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，發現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發現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]。張俊松發現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]。趙玉生發現超高壓處理葡萄柚汁能有效地抑制榨汁后苦味的產生[24]。我們認為，由于壓力增加使各種風味物質的前體濃度增大，或激活了相關反應酶的活性，促使風味物質的產生。

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沒有發生明顯的變化。但是在800 MPa的壓力處理下，混合果汁中胡蘿卜氣味增強、出現異常的金屬苦味，破壞了混合果汁的協調性[25]。Sebastiano P等研究了超高壓處理對番茄汁風味的影響，結果表明，經500 MPa壓力處理后，正己醛、3-順己烯醛含量明顯增加，并產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種類減少，并認為由于壓力上升引起溫度升高導致部分化合物氧化[26]。我們認為超高壓可能會抑制某些產生風味物質酶的活性，或者促進風味物質的分解，關于超高壓對風味物質產生酶促反應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，是果蔬汁品質的重要指標，研究發現，相對于傳統的熱殺菌，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?！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值表示有色物質的紅綠偏向，正值越大，偏向紅色的程度越大，負值絕對值越大，偏向綠色的程度越大；b值表示有色物質的黃藍偏向，正值越大，偏向黃色的程度越大，負值絕對值越大，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影響發現，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，對比發現，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的影響，發現超高壓對樹莓汁的L值，a值、b值均無顯著影響[29]。趙光遠等也發現鮮榨蘋果汁在超高壓協同熱處理后，果汁的色澤得到了改善[30]。研究者普遍認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源酶的鈍化作用及高壓的均質作用使果蔬汁細胞內的呈色物質的溶出[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、氨基酸以及還原糖等營養成分，這些營養成分經過傳統的加工技術處理后損失很大，特別是熱敏性的營養成分，VC在經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成分大打折扣，超高壓殺菌技術則可以有效地避免果汁中營養成分大量損失，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物質[33]。

VC是果蔬汁中的代表性營養物質，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。陳復生等發現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]。果醬經超高壓處理后也能較好地保持其營養成分，經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]。趙玉生等發現對于獼猴桃汁，當壓強達到500 MPa時，其中的VC含量仍然達87%以上，是傳統熱力加工保存率的1.7倍以上[37]。Dede S等研究發現，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用的展望

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

據統計，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成分、色澤、風味，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備的改進，超高壓處理技術在果蔬汁加工中的應用前景十分廣闊，人們必會享受到更安全、更新鮮、高品質的果蔬汁飲料。

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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“食品非熱加工技術和設備”(2007AA100405)；北京市專項項目（D101105046610001）

閆雪峰（1985—），男（漢），在讀研究生，研究方向：農產品深加工技術研究。

*通信作者：趙有斌（1966—），男，研究員。