超高壓及超高溫瞬時滅菌對西瓜飲料品質的影響

張波波，馬 越，王 丹，張 超，霍乃蕊，趙曉燕,*

超高壓及超高溫瞬時滅菌對西瓜飲料品質的影響

張波波1,2，馬 越1，王 丹1，張 超1，霍乃蕊2，趙曉燕1,*

（1.北京市農林科學院蔬菜研究中心 果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業（北方）重點實驗室，北京 100097；2.山西農業大學食品科學與工程學院，山西 晉中 030801）

研究400 MPa不同加壓時間與超高溫瞬時（ultra high-temperature，UHT）滅菌對調配西瓜飲料品質的影響。以未經滅菌的調配西瓜飲料為對照，運用流變儀、電子鼻等設備研究不同處理西瓜飲料菌落總數、內源酶、流體類型、黏度及風味的變化。結果表明：加壓時間越長，對菌落總數抑制、多酚氧化酶及果膠甲酯酶鈍化作用越強；西瓜汁假塑性越明顯；且風味與對照組差異越明顯；400 MPa、20 min超高壓處理與UHT處理對調配西瓜飲料部分品質影響相似，但在保持西瓜飲料風味及色澤等方面優于UHT處理。

超高壓處理；超高溫瞬時滅菌；內源酶；流變特性；風味

西瓜是自古以來被受喜愛的解暑佳品，是我國炎熱夏季最主要的水果[1]，并含有豐富營養，常食可起到利尿、降血壓等功效[2-4]。但其收獲期短且環境高溫高濕，難以保鮮[5]。西瓜含水豐富，在90%以上[6]，十分適合制作果汁。然而西瓜是熱敏性水果且顯色物質中存在較多不飽和雙鍵[7]，傳統超高溫瞬時（ultra high-temperature，UHT）殺菌雖可以殺菌鈍酶，但會使西瓜汁產生熟化臭，影響產品品質[8]，與之相比，超高壓（ultra high pressure，UHP）為非熱力殺菌，食品殺菌過程可控制在室溫甚至低溫下，已被證明有較好殺菌鈍酶作用，并最大程度保持食品風味等品質[6]。

西瓜含有豐富內源酶，這些酶影響西瓜汁色澤、黏度等品質[2]，如果膠甲酯酶（pectin methyl esterase，PME）作用于果膠半乳糖醛酸殘基C6處羧基，降解果膠[9]，會降低果汁黏度；多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO），在細胞組織破損、氧氣存在下，可催化酚氧化為醌類物質并積累，最終形成褐色，導致果汁顏色惡變[6]。有文獻認為，超高壓處理后大豆蛋白變性，疏水作用增強，導致酶活性改變[10]及分子間相互作用增強，黏度增大[11]。另外，研究食品流變特性及風味變化，能為果汁加工工藝的改進提供可靠數據，指導果汁的生產、運輸和貯藏等。

然而國內外研究超高壓和UHT處理對濃縮調配西瓜飲料菌落總數、內源酶、黏度、風味等品質的影響較少。本實驗以流變儀、電子鼻為主要手段，研究超高壓不同加壓時間處理對西瓜汁品質的影響，以期研究各因素變化的內在聯系，為調配西瓜飲料的生產提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料

京欣西瓜，9.6°Brix，pH5.46，3月于農貿市場購買。

1.2 儀器與設備

FPG7100型超高壓實驗處理裝置 英國Stansted公司；FT74X-40-44-A型UHT儀、FT22升膜蒸發器 英國Armfield公司；NS1oo1L2K型高壓均質機 意大利GEA Niro Soavi公司；T65D型高速剪切機 德國IKA公司；HR2004型打漿機 飛利浦電子香港有限公司；AR1500型應力控制型流變儀 美國TA儀器有限公司；PAL-α糖度計日本愛宕公司；PEN3電子鼻 德國Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 西瓜汁的制備

將新鮮西瓜榨汁紗布過濾，升膜蒸發器冷凝水65 ℃（流量6 L/min），真空度0.76～0.80 bar，濃縮汁最終為40 °Brix，-80 ℃冰箱保存。

配方：水、西瓜濃縮汁、抗壞血酸、瓜氨酸、羧甲基纖維素鈉（carboxyl methyl cellulose，CMC）、黃原膠、乙二胺四乙酸（ethylenediamine tetraacetic acid，EDTA）、胭脂紅、西瓜香精。將上述固體原料混合均勻，溶與水與西瓜濃縮汁混合液中，用果葡糖漿將糖度調節為7.5 °Brix，檸檬酸調pH 5.46。待體系完全溶解后，對西瓜汁分別進行30、50 MPa的兩次高壓均質，使果汁更加穩定。

調配后但未經UHP及UHT處理的西瓜汁為對照組。

1.3.2 西瓜飲料的超高壓處理

將西瓜飲料調配好后裝入聚乙烯袋進行真空密封，對西瓜飲料進行二次密封。將包裝好的西瓜飲料放入2 L超高壓反應倉內。

本課題前期對不同壓力處理西瓜飲料品質影響的試驗表明，低于400 MPa處理時不能使果汁達到商業無菌（菌落總數），在400 MPa處理20 min即可達到商業無菌，然而更高的處理壓力一定程度上增加了成本。因此本實驗在室溫下進行400 MPa，0、20、40、 60 min高壓處理，研究不同加壓時間對西瓜飲料品質的影響。

1.3.3 西瓜飲料UHT處理

設UHT參數126 ℃處理15 s，將3 L西瓜飲料放進物料倉，調節冷凝水溫度為（75±1） ℃，觀察無菌灌裝臺內物料流出情況，進行無菌灌裝后迅速冷卻至室溫。

1.3.4 菌落總數

依據GB4789.2—2010《食品微生物學檢測 菌落總數測定》相關操作進行菌落總數的測定；選用營養瓊脂培養基，于（36±1）℃培養（48±2）h后計數。

1.3.5 PME酶活性的測定

參照Kimball等[12]的方法，稍加修改。底物溶液：用2 L大燒杯量取約900 mL蒸餾水，于磁力攪拌器（50 ℃）攪拌加熱，稱量10 g果膠以及5.85 g NaCl，分別緩慢倒入蒸餾水中使之充分溶解，待溶液冷卻至室溫后，容量瓶定容1 000 mL，配制為含有0.1 mol/L NaCl的10 g/L果膠溶液。用2 mol/L及0.1 mol/L的NaOH溶液將果膠溶液pH值調節至7.5，分裝于棕色瓶中，放于4 ℃冰箱待用。

酶活力測定：量筒取40 mL果膠底物溶液恒溫水浴（30±1）℃。移液搶移取1.6 mL（V1）果汁，立即用NaOH調節混合液至pH 7.5，加入0.02 mL（V2）0.05 mol/L（c）的NaOH，開始計時，記錄體系回落至pH 7.5的時間（t）。按照式（1）計算PME酶活性，式（2）計算PME殘余酶活力。

1.3.6 PPO酶活性的測定

制備粗酶液：將20 mL含有0.1% TritonX-100、1%聚乙烯基吡咯烷酮（polyvinylpyrrolodione，PVPP）的0.2 mol/L，pH 6.5磷酸鹽緩沖液與20 mL西瓜汁混勻，4 ℃浸提1 h，于10 000×g離心20 min，取上清液作為粗酶液。

參照Duangmal等[13]的方法，并進行修改。反應測定體系包括：底物3.0 mL，0.05 mol/L鄰苯二酚（用0.2 mol/L，pH 6.5磷酸鹽緩沖液配制）；粗酶液0.2 mL。底物與粗酶液混合均勻后啟動反應300 s，每10 s記錄一次數據，用反應最初線性部分，表示PPO酶活力。空白對照以磷酸鹽緩沖液代替底物。對照組為包裝后未經滅菌處理的西瓜汁。在25 ℃、410 nm波長處測定PPO酶活性，1個酶活力單位定義為：1 mL西瓜汁飲料中，1 min內吸光度的變化0.001 個單位，按照式（3）計算PPO殘余酶活力。

1.3.7 西瓜汁流變特性測定

采用AR1500流變儀，選擇直徑為60 mm的不銹鋼平板進行系統測量，數據用AR Instrument Control Version進行分析。

控制剪切速率，使剪切速率從0.1 s-1上升到100 s-1，剪切速率每升高一個對數值取5 次數據，測定不同處理調配西瓜汁表觀黏度隨剪切速率的變化（在25 ℃室溫下進行）。

1.3.8 電子鼻分析西瓜飲料風味

樣品直接運用電子鼻儀器進行檢測，對10 個傳感器的所得到的揮發性物質數據進行分析，得到主成分分析圖及各主成分得分。

表1 電子鼻中所用的傳感器Table 1 Sensors used in the electronic nose

1.3.9 感官評價

選擇10 個感官評價員，分別對西瓜飲料酸甜比、爽口性、香氣、色澤等指標進行評價。

1.4 數據分析

實驗結果以x±s表示。采用SPSS17.0進行因子方差分析、主成分分析及Duncan’s多重檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同加壓時間及UHT處理對菌落總數的影響

圖1 不同加壓時間及UHT處理對西瓜飲料菌落總數的影響Fig.1 Effect of different HP dwell times and UHT treatment on total bacterial count of watermelon beverage

由圖1可知，所有處理均使菌落總數顯著降低（P＜0.05）。不同超高壓處理西瓜飲料菌落總數均比UHT處理小（P＜0.05），超高壓處理40～60 min抑菌效果相似且強于處理20 min。

2.2 不同加壓時間及UHT處理對PPO及PME殘余酶活性的影響

圖2 不同加壓時間及UHT處理對西瓜飲料PME、PPO殘余酶活性的影響Fig.2 Effect of different UUHP dwell times and UHT treatment on residual PME and PPO activities of watermelon beverage

由圖2可知，與對照組相比，不同處理的西瓜飲料PME、PPO活性均顯著減小。其中400 MPa，20 min與UHT處理對兩種酶鈍化作用一致，顯著弱于長時間（40～60 min）超高壓處理。

延長超高壓時間，兩種酶活性逐漸降低（P＜0.05）。有類似報道指出[6,14]，經過400 MPa高壓處理后，鮮榨西瓜汁PPO、PME及橙汁PME活性隨保壓時間的延長而降低（P＜0.05）。有研究認為超高壓鈍化酶的原因是高壓作用可以改變酶蛋白高級結構中較弱的鍵，使得酶蛋白活性中心解連或重排[15]。本實驗中可能是由于延長加壓時間，壓力對酶蛋白活性中心的空間結構改變進一步增強。

2.3 不同加壓時間及UHT處理對西瓜飲料假塑性及表觀黏度的影響

根據曲線擬合結果，西瓜飲料流體曲線最佳擬合方程是Power Law，如式（4）所示。

式中：σ是剪切應力/Pa；κ是黏度系數/（Pa·s）；γ是剪切速率/s-1；n是流體指數。n=1時流體為牛頓流體；n＞1時流體呈現剪切變稠，屬脹塑性流體；n＜1時流體為剪切稀化，稱假塑性流體；n值偏離1越遠，說明流體的脹塑性或假塑性越明顯。

表2 不同加壓時間及UHT處理后西瓜飲料流體曲線冪方程擬合參數Table 2 Fitting parameters of power model (25 , 0.01 s-1 ＜γ＜100 s-1)

由表2可知，對照組及所有處理組西瓜飲料為假塑性流體。20 min及UHT處理后，其n相差不大，與長時間超高壓處理相比更接近對照組；加壓時間延長，西瓜汁假塑性越明顯（n值越小）。

西瓜飲料呈假塑性的原因可能是體系中含有黃原膠、果膠等親水膠體及各種糖類，各種可溶性物相互作用形成弱三維網狀結構。在較低剪切速率下，三維網狀結構較穩定，隨剪切速率增大，網狀結構被破壞程度也增大，表觀黏度顯著降低。

圖3 室溫條件下不同加壓時間及UHT處理后西瓜飲料表觀黏度隨剪切速率的變化Fig.3 Viscosity of watermelon beverage subjected to HP t reatment at different dwell times and UHT as a function of shear rate at 25 ℃

由圖3可知，各處理組西瓜飲料表觀黏度均比對照組大。其中20 min與UHT處理西瓜飲料表觀黏度隨剪切速率變化相近，初始黏度小于較長時間超高壓處 理；加壓時間延長，西瓜飲料黏度逐漸增大。有類似報道稱，鮮榨西瓜汁、獼猴桃果汁等經高壓處理后黏度上升[6,16]，而熱處理導致西瓜汁中果膠溶出也造成黏度升高[17]。

本實驗結果可能的原因是：一方面，超高壓處理后果飲料中懸浮顆粒變小[18]，表面積增大，懸浮顆粒間相互作用增加，以致表觀黏度增大；另一方面，超高壓處理使體系汁內各種親水膠及可溶性糖分子間形成更加緊密復雜的網狀結構[19]；最后，本實驗中PME酶隨加壓時間延長被顯著鈍化，降低了對果膠的降解，進一步穩定了西瓜飲料果膠含量[20]，也有助于體系黏度增加。

2.4 不同加壓時間及UHT處理后對西瓜飲料風味的影響

圖4 不同超高壓及UHT處理對西瓜飲料風味影響的主成分分析Fig.4 Effect of different dwell times and UHT treatment on aroma of watermelon beverage

由圖4、表3可知，第1、2主成分累積貢獻率共91.62%，400 MPa、20 min處理與對照組風味最相似，400 MPa，40、60 min處理與對照組差異依次增大，UHT處理與對照組差異最為明顯。實驗結果與劉野[6]得到的相似，即超高壓處理對果汁的風味保持效果優于高溫熱處理。

表3 西瓜飲料經不同超高壓（400 MPa）及UHT處理后的主成分得分Table 3 Principal component scores of watermelon beverage treated for different dwell times (400 MPa) and UHT

2.5 不同加壓時間及UHT處理后對西瓜飲料的感官評價

表4 不同處理（400 MPa）后西瓜飲料的感官評價Table 4 Sensory evaluation of watermelon beverage treated for different dwell times (400 MPa) and UHT

由表4可知，UHT處理西瓜飲料的整體感官評價差于超高壓處理組。其中400 MPa處理20 min西瓜飲料與對照組最相似。且隨超高壓處理時間延長，假塑性越明顯，飲料的爽口性越好；香氣的感官評價結果與電子鼻結論一致。

3 結 論

各處理組西瓜飲料菌落總數及PME、PPO酶活性均顯著降低。超高壓處理組菌落總數均低于UHT處理；超高壓處理時間延長，兩種酶的殘余活性越低。

超高壓和UHT處理后西瓜飲料流體類型沒有變化，仍為假塑性；超高壓和UHT處理西瓜飲料黏度均升高，超高壓處理時間延長，黏度隨之有不同程度增加；超高壓處理時間延長，西瓜飲料風味與對照組差異增大，UHT處理由于高溫，使西瓜飲料風味嚴重惡化。

西瓜飲料經400 MPa處理20 min及UHT處理后，其兩種酶的鈍化、流變特性的改變程度基本一致；但是與UHT相比超高壓處理菌落總數更低、風味及感官評價結果均更接近對照組。可知該超高壓處理可以部分代替傳統UHT處理西瓜飲料，并可改善其品質。

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Effect of Ultra High Pressure (UHP) and Ultra High Temperature (UHT) Sterilization Treatments on the Quality of Watermelon Beverage

ZHANG Bo-bo1,2, MA Yue1, WANG Dan1, ZHANG Chao1, HUO Nai-rui2, ZHAO Xiao-yan1,*
(1. Key Laboratory of Agricultural Products of Fruits and Vegetables Preservation and Processing, Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture (North), Ministry of Agriculture, Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China; 2. College of Food Science and Engineering, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030801, China)

The effect of ultra high-temperature (UHT) sterilization and different ultra hydrostatic pressure treatments with a dwell time ranging from 20 to 60 min on the quality of watermelon beverage was investigated in this paper. All investigated treatments could significantly reduce total bacterial count, and PME and PPO activities compared with the control (P ＜ 0.05). Longer treatment time resulted more inactivation of PME and PPO. The control was a typical non-Newtonian pseudoplastic fl uid, and its fl ow behavior was not affected by dwell time. As the dwell time was extended, the viscosity increased, while the aroma became worse. UHT and high pressure treatment at 400 MPa for 20 min had the same effect on the quality, but the watermelon beverage treated at 400 MPa for 20 min had better flavor and color.

ultra hydrostatic pressure treatment; ultra high-temperature sterilization; endogenous enzyme; rheological properties; aroma

TS255.1

A

1002-6630（2014）17-0072-05

10.750 6/spkx1002-6630-201417015

2013-08-07

國家現代農業（加工）產業技術體系建設專項（CARS-25）；北京市農林科學院科技創新能力建設專項（KJCX201102002）

張波波（1988—），女，碩士研究生，研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail：13366653872@163.com

*通信作者：趙曉燕（1969—），女，研究員，博士，研究方向為功能性食品。E-mail：zhaoxiaoyan@nercv.org