椰子水的非熱殺菌技術應用研究進展

李銘，趙鶴飛，陳冬梅

（1.三亞航空旅游職業學院，海南三亞572000；2.三亞陽雨茗生物科技有限公司，海南三亞572000；3.內布拉斯加大學-林肯分校，食品科學與技術系，食品加工中心，美國內布拉斯加州林肯市68588）

椰子水的非熱殺菌技術應用研究進展

李銘1，趙鶴飛2，3，陳冬梅1

（1.三亞航空旅游職業學院，海南三亞572000；2.三亞陽雨茗生物科技有限公司，海南三亞572000；3.內布拉斯加大學-林肯分校，食品科學與技術系，食品加工中心，美國內布拉斯加州林肯市68588）

椰子水是一種天然功能飲料，但是其非常容易腐敗變質的特性限制了它的食品領域工業化的前景。熱殺菌技術盡管非常有效，并且目前已經有成熟的工業化產品上市，但是其對風味破壞的固有缺陷不能最佳的保持椰子水的原汁原味。為了掌握非熱殺菌技術處理椰子水的研究現狀，本文綜述了近年來非熱殺菌技術在椰子水處理上的應用研究，并且探討了目前尚未應用在椰子水的加工處理上，但是與飲料密切相關的非熱殺菌技術，并且對未來的進一步研究方向做出了展望。

非熱巴氏殺菌；椰子水；酶；微生物；食品品質

椰子（Cocox nucifera L.）是熱帶地區典型的木本油料作物和食品加工原料，在海南經濟作物中占有重要的地位[1]。椰子主要生長分布在海南省東南沿海的文昌、瓊海、萬寧、陵水縣和三亞市等地，其面積和產量約占全國的80%[2]。椰子水（Coconut water）是椰子果實腔內的液體胚乳，是一種營養和保健價值都很高的天然飲料[1，3-4]。椰子水存在于果腔中，在椰子肉尚未形成之前，嫩果中的椰子水味酸；椰子肉形成以后，椰子水含糖量較高，味甜；然而成熟后的椰子水味淡，但脂肪和礦物質含量增加，它可代替鹽水、葡萄糖液做靜脈注入，在嚴重腹瀉嘔吐的情況下服用可抗脫水，又能增加腎的血液循環，有利尿作用[2，5]。椰子水與某運動飲料對比見表1。椰子水的礦物質成分較為接近目前運動飲料的配方，并且來源天然。因此，椰子水可以在價值100億美元的世界“運動飲料”市場上進行競爭[6]。

2014年9月，在美國暢銷多年的某椰子水品牌正式登陸中國，“椰子水”這個在中國推廣多年卻依然略顯陌生，并且非常容易和“椰奶”混淆的概念終于第一次被市場關注。2015年春節后，海南省某知名椰奶加工企業的椰子水產品已經在國內部分地區低調亮相。由于椰子水剛剛在中國預熱，還處于磨合期，所以對市場的發展走向難以精準預測。因此，自新品上市以來，該企業并沒有針對椰子水進行大規模宣傳，僅有少數地區結合當地實際情況，進行了小范圍的宣傳推廣[8]。

表1 椰子水與某運動飲料對比[7]Table 1 Coconut water vs.a sports drink mg/100 mL

根據聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization，FAO）數據顯示，2014年（截止到2016年10月可以查詢到的最新數據），中國的椰果年產量約28.04萬t[9]。椰子水來源豐富，去衣椰果中的椰子水占其總重量的30%[10]，按照這個比例計算，中國的椰子水的年產量約為9萬t。盡管目前已經有海南省某知名企業推出椰子水產品，但是僅僅上市一年多。大多數椰子加工廠在加工椰子時，除少量椰子水被利用作清涼飲料外，大部分作為廢物被倒掉，這既造成環境污染，又造成資源的巨大浪費。椰子水由于含有豐富的營養物質和某些生長激素，又是微生物生長最適合的培養液，極易受微生物污染而變質，這會造成潛在的食品安全風險。2015年，巴西的研究團隊采用電噴霧-傅立葉變換-離子回旋共振質譜（ESI-FT-ICRMS）關聯常規的pH、總酸度、微生物、紫外-可見光譜（UV-vis）檢測，跟蹤監控了室溫23℃下常溫保存0～15天內，椰子水的物理化學品質的下降過程，研究表明3天后椰子水將不適合用于飲用[11]。此外，椰子水天然含有過氧化物酶和多酚氧化酶[12]，具有相對較高的熱穩定性，并且造成儲藏或冷藏過程中的椰子水褐變，顏色變黃褐色或者粉紅色[13]，盡管粉紅色椰子水使得產品更加吸引消費者，但是顏色的變化仍然表明了椰子水品質的下降[14-15]。目前市場上已經推出的椰子水產品多為利樂包裝的熱殺菌常溫保藏產品，保質期長是這類產品的優勢，但是熱殺菌會導致焦糖化反應和美拉德反應造成產品顏色加深，加熱造成風味物質揮發和破壞，影響椰子水清爽的口感[16-18]。表現出的主要問題為顏色略呈棕色，有一定的焦糖味，新鮮椰子水的清爽口感嚴重下降。因此，傳統的熱殺菌技術很難滿足生產顏色和口感接近于新鮮椰子水的工業化椰子水飲料的要求。隨著目前國內居民生活消費水平的持續提高，傳統的熱殺菌產品很難滿足國內消費者追求綠色、天然、新鮮、原味的飲料消費的發展趨勢。

在眾多現代食品工業技術中，非熱殺菌的產品日漸受到食品科學家和大眾消費者的關注。隨著食品營養與健康、中西醫醫療和養生知識借由電視、網絡等媒體的普遍傳播，對消費者而言，冷藏的、保質期短的食品飲料產品往往與新鮮、“零添加”、等健康概念相關聯，“保質期短的（才是）健康的”概念已經在不知不覺中逐漸深入人心。例如，短保質期的冷藏巴氏殺菌奶對長保質期的常溫奶的銷售市場造成了沖擊，上海某知名奶制品生產企業將低溫陶瓷膜過濾牛奶以傳統產品2倍～3倍的價格搶占了高端奶制品市場[19]；超市和便利店的冰箱內，低溫冷藏的果汁深受白領人士的喜愛。2016年7月杭州某知名食品飲料企業推出了采用超高壓冷殺菌技術加工的短保質期冷藏果蔬汁，并且可以讓消費者通過網絡在線個性化定制各種果蔬的比例，初步設定的價格約為常溫果汁產品的8倍～10倍[20]。

現代的食品加工技術要求在保障食品安全的同時，最大限度地保留食品的色、香、味及其營養成分。然而，傳統的食品熱力殺菌方法已經遠遠不能夠滿足這種要求，例如，罐藏、熱風干燥等技術的常溫保藏食品的風味和口感遠不如冷藏、速凍、冷凍干燥食品的風味和口感。

食品殺菌技術可分為熱殺菌和非熱殺菌[21]。熱殺菌技術是食品工業普遍采用方法，根據采用溫度又分為巴氏殺菌、低溫殺菌、高溫殺菌和超高溫瞬時滅菌。非熱殺菌包括物理殺菌和化學殺菌兩種類型，本文所述的非熱殺菌指物理非熱殺菌。食品的非熱殺菌是一類嶄新的食品加工技術。盡管其殺菌滅酶的強度和最終效果沒有傳統的熱處理強，但是，由于其處理過程中食品的溫度不升高或升高的程度很低，因此非熱殺菌既有利于最大限度地保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及營養成分。近年來，食品的非熱殺菌技術，例如，膜過濾除菌[22]、高壓二氧化碳技術[6]、高能超聲波技術[23]、輻照殺菌技術[14，24]、超高壓處理技術[25]、超高壓脈沖電場技術[26-27]、脈沖強光殺菌技術[28]、紫外線殺菌技術[29]等，是國內外食品科學研究者高度關注的研究熱點。冷殺菌不僅有利于保持食品中功能性成分的生物活性，且還有利于保持色、香、味及營養成分，避免了傳統食品加工中主要采用熱殺菌導致營養物質被破壞，顏色加深，揮發性風味成分損失等問題。

盡管市場上已經有成功的商業化常溫保藏的椰子水產品，但是尚未有風味和營養保持更佳的非熱殺菌殺、滅酶的椰子水產品的成熟工業化案例。椰子是海南省的重要農業作物之一，也是世界廣大赤道地區的重要的經濟作物。為掌握目前非熱殺菌、滅酶技術在椰子水生產加工過程中的應用現狀，本文綜述了國內外學者的研究進展。

1 微濾膜技術

在膜孔徑和膜材料選擇適當的情況下，膜過濾（membrane filtration）技術可以除去水中病菌、病毒、熱源、膠體、等有害物質，在食品工業中，已廣泛應用于牛奶除菌或脫脂、啤酒和醬油除菌、果汁濃縮、黃酒純化、白酒陳化、味精等氨基酸提純、蔗糠脫色等生產中。上海某知名乳制品企業采用了低溫膜過濾技術生產冷殺菌液態奶，替代了傳統的超高溫殺菌技術和巴氏殺菌技術。傳統的熱殺菌工藝一般需要采用60℃～ 155℃[30]不等的加熱殺菌過程，在殺死有害細菌的同時，也大量地破壞了牛奶中眾多的活性營養成分，尤其是熱敏性的活性免疫球蛋白和乳鐵蛋白及維生素等；而低溫膜過濾工藝是在低溫狀態和一定的壓力下，讓鮮乳通過膜孔篩分原理來移除細菌，在保證安全的同時，盡可能多地保留了鮮奶中的營養成分。膜過濾殺菌奶（更準確的說是除菌奶）是膜分離技術在液體食品上的成功工業化案例，為該技術在其它類似的液體食品的殺菌保藏應用上，提供非常有價值的參考。但是，膜分離技術在椰子水的殺菌保藏上，尚未有工業化應用技術和成熟的產品出現，應該受到食品科學和工程領域的學者的進一步關注。

2005年，聯合國糧食及農業組織（以下簡稱糧農組織）決定對其椰汁專利“椰汁低溫滅菌的微過濾方法”[7]實行“被動世界性公共領域方式”政策，這意味著糧農組織椰汁生產程序的知識產權為免費提供。糧農組織提供了一個比較簡單地生產穩定椰汁的工藝程序：采摘大約9個月的椰子，然后用水將椰子清洗干凈，再用1%的漂白溶液消毒至少15 min。在將椰子切開后立刻用粗濾網過濾去除椰汁中的固體物質和微粒。然后將椰汁轉移到無菌冷藏柜中降溫至4℃～6℃，以避免在下一步加工過程中，因微生物發酵和酶反應造成的產品品質下降，甚至腐敗。與葡萄酒和啤酒的釀造一樣，添加聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）等（濃度10 g/100 L）澄清劑降低多酚和丹寧酸含量，并提高最終產品的穩定性。然后通過粗過濾去掉澄清劑，之后將椰汁放進高壓儲存罐。充入氮氣使椰汁通過無菌微過濾進入無菌儲存罐，并在無菌狀況下裝瓶。糧農組織資助開展的研究表明，質量良好的椰汁是清澈而無色的，pH值為5至5.4，糖度（Brix）在5～6.5之間。椰汁中所含微生物數量不應超過5 000 CFU/mL，大腸型細菌少于10 CFU/mL，而且不得檢出糞大腸菌群。

Chaudhuri等[3，31-32]的研究團隊近年來連續在國際期刊上發表了3篇采用微濾膜過濾技術處理嫩椰子水（tender coconut water）的工藝技術的文章，研究表明在添加了檸檬酸（0.02 g/100 mL）、抗壞血酸（0.18 g/ 100 mL）、半胱氨酸（0.009 g/100 mL）作為天然添加劑后，膜過濾生產的椰子水樣品在4℃冷藏條件下保存最長時間為46 d。盡管0.45 μm微濾膜并不足以去除所有的微生物，但是在冷藏過程中糞大腸桿菌未檢出。然而，研究采用的膜過濾裝置為死端過濾裝置，且膜片直徑僅為47 mm，折算為膜面積僅0.001 734 m2。工業化膜過濾過程一般采用錯流過濾方式，以避免死端過濾方式造成的膜面嚴重污染。膜分離技術發展至今，已經很難見到死端過濾方式的膜技術被用于工程實際了，死端過濾方式一般僅用于實驗室規模的研究。并且，工業化的微濾膜組件通常采用錯流管式膜組件，當實驗膜組件的膜面積達到0.2 m2～1 m2，所得到的數據才可以有效放大到幾百m2的工業化生產設備上。因此，Chaudhuri團隊的研究結果盡管為膜分離技術在椰子水保藏的應用上提供里有價值的參考，但是該研究僅屬于實驗室小規模，無法直接放大到實際的工業化過程中。

2 高壓二氧化碳技術

二氧化碳是一種天然抗微生物劑，單獨作用能抑制微生物生長，但不能殺死微生物，若與壓力結合則能達到有效殺菌效果，因此，高壓二氧化碳技術（high pressure carbon dioxide，HPCD），包括超臨二氧化碳技術，已成為一種新型非熱殺菌技術[21]。其機理目前尚不清楚，主要可能的機理為細胞內氧排除作用，細胞內溶物抽取效應和酸化作用理論或這些機理的協同效應。高壓二氧化碳能夠成為一種食品加工的非熱殺菌技術主要是因為其獨特的物理特性[16]：其黏度和擴散能力介于液體和氣體之間，臨界溫度為31.1℃，在該溫度下大部分食品原料是穩定的；臨界壓力為7.3 MPa，這一并不非常高的壓力很容易在工業應用中實現。

2009年Damar等[33]，首次應用了二氧化碳技術處理椰子水，滅活微生物，以及評估椰子水處理后的物理化學特性和消費者的接受度。在這項研究中，通過加入蘋果酸以降低pH至4.20來對椰子水進行酸化，加入蔗糖使糖濃度達到0.7%（質量分數），在4℃和0.18MPa下進行二氧化碳處理。結果表明，總好氧菌的減少超過5 Log（CFU/mL），盡管pH值降低并且糖濃度增加，但是產品的消費者接受程度非常好。

2015年，為保證椰子水的微生物穩定性，營養成分和口感風味，Cappelletti等[6]使用高壓二氧化碳技術對椰子水進行巴氏殺菌。研究表明，在最優工藝參數為12 MPa、40℃、30 min下處理椰子水，常溫細菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌（兩者共計）均可以下降5 Log（CFU/mL），并且大腸菌群下降7 Log（CFU/mL）。HPCD殺菌椰子水的感官指標、理化指標、維生素和氨基酸指標相比于新鮮椰子水無顯著差異。揮發性成分檢測表明，HPCD殺菌使得椰子水減少了大部分的揮發性成分，但是熱殺菌椰子水產生了明顯的烤麥芽風味（更多的揮發性成分）。

3 紫外線照射技術

紫外線是100 nm～400 nm的不可見光，并且可以被分類為UV-A（320 nm～400 nm），UV-B（280 nm～320 nm），和UV-C（200 nm～280 nm）[34]。多酚氧化酶和過氧化物酶天然存在于椰子水中，一旦椰子水在加工過程中接觸空氣中的氧氣，氧化反應就會使椰子水品質下降[15，35]。2015年Augusto等[15]評估了采用400 W的紫外燈，波長分布為250 nm～740 nm，峰值波長為400 nm和420 nm的紫外線照射技術失活椰子水中多酚氧化酶和過氧化物酶的技術。研究結果表明，酶失活與處理時間相關，并且可以用兩步失活動力學描述，其失活機理可能是分子的折疊和聚集。過氧化物酶活力在處理15 min后下降到其初始酶活力的約5%，在處理30 min后下降到約1%。多酚氧化酶的活力在處理15 min后和30 min后分別下降到其初始酶活力的約8%和2%。盡管其滅酶的效果得到了證實，且表明紫外線滅菌技術具有應用前景，但是該研究并未對微生物的殺滅效果以及紫外光處理后椰子水的理化指標進行評估，且未進行感官評定。

對于微生物的殺菌處理一般采用UV-C[36]，2016年Gabriel等[32]研究了使用15 W、253.7 nm紫外線C（UV-C）處理湍流狀態下pH 5.80、6.10 Brix的嫩椰子水的技術，并對比研究了選定的腐敗菌和致病菌的失活率。接種的微生物顯著的改變了椰子水的UV-C吸收率和透光率，吸光度從0.90（無量綱）上升到1.08（無量綱），透光率從12.74%下降到8.39%。實驗測定了UV-C的滅活微生物的D值（微生物下降1 Log的時間s）和紫外線計量（微生物下降1 Log所需的紫外線能量mJ/cm2），結果表明，對于不同的腐敗菌，D值為2.93 s～5.60 s，紫外線計量為7.63 mJ/cm2～14.56 mJ/cm2，變化差異顯著。但是，對于致病菌，變化差異不顯著，D值為3.19 s～3.76 s，紫外線計量為8.28 mJ/cm2～9.78 mJ/cm2。結果與之前小體積、靜止狀態下處理椰子水的結果相近，說明使椰子水處于湍流狀態下進行紫外線處理并非必要。該研究僅檢測了微生物指標而沒有監測椰子水理化指標并進行感官評定，紫外線處理后椰子水的品質尚未有文獻報道，因此，盡管Gabriel等的研究為進一步研究椰子水和其它類似的液體食品的紫外線處理技術提供了有價值參考，但是對紫外線應用于椰子水的工業化加工處理的技術，仍然有待于進一步的研究。

4 輻照殺菌技術

輻射可用于殺死或顯著降低腐敗菌和致病菌[37]，2011年Awua等[14]對比研究了采用121℃、20 mins殺菌鍋滅菌和5 kGy伽瑪射線處理椰子水的技術。結果表明，兩種處理方法均對椰子水的顏色產生影響，處理后的顏色變蒼白或者深黃色，并且渾濁度增加。實驗并沒有對微生物采用培養后平板計數的方式進行可靠監控，而采用測量濁度的方式間接反應微生物指標，因此對于微生物控制的研究的可靠性不能保證。

5 其它相關非熱殺菌技術

商業化超高壓殺菌技術使用的壓力為100 MPa～800 MPa，處理時間為幾毫秒到20分鐘[38]，合適的壓力和維壓時間的組合可以有效降低營養菌微生物的數量。但是，細菌孢子和食品中的酶往往對HPP滅活作用具有固有的抵抗力，并且是該技術的主要應用限制，因此往往需要其它的柵欄因子和HPP聯合作用[39-40]。2016年Yi等[41]研究對比了HPP和熱殺菌的處理蘋果混汁的品質變化。分別采用600 MPa、3 min的HPP和85℃、5 min的熱殺菌處理蘋果汁，結果表明：熱處理后蘋果汁的顏色顯著高于HPP處理的產品，兩種處理方式對糖和酸的含量都幾乎沒有影響。熱處理后，多酚氧化酶和過氧化物酶的活力低于檢測限，但是HPP處理后，兩種酶的活力仍然還保留了處理之前的50%（下降了50%）。熱處理后，GC-MS檢測醛類、醇類、酮類和有機硫的含量顯著高于HPP處理和未處理的蘋果汁。總之，HPP處理的蘋果汁的品質更接近未處理的原汁品質。盡管目前尚未有HPP處理椰子水的文獻報道，但是根據其在蘋果汁的加工應用推測，并且考慮到其在果汁加工領域的成功商業化[42-43]，HPP在處理加工椰子水的應用上前景很大，但是，其限制因素為HPP對多酚氧化酶和過氧化物酶活力的抑制作用有限，很可能需要結合一種有效抑制酶活力的技術進行協同，例如采用紫外線照射技術與HPP偶聯。

2014年Agcam等[44]比較研究了脈沖電場（PEF）加工和巴氏熱殺菌法加工對橙汁品質的影響，研究對比了儲存在4℃下，180 d后，總酚濃度、對羥基苯甲酸、對羥基酸、黃酮醇，黃酮的前后變化。電場強度和熱殺菌強度決定總酚濃度變化。PEF處理的橙汁樣品的黃酮和酚酸的含量較熱滅菌處理樣品更穩定，PEF處理過的樣品感官評分較熱處理更高。2008年Riener等[45]研究表明，PEF處理蘋果汁中的多酚氧化酶和過氧化物酶的活力分別下降了71%and 68%，說明盡管PEF對這兩種酶活力的鈍化作用較HPP的50%滅酶效果更強，但是較紫外線照射技術的90%以上滅酶效果相比，仍然相差甚遠，也說明PEF和紫外線照射技術偶聯處理椰子水的潛在應用前景。

6 結論和展望

與傳統熱殺菌相比，非熱殺菌技術普遍能非常好的保持椰子水及其它果汁類食品的品質，但是對于椰子水品質的影響非常重要的過氧化物酶和多酚氧化酶，滅酶效果尚不理想。紫外線照射技術可以達到90%以上的滅酶效果，但是其單獨應用于椰子水的加工研究并不全面，目前并沒有考察殺菌效果。膜過濾技術在牛奶除菌上的成功工業化應用案例預示著其在椰子水保藏應用上的巨大前景，但是目前尚未有工業化規模的研究，并且缺乏膜過濾技術對于過氧化物酶和多酚氧化酶去除效果的研究，很可能需要與紫外線照射技術偶聯來實現滅酶的目的。脈沖電場（PEF）和超高壓殺菌（HPP）與紫外線照射技術滅酶偶聯加工椰子水具有很大的應用前景，也是未來的研究方向。

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Advances in the Applications of Non-thermal Pasteurization on Coconut Water

LI Ming1，ZHAO He-fei2，3，CHEN Dong-mei1
（1.Sanya Aviation&Tourism College，Sanya 572000，Hainan，China；2.Sanya Yangyuming Bio-technical Co.，Ltd.，Sanya 572000，Hainan，China；3.Food Processing Center，Department of Food Science and Technology，University of Nebraska-Lincoln，Lincoln 68588，NE，United State of America）

Coconut water is a kind of natural functional drinks；however，the character of easy spoilage inhibits its perspective in food industry.Although thermal treatment is very effective，and currently there are mature industrialized products in the market，the inherent default of the flavor deterioration by thermal treatment cannot enable coconut water to maintain its original flavor.In order to investigate the application status of non-thermal pasteurization technology on coconut water，recently published articles were summarized.In addition，those non-thermal pasteurization technologies，which have yet to be applied to coconut water but are pertinent to beverage，were also investigated.Finally，suggestions were made for further research to increase our knowledge of the application of non-thermal pasteurization technology on this original tropical juice.

non-thermal pasteurization；coconut water；enzymes；microorganisms；food quality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.08.047

2016-10-24

三亞市科工信局院地合作項目（2015YD51）

李銘（1983—），男（漢），講師，學士/在讀研究生，研究方向：食品科學。