超聲波處理對西瓜汁品質的影響

鄭炯，龔瑜，曾瑞琪，張甫生

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

鮮榨果蔬汁又可以稱為非濃縮果汁，其口感、風味和營養成分與新鮮水果非常接近，鮮榨果蔬汁因其品質高、純天然、營養豐富且加工少的特點受到廣泛消費者的青睞[1]。但鮮榨果蔬汁的水分活度高、營養物質豐富，微生物極易在其中繁殖，營養物質降解變形從而導致鮮榨果蔬汁的感官品質與營養價值降低[2]。為了延長鮮榨果蔬汁的貨架期，保證鮮榨果蔬汁的安全性、感官性能以及功能性質，熱加工技術被用于鮮榨果蔬汁的處理中，但經過熱處理的鮮榨果蔬汁通常會有蒸煮味從而影響產品的食用口感，同時熱處理會引起果蔬汁中的維生素、類胡蘿卜素以及酚類物質等營養成分的損失[3-4]。因此，探索非熱力加工技術已成為鮮榨果蔬汁領域中的研究熱點。

超聲波是一種頻率高于20 kHz，超越人類聽覺上限的機械波，因其對營養和活性因子的破壞率低、能耗小、操作簡單的特點已被廣泛應用于活性物質的提取[5-8]，大分子物質的改性[9-11]以及食品品質的檢測[12-13]。超聲波技術在果蔬汁領域中的應用已日趨廣泛，其應用于鮮榨果蔬汁的加工不僅可避免由熱加工所造成的風味及營養成分的缺失，同時也能達到減滅酶活性的作用[14-17]。

采用熱力加工方式處理西瓜汁，西瓜中易揮發的熱敏物質在加熱過程中會產生濃重的蒸煮味并引起絮凝沉淀和顆粒懸浮，從而影響西瓜汁的食用品質，為突破這一瓶頸，不少學者利用超高壓技術[18]、果蔬汁間的復配[19]以及高壓二氧化碳技術[20]等方法處理西瓜汁，均發現能較好地避免熱加工帶來的弊端。目前利用超聲波技術處理西瓜汁的研究報道還較少， 因此為探究超聲波處理對鮮榨西瓜汁品質的影響，本文以西瓜汁為研究對象，經超聲波處理后，考察其相關酶活性及理化性質的變化情況，以期為超聲波技術在果蔬汁加工中的應用提供實驗支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 原料

早春紅玉西瓜，購買于重慶市北碚天生麗街永輝超市。

1.1.2 試劑

聚乙烯吡咯酮(PVPP)，NaH2PO4、Na2HPO4、鄰苯二酚、H2O2、愈創木酚、NaOH、酚酞、草酸、KIO3、可溶性淀粉、KI、抗壞血酸、NaHCO3、2,6-二氯靛酚溶液、沒食子酸、Folin-Ciocalteu試劑、NaCO3、甲醇、無水乙醇(均為分析純)，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

FA2004A電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；C91T榨汁機，九陽股份有限公司；JY96-IIN超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；722可見分光光度計，上海右一儀器有限公司；5810R型冷凍離心機，美國艾本德公司；DDS-608智能電導率儀，成都世紀方舟科技有限公司；WTY手持折光儀，深圳市科鑫化玻儀器有限公司；DV2TRV黏度計，美國Brookfield公司；UltraScan PRO型測色儀，美國HunterLab公司。

1.3 方法

1.3.1 西瓜樣品的處理

用無菌刀取可食部位至瓜皮不見紅色，利用榨汁機制備鮮榨西瓜汁，四層紗布過濾取汁。空白對照組：取50 mL西瓜汁置于250 mL三角瓶中，在室溫下放置備用。實驗對照組：取50 mL西瓜汁于250 mL三角瓶中置于90 ℃的恒溫水浴鍋中加熱2 min，處理完后立即置于冰水浴中冷卻至常溫。超聲波處理參照程新峰[21]的方法并有所改動。取50 mL西瓜汁置于100 mL燒杯中，將燒杯放置于超聲波細胞破碎室內，將直徑為2 cm的探頭伸入樣品中約3～5 cm，使用恒低溫水浴，保持樣品溫度處于室溫，放好樣品后將細胞破碎室密封。設置超聲波處理功率為100、200、300 W，每個功率分別進行10、20和30 min處理，超聲處理時工作時間5 s，休息5 s。超聲處理后將西瓜汁轉移到250 mL三角瓶中，置于室溫下待測。

1.3.2 測定項目

1.3.2.1 多酚氧化酶(PPO)的活性測定

取20 mL西瓜汁，加入1% PVPP，4 ℃下放置1 h，在4 ℃、10 000 r/min下離心20 min后， 取上清液備用。取含有0.1 mol/L鄰苯二酚的pH為6.0的磷酸緩沖液2.4 mL，加入0.6 mL上清液，反應3 min后，在25 ℃，420 nm的波長下測定其吸光值并且每隔30 s記錄1次，取開始的線性部分用于計算。

一個PPO酶活性單位定義為1 mL西瓜汁中1 min 內吸光值得變化0.001個單位。通常用相對酶活表示為：

(1)

式中：A表示處理后樣品PPO活力；A0表示對照組樣品PPO活力。

1.3.2.2 過氧化物酶(POD)的活性測定

取10 mL西瓜汁加入0.01 g/mL PPVP，在 4℃、10 000 r/min下離心20 min，取上清液備用。取pH 值為6.0的磷酸緩沖液2.7 mL，0.05 mL 的體積分數為0.5%的H2O2，0.2 mL體積分數為2%的愈創木酚和0.05 mL上清液。反應 3 min后，在25 ℃、470 nm的波長下測定吸光度值，每隔30 s記錄1次，取開始的線性部分用于計算。POD的相對酶活可表示為：

(2)

式中：A表示處理后樣品POD活力；A0表示對照組樣品POD活力。

1.3.2.3 可溶性固形物(TSS)的測定

采用手持折光儀測定，打開蓋板后用擦鏡紙擦凈棱鏡，先用蒸餾水進行校正，然后將待測樣品滴于棱鏡表面，輕輕合上蓋板后將進光板對準光源，通過目鏡讀數，結果以 % 表示。

1.3.2.4 可滴定酸(TA)的測定

取5 mL西瓜汁樣品于100 mL的容量瓶中定容，用新煮沸過并冷卻的蒸餾水定容，定容后將樣品轉移到250 mL三角瓶中，滴3滴酚酞指示劑，用0.05 mol/L NaOH溶液滴定至溶液呈淺紅色，且30 s內不褪色。TA按l L西瓜汁中所含可滴定酸含量表示：

(3)

式中：V1表示消耗的NaOH標準液的體積，mL；c表示NaOH標準液的摩爾濃度，0.05 mol/mL；V2表示樣品的體積，mL；0.064表示折算系數，以檸檬酸計。

1.3.2.5 電導率的測定

采用DDS-608智能電導率儀測定，測定前先對電導率儀進行校正，測定時，吸取25 mL樣品于50 mL的燒杯中，將電極置于待測樣品中，穩定后進行讀數。

1.3.2.6 色澤的測定

色差儀開機后，用黑白板進行校正，校正結束后開始測定待測樣品的L*、a*、b*值，每個樣品測6次，并計算ΔE值，其中L*表示明度；-a*表示綠色，+a*表示紅色；-b*表示藍色，+b*表示黃色，用ΔE表示總色差。規定ΔE值<1.5表示差異較??；在1.5和3.0之間表示存在明顯的差異；ΔE值>3表示存在極顯著差異[22]。ΔE的計算公式如下：

(4)

式中：L*、a*、b*表示處理后樣品的測定值；L0、a0、b0表示對照組樣品的測定值。

1.3.2.7 黏度的測定

參考田政等[23]的方法并稍有改動，用布氏黏度計測定西瓜汁的黏度，將處理好的樣品靜置于25 ℃恒溫水浴中，選擇3號轉子，設置轉速為60 r/min，在25 ℃條件下測定西瓜汁黏度，穩定后(約30 s)讀數，記錄西瓜汁黏度。

1.3.2.8L-抗壞血酸(AA)含量的測定

采用國標2,6-二氯靛酚法[22]進行測定，結果以每100 g西瓜汁所含L-抗壞血酸毫克數表示。

1.3.2.9 總酚含量測定

采用Folin-Ciocalteu法[24]，稱取10 g西瓜汁置于燒瓶中用甲醇溶液提取60 min后于2 000 r/min冷凍離心15 min，取上清液0.2 mL置于25 mL試管中，加入1.0mL Folin-Ciocalteu試劑，充分振蕩搖勻，避光放置5 min，加入質量濃度200 g/L的Na2CO3溶液0.8 mL混勻，定容后于30 ℃下放置30 min，然后于765 nm波長下測定吸光值。總酚含量以每100 g西瓜汁中所含沒食子酸質量表示(mg/100g)。

沒食子酸標準曲線的繪制：精確稱取0.011 0 g沒食子酸標準品，蒸餾水溶解于100 mL的容量瓶中定容，該標準溶液的濃度為0.11 mg/mL。準確吸取0、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mL待測液并加入1.0 mL Folin-Ciocalteu試劑，充分振蕩搖勻，避光放置5 min，加入質量濃度200 g/L的Na2CO3溶液0.8 mL混勻，定容后于30 ℃下放置30 min，然后于765 nm波長下測定吸光值。以吸光度和沒食子酸質量濃度求得回歸方程。所得回歸方程：Y=87.301X-0.001，方程中：Y為吸光度，X為質量濃度，R2=0.999 9。

1.4 數據處理

本實驗所有測試重復3次，實驗結果以“平均值±標準差”表示。使用Origin 9.0進行相關圖表的繪制，應用SPSS 11.5統計軟件，對數據進行方差分析，使用Duncan法比較平均值之間的差異性，p<0.05表示有顯著性差異，p<0.01表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 超聲波處理對PPO和POD活性的影響

圖1為經過熱處理與超聲波處理后，西瓜汁中PPO的殘留活性。與空白對照組相比，熱處理組與超聲波處理組的西瓜汁PPO活性有顯著下降(p<0.05)，熱處理組的PPO活性降低至約為對照組的55%，PPO酶活性得到顯著抑制。西瓜汁經超聲波處理后，PPO酶活性的下降程度與超聲波處理時的功率和時間有關。當超聲波功率為100 W時，PPO酶活性被抑制的程度較低，隨著超聲波時間的延長，PPO活性逐漸下降，但仍高于熱處理組。隨著超聲波功率的加大，PPO酶活性繼續下降，當在200 W功率下超聲處理30 min后，西瓜汁中PPO下降程度與熱處理組相同，而當超聲波功率增長至300 W時，只需處理20 min即可達到與熱處理相同的減滅酶活的效果，在300 W超聲波處理西瓜汁30 min后，PPO活性已降低至約為對照組的40%，且顯著低于熱處理組(p<0.05)，這可能是由于較大強度的超聲波產生的沖擊或射流對PPO酶的二級結構產生了較大的影響，導致酶的構象發生變化，從而降低了酶的活性[25]。

圖1 超聲波處理對西瓜汁PPO殘留活性的影響Fig.1 Effect of ultrasound l treatments on residua1 PPOactivity in watermelon juice

圖2為經過熱處理和超聲波處理后，西瓜汁中POD的殘留活性。由圖2可以看出，經熱處理和超聲波處理后，POD酶活性有不同程度的降低，西瓜汁經熱處理后POD活性保持為對照組的60%左右。超聲波處理后，POD活性較對照組有所下降，但仍高于熱處理組，僅在300 W超聲波下處理30 min后，西瓜汁中POD的活性降低至與熱處理組相同。超聲波處理對西瓜汁中POD活性的影響較小，這可能是由兩方面的原因造成。一方面，超聲波處理后，西瓜汁中PPO活性降低，由PPO分解產生的H2O2減少，使得POD的活性降低，另一方面，超聲波可導致酶分子的能量增加，引起酶分子構象的微小變化，使其超微結構更加柔順，從而增強其活性[26]。這兩方面對POD活性的影響效果相反，從而導致超聲波對POD活性的影響較小。目前普遍認為超聲波在較低強度的超聲作用下，超聲強度同酶活力呈正相關，隨著強度的增大，酶逐漸被激活，強度越高，酶的催化活力越高，只有進一步加大強度，酶才能變性失活，強度越高，失活率越高[27]。

圖2 超聲波處理對西瓜汁POD殘留活性的影響Fig.2 Effect of ultrasound treatments on residua1 PODactivity in watermelon juice

2.2 超聲波處理對TSS、TA及電導率的影響

表1為超聲波處理對西瓜汁TSS、TA及電導率的影響。

表1 超聲波處理對西瓜汁TSS、TA及電導率的影響Table 1 Effects of ultrasonic treatment on watermelonjuice TSS, TA and conductivity

TSS和TA是影響果蔬汁口感的重要因素，從表中可知，本實驗中空白對照組的TSS和TA分別為8.8%和0.96 mL/L(以檸檬酸計)，而熱處理和超聲波處理對西瓜汁的TSS含量和TA含量并沒有顯著性影響(p>0.05)，表明熱處理與超聲波處理對西瓜汁的酸甜程度不造成顯著性影響。BHAT[28]、ADEKUNTE[29]、TIWARI[22]等分別對柑橘果汁、紅葡萄汁和橙汁等果蔬汁進行超聲處理后，均發現超聲波對果蔬汁的TSS、TA沒有顯著性影響，與本實驗結果一致。

電導率可表示果蔬汁中離子的多少和滲透壓的大小，其數值越大，離子含量越多，滲透壓越大。從表1可以看出，隨著超聲波作用功率的加大及時間的延長，西瓜汁的電導率逐漸增加。超聲波可作用于西瓜汁的微小細胞，使其中的小分子物質或離子釋放，使得西瓜汁中的離子含量增加，電導率升高。同時，在進行超聲波處理時，超聲波的金屬變幅桿伸入西瓜汁中，有可能導致少量金屬離子溶解，從而使得西瓜汁離子含量增加電導率升高。

2.3 超聲波處理對西瓜汁色澤的影響

果蔬汁的色澤是評價其感官品質的重要指標，保持天然的色澤有助于吸引消費者。表2為超聲波處理對西瓜汁色澤的影響。與空白對照組相比，西瓜汁經過加熱處理后，其L*值增加，ΔE大于3，表明西瓜汁經過高溫處理后的色澤與天然色澤存在極為顯著的差異(p<0.01)，這與鐘烈洲[30]對蘋果汁熱處理后色澤變化的研究結果一致。西瓜汁的a*值與b*值在處理前后均保持正值，而經過熱處理后西瓜汁a*值和b*值有所升高，這可能是由于熱處理引起了西瓜汁的褐變，熱處理使花色苷類物質氧化降解從而導致西瓜汁偏向紅色和黃色的程度更強[31]。

表2 超聲波處理對西瓜汁色澤的影響Table 2 Effect of ultrasound treatments on color attributes of watermelon juice

經過超聲波處理的西瓜汁，L*值幾乎沒有變化，僅在300 W功率下處理30 min后稍有增加，但變化值仍不顯著。超聲波處理后的西瓜汁ΔE均小于1.5，a*值和b*值與對照組的差異也不大，色澤變化小，超聲處理后西瓜汁的色澤與天然色澤保持相近。超聲波處理西瓜汁時，降低了西瓜汁中能引起酚類物質氧化的酶的活性，對西瓜汁的酶促褐變在一定程度上起到抑制作用。超聲波作用于西瓜汁時，會因為其機械攪拌作用對西瓜汁進行脫氣[32]，從而降低西瓜汁中的氧溶解量，在后期西瓜汁的放置過程中，由于氧含量降低，褐變反應程度下降，色澤基本保持不變。

2.4 超聲波處理對西瓜汁黏度的影響

圖3為超聲波處理對西瓜汁黏度影響的柱狀圖。由圖3可知，熱處理和超聲處理均能在一定程度上增加西瓜汁的黏度，與對照組相比，熱處理的黏度增長了近60%。超聲波對西瓜汁黏度的影響也與其功率及作用時間有關。由圖3可知，西瓜汁的黏度隨著超聲波功率的增加而逐漸增加，當超聲波功率固定時，超聲時間越長，西瓜汁黏度越大。與熱處理組相比，超聲波可顯著改變西瓜汁的黏度(p<0.05)，在超聲功率為100 W時，處理西瓜汁30 min即能達到與熱處理相同的黏度變化情況，隨著超聲波功率的繼續增加和時間的延長，西瓜汁黏度增加的程度迅速增大，當在200 W功率的超聲波下處理30 min后，西瓜汁的黏度與熱處理組相比增長了約40%，而在300 W功率下處理30 min后，西瓜汁黏度約增長55%，黏度幾乎增長為對照組的2倍。

圖3 超聲波處理對西瓜汁黏度的影響Fig.3 Changes viscosity of watermelon juice duringultrasound treatments

果蔬汁黏度的增加有助于物質的懸浮，而果膠則是果蔬汁中維持顆粒懸浮，保持一致性的主要物質。果膠會在果膠酯酶和多聚半乳糖醛酸酶的作用下降解，而使得果汁的黏度降低，甚至導致果汁的分層。熱處理能鈍化果汁中的內源酶，使得果膠的分解程度降低，因而熱處理組西瓜汁的黏度較對照組有所提高。超聲波處理能使果膠酯酶受到機械損傷，其活性大大降低，果膠分解受到限制，從而使得果汁能在懸浮穩定的同時也保持較高的黏度[14]。與熱處理組相比，超聲處理后西瓜汁的黏度增加，WU等[33]認為這主要是因為超聲波處理可改變果汁粒徑的分布，減小果汁顆粒的大小，從而增加小顆粒的數量并導致表面張力增加，而使得果汁黏度升高。

2.5 超聲波處理對AA和總酚含量的影響

AA和多酚是果蔬汁中重要的營養物質，多酚又是果蔬汁中色素的主要成分，而酚類色素的降解又往往與AA有密切聯系，AA通過與氧化物質結合而起到保護多酚物質的作用[31]。圖4表明了超聲波處理對西瓜汁中AA含量的影響情況，當西瓜汁經過熱處理后AA的含量幾乎減少了60%，熱處理對AA具有顯著的破壞性，這主要是由于AA對熱具有較強的敏感度。西瓜汁經過超聲波處理后，AA含量會隨著超聲波功率的加大和時間的延長逐漸降低，但降低的程度較小，當用300 W超聲處理30 min后，AA含量也僅降低了10%，AA的損失率遠遠低于熱處理組，超聲波作用于西瓜汁后，西瓜汁中自由基的含量增加因而減少了AA被氧化的機率，在超聲波處理西瓜汁的過程中伴隨著機械攪拌作用，降低果汁中的溶氧量也使得AA氧化的程度下降。這一結果與RAWSON[34]用超聲波處理西瓜汁后測定AA含量得到的結論一致。

圖4 超聲波處理對西瓜汁中AA含量的影響Fig.4 Changes in AA content of watermelon juiceduring ultrasound treatments

圖5表明超聲波處理對西瓜汁中總酚含量的影響情況。熱處理對多酚物質也有較強的破壞性，經熱處理后多酚含量也呈現大幅下降。與熱處理組相比，超聲波處理則能較好地保留多酚物質，但不同超聲波處理的功率和時間對多酚含量的影響呈現出無規則變化，超聲波處理后多酚含量在原含量周圍上下浮動，增加超聲處理功率和延長處理時間后，多酚含量仍處于較穩定的水平，由此可以認定超聲波處理對多酚物質基本不產生影響。出現此種情況的原因可能是由于超聲波能在較大程度上保留AA，而AA對多酚的保護作用使得多酚幾乎不受到破壞，同時氧含量的降低也為多酚的穩定存在提供了有利條件。而在BHAT等[28]對柑橘類果汁的研究中還發現，較低功率的超聲波處理能增加多酚的含量，據推測這可能是因為低功率的超聲波對多酚具有萃取的作用。

圖5 超聲波處理對西瓜汁中總酚含量的影響Fig.5 Changes in total phenols content of watermelonjuice during ultrasound treatments

3 結論

低功率的超聲波處理西瓜汁可有效降低果汁中PPO和POD酶活性，且失活率與超聲波功率及處理時間呈正相關，在較大程度上抑制了西瓜汁由于酶引起的氧化褐變。超聲波對西瓜汁的TSS和TA等理化性質沒有顯著性的影響，超聲后西瓜汁的TSS和TA幾乎保持不變，但西瓜汁的電導率會隨超聲功率的增強及作用時間的延長而增加。超聲波處理后的西瓜汁與對照組相比色差較小，能在較大程度上保留天然的色澤，保持良好的感官品質。同時，超聲波處理可以維持西瓜汁的黏度，從而使西瓜汁保持較好的飲用口感，并且能較好地保留西瓜汁中的營養成分，對AA和多酚的破壞性小，可最大程度地維持西瓜汁的商品價值。