殺菌方式對柑橘汁品質影響的研究進展

李楠楠，賈 蒙，馬亞琴，2

（1.西南大學 柑橘研究所，重慶 400712；2.國家柑橘工程技術研究中心，重慶 400712）

柑橘汁是目前最受歡迎的果汁飲料，其中橙汁的產量和需求量最大。2017—2018年全球橙汁產品需求量達到160×104t，其中巴西作為橙汁的最大生產國，其橙汁出口量占到全球的3/4以上[1]。盡管我國的橙汁人均消費比例不足美國的1%，但近年來的橙汁進口量也迅速增加，橙汁進口量從1998年的0.52 t增加到了2016年的5.58×104t，增長了近10倍[2]。隨著消費市場不斷拓展和對健康理念的追求，新鮮、營養、健康、安全的橙汁日益受到消費者的青睞。

殺菌作為控制柑橘汁品質最為關鍵的步驟，其通過殺滅微生物、鈍化抗壞血酸氧化酶、果膠分解酶，以有效延長柑橘汁的貨架期，非熱加工技術因能最大限度地保持柑橘汁新鮮、風味、色澤等特性引起了加工企業和研究人員的關注。目前，傳統的熱殺菌方式在柑橘汁實際生產中應用最為廣泛，但高溫引起柑橘汁中抗壞血酸、類胡蘿卜素等營養物質的損失而降低其品質。為了保證柑橘汁貨架期的同時，又能最大限度地保持其品質，掀起了果汁加工行業及其研究領域發展“最少加工”的熱潮，進而推動了非熱殺菌技術的研究和發展[3-4]。

基于消費者對柑橘汁色、香、味的更高要求，隨之在加工技術領域引發的變革。綜述了熱殺菌和非熱殺菌2種殺菌方式對以柑橘汁為主的果蔬汁品質的影響，并簡要介紹了其他非熱殺菌的研究現狀及未來的發展趨勢。

1 熱殺菌

1.1 熱殺菌的特點

熱殺菌是一種熱處理食品的過程，是將食品加熱使其上升到某一高溫并持續一段時間，殺滅食品中的有害微生物，從而達到延長食品貨架期的目的[5]。熱殺菌按處理食品的溫度高低分為低溫殺菌（≤100℃）、高溫殺菌（＞100℃）、超高溫殺菌（＞130℃），其中pH值≤4.5的酸性食品和熱敏性成分較多的食品可采用低溫殺菌，pH值＞4.5的食品采用超高溫殺菌或高溫殺菌。熱殺菌按殺菌效果的高低有巴氏殺菌（≤100℃）和商業殺菌（＞100℃）2種殺菌方式，其中巴氏滅菌法能在相對合適的溫度下保持食品中營養物質，又達到殺死微生物的效果，因此成為目前應用范圍最廣的殺菌方法。一般橙汁的pH值低于4.5，且其所含的維C及其風味物質屬于熱敏性物質，目前國內外多采用巴氏殺菌（≤100℃）來對其滅菌[4]。

1.2 熱殺菌的研究現狀

人類對熱殺菌的認識和應用改變了自身的飲食習慣和消費方式，熱殺菌技術中最具代表性的技術是巴氏殺菌，殺菌強度高，幾乎可以殺死食品中全部的病原菌，巴氏殺菌技術在橙汁殺菌中被廣泛應用。Igual M等人[6]對貯藏期間西柚汁中類黃酮變化進行研究，發現在-18℃冷凍條件下貯藏2個月鮮榨西柚汁的總類黃酮損失率為25%，而常規巴氏熱處理（80℃，11 s）和微波熱處理（900 W，80℃，30 s）總類黃酮損失率分別19.21%和12%。Chen Y，Noci F等人[7-8]認為熱殺菌是從食品外部到內部的一個熱傳遞過程，并把巴氏殺菌分為高溫短時殺菌（HTST，≥72℃，15 s）和低溫長時殺菌（LTLT，63℃，≥30 min），相對于LTLT，HTST殺菌更能抑制細菌的生長，但當溫度升高到94℃時，導致了蘋果汁更多的酚類物質降解（48%）。Vikram V B等人[9]采用50，60，75，90℃對橙汁進行熱處理，發現溫度越高，維C降解率越大，且與同等條件下的歐姆、紅外照射和微波（100，105，110，125℃）熱處理對比溫度上升較慢，需要5 min才能使溫度升高到90℃，這主要是因為傳統熱處理的熱傳遞是從食品外部開始，而電磁加熱的熱反應最初發生在橙汁內部。U?an F等人[10]研究了巴氏殺菌（90℃，15 s）的濁檸檬汁與天然渾濁檸檬汁的生物活性成分和品質參數，發現殺菌后的檸檬汁總酚含量增加，類胡蘿卜素下降，但差異不顯著，因此巴氏殺菌汁也可作為保護人體健康的良好生物活性來源。Stinco C M等人[11]研究了工業鮮榨橙汁（FISO）、工業巴氏殺菌橙汁（PISO）和手榨汁（HSO）等不同榨汁方式對橙汁顏色、粒徑和類胡蘿卜素的影響，發現PISO的類胡蘿卜素比例低于PISO，高于HSO。而Claudie Dhuiquemayer等人[12]參照巴氏殺菌的條件發現橙汁中維A、多酚和維C的含量并沒有減少，但引起了類胡蘿卜素的降解產物，如呋喃類化合物和順式異構體，推測貯藏條件和非熱因素是橙汁微量元素損失的原因。Bai J等人[13]對比新鮮商品汁（FCJ）、巴氏殺菌新鮮商品汁（PFCJ）與巴氏殺菌加工汁（PPJ）和手榨汁（HSJ）離心處理后，發現黃酮含量高的果汁會加快渾濁態消失，而巴氏殺菌可以抑制渾濁態消失，但新鮮商品汁FCJ和PFCJ因含更多皮油反而提升渾濁態穩定性；巴氏殺菌對FCJ和PFCJ上清液中檸檬苦素和生物堿含量無影響，但會導致哈姆林果汁沉淀中檸檬苦素、諾米林和未知生物堿含量的減少。Leizerson S等人[14]研究了歐姆處理加熱（在90，120，150℃的溫度條件下分別處理1.13，0.85，0.68 s）與巴氏殺菌（90℃，50 s）處理對橙汁品質的影響，發現歐姆加熱處理使果膠酯酶活性降低98%，維C含量降低15%，但巴氏殺菌橙汁中5種代表性風味化合物較歐姆加熱顯著降低，且感官評價試驗表明新鮮橙汁和歐姆橙汁沒有差異，因此后者可有效地用于替代巴氏殺菌。因此，巴氏殺菌處理橙汁導致其營養物質顯著降解，品質快速劣變。

熱殺菌也引起橙汁發生非酶褐變現象和橙汁中酶活的變化。Lu Q等人[15]在100℃溫度下分別熱處理橙汁1，5，10，15，30，60，120，240，360，480，600 min，發現橙汁中類胡蘿卜素在熱處理100 min后降解緩慢，模擬體系中類胡蘿卜素會持續降解；黃酮類物質中香蜂草苷在熱處理中無明顯改變，其余的物質降解明顯，損失率為12.83%～48.50%；抗壞血酸損失率約為68.09%，導致橙汁褐變嚴重。Wibowo S等人[16]利用巴氏殺菌處理橙汁并在不同溫度（20，28，35，42℃）條件下貯藏32周，發現在較高的溫度延長貯藏時間橙汁褐變明顯，這可能與類胡蘿卜素的降解和異構化有關，此外抗壞血酸的降解也有助于非酶褐變發生。Hirsch A R等人[17]在不同溫度（42，52，62，72，82，92℃）下對新鮮橙汁進行熱處理，發現處理溫度≥42℃時，除了Ortanique橙汁外其他橙汁的過氧化物酶（POD）活性低于新鮮橙汁的4.3%；溫度≤62℃時，果膠甲酯酶（PE）的熱耐受性是最高的，但在72℃下PE失活達到84%～90%。

此外，熱殺菌也影響橙汁感官品質、風味物質等。Lee H S等人[18]研究了瓦倫西亞橙汁熱巴氏殺菌（90℃，30 s）過程中類胡蘿卜素色素含量和果汁色澤的變化，發現熱殺菌后總胡蘿卜素色素含量損失顯著，對類胡蘿卜素色素含量的熱效應特別是對紫黃質（46.4%）和蒽黃素（24.8%）的熱效應有明顯的影響，黃化素成為巴氏殺菌瓦倫西亞橙汁中主要的類胡蘿卜素，其次是玉米黃質；柑橘汁巴氏殺菌后有明顯的顏色變化，使果汁色澤變淺，變得更加飽和。韓燕等人[19]對7個甜橙品種橙汁分別經煮沸殺菌（96℃，1 min）、微波殺菌（900 W，30 s）、高溫殺菌（110℃，30 s）處理后的色澤變化進行研究，結果表明對橙汁色澤影響從大到小依次是煮沸殺菌、高溫殺菌、微波殺菌。橙汁中類胡蘿卜素和維C對色澤影響較大，因此通過改變二者含量也是抑制褐變的途徑之一。王珺等人[20]發現熱殺菌（100℃，5 min）處理酶解球果萜烯類和酮類含量分別增加12.13%和9.44%，醛類、醇類和酯類分別下降42.32%，13.54%和62.35%，新檢出α-水芹烯、α-蓽澄茄油烯、乙酸辛酯、D-香芹酮等風味物質。蔣和體等人[21]綜合比較研究了熱殺菌（90℃，1 min）對橙汁品質如色澤、營養物質、香氣的影響，發現熱處理后的橙汁色澤、褐變指數變化呈現顯著性差異；維C損失率近4.85%，類胡蘿卜損失23.47%～28.62%，游離態氨基酸增加21.4%，醛類物質無明顯變化；熱殺菌與鮮橙汁比較其他風味物質減少45%。亦有研究表明不同的熱殺菌條件影響橙汁貨架期，Bull M K等人[22]研究橙汁微生物貨架期發現，巴氏殺菌（65℃，1 min）的橙汁貯藏在4℃時貨架期為4周；當溫度升高至10℃時，貨架期僅為14 d。

綜上可知，熱殺菌會明顯降低橙汁營養物質、感官品質、風味物質和貨架期，引起橙汁品質劣變。但熱殺菌效果好，目前仍是一種最為經濟有效的殺菌方式。

2 非熱殺菌技術

2.1 非熱殺菌技術的特點

熱殺菌是用于果汁中微生物滅活最常用的手段，但高溫處理導致橙汁中營養物質下降，口感風味劣變。近年來，非熱力殺菌技術的發展有效地彌補了熱殺菌的不足，通過常溫或低溫條件對果汁進行殺菌，不僅能夠達到商業無菌的效果，而且還能最大限度地保留食品原有的功能性營養成分。非熱殺菌已經被證明是一種高效、安全的殺菌手法。同時，非熱殺菌可以避免熱殺菌所造成的果汁的蒸煮味，可以更好地保留果汁的色、香、味等風味品質。但由于非熱殺菌的成本較高，且殺菌效果不及熱殺菌好，因此，目前還沒有成功地應用于商業化殺菌橙汁。當前，研究最為廣泛的非熱殺菌方法有超高壓殺菌、高壓脈沖電場殺菌、超聲波殺菌等。

2.2 超高壓殺菌（UHP）

超高壓殺菌技術是將特殊包裝的食品放到液體介質中，施加100～1 000 MPa的壓力并持續一定時間后，使食品達到商業無菌的目的。研究表明，果汁在400～600 MPa的超高壓下，幾乎所有的細菌、霉菌和酵母菌都能被殺死。因此，超高壓殺菌相對于熱殺菌能使果蔬汁的營養成分更多地保留，且具有誘人的色澤和更佳的口感，可延長果汁保藏期至6個月以上[23-25]。

已有研究[21]表明，在400 MPa保壓處理15 min橙汁，橙汁色澤、褐變指數變化不明顯；維C損失率約3.35%，類胡蘿卜損失23.47%～28.62%，游離態氨基酸增加16.8%；醛類增加3倍以上，對香氣成分保留較高。利用超高壓處理晚期伊予柑、柚子果汁的研究發現，450 MPa下處理10 min后菌落總數呈指數下降，可達到商業無菌的效果，但超高壓處理濃縮果汁殺菌效果差[26]。王珺等人[20]對酶解球果進行超高壓殺菌（400 MPa，10 min）后榨出的橙汁與未殺菌的對比，發現超高壓處理后萜烯類和酯類含量分別下降9.03%和65.87%，醛類、醇類和酮類分別增加5.70%，5.57%和109.22%，新檢出2,4-癸二烯醛、香葉醇、1-癸醇、諾卡酮等風味物質，橙汁風味更為濃郁。采用超高壓技術能最大限度地保持橙汁原有的品質，殺菌效果理想，但設備昂貴、殺菌成本較高。

2.3 超聲波殺菌

超聲波在食品工業中的應用一直是研究的主流趨勢，已在食品分析（診斷超聲）和食品加工（功率超聲）領域得到了廣泛應用。功率超聲已被公認為是替代或補充傳統熱處理在食品工業中的一種有前途的加工技術。當高功率超聲在液體中傳播時，由于壓力的變化而產生空化氣泡。這些微氣泡在傳播聲波的后續壓縮循環中劇烈地坍塌，導致局部高溫達到5 000 K，壓力高達50 000 KPa，高剪切效應[27]。超聲波處理的機制主要是物理效應（空化、機械效應）或化學效應（自由基如·OH，H+的聲化學反應），已有的報道證明了超聲處理能使致病性和腐敗性微生物（大腸桿菌、李斯特菌）、酶（果膠甲基化酶、多酚氧化酶）失活。Valdramidis V P等人[28]確定了超聲振幅和溫度等外在參數對橙汁抗壞血酸（AA）和非酶褐變（NEB）質量指數動力學的聯合效應，發現不同超聲振幅的溫度對NEB和AA降解速率具有協同效應；振幅對NEB速率具有拮抗效應，因此超聲波對橙汁中的NEB比AA降解有更劇烈的效應。GóMezlóPez V M等人[29]使用超聲波（20 kHz，500 W）對菌群失活的加鈣橙汁進行處理，發現超聲能有效延長貨架期，貯藏期間的抗壞血酸明顯下降，亮度增加，黃、綠值增加，但與未處理果汁相比，色澤、香氣和風味沒有顯著性差異。Valero M等人[30]用超聲（500 kHz，240 W，15 min）處理橙汁，發現其對橙汁中檸檬苦素和色澤幾乎沒有影響，但5℃和12℃分別貯藏14 d后發現有微生物的生長。因此，超聲波能較好地保持橙汁的品質，但殺菌效果不及熱殺菌，未來可考慮將超聲波與其他非熱殺菌相結合，以延長橙汁的貨架期。

2.4 高壓脈沖電場殺菌（PEF）

PEF殺菌是一種基于高電場強度（5～55 kV/cm）的脈沖在毫秒范圍內輸送到食品中的技術，可用于提供安全、穩定的產品，如具有新鮮特性和高營養價值的果汁。PEF是一種連續處理技術，可用于對大腸桿菌和酵母等營養細胞的滅活。然而，由于缺乏對E.coli O157∶H7等致病微生物的報道，且PET對細菌芽孢的滅活作用不明顯，因此PEF可以作為果汁貯藏保鮮的有效手段[7]。

Cserhalmi Z等人[31]對不同類型的柑橘汁（柚子汁、檸檬汁、橙汁、橘子汁）進行PEF殺菌處理后發現，除了檸檬酸外其他酸的含量差異小于1%，維C損失量小于6%；糖度、黏度、導電率、非酶褐變和羥甲基糠醛沒有差異，色澤稍有差異，但對揮發性物質影響較大。Rah T等人[32]用高壓（600 MPa，1 min，17℃）與高壓脈沖電場（23 kV/cm，2μs）處理橙汁，發現其有助于橙汁保鮮，等效于溫和的巴氏殺菌（72℃，20 s），橙汁品質、風味俱佳。Plaza L等人[33]用HP（400 Pa，1 min，40℃）和PEF（35 kV/cm，750 ms）處理橙汁，并與低溫巴氏殺菌比較（LPT，70℃，30 s），發現PEF和LPT保持相似的類胡蘿卜素和黃烷酮水平，而HP的水平要比前兩者高；4℃冷藏期間三者也與上述結果相似。Agcam E等人[34]發現經PEF處理的橙汁貯藏一段時間（4℃，180 d）后比巴氏殺菌橙汁（HP1：90℃，10 s；HP2：90℃，20 s）有更高的總酚含量，且類胡蘿卜素和酚酸含量更穩定。Hartyáni P等[35]發現，用高壓脈沖（PEF，28 kV/cm，50μs）和高靜壓（HHP，600 MPa，10 min）分別處理柑橘汁后，除了總色差以外，其他的理化性質，如pH值、維C、檸檬酸等沒有明顯差異，而HHP處理后的橙汁的香氣成分要比PEF處理后的要少。進一步的研究發現[36]高壓脈沖電場強度為17 kV/cm時處理1 034μs橙汁的維C含量達到最高（583.91 mg/L），且4℃貯藏180 d后沒有檢出羥甲基糠醛（HMF）。方婷等人[37]研究了PEF（12.5 kV/cm，17μs）和熱殺菌（90℃，15 s）處理對鮮橙汁品質的影響，發現高壓脈沖可有效滅活微生物，但滅菌效果不及熱殺菌；同時PEF在維C保存和感官評價均優于熱殺菌。PEF技術能實現液體食品殺菌的連續化操作，非常合適于橙汁殺菌，未來主要解決PEF工業化的問題。

2.5 其他非熱殺菌：紫外照射、膜過濾、輻照

紫外輻射是食品工業中表面微生物滅活的有效方法，紫外線波長以265～266 nm處的殺菌能力最強，會破壞微生物DNA并抑制細胞增殖，Noci F等人[8]報道，經紫外輻射后的蘋果汁的總酚含量降低28%，遠低于熱處理后的48%。但由于紫外線的穿透能力差，因此與清水相比，紫外輻射只能在果汁表面穿透很短的深度。

膜過濾包括超濾（UF）和微量過濾（MF）2個部分，膜過濾的效果取決于膜的類型、孔徑、跨膜壓力、膜面積和果汁特征等因素。它們可以把大分子物質，如蛋白質、酯類、微生物阻隔在外面；而使小分子物質，如維他命、膠體、糖和水通過微孔，從而減少細菌的數量，因此膜過濾被稱為“冷殺菌”，相對于熱殺菌膜過濾可以更好地保存香味成分[7]。

輻照是一種安全高效的殺菌方式，它是運用Co γ射線照射食品，從而引起食品中微生物發生理化反應，破壞或抑制其生長，以達到殺菌消毒的效果。鄒立強等人[38]采用不同的輻照劑量對臍橙汁殺菌，發現臍橙汁pH值和可溶性固形物含量基本沒有變化，總酸和總糖含量略有降低，但高輻照劑量造成維C損失嚴重，經10 kGy處理后損失達到61.2%。因此輻照處理比其他處理方式相比更不利于維C的保留，可考慮將輻照與其他處理相結合的方式以達到更好的殺菌效果。

3 結語

熱殺菌是一種傳統柑橘汁殺菌方式，但會引起柑橘汁中營養物質，如類胡蘿卜素、酚類物質、維C等的降解和其他理化組分的改變。而非熱殺菌技術，如高壓脈沖電場殺菌、超聲波殺菌、超高壓殺菌和膜過濾都是非常有前景的果汁保存技術，但是與熱殺菌相比，其較低的殺菌效果和較高的成本將阻礙非熱殺菌的工業化發展。未來需要在精簡非熱殺菌設備和提高殺菌效率方面開展深入的研究，降低殺菌成本，或考慮聯合不同殺菌方式，通過優化加工工藝和技術參數以達到理想的殺菌效果。