非熱加工技術在藍莓精深加工中的應用研究進展

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(1.西華大學食品與生物工程學院,四川成都 610039; 2.宜賓西華大學研究院,四川宜賓 644000)

藍莓(Vacciniumspp.)屬于杜鵑花科越橘屬植物,具有很高的經濟價值,最早起源于北美,目前在世界上許多國家都有種植,而我國藍莓種植起步較晚,只有20年種植歷史,主產區在我國東北地區,近年來在華北、江浙、遼東半島、華南地區也有種植[1]。藍莓是一種藍色的小漿果,果實呈藍色,果肉細膩,甜酸適口,具有香爽宜人的香氣[2];因富含花青素、氨基酸、維生素、果膠、超氧化物歧化酶(SOD)、礦物質等,而被譽為“漿果之王”[3]。同時,藍莓能夠增強人體的免疫力、保護視力、降血壓、降血脂、延緩神經衰老等[4]。目前,隨著人們生活水平的提高及對健康更加重視,藍莓在國內外均具有廣闊的市場,但主要以鮮食為主,產品形式比較單一[5]。因其鮮果保藏期特別短,若將藍莓加工成可長期保藏的制品,既能滿足消費者對產品營養、保健方面的需求,又能豐富市場供應,延長產品鏈[6]。此外,目前的藍莓產業現狀即種植量上升較快,鮮果市場飽和后其精深加工是必然的趨勢。所以,科研人員開展了大量藍莓產品加工工藝的研究,主要產品包括藍莓汁、藍莓酒、藍莓干、低糖果醬、混合果醬等,并且研究了加工過程中活性成分的變化。然而,藍莓產品大多采用傳統熱殺菌處理,這種處理方式雖然能夠殺滅藍莓產品中的微生物,延長它的保藏期[7],但也會造成食品中熱敏成分的損失,并對藍莓產品的色澤、風味和口感產生不良影響[8]。因此,對藍莓及其產品采取非熱加工手段成為必然趨勢。

表1 非熱加工技術在藍莓加工中的研究現狀Table 1 Research status of non-thermal processing technology in blueberry processing

食品非熱加工技術是指在食品行業中通過非傳統加熱的方法來主要進行殺菌與鈍酶的技術,這種技術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,避免傳統熱殺菌技術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[9]。因此,非熱加工技術成為國內外食品加工技術研究的新熱點。本文主要綜述了各種非熱加工技術對不同藍莓產品中微生物及品質的影響研究,通過分析不同非熱殺菌手段在藍莓加工中的優缺點,提出了未來藍莓精深加工主要的研究方向,為藍莓的進一步精深加工提供參考。

1 超高壓處理技術

超高壓處理(HPP)是指將一定的靜態液體壓力施加于食品物料上并保持一定的時間,起到了殺菌、破壞酶及改善物料結構和特性作用的非熱加工方法[10]。一般使用壓力為100～800 MPa,處理時間為幾毫秒到20 min[11]。超高壓加工技術不僅可以用于食品保鮮,滿足消費者對食品最低限度加工的要求,而且可以最大限度保留產品原有的風味和營養素[12]。

目前,超高壓處理藍莓汁的研究較多(表1)。研究發現,HPP對藍莓汁可溶性固形物(TSS)和pH無顯著性影響[7,13-17],能保持花青素[7,13-16]、VC[13,15-16]、總酚含量[16]。此外,研究人員發現超高壓技術對菌落總數有很好的殺滅效果[13-15],當處理為條件400 MPa、10 min時至少滅活了2.79個對數[13,15],最終產品符合國家飲料標準(GB 7101-2015)。

過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)是導致藍莓汁品質劣變的主要原因之一。據報道POD在較高壓力下更容易滅活,而PPO在適當的pH下進行超高壓更容易滅活[18]。目前,李星賀[16]研究發現500 MPa、5 min、40 ℃的超高壓處理可以將藍莓汁的POD酶活性降至49.13%,而500 MPa、15 min、10 ℃可使PPO酶活性降至4.78%。實驗結果表明POD不易被HPP處理鈍化,這可能是因為POD結構耐壓。此外,壓力在300～400 MPa時POD酶會被激活,繼續增加壓力才會有明顯的抑制效果[19]。PPO酶活性可被HPP處理有效抑制,這可能是因為一定的處理條件可以弱化酶蛋白的一些氫鍵、疏水鍵、離子鍵和靜電相互作用,使酶的三維結構受到破壞,從而加速PPO的失活[20]。此外,殘余的酶活性一方面可能降解花色苷從而降低藍莓汁中花色苷的含量,最終影響藍莓汁的營養品質和色澤等[16];另一方面還可能引起藍莓汁在貯藏期內發生酶促褐變,從而導致顏色劣變[21]。

綜上所述,HPP能顯著降低藍莓汁中的微生物數量延長其保質期,并且可有效保留藍莓汁的營養品質。但是,對于POD酶活的抑制力度還不夠,可能會影響藍莓汁的貨架期穩定性。因此,采用HPP與其他技術相結合來有效鈍化或抑制POD活性,從而保障藍莓汁的品質,值得進一步研究。

2 超聲波技術

超聲波(US)是一種振蕩形式的能量波,高于人類聽覺范圍(16 kHz以上),超聲波可以分為兩大類,其中16～100 kHz波段為低頻高場強超聲(10～1000 W/cm2);100～1000 kHz波段為高頻低場強超聲(不超過1 W/cm2)[34]。超聲波處理可以顯著提高食品質量并避免營養損失,保留最有益的營養成分,減少果汁中的微生物數量[35]。研究發現,US對藍莓汁的pH和電導率無顯著影響[22,26],能夠保留花青素含量[22,24]。但是當處理條件為0.5 W/cm2、40 kHz、60 min時,藍莓汁的TSS含量增加6%[22],TSS的增加可能是由于提取效力的提高,US破壞了果實組織和細胞壁,導致更多的可溶性固體穿過細胞膜,從而引起TSS增大[36]。

此外,部分研究人員發現US聯合其他殺菌方式有很好的殺菌效果。Zhu等[24]研究了壓熱超聲波對藍莓果汁中大腸桿菌O157∶H7的殺滅效果,發現在560 W、40 ℃/350 MPa、5 min內有5.85個對數的大腸桿菌O157∶H7被快速滅活。Jambrak等[26]研究高功率熱超聲對藍莓果汁的微生物殺滅效果,發現在處理條件為20 kHz、600 W、3 min、60 ℃時,有5.756個對數的酵母和霉菌被完全滅活。研究結果表明US聯合熱或其他柵欄因子能顯著降低藍莓汁中的微生物數量延長其保質期,而且很好的保留了藍莓汁的營養成分。目前很多研究顯示,單獨使用US殺滅食品中的微生物效果是有限的,但是與其他殺菌方法相結合則具有很大的潛力[37]。綜上所述,US和其他柵欄因子的一種或多種的結合會有更好的作用,而且效果明顯,比較適合藍莓果汁的加工處理。

3 真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥技術是在真空狀態下,使預先凍結的物料中的水分不經過冰的融化直接通過氣態升華而被除去,使物料干燥而不破壞其中的營養成分[28]。目前,采用真空冷凍干燥處理藍莓的研究較多。研究發現,-40 ℃預凍3 h、-82 ℃冷阱、壓強0.01 kPa的處理條件下,干燥的藍莓果干含水率為4.32%[27],-55 ℃預凍7.5 h、干燥32 h處理條件的含水率為5.27%[30];-20 ℃預凍4 h、-40 ℃冷阱條件下的復水性為55.88%[29],該條件下VC保留率為78.11%[29],感官方面的色澤氣味基本無變化[29-30]。此外,羅潔瑩等[30]研究得到藍莓鮮果干燥的最佳工藝是預冷溫度-55 ℃,預凍時間7.5 h,隔板溫度50 ℃,干燥時間32 h,該條件得到的藍莓果干外形飽滿,與鮮果無異,具有藍莓的特有風味,入口酥脆,疏松多孔,易于咀嚼。研究結果表明真空冷凍干燥能很好的保留藍莓果干的感官品質和VC含量。但是加工過程對藍莓果干營養成分的影響,目前主要集中在對VC含量的影響研究上,缺乏對其他營養成分系統的研究。此外,真空冷凍干燥處理時間較長,能耗很高,設備方面也比較落后,所以對設備的升級改造對于產業化應用具有重大意義。

4 高壓脈沖電場

高壓脈沖電場(PEF)是利用對兩電極的流態物料進行反復施加高電壓短脈沖處理,從而將微生物殺死,提高食品的安全性和穩定性,使食品得以長期貯藏的加工方法[38]。研究發現,在30 kV/cm、54 μs、1.4 mS/cm的處理條件下,PEF對藍莓汁中的可溶性固形物、還原糖、總酸和總酚含量無顯著影響(P>0.05),能夠很好的保留花青素和VC的含量,而且色澤無明顯變化[31-33]。此外,王寅等[31]研究了PEF處理對藍莓汁的微生物滅菌效果,發現30 kV/cm、54 μs、1.4 mS/cm的條件處理后菌落總數下降了3.07個對數。陶曉赟等[32]研究PEF處理藍莓汁,發現處理條件為35 kV/cm、82 μs時,大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌分別減少了5.12、4.64、5.30個對數。以上研究說明PEF處理對藍莓汁有很好的殺菌效果,而且很好地保留了藍莓汁的營養成分和質量特性,比較適合藍莓汁的加工。但是食品物料在加工過程中因直接接觸電極而有可能發生電化學反應,不僅會導致電極腐蝕,甚至可能會產生有毒的化合物,從而影響食品質量安全[39]。所以弱化電極腐蝕解決食品安全問題可能成為今后PEF的研究重點。

5 加工過程的非熱清洗技術

5.1 脈沖光(PL)處理技術

脈沖光(PL)是一種新興的非熱能技術,它利用從紫外到近紅外(200～1100 nm)的短光強脈沖廣譜光來滅活微生物[40]。已被許多研究人員證實可有效對抗瓊脂平板或細胞培養基中的各種細菌、真菌和病毒[41-42]。目前,已經有部分研究人員將PL用于處理藍莓并進行研究。

Cao等[43]研究發現干燥PL(6 J/cm2、30 s)分別使藍莓上斑點接種和浸漬接種的沙門氏菌減少0.9和0.6個對數,而水輔助PL(9 J/cm2、45 s)處理分別使兩種菌減少4.4個對數和0.8個對數;此外,兩種處理后的藍莓硬度、顏色、花青素含量和總抗氧化活性無顯著變化(P>0.05);而兩種處理的總酚含量有少量的增加,水輔助PL比干燥PL的總酚含量多增加了1.9%,這可能是因為在處理過程中抑制了降解總酚的酶。而且干燥PL比水輔助PL大約多0.34%的重量損失,這可能是因為干燥PL處理引起的機械損傷和表皮灼傷導致的水分損失較高,而水輔助PL處理樣品損失較低可能因為在處理過程中藍莓吸收了處理環境中的水分[43]。

Huang等[44]研究發現,1 min高能量水輔助PL(0.23～0.30 J/cm2)或低能量水輔助PL(0.102～0.140 J/cm2)和1% H2O2(WPL-H2O2)的組合處理分別能將藍莓上的沙門氏菌最大減少5.6和5.0個對數,而氯洗滌減少了3.9個對數。此外,WPL-H2O2處理的去污效果與氯洗滌相比沒有顯著性差異。

以上研究結果表明,水輔助PL能更好的滅活藍莓鮮果上的沙門氏菌,還有很好的去污和保留藍莓的營養質量的效果。因此,水輔助PL可以替代氯洗滌用于藍莓鮮果原料的預處理。

5.2 冷等離子體技術

冷等離子體(CP)是一種新興的非熱加工技術,可以對新鮮農產品的表面進行凈化并實現原料的預處理。CP可有效地殺滅細菌、酵母、霉菌以及其他有害微生物,甚至非常難以滅活的孢子[45]。CP目前已被用于醫療器械、水、空氣、食物和活組織的生物凈化及消毒,而不會造成損害[45-46]。一些研究發現,CP可用于滅活藍莓上的酵母、霉菌[47]、食源性病毒[48]。同時,CP對于農藥的降解效率較高,當80 kV處理5 min時啶酰菌胺的降解效率為80.18%,吡蟲啉為75.62%。這可能是因為CP處理后,形成的大量臭氧造成的。臭氧可與水反應產生過氧化物和羥基自由基,從而降解農藥[49]。

此外,還發現了CP處理能保留VC含量[49]。但是當60 kV處理1 min時,總酚含量增加了19.05%和總類黃酮含量增加了10.09%[46],這種現象可歸因于CP處理提高了苯丙氨酸氨基酶(PAL)的活性,從而增加了總酚和總類黃酮含量,很多研究報道了PAL與總酚和總類黃酮的變化的相關性[50-51]。當處理條件為80 kV、1 min時藍莓的花青素含量顯著降低,下降了45.85%[49],這可能是因為CP產生的臭氧和其他自由基造成的,臭氧和這些羥基自由基可能引起發色團的氧化裂解,導致花青素的顯著損失[52]。當處理時間為120 s時,顏色發生最大變化,L值下降了8.72,其下降可能是因為藍莓皮蠟融化的結果[47]。

綜上所述,CP對藍莓上的農藥殘留有一定的降解作用,且部分營養成分顯著增加。但是CP處理后藍莓的花青素含量顯著下降。此外,關于CP技術的殺菌機理還不甚明確,處理后的食品安全問題的研究還不是很徹底,需要進一步的研究。

5.3 紫外線照射技術

紫外線(UV)是100～400 nm 的不可見光,并且可以被分類為UV-A(320～400 nm)、UV-B(280～320 nm)、UV-C(200～280 nm)和真空紫外(100～200 nm)四個部分[34]。Lee等[53]對比了UV-TiO2光催化、UV處理和水洗新鮮藍莓,發現UV-TiO2光催化(4.5 mW/cm2)和UV處理(6.0 mW/cm2)后藍莓表皮菌落總數在處理30 s后分別下降了5.3和4.5個對數,而水洗只減少了2.9個對數;與水洗對照相比,UV-TiO2和UV處理后果實的總酚含量分別增加了21.77%和10.08%,總花青素含量分別增加了38.93%和25.19%。UV-C處理主要通過影響花青素糖基轉移酶和酰基轉移酶的表達水平來影響花青素合成;而總酚含量的增加可能是因為紫外線誘導藍莓中苯丙氨酸氨基酶(PAL)活性升高。

Kim等[54]對比了靜電EO噴霧(14 A,10 V,4～16 min)、紫外線(UV，20 mW/cm2,10 min)和臭氧(4000 mg/L,8 min)對藍莓表皮進行殺菌,發現靜電EO噴霧、臭氧、紫外線處理分別滅活大腸桿菌O157∶H7為1.10、0.72和4.05個對數。然后又對比了單獨的紫外(7.95 mW/cm2,2 min)和紫外與臭氧(1 min)的聯合處理,發現紫外處理、聯合處理分別減少4.09、3.96個對數的大腸桿菌O157∶H7。研究結果表明,單獨的UV處理或紫外聯合其他處理對藍莓皮有更好的殺菌效果,能顯著滅活菌落總數和大腸桿菌O157∶H7,而且能夠顯著增加藍莓營養成分的含量。所以紫外線可以替代其他洗滌用于新鮮藍莓的清洗。

5.4 臭氧和脈沖紫外光技術

臭氧自19世紀后期開始用于飲用水的凈化[55],并且具有氧化有機物質的能力。臭氧是一種能夠有效殺菌、脫色、脫臭的高效無殘留的殺菌消毒劑[56],并且已成功用于氣態和水性形式,用于食品的去污。而脈沖紫外光是以脈沖形式激發處理的紫外線,利用瞬時、高強度的脈沖光能量殺滅各類微生物。Bialka等[57]通過評估氣態臭氧(濃度為5%)、含水臭氧和脈沖紫外光(1.27 J/cm2)處理藍莓鮮果,研究發現氣態臭氧處理64 min后沙門氏菌和大腸桿菌分別最大減少3.0和2.2個對數,含水臭氧分別在64和32 min減少4.9個對數,脈沖紫外光在處理64 min后分別減少4.3和3.8個對數。結果表明臭氧和脈沖紫外光都比較適合藍莓上大腸桿菌和沙門氏菌的微生物滅活,且時間越長滅活效果越好。但是臭氧和脈沖紫外光處理對藍莓的品質影響尚未見報道。因此,對臭氧和脈沖紫外光用于清洗藍莓的應用仍然有待于進一步的研究。

研究發現幾種非熱清洗技術對藍莓上的微生物均有顯著的殺菌效果。此外水輔助PL和UV處理都能增加營養成分含量,而CP、臭氧和脈沖紫外光對藍莓的清洗研究還不夠徹底。目前水輔助PL和UV處理比較適合藍莓加工過程的預處理,對于藍莓的進一步加工有著重要的作用,而對其他藍莓預處理加工技術可以進行進一步的研究。

6 其他相關非熱加工技術

膜過濾是一種高效、易操作的流體分離技術,利用膜過濾不但可以濾除蛋白質、果膠、單寧等渾濁成分,也可以降低酵母、細菌等微生物負荷[58]。膜方法涉及果汁通過膜以保留顆粒,從而降低果汁的光澤和透明度。此外,該程序減少了細菌和孢子的數量,起到冷巴氏滅菌的作用[59]。目前應用膜過濾處理技術處理藍莓的研究較少,Pizzolato等[59]研究發現微濾(MF,跨膜壓力2 bar,25±1 ℃)處理得到的藍莓澄清汁與原汁相比,pH無顯著變化,但是粘度下降了49.01%,可溶性固形物的含量下降了17.27%,蛋白質含量下降了0.34%,這可能與部分固體通過MF被膜保留有關。因此,膜過濾會較減少藍莓澄清汁的營養成分。但是,過濾后的濃縮汁可用于果醬的加工[59]。膜過濾是值得被開發的新型非熱加工技術,但它比較適合純凈水等成分較單一的飲料。

微芯片脈沖電場(MPEF)需要更低的電壓以實現殺菌效果。目前,具有殺菌功能的微芯片已經被開發出來,并且可以在低壓下實現有效的滅菌。Zhu等[60]研究發現微芯片脈沖電場處理鮮榨藍莓汁,在流速7 mL/min、脈沖寬度0.15 ms、電壓350 V的處理條件下,藍莓汁中的菌落總數下降了3.6個對數,酵母菌和霉菌下降了3.5個對數,均被顯著滅活;同時,維生素C、花青素、總酚、可滴定酸含量和顏色沒有顯著差異變化(P>0.05),最終得到藍莓汁在4 ℃下至少可以貯藏30 d。結果表明MPEF對于藍莓汁的加工有著重要作用。因此可以進一步研究MPEF處理對藍莓汁品質的影響,為MPEF在果汁加工中的廣泛應用提供理論依據。

7 結論與展望

在現有的非熱加工技術中,超高壓、超聲波、高壓脈沖電場和真空冷凍干燥在藍莓中的應用研究較多。超高壓處理藍莓汁雖然能夠保留藍莓中的營養成分且達到殺菌效果,但是對酶活性的抑制力度不夠。真空冷凍干燥和高壓脈沖電場因設備問題,目前尚未有工業化規模的研究。超聲波和其他殺菌方法結合的效果較明顯,適合實驗研究的藍莓汁加工。此外,水輔助PL和UV對藍莓鮮果的清洗效果較好。除上述幾種非熱處理技術以外,還有多種非熱殺菌技術未用于藍莓的加工,比如放射線殺菌、超高壓CO2殺菌、射頻電場處理和超高壓均質技術等。然而,單獨采用上述加工技術很難達到保證藍莓產品安全、維持感官和營養品質的目的。因此在藍莓的精深加工中,應用新的非熱加工技術、多種非熱加工技術相結合的柵欄技術以及非熱加工技術對于藍莓產品品質調控的機制等將成為主要的研究方向,這對于藍莓的進一步加工利用具有重要的意義。