新型熱和非熱加工對非濃縮還原蘋果汁品質影響的研究現狀

李根，初樂，馬寅斐，和法濤，丁辰，朱風濤，趙巖

(中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東 濟南，250014)

蘋果是薔薇科蘋果屬植物的果實。中國多年前就已超越美國、日本成為世界上蘋果栽種規模最大、產量最高的國家，蘋果總產量約占全球總產量的55%。2017年我國蘋果產量約4 450萬t，從最近幾年增長趨勢看，蘋果產量每年增加180萬t，接近200萬t[1]。隨著生活質量的日益提高，人們越來越注重食品的品質與營養，消費者對品質高、營養好的食品的需求日益增加。非濃縮還原(not from concentrate，NFC)果汁是一種既保留了天然風味，又含有豐富營養的純天然果汁，盛行于歐美和日本市場[2]。由于沒有澄清和濃縮等復雜工藝，最大程度保留了VC、多酚和果膠等生理活性因子，但也使得NFC果汁在加工貯藏中容易發生褐變分層等問題，這也是制約NFC果汁發展的主要問題[3]。

食品工業中最主要的加工技術是熱處理，它的主要目的是確保食品安全和延長貨架期[4]，但同時也對果汁的色澤、香氣和營養成分有不利影響。在保持食品質量與安全的前提下，對食品加工貯藏特性影響最小的創新技術引起人們極大的興趣[5]。非熱技術是指在亞致死的環境溫度下有效的技術，對食品的關鍵營養成分和質量參數影響極小或沒有影響[6]。本文的目的是系統地總結了常規熱處理和非熱處理在NFC蘋果汁上的應用，并介紹有關的技術及其原理，為NFC蘋果汁生產加工提供參考。

1 NFC蘋果汁在加工過程中品質的變化

NFC蘋果汁品質控制主要存在三大問題：色澤穩定性、渾濁穩定性和營養成分的損失。色澤穩定性改變主要是由NFC蘋果汁加工過程中的酶促褐變和貯藏期間非酶褐變引起的。酶促褐變主要是由于蘋果中的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和空氣中的O2反應，使酚類氧化聚合，形成一種不溶性黑色物質，破壞果汁顏色[7]。非酶褐變是在貯藏過程中由于VC的降解、美拉德反應、焦糖化反應、酚類物質的氧化聚合而引起的果汁色澤和營養成分改變，是使NFC蘋果汁貨架期縮短的重要原因[8]。渾濁穩定性改變主要是NFC蘋果汁中大量的果肉、大分子物質(蛋白質、果膠等)形成的膠體溶液以及其他懸浮顆粒相互作用造成的，除此之外，蘋果中的內源酶果膠甲酯酶(pectin methylesterase，PME)使果膠脫掉甲酯基團，產生果膠酸。果膠酸進一步與果汁中的Ca2+結合形成果膠酸鈣，影響果汁的混濁穩定性[9]。但適量的PME酶會使果膠帶負電，使體系穩定性增強。

2 殺菌方式對NFC蘋果汁品質的影響

2.1 熱處理對NFC蘋果汁品質的影響

NFC蘋果汁可以立即投入市場，但只能在冷庫中保存較短的時間。熱處理(巴氏殺菌)通常用來保存和延長果汁貨架期[10]。這種方法依賴于食物外部產生的熱量，然后通過傳導和對流機制傳遞到食物中。現在巴氏殺菌的程序種類繁多，一般包括“低溫長時間”殺菌(low-temperature-long-time，LTLT)和“高溫短時”殺菌(high-temperature-short-time，HTST)。LTLT殺菌是加熱食品至約63 ℃不少于30 min，HTST是加熱食品約72 ℃或更高維持15 s或更多[11]。從實際的應用情況看，NFC蘋果汁一般采用的是HTST殺菌，HTST殺菌能夠達到殺菌和克服穩定性的問題，同時可以使PPO和PME酶失活。但2種方法都會造成蘋果汁營養成分和感官品質的下降[12]。

由于傳統巴氏殺菌對NFC蘋果汁品質影響過大，出現了一些新型熱殺菌方式。超高溫殺菌(ultra high temperature，UHT)是目前液態食品最常用的殺菌方式，是將產品在封閉的系統中升溫至135～150 ℃，持續2～8 s，然后迅速冷卻的殺菌方式[13]。SANCHEZ等[14]發現蘋果汁經過UHT(135 ℃，5 s)處理后，果汁中PPO酶活性下降了95%，但果汁的酸度和色澤有較大的損失。微波殺菌(microwave sterilization)是一種新型殺菌方式，同時存在熱效應和非熱效應。微波的熱效應是食品中微生物成分被一定電磁場影響發生分子極化，吸收能量升溫使蛋白質變性失活。微波的非熱效應是電磁場使微生物細胞膜電位和周圍的電荷產生改變。據報道，特定的微波非熱效應可以提高微生物和酶的失活率[15]。CANUMIR等[16]研究不同微波功率處理不同時間對蘋果汁大腸桿菌數量的影響，表明蘋果汁在900 W，60 s和720 W，90 s對大腸桿菌致死率較好；還研究了微波殺菌參數在720 W和900 W下D值分別為(0.48±0.1) min和(0.42±0.03) min，平均Z值為(652.57±2.16) W。SIGUEMOTO等[17]比較微波加熱和常規加熱對蘋果汁中食源性病原菌滅活率的影響，發現微波加熱對蘋果汁中大腸桿菌和單核細胞基因的滅活效果優于傳統的熱處理方法，微波輻射似乎存在增強的非熱效應。歐姆殺菌是通過電極，使電流通過食品介質從而實現快速均勻的加熱[18]，其加熱速率與液體食品的導電性有關。PARK等[19]發現歐姆殺菌對大腸桿菌、傷寒沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌的殺均效果顯著高于傳統巴氏殺菌，是因為歐姆加熱不僅存在熱效應，而且還可由電穿孔引起的細胞損傷，導致額外的細菌失活。之后他們研究了歐姆加熱對蘋果汁品質的影響，發現歐姆殺菌后的果汁的pH和色澤與未處理相比無顯著差異[20]。綜上所述，傳統熱處理可以起到殺菌鈍酶延長貨架期的作用，但對果汁品質的影響較大。雖然新型的熱處理能夠減小這種影響，但其主要的殺菌機制還是通過熱效應，依然無法最大程度保留果汁營養成分。

2.2 非熱處理對NFC蘋果汁品質的影響

非熱處理技術在過去的30年中得到了深入的研究，是對食品加工和貯藏功能性能影響最小的創新技術。這些技術采用減少加熱的方法來使酶和致病微生物失活，同時保持果汁的色澤、風味和營養價值[21]。NFC蘋果汁的非熱處理技術主要包括超高壓技術、超聲波技術、紫外輻照技術、脈沖電場技術、非熱等離子體技術。

2.2.1 NFC蘋果汁超高壓處理技術

高靜水壓技術(high hydrostatic pressure,HHP)，又稱超高壓技術(high-pressure processing,HPP)，是食品加工和保鮮中最有前途的非熱處理方法之一[22]，也是目前研究最廣泛的一種非熱殺菌方式。HPP是將果汁置于密閉高壓裝置內，把水或油當作介質，給予100～1 000 MPa的壓力，從而殺死果汁中的有害微生物。HPP可以破壞微生物細胞膜，影響穩態，變性和失活蛋白質，包括參與復制的酶，并可以改變細胞的形態。微生物的死亡率與施加的壓力成正比，即長時間的加壓處理并不一定會促進致死效果[23]。李珊等[24]采用HPP處理鮮榨蘋果汁，發現果汁中的霉菌、酵母菌對壓力較為敏感，500 MPa 處理5 min即無菌落檢出，300 MPa時壓力與時間基本呈線性關系。除此之外，蘋果汁中細菌孢子對高溫壓力等環境具有極強的抵抗力，可以在傳統的巴氏滅菌中存活，PORE，BSKA等[25]采用超高壓與熱處理聯合處理蘋果汁，發現在300 MPa、50 ℃下處理15 min果汁中的細菌孢子下降了3.7個對數。HPP對共價鍵的影響有限，因此可以保持食品的顏色、風味和營養價值等品質屬性。YI等[26]對比了熱處理和超高壓處理對蘋果汁品質的影響，發現HPP能更好地保持果汁的色澤、糖酸等，但PPO酶有一定的抗壓能力，可能會對果汁貨架期產生影響。JUAREZ-ENRIQUEZ等[27]從PPO、PME酶活性、VC、總酸等理化指標評價了HPP對蘋果汁的影響，發現HPP處理后PME完全失活且在34 d的貯藏期內未恢復，PPO酶氧化鄰苯二酚的能力在貯藏期內有部分恢復，但由于高壓改變了其三級結構，無法與酚類反應，因此多酚含量未見顯著性減少。果汁色度有顯著變化，但果汁主要的顏色(淺黃色)不受貯藏溫度的影響。超高壓處理后在貯藏期內果汁VC含量、果汁的抗氧化能力逐漸降低，主要的理化特性無顯著變化。

2.2.2 NFC蘋果汁超聲處理技術

超聲(ultrasonic，US)迄今為止已經在食品工業中有廣泛應用，包括超聲波加工、保存和提取[28]。超聲波殺菌是果汁中細微的空氣泡在大功率超聲影響下發生崩潰、收縮等變化，使泡內溫度和壓力短暫升高，使液體中的微生物失活[29]。US不僅避免了產品的損失，而且提高了產品的最終營養質量，減少了果汁中的微生物數量。此外，還具有加工時間短、能耗低、環保等優點。ABID等[30]在20 ℃下用超聲處理鮮榨蘋果汁30、60、90 min，發現超聲處理對蘋果汁的pH值、總可溶性固形物和可滴定酸度均無顯著影響，且顯著提高了VC含量、總酚含量和抗氧化能力，微生物數量也顯著降低。但在也觀察到，超聲處理并不能完全實現蘋果汁的滅菌。因此，超聲與高溫(熱超聲)、高壓(壓力超聲)或兩者兼有(壓力超聲)等過程相結合，可在微生物失活與質量保持和效率方面產生協同效應[31]。熱超聲(thermosonication，TS)技術在果汁加工中的應用具有很大的潛力，因為可以利用較溫和的溫度來殺滅微生物，同時可以保留果汁原有的特性。根據HERCEG等[32]的報道，由于膜和生物材料對能量的吸收，熱超聲處理后細菌細胞和孢子通常變得更加敏感，熱和超聲波的共同作用導致細胞膜的弱化或破壞，細胞膜的侵蝕和穿孔使細胞內的物質暴露在環境中，從而產生致命的影響。FERRARIO等[33]報道了在熱超聲處理(20 kHz；30 min；44 ℃)蘋果汁后，果汁中酵母菌和嗜酸耐熱菌顯著下降了6.4個對數和3.0個對數。除此之外，TS處理對引起果蔬汁變質的各種酶(果膠甲酯酶、PPO、脂氧合酶和過氧化物酶)的抑制效果，均比熱處理更有效[34]。ABID等[35]發現TS后果汁的PPO、過氧化物酶(peroxidase，POD)和PME酶的失活率分別為93.85%、91%和92.9%，對果汁pH值、總酸、糖度等理化性質影響不顯著，VC和總酚等營養成分能更多的保留。而且TS減小了液體中粒子的尺寸，提供了更好的均勻性和穩定性。

2.2.3 NFC蘋果汁脈沖電場處理技術

脈沖電場(pulsed electric fields，PEF)技術可能是保證NFC蘋果汁質量和安全性的關鍵技術之一，因為它更適合于連續加工(HPP一般是分批加工)[36]。脈沖電場技術是一種短時間(從幾納秒到幾毫秒)的電場處理技術，電場強度從100～300 V/cm到20～80 kV/cm。當其作用于食品基質時，會產生一種叫電穿孔的物理現象，由于電位的差異，這種現象表現為細胞壁的局部結構損傷，導致微生物的細胞膜破裂而失活[37]。與其他非熱技術一樣，該工藝中也存在一定的熱處理，提高了效率，但PEF所聯合的溫度更低(40～60 ℃)[38]。鐘葵等[39]通過對鮮榨蘋果汁PEF處理后使細菌總數和霉菌與酵母菌總數分別減少了1.18和1.67個對數，而與熱處理相比對蘋果汁色澤和風味損失較小。BI等[40]研究了不同電場強度和脈沖時間對蘋果汁的影響，發現在35 kV/cm處理2 μs后PPO和POD酶完全失活，而且可以保持蘋果汁的VC、總酚含量、抗氧化能力、色澤等品質特性。CHARLES-RODRGUEZ等[41]通過對比PEF和HTST 2種殺菌方式，發現所得果汁的顏色在兩種處理方式中都有統計學意義的變化，但PEF似乎更能保留天然產品的顏色。另外，RIENER等[42]用PEF(100 μs，40 kV/cm)結合預熱(50 ℃)處理蘋果汁，發現PPO和POD酶活性分別下降了71%和68%且2種酶失活的動力學數據均符合一級動力學模型，這種失活水平明顯比傳統巴氏殺菌更高。

2.2.4 NFC蘋果汁紫外線處理技術

紫外線殺菌(ultraviolet radiation，UV)技術被證明是一種有效的殺菌技術，與其他殺菌技術相比，紫外線殺菌技術不僅殺菌時間短，而且使用方便成本較低。該技術在降低液體食品和飲料中的細菌數量的同時，不會在物理化學參數、感官特性和生物活性化合物等方面產生負面影響[43]。UV-C(200～280 nm)在254 nm是一種用于抑制或滅活液體食品中食源性微生物的消毒方法。在對食品進行UV-C處理過程中，在同一DNA鏈上相鄰嘧啶分子間產生嘧啶二聚體，可以中斷DNA轉錄和翻譯，導致細胞死亡，從而抑制其繁殖過程，導致微生物失活[44]。TREMARIN等[45]研究了不同強度的UV-C輻射處理對蘋果汁嗜酸耐熱菌失活的影響，發現其對數存活率隨處理時間呈線性下降，最大強度時在8 min內細菌孢子數下降了約5個對數。紫外線穿透率與介質的吸光度成反比，因此，確保微生物安全所需的照射劑量受果汁成分的影響。NFC蘋果汁中含有多種可溶性化合物，如多酚、蛋白質和維生素，它們能吸收UV-C輻射；還含有不溶性物質，如蛋白質、碳水化合物和較大的組織顆粒，可以阻止或分散輻射[46]。MURAKAMI等[47]評估了不同濁度蘋果汁在不同紫外強度下微生物失活情況，發現對不溶性固形物的影響顯著，靠近紫外光源的產品殺菌效果更好。因此，針對NFC蘋果汁殺菌需要針對性地優化使用的劑量。除此之外，紫外殺菌時果汁的流速、粒徑、和壓榨過程中果汁的褐變對殺菌效率也有影響[48]。紫外殺菌對果汁質量的潛在影響較小，NOCI等[49]發現紫外殺菌對果汁色澤影響更小，褐變指數顯著低于熱殺菌組，但對果汁PPO酶活性影響不顯著，這與尤菊[50]的研究一致，同時其發現UV處理后鮮榨蘋果汁的總黃酮含量、抗氧化能力顯著提高。可能是果汁在UV-C照射下激發自由基產生，引發壓力應激反應導致植物抗毒素累積，使黃酮類化合物含量增加。

2.2.5 NFC蘋果汁非熱等離子體處理技術

近年來，非熱等離子體(non-thermal plasma，NTP)作為一種新穎、經濟、多功能、非熱處理技術越來越多用于食品中。NTP是指體系中電子溫度遠高于體系中其他粒子溫度的等離子體。當施加脈沖電場(如電暈放電、介電阻擋放電等)時，其表觀溫度接近或略高于環境溫度，適用于熱敏性食物的加工[51]。NTP殺菌導致細菌失活的確切機制仍在研究中，但一些生成的產物已被證明發揮了作用，這些產物包括等離子氣相中的活性氧粒子、活性氧粒子、UV輻射和帶電粒子[52]。MONTENEGRO等[53]研究了不同NTP工藝參數(放電電壓、脈沖數和脈沖頻率)對大腸桿菌失活的影響，發現NTP可有效減少蘋果汁中大腸桿菌O157∶H7細胞的數量，最多可減少7log單位。DASON等[54]發現蘋果汁在低溫等離子體處理下大腸桿菌數量顯著下降[(4.02±0.03)lgCFU/mL]，對酚類穩定性和顏色變化均有積極影響。然而，有關NFC蘋果汁NTP處理的文獻較少，但從其他相關研究可以發現。NTP對果蔬中內源酶PPO、POD、PME等具有良好的鈍化作用以及能更好地保留果汁中的生物活性成分[55]。GAROFULIC等[56]研究了冷等離子體處理對酸櫻桃汁中花青素和酚酸的影響。優化等離子體工藝參數并與熱巴氏滅菌和未經處理的果汁進行比較。結果表明，其短時間處理增加了花色素苷和酚酸的濃度。在另一項研究中，同樣發現石榴汁經大氣等離子處理后，總酚含量增加了33.03%，可能與細胞壁的分解和提取作用有關[57]。

3 結語

NFC蘋果汁作為市面上興起的果汁，處理工藝簡單，最大程度地保留了蘋果中的營養成分，是一種新鮮、純天然的飲料。目前 NFC 蘋果汁在加工過程中存在口感、色澤較差、易分層的問題，特別是傳統的熱處理對果汁的營養物質和感官品質損害較大。

新興的非熱處理工藝能在較低溫度下達到與熱殺菌相同的效果(殺菌鈍酶)，解決NFC蘋果汁加工過程中口感差、易褐變的問題，而且能更好地保留蘋果汁中的營養成分，本文綜述了近年來提高NFC蘋果汁生產質量的非熱食品加工技術，特別是對殺菌滅酶的效果性和營養風味的穩定性。這些技術主要涉及超高壓技術、超聲處理技術、脈沖電場技術、紫外輻照技術和非熱等離子體技術。盡管非熱技術在微生物失活和保持NFC蘋果汁質量方面有良好的潛力，但單一的工藝技術都存在其局限性，需要結合2種或2種以上的非熱處理來進一步研究。