超高壓處理對果蔬品質的影響

熊孜 廖李 喬宇 程薇 史德芳 王俊 陳學玲

摘要：超高壓技術已成為當今世界最熱門的非熱處理果蔬加工技術之一，從超高壓處理的基本原理和主要特點入手，分析了超高壓處理對果蔬中主要微生物、酶活性、色澤、質地、風味和營養活性等的影響，闡述了超高壓處理果蔬產品的應用現狀及發展前景。超高壓處理的食品在較好地保持了其原有的天然風味和營養價值的前提下，有效地延長了保質期，該技術將從果蔬加工延伸到更加廣泛的食品加工，并逐步實現產業化。

關鍵詞：超高壓;果蔬;品質

中圖分類號：TS255.3 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）09-0145-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.031

超高壓（Ultra-high pressure，UHP）技術是指在室溫或稍高于室溫的環境下，在密閉的超高壓容器內，用液體作為介質對食品等物料施以百兆帕級的壓力，以達到殺滅微生物、鈍化內源酶、改善食品品質等目的的一項純物理加工技術，屬于非熱加工技術。因其主要利用液體（一般為水）作為壓力傳導介質對樣品進行加壓處理，故又稱為高靜水壓或高流體靜壓技術[1，2]。

1 超高壓處理的基本原理和主要特點

超高壓設備產生的極高靜壓（通常為100～1000MPa）不僅會影響細胞的形態，還會使氫鍵、疏水鍵、離子鍵等非共價鍵（形成生物高分子立體結構）被破壞，從而使得酶、蛋白質、淀粉等大分子的空間結構發生變化，導致酶失活[3]，蛋白質變性，淀粉糊化或部分糊化，微生物被殺死[4]。但是，超高壓不影響共價鍵的完整性，低分子量的生物分子如維生素、氨基酸、單糖或寡糖、色素和風味物質等的共價鍵未受高壓影響（共價鍵至少要在1000MPa以上才對壓力敏感），因而超高壓處理的食品在滅菌延長保質期的同時，還較好地保持了其原有的營養價值[5]、色澤和天然風味[6，7]。

與傳統熱加工相比，超高壓具有如下優點：一是超高壓具有瞬間性和一致性。即超高壓的壓力是瞬間傳遞的且在食品中均勻分布，同批物料在同一壓力容器中經短時間處理，就可獲得均一的處理效果[8]。因此，超高壓處理不受食品大小和形狀的影響，一旦壓力達到要求，不再需要額外的能量[9];二是超高壓會破壞氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價鍵，導致蛋白質變性、酶失活，使細菌等微生物被殺死，從而在一定程度上減緩果蔬類產品在貯存過程中的腐敗過程，延長食品的貯藏期[10];三是超高壓處理幾乎不會破壞氨基酸、維生素、色素和香氣成分等低分子化合物的共價結合，因此可以最大限度地保持食品的營養價值、色澤和天然風味[11];四是超高壓能提高食品的附加值。例如，對黃酒用50～150MPa的高壓處理30min，其揮發酯的含量提高了10%～20%，苦澀味氨基酸的比例減少，甜鮮味氨基酸的比例增加，酒的口味在經過處理后更加濃郁醇香，總體催陳效果達1年以上[12]。一些研究表明，應用超高壓技術可以使得加工中的香氣損失得到避免，此外部分酶的活性也可以被激活，從而釋放了果蔬汁某些潛在的香味成分[13]。五是超高壓還具有對環境無污染以及少用或不用化學添加劑等優點[14]。

2 超高壓對果蔬加工產品微生物的影響

細胞膜、細胞質及細胞核是微生物細胞的主要結構，各組成部分相互協調，使得新陳代謝和生長繁殖得以順利進行，從而使微生物的生命得以延續。超高壓產生的極高的靜壓可改變細胞壁結構和破壞細胞膜結構，導致細胞膜通透性發生變化，使微生物細胞內生理功能紊亂、喪失，導致微生物死亡[15]。因此，隨著處理壓力的提高，保壓時間的延長，菌落總數的對數值呈明顯的下降趨勢[16]。例如，鮮切南瓜在350MPa壓力下細菌總數急劇下降;450MPa時即可達到商業無菌的效果;當壓力為550MPa時，南瓜中幾乎檢測不到細菌[17]。

微生物種類包括真核微生物和原核微生物，兩者具有不同的細胞結構，對壓力也表現出不同的敏感程度。草莓汁中的大腸菌群對壓力的敏感性很高，全部殺滅只需要在350MPa的壓力下保壓3min;而酵母菌和霉菌的耐壓能力比大腸菌群高，在350MPa壓力下，需要保壓10min才可全部被殺滅[18]。酵母菌、真菌和大部分細菌包括食源性致病菌在300～600MPa高壓處理5～10min可被殺滅，但如果要達到國家食品相關標準要求，則需在650MPa壓力下處理15min以上[19，20]。

超高壓難以改變微生物的DNA，但與DNA復制和轉錄有關的酶在超高壓下會失活，從而影響了微生物的生長繁殖。鮮榨胡蘿卜汁經400MPa壓力處理45min，能在4℃下貯藏3d，鮮榨蘋果汁經過400MPa壓力處理15min，可在4℃下貯藏7d仍保持食用安全性[21]。

微生物所在體系不同，表現出來的耐壓性也不同。對于果汁而言，經500MPa壓力保壓15min處理，菌落總數可達到國家食品衛生標準要求[18]。但作為生鮮的蓮藕要達到國家食品衛生標準要求，需要在600MPa的壓力下處理2.5min以上[22]。

總的來說，超高壓對微生物有明顯的殺滅作用，壓力越大，保壓時間越長，微生物致死率越高，但并不是線性關系。超高壓對細菌的殺滅效果主要取決于壓力的大小，保壓時間只在一定范圍內有作用。不同的微生物因自身結構不同表現出不同的耐壓性，同樣的微生物因所處體系不同也表現出不同的耐壓性。

3 超高壓對果蔬加工產品酶活力的影響

酶的化學本質是蛋白質，因此也具有一級、二級、三級和四級結構，不同級別的結構對酶分子具有不同的意義。一級結構是指多肽鏈中的氨基酸排列順序，結構非常穩定，至今還沒有超高壓破環蛋白質一級結構的報道[23]。在一定范圍內，隨著壓力增加，酶分子中α-螺旋含量逐漸減少，β-折疊含量逐漸增加，即酶分子的二級結構在超高壓的作用下發生了變化。超高壓處理同樣改變了酶的三級結構[24]，表現為熒光強度、峰位和峰型的改變。這是因為超高壓破壞了使維持蛋白質三級結構的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級鍵[25]。酶的生物活性來源于活性中心——由分子的三維結構產生，即使是活性中心構象一個微小的變化也能改變酶的功能性質[26]。

4.3 超高壓處理對果蔬加工產品風味的影響

與傳統食品加工模式熱力加工相比，超高壓處理不影響共價鍵的完整性，可以更好地保持食品的天然風味。橙汁經超高壓處理后特征香氣醛類成分基本不受影響[48]。但是超高壓會激活或者降低某些與風味相關的酶的活性，從而改變風味物質的種類和含量，同時，超高壓通過減小體積可能導致風味物質前體物的濃度增大，從而改變風味物質的濃度。

果蔬中的香氣成分主要包括醇、醛、酯等有機物質[1]。哈密瓜汁在500MPa高壓下處理10min后，醋的種類及含量都有不同的變化，烯醛類新增加了4種，它們呈現出較濃的新鮮氣;酮類新增加了6種，它們多呈現出花果的香甜氣[49]。獼猴桃汁施以600MPa高壓處理20min后，桃汁中醇類化合物的種類和數量都有所減少，而羧酸類、醛酮類和雜環類物質的種類和數量都有所增加[50]。芒果汁在施加500MPa壓力20min后，主體特征香氣成分萜烯類等的含量沒有明顯變化，但醇類物質的含量增長較多，且新增了2-已烯醛和十八醛等香氣成分，而酯類香氣成分含量有所降低，因此，對芒果汁而言，超高壓處理既能使芒果的特征香氣得以很好保持，并且更加突出了芒果汁的青鮮香氣[51]。草莓漿經超高壓（300～400MPa）處理后香氣成分發生明顯改變，發揮主導作用的酷類醛類等物質含量顯著增加[52]。

5 超高壓處理對果蔬加工產品營養成分及活性成分的影響

果蔬不僅是維生素的主要來源，同時還富含酚類物質等營養活性成分。由于超高壓處理對共價鍵無影響，因而可以有效保留這些營養活性成分。

5.1 超高壓處理對果蔬加工產品維生素C含量的影響

分子中的共價鍵不會因為高壓而被破壞，因此理論上超高壓技術能保持食品中的營養成分，很多研究證明超高壓對果蔬中的維生素不會產生破壞，或者影響較輕[53]。200～500MPa的超高壓對西瓜處理后，其維生素C含量能保留在90%以上[54]。獼猴桃汁經500MPa的壓力處理后，其維生素C含量仍保持87%以上，是傳統熱力處理保存率的1.7倍[55]。超高壓（300～600MPa，15min）處理的黑莓汁維生素C的保留率為90.10%97.92%[州。草莓汁經超高壓處理后濁汁飲料和清汁飲料的維生素C保留率為92.2%和87.4%[57]。超高壓對黃瓜中維生素C含量的影響也不大，在300～600MPa的各個壓力下，其保留率均在93%以上[37]。總地來看，超高壓對果蔬加工產品的維生素C有影響，會造成果蔬維生素C的損失。但這種影響可能不是超高壓造成的破壞，而是維生素C本身性質極不穩定，易氧化造成的[58]。另外超高壓會造成果蔬的組織被破壞，隨著水分的流失，水溶性維生素C也會流失，從而造成果蔬維生素C的損失。亦有研究認為超高壓處理把氧氣壓人食品體系，造成其體系中的活性氧含量增加，加速與維生素C的接觸使其氧化，從而造成維生素C含量減少[59，60]，例如，OEY等[61]研究了超高壓狀態下維生素C的穩定性，發現降低原料中氧氣含量后，維生素C的穩定性得到了明顯提高。

5.2 超高壓處理對果蔬加工產品總酚含量的影響

植物多酚具有較強的抗氧化性和清除自由基的能力[62]。屬于小分子化合物的多酚同樣對超高壓不敏感。Patras等[63]研究發現草莓和黑莓中多酚類物質對壓力不太敏感;Prasad等[64]對龍眼果皮的研究也認為超高壓對總酚含量沒有影響。藍莓汁經各種壓力（200、300、400、500MPa）處理后，各處理組藍莓汁的總酚含量變化都不明顯[16]。

同時，由于總酚所存在的物料及其酶活性不同，總酚含量在超高壓作用下會表現出不同的變化。楊小蘭等[65]認為超高壓處理（500MPa，20min）能顯著提高獼猴桃漿多酚的含量，其中，獼猴桃游離酚含量能增加78.68μg/mL，獼猴桃結合酚含量能提高15.58μg/mL;魏煒等[66]認為甜橙果肉中的總酚隨著壓力的增大呈上升趨勢，低于200MPa時提高不顯著（P>0.05），當壓力達到400MPa時，總酚含量極顯著增加（P<0.01），分別提高了25.72%（400MPa）和36.04%（500MPa）;而馬靜等[37]認為超高壓處理會降低蔬菜中的多酚物質，但損失較小。例如黃瓜經300MPa超高壓處理后多酚類物質損失9.7%。由于壓力作用促進了果蔬中其他物質轉化為總酚類物質，從而使總酚類物質含量增加。因此，超高壓一般不直接影響果蔬加工產品中的總酚含量，但可以通過改變酶的活性間接影響其含量。

5.3 超高壓處理對果蔬加工產品抗氧化性的影響

超高壓可能對果蔬加工產品的抗氧化性沒有顯著影響。例如，草莓果肉在600MPa超高壓下處理4min后，其抗氧化性無顯著性影響（P>0.05）[67];芒果果漿經超高壓處理后能夠保持較好的DPPH·清除能力[68];藍莓汁經200MPa處理5～15min后的抗氧化能力與新鮮果汁相比無顯著性差異（P>0.05）[69];超高壓處理對枸杞汁的DPPH·清除能力無顯著影響（P>0.05），即超高壓處理能較好地保持枸杞汁的抗氧化活性[70]。

超高壓也可能降低果蔬加工產品的抗氧化性。例如，經400、600MPa處理15min后，藍莓汁抗氧化能力下降[69]。超高壓也可能提高果蔬加工產品的抗氧化性。例如，胡蘿卜和綠豆碎屑在600MPa壓力下處理2min，兩者的FRAP值均提高，表明其抗氧化性增強[71]。胡抽汁經超高壓處理后抗氧化性提高[40]。白潔等[56]亦報道超高壓處理后黑莓汁的DPPH·清除能力顯著增強（P<0.05）。

總地來看，超高壓對果蔬產品抗氧化能力的影響與主要活性成分的變化密切相關，因而取決于果蔬原料中的抗氧化成分及含量。

6 超高壓處理果蔬加工產品的應用前景

隨著生活水平的不斷提高，人們開始追求更高質量的生活，天然無添加的新鮮食品更受大眾的認可。傳統的熱殺菌技術雖然可以殺死微生物，但卻不可避免地影響了食品的色澤、風味和營養，于是作為替代傳統熱加工手段之一的超高壓技術的優勢就體現出來了：滅菌，延長保藏期;鈍酶，抑制酶促褐變;可保持食品原有風味色澤，并且對營成分破壞較小。果蔬是人們日常生活中不可缺少的新鮮食品，然而果蔬本身含水量高，組織脆嫩，難以長時間貯存，且采摘后是有生命的，極易受機械損傷而腐爛變質，具有鮮明的季節性和地域性。將超高壓技術應用于果蔬保鮮加工，在保持原有風味和營養的同時，有利于延長果蔬的貨架期[72]。因以上諸多優點，超高壓技術在國外已經實現產業化應用[73]。

目前對超高壓技術的研究僅停留在現象層面，沒有從細胞層面和分子層面對超高壓的殺菌機理進行研究，也沒有深入研究超高壓對酶結構的影響[2]。未來的研究方向之一是建立科學合理的數學模型來解釋殺菌、鈍酶等不同的動力學過程。隨著研究的不斷深入，未來超高壓技術的研究和應用將向更廣闊的領域延伸。

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收稿日期：2019-11-05

基金項目：湖北省知識產權局高價值專利培育轉化和產業化項目（201701033A）

作者簡介：熊孜（1988-），女，湖北應城人，助理工程師，碩士，主要從事食品加工與安全研究，（電話）13720368319（電子信箱）846714190@qq.com;通信作者，程薇（1962-），女，研究員，（電子信箱）823093607@qq.com。