超高壓技術在果汁加工中應用的研究進展

王明雪，趙江麗，關曄晴，關軍鋒,*，王永霞

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北 邯鄲056000；2.河北省農林科學院生物技術與食品科學研究所，河北 石家莊050051）

超高壓是指大于100 MPa的壓力，一般把對物體施加大于100 MPa壓力的技術稱為超高壓技術（Ultra-high pressure，UHP），該技術在冶金、化工、成型、切割及食品等領域均有應用。將100～1 000 MPa的靜態液體壓力施加于包裝好的固態或液態食品上并保持一段時間，可以起到對食品殺菌滅酶和保鮮加工的目的[1]。采用UHP進行食品滅菌保鮮可以在延長食品保質期的同時，更好地保留其營養物質和風味特點，UHP滅菌是果汁加工中最常用的滅菌手段[2]。本文從UHP處理工藝參數對微生物的滅活效果、果汁品質和酶活性的影響3個方面進行綜述，闡述了UHP處理中的常見問題與技術難點，以期為UHP的應用提供參考。

1 影響果汁中微生物滅活效果的UHP工藝參數

采用UHP對果汁進行處理時，其工藝參數（壓力、保壓時間、過程溫度、升壓和卸壓速率及加壓次數[3-4]）的不同，會對微生物的滅活效果產生影響。

1.1 壓力

研究表明，壓力是UHP處理中影響微生物滅活效果的主要因素，隨著處理壓力的升高，微生物滅活效果增強[5-6]。草莓汁經200 MPa或250 MPa處理120 s后，耐酸大腸桿菌數對數值分別減少3.52和4.02[7]。UHP處理樹莓汁時，處理壓力越高，大腸桿菌、沙門氏菌、酵母菌和霉菌等微生物的滅活效果越好[8]。對南果梨汁的超高壓滅菌研究中發現，當壓力由200 MPa升高到300 MPa時，菌落總數由8×103CFU/mL減少到0.26×103CFU/mL，滅活效果顯著提高[9]。其原因可能是隨著壓力水平增加，微生物細胞被破壞的幾率也隨之增加。

1.2 保壓時間

保壓時間對微生物滅活效果的影響次之，延長保壓時間可以更有效地破壞微生物細胞。處理壓力為350 MPa時，對南果梨汁的保壓時間由5 min增加到25 min時，菌落總數由319 CFU/mL降至14 CFU/mL，微生物數量顯著減少[9]。研究發現，用300 MPa的壓力處理藍莓汁24 min，微生物的滅活效果明顯優于6 min[10]。隨著保壓時間的延長，楊桃汁中細菌存活數量明顯減少[11]。經UHP處理的草莓汁中，菌落總數隨保壓時間的延長而顯著減少，但總體減少趨勢是先快后慢再快速減少，這可能是由于在壓力處理下，部分耐壓性弱的微生物迅速死亡，隨著保壓時間的延長，其他微生物也會陸續滅亡，從而使滅菌效果增強[12]。

1.3 過程溫度

UHP處理的過程溫度對微生物滅活效果的影響也比較明顯[13]，在高于或低于常溫下進行UHP處理的微生物滅活效果均優于常溫[14]。研究表明，多數的微生物在-20℃下的滅菌效果優于20℃。UHP處理對冷凍樣品中大腸桿菌的滅活效果顯著優于常溫樣品[13]，這與低溫高壓下菌體細胞膜的結構更易被破壞有關[15]。在高于常溫的UHP處理中，微生物被滅活的比率隨溫度升高而增加。獼猴桃果汁經30℃、400 MPa處理可達到商業無菌狀態，而將溫度升高到50℃時，僅需200 MPa的壓力即可達到商業無菌狀態[16]。有研究發現，細菌細胞對20～35℃的靜水壓力相對不敏感，當操作溫度大于35℃時，細菌細胞對壓力變得敏感，這可能與細菌細胞膜脂的相變及其流動性的變化有關[17]。

1.4 升壓和卸壓速率

升壓、卸壓速率也會對殺菌效果產生影響。緩慢的升壓速率可能會引起細菌細胞的應激反應，從而影響微生物的失活率。提高升壓速率可以增強UHP處理對總好氧菌（Total aerobic bacteria）的滅活效果，采用60 MPa/min的速率加壓，失活的總需氧菌數的對數值為0.8～1.3，采用120 MPa/min的速率加壓，失活的總需氧菌的對數值則升高到0.88～2.14[18]。采用快速卸壓的方式可以提高對大腸桿菌、沙門氏菌、綠膿假單胞菌、副溶血性弧菌的滅菌效果[3]。Ratphitagsanti等[19]發現，在卸壓速率不變的情況下，較慢的升壓速率使解淀粉芽孢桿菌TMW 2.479孢子的失活率更高。但在相同的加壓梯度條件下，不同的升壓速率對英諾克李斯特氏菌（Listeria innocua）的滅活效果差異不顯著[20]。由上可知，營養細菌細胞、酵母和細菌孢子對壓力的敏感性不同，因此，有必要研究不同微生物在不同升壓和卸壓條件下的活動情況。

1.5 加壓次數

增加加壓次數可以提高果汁中微生物的滅活效果。獼猴桃果汁經400 MPa加壓1次時菌落總數小于100 CFU/mL，加壓2次時，殺菌率可達100%，果汁達到商業無菌狀態[21]。第1次加壓具有活化芽孢菌芽孢的作用，會引起芽孢菌芽孢發芽變成營養細胞，芽孢菌的營養細胞對壓力非常敏感，所以第2次加壓便很容易將已成為營養細胞的芽孢菌殺死[22]。因此，重復加壓處理具有明顯的殺滅芽孢的作用。

2 UHP處理對果汁品質的影響

果汁品質的變化是影響果汁產品貨架期的重要原因，評價果汁品質的指標主要有理化指標、營養指標和香氣品質。

2.1 UHP處理對果汁理化指標的影響

果汁理化指標主要包括：可溶性固形物含量（SSC）、pH值、色度、濁度等。

大多數水果如橙子[23]、香蕉[24]、獼猴桃[16]、椰子[25]、楊梅[26]、山荊子[27]、檸檬汁[28]、柑橘汁[28]等，經超高壓處理后，SSC變化較小，無顯著性差異。但是，桑葚果汁經700 MPa保壓5 min處理后SSC增加了近30%[29]；鮮楊桃汁經UHP處理后SSC由10.1°Brix降低至9.7°Brix，在冷藏40 d后逐漸降低至9.1°Brix；SSC在冷藏期的降低可能與果汁中未被滅活的微生物需要糖作為營養來源繼續生長，導致葡萄糖、果糖和總糖含量下降有關[11]。

果汁經UHP處理后pH值變化不一致。對南果梨汁的研究發現，壓力由200 MPa升高到500 MPa時，pH值由3.84降低到3.66；350 MPa壓力下保壓時間由5 min延長到25 min時，pH值由3.88降低到3.82；隨著UHP壓力的升高和保壓時間的延長，果汁的pH值顯著降低[9]，可能是由于壓力升高使水溶液的電離平衡向生成更多H+的方向進行，引起受壓介質pH值下降。桑葚汁經UHP處理后pH值上升，且隨壓力增大pH值變化顯著[29]，草莓汁經300 MPa分別處理20 min、30 min、40 min后與處理前無顯著差異，但壓力大于300 MPa會使草莓汁pH值隨壓力升高顯著增加[12]，這可能與果汁的制備方法及其化學成分有關。

色度是評價果汁品質的重要指標之一，一般用色差儀進行測定，結果用L*、a*、b*值表示，其中，L*值表示果汁的明暗度，a*值表示紅綠偏向，a*＞0顏色偏紅，a*＜0顏色偏綠，b*值表示黃藍偏向，b*＞0顏色偏黃，b*＜0顏色偏藍。經UHP處理后色度變化在不同類果汁中差異較大，蘋果、草莓、橙、藍莓、山荊子等果汁的色度參數隨壓力升高呈無規律性變化，且差異不明顯。南果梨汁的L*值隨壓力升高而下降[9]，超高壓處理對西番蓮果汁的色度無顯著影響[30]。這可能與果汁的固有屬性及果汁中的酶活性有關，也可能與果汁中多酚類物質與氧氣充分接觸而被氧化，導致果汁褐變程度增加有關。

果汁的濁度可以直接反映出果汁的穩定程度和品質。UHP處理影響果汁濁度變化的因素較多。草莓渾濁汁經UHP處理后濁度減小，但不同壓力作用下濁度的減小速率不同。壓力溫度協同處理后，獼猴桃清汁的濁度略有減小[16]，這可能是由于高壓和熱處理使果膠降解增多，果汁黏度增大，減少了懸浮顆粒在離心過程中的沉淀，進而使濁度減小[12]。對澄清蘋果汁的研究中發現，UHP處理對其濁度影響不顯著[31]，這可能與蘋果汁本身的澄清度有關。UHP處理導致濁度變化的可能原因有：①破碎的果肉細胞促進了化學成分的溶出；②UHP引起與果汁狀態相關的細胞壁水解酶，如果膠甲酯酶（PME）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）等活性的變化；③果汁自身組織狀態的不同[32]。

2.2 UHP處理對果汁營養成分的影響

果汁的營養成分包括還原糖、有機酸、維生素、蛋白質等。

有研究發現，UHP處理對橙汁的糖濃度和還原糖含量沒有顯著影響[33]。超高壓處理對蘋果汁糖和酸的濃度影響很小[34]，這可能與UHP一般只對食品中各組分分子間的非共價鍵起作用[35]有關。

大多數果汁經UHP處理后VC含量明顯下降，如菠蘿汁、楊梅汁、山荊子汁、獼猴桃汁、蘋果汁[34]等。獼猴桃汁經UHP處理后VC含量降低了14.89%[21]，其原因是超高壓處理加速了氧氣與VC的接觸，使VC被氧化[28]。草莓漿[36]、渾濁蘋果汁[37]經UHP處理后VC含量無明顯變化。

一般認為，UHP會破壞蛋白質的3級和4級結構，引起蛋白質變性[35]，使果汁中的蛋白質含量降低，但這對蛋白質含量低的果汁影響不大，如UHP處理后，藍莓汁中蛋白含量為1.1～1.5 mg/mL，與處理前蛋白含量相比無明顯變化[10]。

2.3 UHP處理對果汁香氣成分的影響

香氣成分的種類與含量直接決定果汁的香氣品質。滋味鮮美、氣味濃郁的果汁更受消費者歡迎。果汁中香氣化合物的種類及含量變化與UHP處理壓力和保壓時間有關。大量研究表明，UHP對果汁的特有香氣成分影響較小，如蘋果汁、杏汁等。橙汁經400 MPa保壓10 min處理后，香氣成分變化不明顯[38]。芒果汁經UHP處理后其香氣成分中的β-月桂稀、α-水芹烯等萜烯類物質含量均顯著下降[39]。黑莓汁在300 MPa保壓10 min處理后，其香氣成分中的醇類、酸類、酯類物質含量均減少，而酮類、醛類物質含量增加[40]。UHP處理導致香氣成分變化的原因可能與香氣成分在高壓環境中發生化學反應及相關酶對香氣物質的影響有關[32]。

3 UHP處理對果汁中酶活性的影響

果汁中常見的酶包括過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、果膠甲酯酶等，其酶活性的高低直接對果汁的褐變程度、風味及穩定性等造成影響。

3.1 壓力對酶活性的影響

壓力對酶活性的影響是雙重的，較低的壓力會激活酶的活性，而較高的壓力會抑制酶的活性。25℃，壓力為200 MPa時，保壓5 min或20 min，橙汁中的POD被激活，其活性隨壓力的升高而增大；壓力高于200 MPa后，酶活性隨處理壓力升高而降低[41]。白葡萄汁經300 MPa和600 MPa處理后，POD活性分別降低了73.1%和52.1%[42]。鮮榨荔枝汁經300 MPa處理后，POD活性變化不明顯，但經450 MPa處理后POD活性顯著降低[43]。Krystian等[37]研究表明，不同UHP處理參數均導致蘋果汁PPO和POD失活，其中壓力的影響最大，壓力600 MPa時，PPO和POD活性分別下降到1.8%和58%。芒果、胡蘿卜混合果汁經超高壓處理后PPO活性降低，但POD活性卻增加了約30%。高壓可以增加植物膜中酶和底物的釋放，甚至可以改變其2級和3級結構，這種構象變化可以改變酶活性及其底物特異性，暴露新的活性位點，激活潛在同工酶，并修飾其功能[44]。

3.2 處理時間和溫度對酶活性的影響

保壓時間和溫度對酶活性影響較小。梨汁中PPO活性隨處理時間的延長而降低，達到閾值后，再延長保壓時間對酶活性幾乎沒有影響[45]。在100 MPa壓力下，處理12 min和24 min時，藍莓汁中POD活性殘余量與處理6 min相比分別減少了2.22%和8.9%[10]。但在小于200 MPa的范圍內，時間的延長對草莓汁中PME的鈍化效果無顯著影響，隨著壓力升高，UHP對PME的鈍化作用隨時間延長而顯著減小，500 MPa條件下分別處理20 min和30 min，酶活性由85.39%降低到80.12%[12]。溫度協同超高壓對梨汁中PPO活性的降低效果較好，且溫度越高協同抑制效應越明顯[45]。芒果漿經熱燙后再進行超高壓處理，其PPO和POD活性也存在被鈍化的現象[39]。方亮[16]研究認為，升溫會弱化酶蛋白的某些氫鍵、疏水鍵、離子鍵和靜電相互作用，高壓可增強這種弱化作用，使酶的三維構象受到破壞而加速其失活。

4 小結與展望

果汁是一個復雜的體系，UHP處理對果汁的影響受果汁品種、類型、加工工藝參數等多種因素影響。目前的研究結果明確表明，UHP可以使果汁中微生物滅活，同時較好地保留果汁的營養品質及其特有香氣，但多數情況下UHP不能使果汁中的酶完全滅活，易導致果汁在貨架后期發生品質劣變，縮短保質期[32]。因此，將UHP大規模地應用于工業化生產，應針對特定果汁產品開發適用的加工工藝。同時，在UHP處理果汁的工藝中，還可以聯合電解質水、超聲波、紫外線、熱處理、低溫儲藏、脫氣等手段，最大程度維持果汁的營養品質，延長其保質時間。