膜過濾耦合紫外光法非熱殺菌處理椰子水研究

李銘，肖容雍，段振華

（1.三亞中瑞酒店管理職業學院，海南三亞572000；2.三亞航空旅游職業學院，海南三亞572000；3.賀州學院食品與生物工程學院，廣西賀州542899）

椰子（Cocox nucifera L.）是熱帶地區典型的木本油料作物和食品加工原料[1]，在海南經濟作物中占有重要的地位。椰子水（coconut water）是椰子果實腔內的液體胚乳，是一種營養和保健價值都很高的天然飲料[2]。根據聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization，FAO）數據顯示，全球椰果年產量約62.46萬噸[3]。椰子水來源豐富，椰果中的椰子水約占其總質量的25%[2]。我國椰子水的年產量約7.5萬噸。大多數椰子在加工時，除將少量椰子水加工為清涼飲料外，大部分作為廢物倒掉。這既造成環境污染，又造成資源的巨大浪費。由于椰子水含有豐富的營養物質，是微生物生長的理想培養液，因此其極易受微生物污染而變質，造成潛在的食品安全問題。有研究者采用電噴霧-傅立葉變換-離子回旋共振質譜（electrospray ionization-Fourier transform-ion cyclotron resonance-mass spectrometry，ESI-FT-ICR-MS），跟蹤監控了室溫23℃下保存椰子水的物理化學品質的下降過程，通過測定pH值、總酸度、微生物含量、紫外-可見光譜（ultravioletvisible，UV-vis）等指標，結果表明保存3 d后的椰子水不適合用于飲用[4]。此外，椰子水中含有過氧化物酶和多酚氧化酶[5]，這些酶具有相對較高的熱穩定性和物理穩定性，并且在儲藏或冷藏過程中，這些酶會造成椰子水褐變[6]。目前已經推出的椰子水產品多為利樂包裝的熱殺菌常溫保藏產品，保質期長是這類產品的優勢，但是熱殺菌會導致焦糖化反應和美拉德反應，使產品顏色加深，造成風味物質揮發和破壞，影響椰子水清爽的口感[7]。隨著目前國內居民消費水平的提高，傳統的熱殺菌產品很難滿足國內消費者追求綠色、天然、新鮮、原味的飲料消費發展趨勢。

在眾多現代食品工業技術中，非熱殺菌的產品日漸受到研究者和消費者的關注。食品的非熱殺菌是一類嶄新的食品加工技術，既有利于最大限度地保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及營養成分。近年來，食品的非熱殺菌技術包括膜過濾技術[8]、高壓二氧化碳技術[9]、高能超聲波技術[10]、輻照殺菌技術[11]、超高壓處理技術[12]、超高壓脈沖電場技術[13]、脈沖強光技術[14]、紫外光技術[15]和等離子體技術[16]等，是國內外研究者高度關注的熱點。

Mahnot等[17]采用微濾膜過濾技術處理嫩椰子水，研究表明膜過濾生產的椰子水樣品在4℃冷藏條件下保存最長時間為46 d。盡管0.45 μm微濾膜并不足以去除所有的微生物，但是在冷藏過程中未檢出大腸桿菌。研究采用的膜過濾裝置為實驗室規模的死端過濾裝置，且膜片直徑僅為47 mm，折算為膜面積僅0.001 734 m2。工業化膜過濾過程一般采用錯流過濾方式，以避免膜面嚴重污染。因此，盡管該研究結果為膜分離技術在椰子水保藏的應用上提供了參考，但是該研究僅屬于實驗室規模，無法直接放大到實際的工業化過程中。

椰子水中含有多酚氧化酶和過氧化物酶，一旦椰子水在加工過程中接觸空氣中的氧氣，酶促氧化反應就會使椰子水品質下降[18]。Augusto等[18]研究了紫外光照射技術對椰子水中多酚氧化酶和過氧化物酶的影響。結果表明，酶失活與處理時間相關，其失活機理可能是酶分子的折疊和聚集。過氧化物酶活力在處理15 min后下降到其初始酶活力的5%，在處理30 min后下降到初始酶活力1%。多酚氧化酶的活力在處理15 min后和30 min后分別下降到其初始酶活力的8%和2%。盡管其滅酶的效果得到了證實，且表明紫外光殺菌技術具有應用前景，但是該研究并未對微生物的殺滅效果以及紫外光處理后椰子水的理化指標進行評估，且未研究紫外光處理對椰子水的感官評定的影響。

與傳統熱殺菌相比，非熱殺菌技術普遍能較好地保持椰子水及其它果汁類食品的品質，但是抑制過氧化物酶和多酚氧化酶效果尚不理想。紫外光照射技術可以達到90%以上的滅酶效果，但是其應用于椰子水的加工研究尚不全面。因此本文將膜過濾技術與紫外光照射技術聯用，并且較為全面地評價了處理前后椰子水的理化、微生物和感官評定指標，為膜過濾耦合紫外光非熱殺菌處理在食品中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

椰子水：市售；硫酸、鹽酸、五水硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、乙醇、氫氧化鈉、三水亞甲基藍、四水酒石酸鉀鈉、三水亞鐵氰化鉀、二水乙酸鋅、葡萄糖、磷酸鹽緩沖液：國藥集團化學試劑有限公司；愈創木酚、鄰苯二酚：賽默飛世爾科技有限公司；3MTMPetrifilmTM型總菌落數測試片：明尼蘇達礦業及制造公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

陶瓷微濾膜（孔徑分別為 100、500、800 nm，膜過濾面積均為0.02 m2）、過濾系統（循環罐體積為10 L）：南京九思高科技股份有限公司；MS-TS型電子分析天平、FiveEasy型pH計：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；VARIOSLAN-LUX型紫外可見分光光度計：賽默飛世爾科技有限公司；KjeltecTM840型凱式定氮儀：福斯分析儀器公司；HT112ATC型糖度計：德州晨旸光學科技有限公司；HPM-12型紫外光燈：飛利浦電子公司；CH1025型超級恒溫水浴槽：上海平軒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 巴氏殺菌處理方法

采用恒溫水浴加熱椰子水，當椰子水中心溫度達到74℃后，維持15 s。

1.3.2 膜過濾處理方法

膜過濾試驗采用錯流過濾方式，操作壓力為100kPa，設備放置在大型冷庫內，將溫度控制在4℃以抑制微生物生長。操作時間為5 h，每間隔30 min記錄一次膜通量數據。試驗前后分別取膜截留側和透過側的椰子水樣品進行后續試驗。

1.3.3 紫外光處理方法

采用自制設備，將紫外燈放置在距離樣品20 cm處，照射聚異丁烯酸甲酯容器盛裝的椰子水15 min[18]，將椰子水進行攪拌，并且試驗在4℃冷庫內進行，以維持椰子水低溫。取處理前后的椰子水樣品并且檢測微生物以及各項理化指標。

1.3.4 椰子水的理化和微生物指標檢測

采用凱氏定氮法檢測蛋白質含量[19]；還原糖含量的測定采用費林試劑法[20]；可溶性固形物含量采用糖度計測定[21]；總菌落數采用3MTMPetrifilmTM型總菌落數測試片檢測[22]，在37℃培養箱內培養24h后進行平板計數；過氧化物酶活力采用1.5%愈創木酚為底物在460 nm下測定其吸光度值；多酚氧化酶活力采用0.6 mol/L鄰苯二酚底物在420 nm下測定其吸光度值[23]。

1.3.5 椰子水保藏試驗

使用新鮮椰子水、膜過濾后的椰子水以及膜過濾耦合UV處理后的椰子水，分別在4℃的條件下冷藏，并在第 0、1、3、5、7、9、11、13 和 15 天取樣，檢測總菌落數。

1.3.6 椰子水感官評價

采用新鮮椰子水、巴氏殺菌椰子水以及膜過濾耦合UV處理后的椰子水進行對比感官評定。從樣品的外觀、顏色、氣味、總體感覺4個方面進行0（不喜歡）～10（喜歡）打分。

1.4 數據處理

所有理化指標數據為3次重復，并以平均值±標準差表示，顯著性差異使用費舍爾最小顯著性差異的多重比較算法。

2 結果與分析

2.1 不同膜孔徑對椰子水膜通量的影響

膜通量是表征膜設備在一定溫度和給定壓力下，單位膜面積在單位時間內通過分離膜材料的液體的體積[24]。不同孔徑陶瓷膜對椰子水的膜通量的影響見圖1。

圖1 不同孔徑陶瓷膜對椰子水的膜通量的影響Fig.1 Effect of ceramic membranes with different pore sizes on membrane flux of coconut water

由圖1可知，初始膜通量受孔徑的影響，孔徑越大初始膜通量越大。隨著過濾時間的延長，800 nm孔徑濾膜的膜通量明顯降低，而500 nm和100 nm陶瓷膜的膜通量相對較為穩定。Kwon等[25]研究發現，椰子的蛋白質分子量主要分布在22 kDa～100 kDa。試驗過程中膜通量下降的主要原因，可能是這部分蛋白質分子與800 nm膜孔有較強的“架橋作用”[26]，因此800 nm孔徑膜更容易發生膜污染[27]，從而造成了膜孔堵塞，降低了膜通量。而這些大分子在較小的膜孔上，類似于在光滑的平面上，不容易被吸附，且由于采用錯流過濾，膜面的循環液可以不斷沖刷清理掉吸附的大分子，使得膜污染發生緩慢。因此從膜通量最大化的角度，800 nm膜不適合作為椰子水的過濾材料，而采用孔徑較小的500 nm濾膜，可以獲得較穩定且相對較高的膜通量。

2.2 不同處理對椰子水理化指標和微生物指標的影響

為評估椰子水經過不同處理后的品質，對椰子水中可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和還原糖含量進行測定，并將其設定為積極評價指標，處理后的椰子水越接近原液，表明過濾效果越好。并測定過氧化物酶活力、多酚氧化酶活力和總菌落數，并將其作為消極評價指標，處理后的椰子水相比于處理前指標越低，則表明過濾效果越好，試驗結果見表1。

表1 不同處理方式對椰子水過濾效果的影響Table 1 Effect of different treatment methods on filtration effect of coconut water

由表1可知，與新鮮椰子水相比，100 nm膜過濾可以顯著降低大部分消極評價指標（P＜0.05），但是也降低了積極評價指標，導致椰子水的營養價值降低。而孔徑500 nm和800 nm膜過濾后，不僅保留了椰子水中的營養成分，同時顯著降低了酶活力和總菌落數，有利于保持椰子水品質。因此，綜合考慮膜過濾效率和椰子水處理前后的品質，選用孔徑500 nm過濾膜作為椰子水非熱殺菌的過濾核心元件。

2.3 膜過濾耦合紫外光處理對椰子水理化指標和微生物指標的影響

由表1可知，椰子水經過500 nm膜過濾后，可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和還原糖含量整體較為接近新鮮椰子水，說明膜過濾對椰子水品質影響不大，但是仍然有較強的過氧化物酶和多酚氧化酶活力。由于酶是一種生物化學反應的高效催化劑，因此仍然需要進一步抑制酶活力以提高椰子水的品質。

經500 nm膜過濾后再采用紫外光處理，過氧化物酶活力從0.014 U/mL下降到0.003 U/mL，多酚氧化酶活力從0.155 U/mL下降到0.012 U/mL，均降低了一個數量級。同時總菌落數下降到＜25 cfu/mL。Porto等[28]采用臭氧處理青椰子水，致使過氧化物酶完全失活，但并未對食品品質造成影響。

膜過濾耦合紫外光處理對椰子水除菌效果的影響見圖2。

圖2 膜過濾耦合紫外光處理對椰子水除菌效果的影響Fig.2 Effect of membrane filtration coupled with UV treatment on the sterilization of coconut water

如圖2所示，新鮮椰子水初始總菌落數已經達到約1×104cfu/mL且總菌落數增長迅速，在第4天～第5天已經超過1×106cfu/mL，此時的椰子水已經不符合飲用安全。而經過500 nm膜過濾的椰子水在第9天仍然只有約1×105cfu/mL，并且經過UV處理后在第14天仍然低于1×105cfu/mL。說明膜過濾耦合UV處理可以有效抑制椰子水中微生物生長。

2.4 膜過濾耦合紫外光處理對椰子水感官品質的影響

為進一步評估500nm膜過濾耦合UV處理對椰子水感官品質的影響，將處理后的椰子水與新鮮椰子水和巴氏殺菌椰子水的感官評價進行對比，結果見表2。

表2 膜過濾耦合紫外光處理對椰子水感官品質的影響結果Table 2 Effect of filtration coupled with UV treatment on sensory quality of coconut water

由表2可知，巴氏殺菌采用熱處理，顏色氣味評分顯著低于經其它兩種處理方式的椰子水（P＜0.05），新鮮椰子水除顏色外，其它評價指標均得分最高。膜過濾耦合UV處理椰子水的感官評分與新鮮椰子水差異不顯著（P＞0.05），其中顏色評分略高于新鮮椰子水。可能是經過過濾處理的椰子水相較于新鮮椰子水更加澄清透明。

3 結論

通過對椰子水進行膜過濾和紫外光處理，并將處理后的椰子水品質與新鮮椰子水和巴氏殺菌處理的椰子水進行對比，結果表明，500 nm陶瓷膜的膜通量穩定，所得到的椰子水的可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和還原糖含量整體較為接近新鮮椰子水，說明經過膜過濾對椰子水品質影響不大，因此選用500 nm陶瓷膜作為過濾組件。膜過濾耦合UV處理得到的椰子水，其總菌落數在第14天仍然低于1×105cfu/mL。感官評價結果表明，膜過濾耦合UV處理椰子水的感官評價與新鮮椰子水差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于巴氏殺菌處理得到的椰子水（P＜0.05），因此500 nm陶瓷膜過濾耦合UV處理椰子水可以有效實現椰子水的保鮮殺菌效果。本研究為工業化設計提供有效數據積累和參數參考，具有工業化應用前景。