曹秋旭，郭麗瓊，吳厚玖

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑橘研究所，重慶400712)

超高壓在柑橘類果汁加工中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

曹秋旭1，郭麗瓊1，吳厚玖2，*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑橘研究所，重慶400712)

超高壓技術(shù)能有效的對(duì)食品進(jìn)行殺菌和滅酶，由于大都在常溫下處理，因此對(duì)食品的色、香、味等感官特征以及營(yíng)養(yǎng)成分影響較小，是一種有潛在應(yīng)用價(jià)值非熱滅菌的先進(jìn)技術(shù)。本文綜述了超高壓技術(shù)的特點(diǎn)及其在柑橘果汁中的應(yīng)用和研究進(jìn)展，并展望了超高壓在果汁加工中的應(yīng)用前景，為進(jìn)一步研究超高壓技術(shù)在果汁加工中的應(yīng)用提供參考。

柑橘汁，超高壓，殺菌，滅酶

Abstract:The ultra high pressure technology could sterilize and inactivate enzymes effectively in food，the sensory characteristics such as color，flavor，taste and nutrients had a few influence due to the processing most at room temperature，so it was an advanced non-thermal sterilization technology that had potential applications.The characteristics and the application and research advances of the ultra high pressure in the citrus juice processing was reviewed，and the application prospect of the ultra high pressure in the citrus juice processing was discussed.This could provid the reference for the deep research of ultra high pressure in the citrus juice processing，

Key words:citrus juice;ultra high pressure;sterilization;enzymes inactivation

柑橘是世界第一大水果。目前，世界上約有140個(gè)國(guó)家進(jìn)行商品化柑橘生產(chǎn)，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織報(bào)告，2009年全球柑橘總產(chǎn)量為1.24億t，其中甜橙產(chǎn)量為676萬(wàn)t［1］。柑橘果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，既可鮮食，又可加工成以果汁為主的各種產(chǎn)品。柑橘果汁中含有豐富的維生素C(Vitamin C)、葉酸與鉀，同時(shí)對(duì)于改善患有高血膽固醇人群的血脂具有重要意義［2］。目前，柑橘的加工制品多達(dá)1000種以上，最主要的是橙汁，其次是橘瓣罐頭、蜜餞和果酒等。在柑橘汁加工中通常采用熱殺菌技術(shù)來滅酶和殺菌，該技術(shù)雖然能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期，但也會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生一些不利的影響，如:破壞產(chǎn)品原有的色、香、味，引起熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分(如VC)的損失，產(chǎn)生異味和異常物質(zhì)等［3-5］，且耗能量大，容易造成環(huán)境污染等。超高壓(ultra high pressure，UHP)屬于一項(xiàng)純物理非熱加工技術(shù)，它可以殺滅食品中的微生物，鈍化酶或使其部分失活、使蛋白質(zhì)變性、使淀粉糊化或部分糊化，從而避免熱加工的破壞作用，達(dá)到延長(zhǎng)食品的貯藏期、保持食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分與風(fēng)味、提高食品的食用品質(zhì)的目的［6］。在橙汁加工中，超高壓處理對(duì)橙汁色澤等參數(shù)影響程度較小;相比于熱力殺菌處理，橙汁主要成分損失要低得多;超高壓處理后的橙汁中揮發(fā)性風(fēng)味組成成分如醇類、酯類、烴類總含量變化相對(duì)較少，醛類熱力殺菌處理與鮮榨橙汁比較無(wú)明顯變化，而超高壓處理與鮮榨橙汁相比醛類增加3倍以上［7］。

1 超高壓技術(shù)在柑橘類果汁加工中的應(yīng)用研究

超高壓技術(shù)具體是指利用一定的壓力媒介(水、食用油、甘油、油與水的乳濁液等)使食品在極高的壓力(一般大于100MPa)下產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性、酶失活、淀粉糊化和微生物殺滅等一系列理化及生物效應(yīng)，從而達(dá)到滅菌和改性的過程［8］。超高壓技術(shù)可廣泛應(yīng)用于食品的殺菌、滅酶及改善食品品質(zhì)等方面，目前超高壓技術(shù)已在果醬、果汁、含果肉的果凍、豆?jié){、乳蛋白制品、魚糜魚糕、魚肉制品、牛肉制品、甲殼類水產(chǎn)品等開展過系列研究，并取得了許多產(chǎn)業(yè)化效果［9-11］。同時(shí)它適合果汁飲料、濃縮果汁和果醬等液態(tài)或半固態(tài)食品的殺菌、滅酶及改善食品品質(zhì)，超高壓處理的新鮮果汁，其顏色、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)成分和未經(jīng)超高壓處理的新鮮果汁幾乎無(wú)任何差別［12-13］。

1.1 超高壓滅酶

酶是有催化活性的一類特殊蛋白質(zhì)，其生物活性產(chǎn)生于活性中心，活性中心是由分子的三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。超高壓作用可使維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級(jí)鍵被破壞，導(dǎo)致酶蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)崩潰，使酶活性中心的氨基酸組成發(fā)生改變或喪失活性，從而改變其催化活性。蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的改變與體積的變化有關(guān)，而根據(jù)勒夏特列原理，超高壓有利于體積減小的反應(yīng)發(fā)生，而抑制體積增加的反應(yīng)［14］，因此會(huì)受到高壓的影響，而蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)不受高壓作用的影響［15-16］。高壓對(duì)酶的影響分為兩種情況:壓力較低時(shí)可能可以激活酶;壓力較高時(shí)使酶失去活性，加熱可以協(xié)同高壓抑制酶活性［17］。

根據(jù)酶活力的損失和恢復(fù)失活分為4類［15，18-19］:完全不可逆失活、完全可逆失活、不完全可逆失活、不完全不可逆失活。超高壓使酶激活或失活都與食品的品質(zhì)有關(guān)，除了構(gòu)型變化，酶激活主要是由于壓力產(chǎn)生的凝聚作用，在完整的組織中酶和基質(zhì)經(jīng)常被隔離分開。應(yīng)用較低的高壓可以破壞這種隔離，使膜破壞而使酶和基質(zhì)相互接觸，這種相互接觸引起的酶反應(yīng)可被壓力加速或減速，這取決于酶催化反應(yīng)的反應(yīng)容積。

每種酶都存在最低失活壓力，低于這個(gè)壓力酶就不會(huì)失活，當(dāng)壓力超過這個(gè)值時(shí)(在特定時(shí)間內(nèi))，酶失活速度會(huì)加速直到完全失活，甚至一些果汁經(jīng)過較低的壓力處理后，其中的某些酶活力不降反升，這可能是由于較低壓力破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)而將胞內(nèi)的酶釋放出來，但這一壓力卻不能破壞酶的活性中心，從而導(dǎo)致低壓下酶活不降反升。同時(shí)有研究表明，較低壓力對(duì)某些酶具有激活作用［20］。由此可見，對(duì)于特定酶的最低壓力和最高壓力的研究是研究超高壓滅活酶的關(guān)鍵點(diǎn)。這個(gè)壓力失活范圍受到酶的類型、pH、介質(zhì)成分、溫度等因素影響，對(duì)于一些酶存在一個(gè)最高壓力，比它更高的壓力，并不會(huì)導(dǎo)致額外酶的失活，一般認(rèn)為由酶的一小部分不可逆失活而轉(zhuǎn)化為非常耐壓的部分。當(dāng)壓力解除后耐壓的一部分恢復(fù)原來狀態(tài)，而不可逆失活的保持不變［21］。當(dāng)利用核磁共振術(shù)、紅外或拉曼光譜技術(shù)、X-射線衍射技術(shù)、動(dòng)態(tài)光譜掃描技術(shù)以及電子自旋共振高精密度的技術(shù)觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在超高壓作用下的變化情況，就可以進(jìn)一步證實(shí)維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等各種次級(jí)鍵被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)崩潰，最后甚至發(fā)生了蛋白的變性［22］。

在食品貯藏過程中，過氧化物酶(Peroxidase，POD)常對(duì)食品風(fēng)味產(chǎn)生負(fù)面影響，影響食品感官。在食品熱加工處理中，過氧化物酶也是一種最難鈍化的酶，因此常將其作為滅酶效果的指標(biāo)酶。同時(shí)，一般情況下它也是非常耐壓的。造成過氧化物酶對(duì)壓力的耐受性可能有以下兩個(gè)方面原因:食品體系中蛋白質(zhì)、糖類、脂肪以及一些鹽對(duì)酶具有保護(hù)作用;過氧化物酶存在多種形式的同工酶。

夏遠(yuǎn)景等［20］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理溫度為室溫、保壓時(shí)間分別為5、20min時(shí)，200MPa以下壓力范圍內(nèi)橙汁中過氧化物酶被激活，其活性隨壓力的增加出現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)壓力大于200MPa，隨著處理壓力增加酶活性下降;產(chǎn)生200MPa內(nèi)酶活性升高現(xiàn)象的主要原因可能為以下2點(diǎn):橙汁中存在未破碎細(xì)胞，在壓力作用下細(xì)胞膜被損壞或改變了膜的通透性，使細(xì)胞內(nèi)部的過氧化物酶泄露出來，導(dǎo)致酶活性比對(duì)照樣還高;酶液中還存在一定數(shù)量的細(xì)胞碎片，當(dāng)壓力增加到200MPa時(shí)，壓力使酶從果汁細(xì)胞碎片附著而被束縛的狀態(tài)中解離出來，提高了酶的活性。而當(dāng)壓力足夠高時(shí)，酶的活性中心構(gòu)像發(fā)生變化，因此活性下降。此外，過氧化物酶活性變化與處理溫度、處理時(shí)間、果汁的pH等均有關(guān)。

多酚氧化酶(Polyphendoxidase，PPO)廣泛地存在于各種植物中，在許多常見的水果和蔬菜中都能檢測(cè)到，是引起食品褐變和果蔬等腐敗的主要原因。趙光遠(yuǎn)等［23］研究發(fā)現(xiàn)，500MPa以下壓力對(duì)果汁中的多酚氧化酶有激活作用，在600MPa以上或與熱處理結(jié)合時(shí)有鈍化多酚氧化酶的作用。

果膠甲基酯酶(Pectin methylesterase，PME)是使柑橘汁中產(chǎn)生絮狀不穩(wěn)定物的酶，并與制品黏稠度的減小以及濃縮物的凝膠化有關(guān)。Cano等研究表明，新鮮的橙汁的果膠甲基酯酶在室溫、200～400MPa的壓力處理下可被滅活［14］。Lisbeth 等［24］研究發(fā)現(xiàn)，5℃下，經(jīng)600MPa高壓處理1min，再在室溫下貯藏1d的橙汁中果膠甲基酯酶活性下降了92%，少部分未失活的果膠甲基酯酶是熱穩(wěn)定性較高的果膠甲基酯酶，但它們?cè)谑覝叵?20℃)經(jīng)過相同的壓力及保壓時(shí)間處理后仍不會(huì)失活。不過，Polydera［25］等對(duì)希臘臍橙果汁的研究發(fā)現(xiàn)，在500MPa壓力下處理15min，果膠甲基酯酶活性基本被鈍化，并在貯藏和運(yùn)輸過程中不會(huì)復(fù)活。

將高壓技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，可以更有效地破壞果汁中的酶。Monica等［26］把2mmol/L的 CO2充入橙汁，用500MPa的壓力處理，果膠甲酯酶的活性比單獨(dú)用500MPa壓力處理能更進(jìn)一步鈍化，在500～800MPa下，CO2同樣能顯著地降低多酚氧化酶的活性。

1.2 超高壓滅菌

超高壓滅菌基本原理是高壓使微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化反應(yīng)、基因機(jī)制以及細(xì)胞壁膜發(fā)生多方面變化，從而影響微生物原有的生理活動(dòng)機(jī)能而死亡［27］。超高壓能破壞蛋白質(zhì)氫鍵、二硫鍵和離子鍵，蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)遭受破壞，使其基本物性發(fā)生變異，產(chǎn)生蛋白質(zhì)的壓力凝固及酶的失活;超高壓還能使菌體內(nèi)的成分產(chǎn)生泄漏和細(xì)胞膜破裂等多種菌體損傷［28-29］。所以，超高壓在常溫下具有致死微生物，使蛋白質(zhì)、淀粉等產(chǎn)生壓力凝固，同時(shí)在靜態(tài)壓力向自身體積減小的方向變化，即形成生物體高分子物質(zhì)的核酸、多糖類、脂肪等立體構(gòu)造的氫鍵結(jié)合、離子結(jié)合、疏水結(jié)合等非共有結(jié)合發(fā)生變化，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)、淀粉原來的構(gòu)造被破壞而發(fā)生變性，細(xì)胞核膜被破壞，酶失去活性和功能，生命活動(dòng)停止［16，30-31］。

由于高壓處理時(shí)料溫隨著加壓(卸壓)而升高(降低)，一般高壓處理每增加100MPa壓力，溫度升高2～4℃，故近年來也認(rèn)為超高壓對(duì)微生物的致死作用是壓縮熱和高壓聯(lián)合作用的結(jié)果［15］。

與熱力殺菌技術(shù)相比，它的殺菌時(shí)間一般只需5～10min，而傳統(tǒng)熱力殺菌一般為 20～30min，同時(shí)它可以在常溫下進(jìn)行(巴氏殺菌溫度一般為70～100℃)，外界環(huán)境影響較小，利于保持食品功能成分的生理活性，保持其色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分，蛋白質(zhì)、淀粉類食品超高壓處理后可獲得新特性的食品，同時(shí)具有延長(zhǎng)食品的貯藏期等優(yōu)點(diǎn)［8，10，32］。

超高壓滅菌的效果與壓力大小、果汁含菌量、處理時(shí)間及微生物的種類等因素有關(guān)［16］。柑橘類果汁呈酸性，酵母、霉菌、乳酸菌等是其變質(zhì)腐敗的主要原因。柑桔類果汁加壓實(shí)驗(yàn)表明，在300～400MPa下處理10min，果汁中易生長(zhǎng)的酵母、霉菌及一般細(xì)菌(如乳酸菌)全部死亡［33］。

酵母菌和好氧性細(xì)菌廣泛存在于柑橘果汁中，它們對(duì)產(chǎn)品貨架壽命有較大影響。Bull等［34］研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過600MPa超高壓處理過的伏令夏橙和臍橙橙汁中微生物能夠降低到理想的水平。他們將橙汁經(jīng)600MPa，20℃，1min處理后，在4℃或 10℃條件下貯藏12周后，測(cè)定發(fā)現(xiàn)其好氧性細(xì)菌和酵母菌檢出量大幅下降。

在對(duì)影響超高壓滅菌效果參數(shù)的研究中，Donsl’G 等［35］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力為 150、200、250MPa，溫度均為25℃，保壓時(shí)間均為1min時(shí)，酵母菌失活率隨著壓力的上升而上升;而當(dāng)壓力分別為150、250MPa時(shí)，保壓時(shí)間均為1min，兩壓力情況下45℃時(shí)失活率均遠(yuǎn)高于25℃時(shí)失活率，說明在超高壓處理過程中，某一壓力下，隨著保壓溫度的提高，殺菌效果會(huì)有所提高，但保壓溫度對(duì)殺菌效果的影響顯著性遠(yuǎn)不及壓力，同樣的情況也出現(xiàn)在保壓時(shí)間和壓力的比較中，因此影響超高壓滅菌的效果的最重要的因素應(yīng)為壓力大小。

1.3 超高壓處理對(duì)果汁品質(zhì)的影響

對(duì)于柑橘類果汁等產(chǎn)品，熱力殺菌處理會(huì)不同程度的破壞一些重要的感官品質(zhì)，如口感、顏色、香氣成分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。而利用超高壓處理，可以有效的保持功能成分的生理活性，并且對(duì)果汁特有的色、香、味破壞較小，有利于保證產(chǎn)品品質(zhì)。

對(duì)于柑橘類果汁，在25℃、100～600MPa的作用下，可溶性固形物、酸、不溶性固形物及氨基態(tài)氮都沒有明顯變化［36］。但對(duì)于VC含量，不同品種橙汁處理后VC含量的損失是不同的，某些品種處理后其VC損失甚至較熱力殺菌大，這可能是由于這些品種的橙汁中氧氣含量較高，在加壓條件下對(duì)氧氣氧化VC損失有較大促進(jìn)作用。

例如，F(xiàn)elix［37］等研究發(fā)現(xiàn)，室溫下經(jīng) 200、400、600MPa處理，保壓時(shí)間均為30min的橙汁，其水溶性維生素含量基本不發(fā)生變化。Sánchez-Moreno［38］等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)400MPa、40℃、1min處理的橙汁，其VC含量下降9%。而 Plaza［39］等研究發(fā)現(xiàn)，在 20℃，經(jīng)400、500、600MPa處理 15min的血橙汁，其 VC損失為5.5%～8.1%;但相關(guān)資料表明，熱力(90℃、30s)殺菌處理后的橙汁VC損失率也僅為5%左右［7］。此外，VC的氧化也可能與一些高壓食品的顏色變化有關(guān)。Polydera 等［40］在600MPa、40℃、4min 的條件下處理的臍橙汁，發(fā)現(xiàn)其顏色變化與VC的損失存在一定的線性相關(guān)，果蔬都含有一定量的VC，其氧化和損失也可能是造成顏色劣變的一個(gè)原因。

蔣和體等［7］采用超高壓(400MPa、25℃、15min)和熱力(90℃、30s)殺菌處理臍橙汁后發(fā)現(xiàn)，橙汁主要成分都出現(xiàn)程度不同的損失，但超高壓殺菌處理其主要成分的下降普遍低于熱力殺菌處理;VC熱力殺菌橙汁損失率達(dá)4.85%，而超高壓殺菌處理后VC損失率達(dá)3.35%;兩種殺菌處理對(duì)橙汁類胡蘿卜素的降解作用大，損失率高達(dá)23.47%～28.62%;對(duì)總酚、總酸、總糖的降解作用不明顯;橙汁中脯氨酸含量最高，殺菌處理后橙汁游離氨基酸含量都有增加，超高壓殺菌增加16.8%，熱殺菌增加21.4%。

Plaza［41］等研究發(fā)現(xiàn)，新鮮橙汁 400MPa、40℃、1min處理，在4℃下放置40d后，其類胡蘿卜素含量比脈沖電場(chǎng)處理(35kV，1cm，750μs)和低溫巴氏殺菌處理(70℃，30s)高。Polydera［42］等研究發(fā)現(xiàn)，在600MPa，40℃下保壓4min后，與傳統(tǒng)熱力殺菌技術(shù)相比，其抗氧化活性物質(zhì)含量較高，而在室溫下貯藏一段時(shí)間后，其抗氧化活性物質(zhì)含量仍比傳統(tǒng)熱力殺菌處理的高。

同時(shí)Torres［39］等還發(fā)現(xiàn)超高壓處理后血橙汁中色素物質(zhì)含量基本不發(fā)生改變，經(jīng)高壓處理的血橙汁，其特征色澤血紅色出現(xiàn)不同程度的加深;在4℃和20℃下貯藏，處理后的樣品的貨架壽命明顯較對(duì)照長(zhǎng)，4℃下原樣貨架壽命約為55d，而經(jīng)400、500、600MPa壓力處理后的樣品貨架壽命依次約為56、60、65d，20℃ 下對(duì)照為 20d，而處理后的依次為 47、40、85d。

潘見［43］等在對(duì)超高壓處理后的鮮榨橙汁香氣成分的變化的研究中發(fā)現(xiàn)，超高壓處理對(duì)橙汁中的檸檬烯影響很顯著，500MPa的壓力處理15min后含量下降了75%;對(duì)橙汁品質(zhì)不利的α-松油醇、香芹酮在此條件下處理后含量迅速上升，含量分別提高66倍和37倍;醛類特征香氣成分基本不受高壓影響;酯類成分在高壓下的變化趨勢(shì)是:其含量在較低壓力下先上升，然后隨著壓力的升高而下降，但總體變化幅度不顯著。

此外，Polydera等［44］還發(fā)現(xiàn)，橙汁經(jīng) 500MPa、35℃、5min的超高壓處理可以很好的改善其粘度和穩(wěn)定性，并且延緩了橙汁變質(zhì)，有效延長(zhǎng)了商品貨架期。

2 前景展望

超高壓處理技術(shù)屬于非熱殺菌技術(shù)，與傳統(tǒng)熱力殺菌相比，它有風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)損失少等優(yōu)點(diǎn)。利用超高壓處理新鮮果汁，不僅使果汁中的微生物得到有效的殺滅，同時(shí)果汁中的營(yíng)養(yǎng)成分特別是熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分和易揮發(fā)香氣成分得到很好的保留，而且果汁中的酶也得到很好的控制，有利于防止新鮮果汁發(fā)生酶促褐變。

國(guó)內(nèi)超高壓技術(shù)在水果加工中的應(yīng)用剛剛起步，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距;超高壓技術(shù)在水果加工中應(yīng)用還缺乏系統(tǒng)研究，有關(guān)具體處理工藝、詳細(xì)處理參數(shù)等尚未完全明了;并且超高壓設(shè)備較貴、技術(shù)和材質(zhì)要求高、連續(xù)化生產(chǎn)效率較低，目前僅僅是將其用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品;同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)是一種復(fù)雜的技術(shù)，它是工程材料、機(jī)械制造、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科和領(lǐng)域的理論和技術(shù)的合成，而且這種合成的緊密程度是前所未有的。

在科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代，抓住機(jī)遇，加快超高壓技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)我國(guó)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)有著極為重要的意義。隨著超高壓工藝條件的確定，新型材料及設(shè)備的研發(fā)，超高壓處理技術(shù)在果汁加工尤其是柑橘果汁的加工中必定有著廣闊的前景。

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The application and research advances of the ultra high pressure in the citrus juice processing

CAO Qiu-xu1，GUO Li-qiong1，WU Hou-jiu2，*
(1.Food Science College，Southwest University，Chongqing 400715，China;2.Citrus Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 400712，China)

TS255.44

A

1002-0306(2012)12-0414-05

2011-09-05 *通訊聯(lián)系人

曹秋旭(1987-)，男，碩士研究生，研究方向:現(xiàn)代食品加工理論與技術(shù)。