阮衛(wèi)紅，鄧放明*，畢金峰，劉 璇，焦 藝，吳昕燁

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜 合性重點實驗室，北京 100193）

桃汁熱處理過程中非酶褐變動力學研究

阮衛(wèi)紅1,2，鄧放明1,*，畢金峰2，劉 璇2，焦 藝2，吳昕燁2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜 合性重點實驗室，北京 100193）

桃汁在熱處理過程中極易發(fā)生褐變反應，通常將褐變度和色值L*作為評價桃汁褐變程度的指標。通過測定和分析桃汁在熱處理（80、90℃和100℃）過程中的相關指標發(fā)現(xiàn)，桃汁的褐變度分別上升了0.185、0.221和0.276，L*值分別下降了4.22、5.74和7.53，Chroma值和Hue值在熱處理過程中逐漸變小，褐變指數(shù)不斷增大；用零級、一級和聯(lián)合動力學模型擬合各指標的動態(tài)變化的研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合動力學模型可以更好地表示褐變度和色值的動態(tài)變化（R2＞0.823）；熱處理過程中VC含量不斷減少，符合零級反應動力學模型（R2＞0.894）；5-羥甲基糠醛含量不斷增加，符合聯(lián)合動力學模型（R2＞0.905），且在各個熱處理的溫度條件下5-羥甲基糠醛的生成與褐變度的變化表現(xiàn)出二次項關系（R2＞0.940）。

桃汁；熱處理；非酶褐變；動力學；色澤

桃屬薔薇科，原產(chǎn)中國西北地區(qū)。我國桃樹種植面積廣，產(chǎn)量高，因其味道鮮美、營養(yǎng)豐富而深受人們喜愛。由于受采摘成熟度、微生物和內(nèi)源酶等的影響，桃果實易腐爛變質(zhì)，給貯藏和運輸增大了難度。所以進行桃的深加工，能使桃產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益上升、產(chǎn)業(yè)鏈得到可持續(xù)發(fā)展[1-2]。目前桃加工產(chǎn)品種類較多，其中以桃汁加工為主方向。桃汁加工過程中主要的技術難題是色澤穩(wěn)定性的保持，而引起桃汁色澤變化的反應主要有酶促褐變和非酶褐變。大量研究表明果汁在加工過程中引起色澤變化的主要反應是美拉德反應和VC的降解反應，美拉德反應是還原糖和氨基化合物之間的反應，最終生成類黑精物質(zhì)，VC的降解反應也會生成褐色物質(zhì)，而5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）是美拉德反應和VC降解反應的中間產(chǎn)物，因此常用5-HMF的含量來衡量果汁的褐變程度[3-8]。曹少謙等[9]研究了水蜜桃汁在熱處理過程中的變化發(fā)現(xiàn)引起桃汁褐變的主要反應是VC的降解，同時Leandro[10]、Roiga[11]等研究認為VC含量高的果汁在熱處理過程中的非酶褐變主要以VC降解為主，而Ibarz等[12]認為梨汁中的VC含量低，主要的褐變是糖類和氨基酸引起的美拉德反應。近年來關于果汁非酶褐變動力學的相關報道較多，許多學者試圖用動力學模型去描述果汁褐變的動態(tài)情況，Garza等[13]認為桃漿在熱處理過程中蔗糖的降解符合一級反應動力學模型，Burburlu等[14]對濃縮蘋果汁在貯藏過程中的非酶褐變都符合零級動力學模型。然而尚未見對桃汁較系統(tǒng)的非酶褐變動力學的研究報道。

國內(nèi)桃汁的加工技術相對成熟，但榨汁前的滅酶處理以及加工過程中的滅菌操作都會使桃汁顏色變暗。近幾年很多學者研究了熱協(xié)同超高壓滅酶和殺菌技術對桃汁品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)桃汁的顏色、風味及營養(yǎng)成分均能較好地保持，但國內(nèi)超高壓滅菌技術尚未普及，大多果汁生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中依然選用熱殺菌技術[15-16]。

目前，桃汁沒有專一品種，一般以白桃為主。本實驗選用主栽品種大久保桃為原料，探究了企業(yè)在桃汁生產(chǎn)過程中常用的3個殺菌溫度（80、90℃和100℃）下的處理過程中褐變值、色值、VC含量及5-HMF含量的變化，并用動力學模型擬合分析各個指標在整個研究過程中的動態(tài)變化，希望為桃汁加工新技術提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大久保桃 采摘于北京市平谷。

抗壞血酸、2,6-二氯靛酚、異丙醇 國藥集團化學試劑有限公司；羥甲基糠醛標準品 美國Sigma-Aldrich公司；對甲苯胺 天津市光復精細化工研究所；巴比妥酸 成都格雷西亞化學技術有限公司。

1.2 儀器與設備

HX-502榨汁機 奧克斯公司；CPA124S電子天平 德國Sartorius公司；3K15型高速冷凍離心機 德國Sigma公司；電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司；Color Quest XT 型色差計 美國Huterlab公司；UV-1800紫外分光光度計 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 桃汁制備

挑選完整大久保桃，去皮去核，切塊后放入事先配制質(zhì)量分數(shù)為5%的VC護色液中護色，經(jīng)熱燙滅酶后打漿。將桃漿低速離心以去掉部分雜質(zhì)后得桃汁。取等量桃汁分裝于帶塞的錐形瓶中，分別置于80、90、100℃的條件下恒溫處理，處理間不斷搖勻，保證受熱均勻，每隔30 min取樣，取樣后的樣品立刻放入冰水浴中以終止反應，于冰箱中冷藏待測。

1.3.2 褐變度（browning degree，BD）的測定[17]

果汁的褐變度是用420 nm波長處的吸光度（A420nm）表示。取適量待測果汁樣品，于9 000 r/min離心20 min，用0.45 μm濾膜過濾，測定A420nm值。

1.3.3 色值的測定

利用Color Quest XT色差計測定桃汁的色差值L*、a*、b*，其中L*值表示亮度，范圍為0～100，L*值越大，表示色澤越亮；a*表示紅綠值，正值偏紅，負值偏綠；b*值表示黃藍值，正值偏黃，負值偏藍，ΔE表示桃汁色差的總體變化程度。由公式（1）計算可得ΔE值，由L*、a*、b*值通過公式（2）、（3）、（4）計算可得色彩飽和程度Chroma，色度角Hue值以及褐變指數(shù)（browing index，BI）[18]。

1.3.4 VC含量的測定

采用2,6-二氯酚靛酚法測定。配制0.05 mg/mL的抗壞血酸標準溶液，吸取2.00 mL（V）于50 mL的三角瓶中，加入8 mL質(zhì)量分數(shù)為2%的草酸溶液，用2,6-二氯靛酚溶液滴定，直至溶液呈粉紅色15 s內(nèi)不褪色為止，所消耗的2,6-二氯靛酚溶液記為V1，由此計算2,6-二氯靛酚溶液滴定度T。

準確移取一定量的桃汁（Vm），加入適量的2%草酸提取液，過濾，并用2%的草酸溶液定容至100 mL，得待測液。吸取10 mL待測液，用標定的2,6-二氯靛酚溶液滴定至溶液呈粉紅色至15 s內(nèi)不褪色為止，消耗的體積記為V2。計算公式如下。

式中：T為2,6-二氯靛酚滴定劑的滴定度/（mg/mL）；ρ為抗壞血酸的質(zhì)量濃度/（mg/mL）；V0為滴定空白液所消耗的滴定劑體積/mL；V為吸取抗壞血酸的體積/mL；V1為滴定抗壞血酸標準液所消耗的2,6-二氯靛酚溶液的滴定體積/mL；V2為滴定試樣液所消耗的滴定劑體積/mL；Vx為滴定時所移取的桃汁體積/mL。

1.3.5 5-HMF的測定

配制1、2、4、6、8 μg/mL的羥甲基標準溶液，加入5 mL對甲基苯胺和1 mL巴比妥酸溶液，反應3 min后在550 nm波長處測定吸光度，制作標準曲線。

準確移取一定量桃汁（V3）于50 mL（V4）容量瓶里，加入亞鐵氰化鉀和乙酸鋅各1 mL，定容搖勻，靜止30 min后干過濾，即得待測樣液。取待測樣液2 mL（V5），加入5 mL對甲基苯胺，1 mL巴比妥酸，混勻后迅速倒入比色皿，在550 nm波長處測定吸光度。根據(jù)標準曲線計算5-HMF的含量[19]。

式中：Y為由標準曲線計算得到的5-HMF含量。

1.3.6 動力學模型擬合分析

對加熱過程中桃汁的褐變度、色差值、VC及5-HMF的變化用零級、一級和聯(lián)合反應動力學模型進行擬合分析。

式中：C為任意時間指標的測定值；C0為該指標的起始值；t表示時間/min；k0、k1分別表示零級動力學和一級動力學的反應常數(shù)。

溫度對各指標的影響符合Arrhenius等式：

式中：k為平衡常數(shù)；k0為指數(shù)系數(shù)；Ea為活化能/（kJ/mol）；R為氣體常數(shù)，8.314 kJ/（mol·K）；T為絕對溫度/K。

對Arrhenius 等式兩邊同時取對數(shù)可得：

取353、363、373 K時模型的反應常數(shù)k值，以－lnk為縱坐標，1/T為橫坐標，則斜率為Ea/R，可計算得Ea值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗過程中分別對3個處理溫度進行3次重復，采用Excel 2007和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 色差參數(shù)

2.1.1 L*、a*、b*和ΔE的變化

圖1 熱處理過程中桃汁L**//L0**、a**//a0**、b**//b0**及ΔE的變化Fig.1 Changes in L**//L0**, a**//a0**, b**//b0** and ΔE during thermal treatments

L*值越大，表示桃汁的顏色越亮。由圖1a可知，在100℃熱處理時L*值下降趨勢表現(xiàn)更明顯。在90℃和100℃熱處理150 min后，L*值出現(xiàn)先上升然后下降的趨勢，可能原因是非酶褐變的生成物沉淀從而使桃汁顏色變亮。隨著加熱時間的延長和熱處理溫度的升高，L*值呈極顯著下降趨勢（P＜0.01）。a*值表示紅綠，a*值越大，表示果汁顏色越趨于紅色。圖1b表明，a*值隨著加熱時間的延長而不斷增大，100℃條件下更明顯，同時加熱時間和加熱溫度對a*值有極顯著影響（P＜0.01），隨著加熱時間的延長和溫度的升高，桃汁的顏色變深80℃熱處理條件下，b*值從45.83上升至49.22，90℃熱處理條件下，b*值從39.22上升至47.02，100℃熱處理條件下，b*值從42.09上升至52.71，由此可知溫度越高，b*值變化越明顯，且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，b*值隨著加熱時間的延長和加熱溫 度的升高，呈極顯著（P＜0.01）上升趨勢。ΔE值在2.0～4.0時表示在特定應用中可被接受，大于4.0時被認為在大部分應用中不可接受，圖1d表明，ΔE值在80℃條件下加熱60min時大于4.0，90℃和100℃條件下處理30min時大于4.0，整個熱處理過程中，溫度越高，ΔE值變化越大，熱處理溫度和時間對ΔE影響極顯著（P＜0.01）。

本研究發(fā)現(xiàn)，L*、a*、b*、ΔE值的零級和一級反應動力學模型的相關系數(shù)均比聯(lián)合動力學模型的相關系數(shù)小，因此用聯(lián)合動力學模型表示顏色的變化比零級、一級反應動力學模型更合適，模型擬合參數(shù)見表1。這與Avila等[20]研究的桃汁及Chutintrasri等[21]研究的菠蘿汁在熱處理過程中色差值L*、a*、b*及ΔE值的變化都符合一級反應動力學有差異，這可能與原料本身的體系有關，如組成成分、體系pH值等。另色澤參數(shù)對應的Ea都相對較小，表明體系的反應活性高，非酶褐變?nèi)菀走M行，其中L*值對應的活化能最小，說明熱處理過程中發(fā)生的非酶褐變對桃汁的亮度影響最大。

表1 不同熱處理時桃汁L**//L0*、a**//a0*、b**//b0*及ΔE的動力學參數(shù)Table 1 Kinetic parameters ofL**//L0*,, a**//a0*,, b**//b0* anndd ΔE unddeerr different heat treatmennttss

2.1.2 色度值、色度角和褐變指數(shù)的變化

表2 不同熱處理時色度值、色度角和褐變指數(shù)的變化Table 2 Kinetic parameters of chroma value, hue angle and BI under different heat treatmentsnts

由等式（2）～（4）計算得到桃汁在不同熱處理下的Chroma值、Hue值和BI值，結果見表2。Chroma值表示色彩飽和度和色彩強度，Chroma值隨著熱處理時間的延長而增大。桃汁在熱處理過程中逐漸轉(zhuǎn)變成紅褐色，表明桃汁在整個過程中的色彩飽和度愈來愈大。Hue值大于90°時偏向綠色，小于90°時，偏向于橙紅色。由表3可知，Hue值的初始值小于90°，且逐漸變小，熱處理溫度越高，Hue值變化越大，桃汁的顏色越來越趨向于紅褐色。在酶促褐變和非酶褐變中，BI是一個很重要的參數(shù)，它能簡單明了地反映桃汁顏色的變化。80℃熱處理時，BI由171.14上升至235.33，90℃熱處理時由107.02上升至177.64，而100℃時，BI由131.83上升至275.68，可見，溫度愈高，BI上升的幅度愈大。方差分析表明溫度對BI有顯著性影響（P＜0.05），且溫度愈高，褐變反應愈快，桃汁的色澤越暗。

2.2 褐變度的變化

圖2 不同熱處理條件下桃汁褐變度的變化Fig.2 Changes of browning degree during thermal treatments

表3 不同熱處理時桃汁A422C0）的動力學參數(shù)Table 3 Kinetic parameters ofA422under different heat treatmentss

表3 不同熱處理時桃汁A422C0）的動力學參數(shù)Table 3 Kinetic parameters ofA422under different heat treatmentss

溫度/℃反應級數(shù)反應常數(shù)R2活化能Ea/（kJ/mol）80 n=0 k =0.0010.906 90k=9.722×10-40.897 100k =8.758×10-40.878 80 n=1 k =0.00140.886 90k =0.00120.873 100k =0.00110.853 80聯(lián)合k0=0.008，k1=0.0090.954 90k0=0.009，k1=0.0110.98712.05 100k0=0.009，k1=0.0110.984

顏色是桃汁的重要指標，常用褐變度值表示桃汁顏色的褐變情況。如圖2所示，隨著熱處理溫度的升高，褐變度有明顯變化。80℃條件下加熱210 min后，褐變度從0.616升至0.801，90℃熱處理210 min后，褐變度從0.616上升至0.837，而100℃熱處理210 min后，褐變度從0.616上升至0.892。由此可見，熱處理溫度越高，桃汁褐變越嚴重，褐變度的變化規(guī)律符合聯(lián)合動力學模型，曹少謙等[9]報道水蜜桃汁在80℃熱處理時褐變度的變化符合零級反應動力學模型，100℃熱處理時褐變度的變化符合一級反應動力學模型。而由表3可知，用聯(lián)合動力學模型能更好地描述褐變度的變化，在3個溫度梯度處理下，相關系數(shù)都在0.95以上。同時，反應活化能為12.05 kJ/mol，低于Ibarz等[12]報道的梨汁的活化能，通常認為反應活化能在40～400 kJ/mol范圍內(nèi)，而小于40 kJ/mol時則認為反應速率非常大。因此，高溫下桃汁的褐變反應活性高，在80℃及其以上對桃汁進行熱處理時都很容易發(fā)生非酶褐變。

2.3 VC含量的變化

VC是桃汁的重要營養(yǎng)物質(zhì)之一，在熱處理過程中很不穩(wěn)定。由圖3可知，熱處理的溫度和時間對VC有顯著性影響（P＜0.01）。在熱處理前30 min，VC降解速率很快，以90℃條件下降解最快，可能是果汁本身溶氧量以及與表面空氣的接觸發(fā)生了有氧降解反應[22]。由表4可知，在整個熱處理研究過程中，零級反應動力學模型可以更好地擬合VC含量的變化趨勢，相應的反應系數(shù)k分別為－0.042、－0.067和－0.069，說明溫度越高，VC反應速率越大，降解速率越快。同時，Ea為26.82 kJ/mol，說明桃汁在高溫熱處理條件下的反應是比較容易進行的。

圖3 桃汁VC含量在熱處理過程中的變化Fig.3 Changes of VC content during thermal treatment

表4 不同熱處理時桃汁VVCC（C/C0）的動力學參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of VC(C/C0) under different heat treatmentss

2.4 5-HMF含量的變化

5-HMF是Maillard反應、焦糖化反應和VC降解的重要中間產(chǎn)物，它能指示果汁的褐變程度[23-25]。由圖4可知，隨著熱處理時間延長和溫度升高，5-HMF的含量顯著增加（P＜0.01），在100℃條件下，前30 min內(nèi)5-HMF含量迅速增加，而80℃和90℃條件下5-HMF含量增加相對較緩，說明溫度越高，5-HMF生成速率越快。由表5可知，用聯(lián)合動力學模型表示5-HMF在熱處理過程中的變化優(yōu)于零級和一級反應動力學模型，這與Garza等[13]的研究結果一致，而與菠蘿汁在熱處理過程中5-HMF含量的變化符合零級反應動力學模型的結論不一致[26]。有報道[10]稱當己糖濃度遠遠高于5-HMF時，5-HMF可能符合一級反應動力學規(guī)律，因此5-HMF反應動力學級數(shù)的差異，可能是果汁間體系差異而導致的。本研究中5-HMF的反應活化能為25.77 kJ/mol，遠遠低于熱處理過程中梨汁中5-HMF的反應活化能[12]，因此，桃汁在80℃及其以上高溫條件下處理時，比較容易發(fā)生非酶褐變反應。

圖4 熱處理過程中桃汁5-HHMMFF（C/C0）的變化Fig.4 Changes in 5--HHMMFF (C/C0)) during thermal treatment

表5 不同熱處理時桃汁5-HHMMFF（C/C0）的動力學參數(shù)Table 5 Kinetic parameters of 5-HMF(C/C0) under different heat treatmentss

實驗中以5-HMF為因變量（Y），褐變度為自變量（x），對兩者之間的關系進行了回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間用二次項模型擬合最好，關系式如下：

以上3個擬合模型的相關擬合系數(shù)分別為0.940、0.979和0.992，可知，R2均在0.9以上，所以擬合模型是可接受的，且熱處理溫度越高，相關系數(shù)越接近于1，這與Leandro[10]及Ibarz[12]等的研究結果一致。因此，可以根據(jù)褐變度的變化情況預測此溫度條件下5-HMF的含量。據(jù)報道[11]，每303 mg/L的VC降解就會產(chǎn)生217 mg/L的5-HMF，本研究中發(fā)現(xiàn)，各熱處理溫度條件下降解的VC產(chǎn)生的5-HMF與實際生成的5-HMF分別相差11.41、15.83 mg/L和15.88 mg/L。因此推斷桃汁在高溫熱處理過程中5-HMF的生成是焦糖化反應和美拉德反應所致。

3 結 論

為了更好地擬合桃汁在熱處理過程中的非酶褐變動力學模型，在實驗中盡可能多取數(shù)據(jù)點，以提高模型精確度，根據(jù)預實驗確定每隔30 min取樣檢測。發(fā)現(xiàn)桃汁在不同的熱處理過程中，熱處理時間和熱處理溫度對褐變度、色差值（亮度值L*、紅綠值a*、黃藍值b*）、VC含量及5-HMF含量均有顯著性影響（P＜0.01），其中VC的降解反應符合零級反應動力學模型，褐變度、色差值、5-HMF的變化符合聯(lián)合動力學模型，相關系數(shù)均在0.9以上，因此用動力學反應模型表示各指標的動態(tài)變化是合理的。同時由計算可知，各指標相對應的活化能都較小，表明在高溫下，桃汁發(fā)生褐變的反應活性較高，褐變反應易發(fā)生。熱處理過程中降解的V C所產(chǎn)生的5-HMF遠遠低于實驗中所測定的5-HMF，故推斷出是焦糖化反應和美拉德反應產(chǎn)生了大量的5-HMF，因此熱處理過程中發(fā)生褐變的主要原因是焦糖化反應和美拉德反應所致。另對各處理溫度下所產(chǎn)生的5-HMF含量和褐變度的變化情況進行回歸分析，兩者表現(xiàn)為二次項關系，且溫度越高，擬合系數(shù)越好。5-HMF作為非酶褐變的重要中間產(chǎn)物，也是加工貯藏過程中的主要產(chǎn)物，因此從某程度上通過抑制5-HMF的生成來控制桃汁色澤的穩(wěn)定性對 桃汁的加工和貯藏都具有重要意義。

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Kinetic Study of Non-enzymatic Browning of Peach Juice during Thermal Treatments

RUAN Wei-hong1,2, DENG Fang-ming1,*, BI Jin-feng2, LIU Xuan2, JIAO Yi2, WU Xin-ye2
(1. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Non-enzymatic browning easily takes place during thermal treatment of peach juice. Browning degree and the colour parameter L* are usually used as indexes to evaluate non-enzymatic browning. The indexes during thermal processing at different temperatures 80, 90 ℃ and 100 ℃ for peach juice were investigated. The results showed that with increasing temperature, the browning degree was increased by 0.185, 0.221 and 0.276, whereas the L* value was decreased by 4.22, 5.74 and 7.53, respectively. Both the chroma value and Hue angle were gradually decreased. The browning index (BI) was increased as the temperature increased. Various kinetic models including zero-order kinetic, fi rst-order kinetic and combined kinetic models were employed to fi t the experimental data. The results showed that the combined kinetic model was a better one for describing the dynamic changes in browning degree and colour value, as compared to the other two models (R2＞0.823). Furthermore, the declined vitamin C content during thermal processing could be accurately described by the zeroorder kinetic model (R2＞0.894). Meanwhile, the combined kinetic model (R2＞0.905) could properly express the gain of 5-hydroxymethylfurfural contents. The relationship between 5-hydroxymethylfurfural and browning degree was satisfactorily fi tted by means of quadratic model (R2＞0.940) at three different temperatures.

peach juice; thermal treatment; non-enzymatic browning; kinetics; colour

TS255.44

A

1002-6630(2014)01-0050-06

10.7506/spkx1002-6630-201401010

2013-07-09

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD29B03）

阮衛(wèi)紅（1988—），女，碩士研究生，研究方向為果蔬貯藏與加工技術。E-mail：hong99899@163.com

*通信作者：鄧放明（1962—），男，教授，博士，研究方向為果蔬貯藏與加工技術。E-mail：fmdenghnau@sina.com