高壓二氧化碳對鮮榨西瓜汁殺菌效果和風味的影響

劉 野，趙曉燕*，鄒 磊，胡小松，宋煥祿

(1.北京工商大學食品學院，北京 100048；2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；

3.中國環境管理干部學院，河北 秦皇島 066004；4.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

高壓二氧化碳對鮮榨西瓜汁殺菌效果和風味的影響

劉 野1，趙曉燕2,*，鄒 磊3，胡小松4，宋煥祿1

(1.北京工商大學食品學院，北京 100048；2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；

3.中國環境管理干部學院，河北 秦皇島 066004；4.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

為研究高壓二氧化碳對鮮榨西瓜汁的殺菌效果及對風味的影響，采用高壓二氧化碳(HPCD)技術對鮮榨西瓜汁進行處理。以95℃、1min熱處理西瓜汁作為對照，考察30MPa、60min HPCD處理對西瓜汁中菌落總數、霉菌和酵母菌總數及典型風味化合物含量的影響；并探討兩種處理西瓜汁在4℃、30d貯藏過程中上述指標的變化情況。結果表明：95℃、1min熱處理的殺菌效果略好于30MPa、60min HPCD處理，采用兩種處理西瓜汁的微生物指標均符合《果、蔬汁飲料衛生標準》的要求；并且保質期滿足鮮榨西瓜汁的消費要求。30MPa、60min HPCD處理對西瓜汁的典型風味化合物含量影響較小；貯藏過程中風味變化也較小。總體看來，HPCD處理更適合于鮮榨西瓜汁的加工。

高壓二氧化碳；西瓜汁；殺菌；風味

高壓二氧化碳(high pressure carbon dioxide，HPCD)技術是食品加工領域中一種新型非熱殺菌技術。二氧化碳與壓力的結合可以形成高酸的環境，在一定的溫度和壓強下對食品進行處理，可以殺死微生物，延長食品的貨架期。在5～60℃之間，采用50MPa以下的壓強的HPCD處理可以使西瓜汁中的微生物降低2～12個對數[1]。37℃、20MPa或42℃、30MPa HPCD處理可以顯著殺滅蘋果濁汁中的大腸桿菌[2]。由于HPCD技術的加工溫度較低，能很好地保持食品原有的色、香、味、形和營養成分，并具有良好的殺菌性能，是適合于熱敏性食品加工的良好方法[1]。

西瓜屬于葫蘆科植物，通常認為葫蘆科植物的風味物質及其形成機理是相似的，由其中的脂肪酸分解形成的烯醇和烯醛類是葫蘆科植物中典型的風味物質[3]。由于西瓜汁中存在大量的過氧化物酶(peroxidase，POD)，在有氧氣存在的情況下，可以氧化風味物質導致西瓜汁風味的變化[4]。另外，高溫可以加劇該氧化反應的發生，并且這些風味化合物自身還可以發生一系列的反應使西瓜汁風味快速劣變。因此，西瓜汁是一種低酸熱敏性果汁，不適于進行熱加工，難于保藏[5]。國內外科研人員通過添加抗菌劑、增稠劑以及微波殺菌等方法，對西瓜汁進行處理，這些方法在一定程度上改善了西瓜汁飲料品質，延長了保質期，但存在著營養成分損失嚴重，失去西瓜汁原有風味的缺陷，使西瓜汁一直無法進行工業化大規模生產[6-8]。因此，本實驗采用HPCD技術對鮮榨西瓜汁進行處理，研究殺菌效果的同時，考察處理前后及貯藏過程中西瓜汁中典型風味物質含量的變化，為西瓜汁加工方式的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

京玲無籽西瓜，采收于北京市農林科學院蔬菜研究中心延慶農場，貯藏于10℃冷庫。

蛋白胨、牛肉膏 北京奧博星生物技術有限責任公司；氯化鈉、葡萄糖、氫氧化鈉 北京化工廠；瓊脂(進口分裝) 日本Solarbio公司；順-2-壬烯醇、反-2-壬烯醛、反,順-2,6-壬二烯醇、壬醛、鄰苯二甲酸二乙酯、正己醛、6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮、2-戊基呋喃、十一酸甲酯 美國Sigma公司；色譜級乙醇 美國J.T.Baker公司。

HPCD殺菌機 中國農業大學研制；Zealway滅菌鍋 美國致微公司；HDL APPARATUS超凈工作臺 北京東聯哈爾儀器制造有限公司；Incucell培養箱 德國MMM公司；GC-MS-QP2010氣相色譜串聯質譜 日本島津公司；打漿機 中國珠海飛利浦公司；旋渦混合器 江蘇海門市麒麟醫用儀器廠；電子恒溫水浴鍋 北京中興偉業儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 鮮榨西瓜汁的制備

將西瓜用蒸餾水清洗、擦干、稱質量。取瓜瓤切塊，于打漿機中破碎。用4層紗布過濾，將濾得的西瓜汁混勻，進行下一步處理。

1.2.2 鮮榨西瓜汁的熱處理

將裝有100mL鮮榨西瓜汁的玻璃飲料瓶置于常壓條件下、95℃恒溫水浴鍋中加熱，待西瓜汁中心溫度達到95℃開始計時，并蓋上瓶蓋，達到處理時間1min后，立刻逐級冷卻至室溫。

1.2.3 鮮榨西瓜汁的HPCD處理

預先將處理釜消毒，消毒后蓋上處理釜蓋，將100mL鮮榨西瓜汁用泵注入預先設定溫度的處理釜。經過5～10min的升壓過程達到設定壓強，西瓜汁在恒定的壓強和溫度下進行處理，處理時間達到后，經過約5～10min的卸壓，將西瓜汁灌裝入滅菌的塑料包裝袋，迅速封口。置于冰水浴中冷卻。

微生物實驗參數設置：常溫下，設定壓強30MPa，處理時間分別為5、15、30、45、60min；設定時間為60min，壓強分別為8、15、22、30MPa。

風味實驗參數設置：常溫下，設定壓強分別為10、20、30MPa，處理時間為60min。

1.2.4 營養瓊脂培養基的制備

1)組成成分：10g蛋白胨、3g牛肉膏、5g氯化鈉、18g瓊脂、1000mL蒸餾水。

2)制作方法：將瓊脂以外的各成分溶解于蒸餾水中，加入15% NaOH約2mL，校正pH值至7.2～7.4，加入瓊脂加熱煮沸，使瓊脂融化。用燒瓶分裝，121℃高壓滅菌20min。

1.2.5 馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基的制備

1)組成成分：300g馬鈴薯(去皮切塊)、20g葡萄糖、20g瓊脂、1000mL蒸餾水。

2)制作方法：將馬鈴薯去皮切塊，加入1000mL蒸餾水，煮沸10～20min，用紗布過濾，補加蒸餾水至1000mL。加入葡萄糖和瓊脂，加熱溶化。用燒瓶分裝，121℃高壓滅菌20min。

1.2.6 微生物檢測

根據GB/T 4789.1—2010《食品微生物學檢驗總則》檢驗菌落總數、霉菌和酵母菌總數[9]。

1.2.7 氣相色譜內標法定量內標物溶液的配制

0.2%的內標物溶液：取0.2mL十一酸甲酯標準品于100mL容量瓶(為防止內標物的揮發，在瓶中先少放些色譜級乙醇)，用體積分數60%色譜級乙醇定容。

0.01%的內標物溶液：取0.5mL上述0.2%內標物溶液于10mL容量瓶，調整乙醇和水的比例進行溶解。

1.2.8 西瓜典型風味物質定量校正因子的確定

1)用移液管吸取鄰苯二甲酸二乙酯和己醛標準品各0.1mL，順-2-壬烯醇、反,順-2,6-壬二烯醇、壬醛、6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮、2-戊基呋喃和十一酸甲酯標準品各0.03mL加入到10mL容量瓶(預先加入2mL色譜級乙醇)，調整乙醇和雙蒸水的比例進行溶解。

2)用移液管吸取上述配制的溶液1mL，加入到10mL容量瓶，調整乙醇和雙蒸水的比例進行溶解。

3)取第2步中的溶液1mL，加入到100mL容量瓶，加入色譜級乙醇及大量的水，并控制乙醇含量在20%以下。

混合標準品中各組分及內標含量的計算公式：

式中：mi、ms為混標中各組分i和內標物s的含量/(mg/100 mL)；ci、cs為混標中各組分i和內標物s的體積百分含量；Vi、Vs為混標中各組分i和內標物s的體積/mL；di、ds為混標中各組分i和內標物s的密度/(g/mL)；1000為換算成以mg為單位的系數。

1.2.9 西瓜汁中典型風味化合物定量方法

每個樣品取8mL加入到15mL玻璃萃取瓶中，加入0.05mL、0.01%的內標物溶液，使內標物在西瓜汁樣品中的質量濃度為0.546mg/mL。

1.2.10 GC-MS操作條件

固相微萃取條件：將裝有8mL西瓜汁的萃取瓶置于35℃恒溫水浴30min，用100μm PDMS固相微萃取頭對風味物質進行萃取。

GC條件：毛細管柱DB MS-5(30m×0.25mm，0.25μm)；升溫程序：初始溫度40℃，以8℃/min的升溫速度升至220℃，進樣口溫度：250℃；總流速：27.5mL/min；分流比：20。

MS條件：離子源溫度：200℃；接口溫度：250℃；溶劑切割：1min；檢測器電壓：1.0kV；掃描范圍：30～500m/z；掃描方式：全掃描。

譜圖解析：NIST譜庫。

1.2.11 西瓜汁的貯藏實驗

進行95℃、1min熱處理，30MPa、60min HPCD處理及600MPa、60min超高壓處理的西瓜汁分別在4℃條件下貯藏30d。每隔5d取樣一次進行菌落總數和霉菌、酵母菌總數的測定；每隔10d取樣一次進行風味物質的測定。

1.2.12 數據分析

采用SAS 8.12進行因子方差分析及Ducan,s多重檢驗(P＜0.05)。實驗結果以表示。

2 結果與分析

2.1 HPCD處理對鮮榨西瓜汁菌落總數的影響

初始階段鮮榨西瓜汁中的菌落總數為3.6×103CFU/mL。表皮完好的新鮮西瓜內部果實組織中含有的微生物極少，不會對西瓜汁中微生物的數量產生決定性影響。因此污染鮮榨西瓜汁的微生物主要來源于環境及加工設備。鮮榨西瓜汁的滅菌主要是殺滅加工過程中污染的外源菌。

圖1 HPCD處理60min過程中壓強對鮮榨西瓜汁菌落總數的影響Fig.1 Effect of HPCD pressure on total bacterial count in watermelon juice

由圖1可知，當處理時間為60min時，HPCD處理后菌落總數隨著處理壓強的升高而顯著降低(P＜0.05)。HPCD處理8MPa以下時，菌落總數降低較小，表明細菌中部分細菌對壓強具有一定的耐受能力。當壓強繼續增大時，菌落總數迅速降低，之后又呈緩慢降低的趨勢，可能由于其中的一部分菌種具有較強的耐壓性，在較高壓強條件下仍然可以存活。在30MPa HPCD處理時，菌落總數降低至26CFU/mL，達到GB19297—2003《果、蔬汁飲料衛生標準》(以下簡稱《衛生標準》)要求(≤ 100CFU/mL)[10]。

圖2 30MPa HPCD處理過程中處理時間對鮮榨西瓜汁菌落總數的影響Fig.2 Effect of HPCD treatment duration on total bacterial count in watermelon juice

由圖2可知，當處理壓強為30MPa時，HPCD處理后菌落總數均隨著處理時間的延長而顯著降低(P＜0.05)，并且菌落總數的降低總體上呈現先快后慢的趨勢。這可能由于在中等強度的壓強下，部分耐壓能力較弱的菌種迅速被殺滅；而延長處理時間對耐壓菌的殺滅效果不明顯，所以其中的耐壓菌仍然可以存活。在 HPCD處理45min和60min后，西瓜汁中的菌落總數分別為73CFU/mL和26CFU/mL，均達到《衛生標準》要求。而95℃、1min的熱處理后西瓜汁中的菌落總數降至7CFU/mL，具有很好的滅菌效果，使西瓜汁達到《衛生標準》要求。

2.2 HPCD處理對鮮榨西瓜汁霉菌和酵母菌總數的影響

圖3 HPCD處理60min過程中壓強對鮮榨西瓜汁霉菌和酵母菌總數的影響Fig.3 Effects of HPCD pressure on total mold and yeast count in watermelon juice

初始階段鮮榨西瓜汁中的霉菌和酵母菌數為5.2×102CFU/mL。由圖3可知，當處理60min時，HPCD處理后霉菌和酵母菌數均隨著處理壓強的升高而顯著降低(P＜0.05)。開始階段呈快速線性下降，說明霉菌和酵母菌的耐壓性比細菌差。在30MPa HPCD處理時，西瓜汁中的霉菌和酵母菌數為9CFU/mL，達到《衛生標準》要求(≤20CFU/mL)。

圖4 30MPa HPCD處理過程中處理時間對鮮榨西瓜汁霉菌和酵母菌總數的影響Fig.4 Effects of HPCD treatment duration on total mold and yeast count in watermelon juice

由圖4可知，當處理壓強為30MPa時，HPCD處理后霉菌和酵母菌總數隨著處理時間的延長而顯著降低(P＜0.05)。0～5min霉菌和酵母菌總數迅速降低，而后下降速度變緩，到60min時降低到9CFU/mL；而95℃、1min的熱處理后西瓜汁中的霉菌和酵母菌總數降至3CFU/mL，具有很好的滅菌效果，使西瓜汁達到《衛生標準》要求。

2.3 HPCD處理鮮榨西瓜汁貯藏期內菌落總數的變化

由圖5可知，兩種處理西瓜汁中的菌落總數均隨著貯藏天數的延長而顯著增加(P＜0.05)。在4℃條件下，熱處理西瓜汁貯藏25d和HPCD處理西瓜汁貯藏15d的菌落總數均在《衛生標準》中的菌落總數臨界值100CFU/mL范圍內。

圖5 熱處理和HPCD處理西瓜汁貯藏過程中菌落總數的變化Fig.5 Changes in total bacterial count in thermally treated watermelon juice and HPCD treated watermelon juice during storage

2.4 HPCD處理鮮榨西瓜汁貯藏期內霉菌和酵母菌總數的變化

圖6 熱處理和HPCD處理西瓜汁貯藏過程中霉菌和酵母菌總數的變化Fig.6 Changes in total mold and yeast count in thermally treated watermelon juice and HPCD treated watermelon juice during storage

由圖6可知，兩種處理西瓜汁中的霉菌和酵母菌總數隨著貯藏天數的延長而顯著增加(P＜0.05)。在4℃條件下，熱處理西瓜汁貯藏25d和HPCD處理西瓜汁貯藏20d內的霉菌和酵母菌總數均在《衛生標準》中的霉菌和酵母菌總數臨界值20CFU/mL范圍內。總體看來，與貯藏過程中菌落總數的結果一致。由于鮮榨西瓜汁是不添加任何防腐劑，并要在7d之內消費掉的，從這一點來講，熱處理和HPCD處理均可以滿足保質期的需要。

2.5 西瓜汁中典型風味物質定量校正因子

根據公式(1)和(2)，對同一類型的不同檢測器來說，在組分i和s相同的情況下，相對校正因子是基本一致的。它只和檢測器的性能、待測組分的性質、標準物質的性質、載氣的性質相關，與操作條件無關。但是由于不同檢測器的性能有一定的差異，因此相對校正因子需要在使用的色譜上單獨測定[11]。

因此，本實驗中通過西瓜汁中典型風味物質的標準品在氣相色譜上的響應值與內標物響應值的比值，計算出一系列典型風味物質在所使用儀器上的相對校正因子，為西瓜汁中風味物質的定量做準備。如表1所示，通過幾種典型物質在氣相色譜上的峰面積以及在混合標準品中的質量濃度，代入公式計算出相對校正因子。

表1 西瓜汁中典型風味物質的校正因子Table 1 Correction factors of typical flavor compounds in watermelon juice

2.6 熱處理對西瓜汁中典型風味物質的影響

圖7 GC-MS測定未處理西瓜汁中風味物質的總離子流圖Fig.7 GC-MS total ion chromatogram of native untreated watermelon juice

圖8 GC-MS測定95℃、1min熱處理西瓜汁中風味物質的總離子流圖Fig.8 GC-MS total ion chromatogram of thermally treated watermelon juice

通過圖7、8的對比可以看出，95℃、1min熱處理以后西瓜汁的風味發生了明顯的變化。并且通過表2中風味物質含量的對比得出，熱處理后的西瓜汁中典型風味物質的含量大多顯著下降(P＜0.05)，反,順-2,6-壬二烯醇的含量已檢測不到。其中己醛、反-2-壬烯醛、順-2-壬烯醇、壬醛和鄰苯二甲酸二乙酯含量分別降低了42.7%、87.1%、58.1%、53.8%和75.8%。同時，在熱處理后的西瓜汁中又生成了一些在鮮榨西瓜汁中不存在的風味成分，比如壬酸、8-甲基-1-十一烯、2-甲基十三烷、4-己基氨基甲酰基丁酸和3,3-二甲基庚烷等。原有風味物質的損失和新生成的風味物質的共同作用，導致了熱處理西瓜汁風味的嚴重劣變。

表2 熱處理前后西瓜汁中典型風味物質的含量變化Table 2 Typical flavor compounds in control and thermally treated watermelon juices

2.7 HPCD處理對西瓜汁中典型風味物質的影響

圖9 GC-MS測定不同壓力HPCD處理60min西瓜汁中風味物質的總離子流圖Fig.9 GC-MS total ion chromatogram of HPCD treated watermelon juice

通過圖9a、b、c的比較得出壓強對西瓜汁風味物質造成了一定影響。進一步通過表3中各風味化合物含量的比較得出，經過30MPa、60min HPCD處理后的西瓜汁中，反-2-壬烯、壬醛、2-戊基呋喃含量不發生顯著性變化(P＞0.05)；6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮的含量上升(P＜0.05)；己醛、順-2-壬烯醇、反,順-2,6-壬二烯醇、鄰苯二甲酸二乙酯均呈現逐漸降低的趨勢，分別降低了31.5%、17.9%、80.4%和92.0%。其中反,順-2,6-壬二烯醇、鄰苯二甲酸二乙酯含量降低最多，這也與熱處理西瓜汁中的結果是相一致的。HPCD處理導致西瓜汁中典型風味物質含量降低是由于二氧化碳對酯類、醇類具有一定的萃取作用[12-14]。雖然經過30MPa、60min HPCD處理后西瓜汁中的典型風味物質的含量也大多呈下降趨勢，但其降低的幅度要小于95℃、1min熱處理，說明在保持西瓜汁風味方面，30MPa、60min HPCD處理要優于95℃、1min熱處理。但是，與未處理西瓜汁相比，HPCD處理后的西瓜汁中仍然生成了一些新的風味化合物。如十五烷、8-甲基-2-癸烯、2,6,10-三甲基十二烷、10-十二碳烯醇、6,10,14-三甲基十五碳-5,9,13-三烯-2-酮等，這些化合物的生成會對西瓜汁的風味造成一定影響。但通過比較看出，圖9中新增化合物的種類和相對豐度明顯少于圖8，因此從含量來看HPCD處理可以更好的保持西瓜汁的風味。

表3 HPCD處理前后西瓜汁中典型風味物質的含量的變化Table 3 Typical flavor compounds in control and HPCD treated watermelon juices

2.8 熱處理和HPCD處理西瓜汁貯藏過程中典型風味物質的變化

從表4可以看出，95℃、1min熱處理西瓜汁在4℃條件下貯藏30d的過程中，其中的己醛、反-2-壬烯醛、壬醛、6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮和2-戊基呋喃含量不發生變化(P＞0.05)；而順-2-壬烯醇和鄰苯二甲酸二乙酯的含量略有降低(P＜0.05)，分別降低了15.7%和48.8%。從表5可以看出，30MPa、60min HPCD處理西瓜汁在4℃、30d的貯藏過程中，風味物質的含量均不發生變化(P＞0.05)。果汁貯藏過程中風味的變化是由其中的內源酶如過氧化物酶、脂肪氧化酶和糖苷酶引起的[4,15]。與熱處理相比，HPCD處理可以更好的鈍化西瓜汁中與風味相關的內源酶活性，從而使處理后西瓜汁在貯藏過程中的風味得以更好的保持。

表4 95℃、1min熱處理西瓜汁在4℃貯藏過程中典型風味物質的含量變化Table 4 Changes in typical flavor compounds in thermally treated watermelon juice during storage at 4 ℃

表5 30MPa、60min HPCD處理西瓜汁在4℃貯藏過程中典型風味物質的含量變化Table 5 Changes in typical flavor compounds in HPCD treated watermelon juice during storage at 4 ℃

3 結 論

95℃、1min的熱處理后西瓜汁中的菌落總數、霉菌和酵母菌總數分別降至7CFU/mL和3CFU/mL；而30MPa HPCD處理后，兩者分別降至26CFU/mL和9CFU/mL，均達到《果、蔬汁飲料衛生標準》要求。并且貯藏15d之內菌落總數、霉菌和酵母菌總數仍在衛生標準要求范圍內。與本研究不同，前人的報道中通常認為HPCD處理比熱處理具有更好的殺菌效果[16]。這可能由于本研究中HPCD處理的準備階段對處理釜的消毒不徹底所致。

95℃、1min的熱處理和HPCD處理均會導致西瓜汁典型風味化合物的含量變化，但HPCD處理對西瓜汁的風味影響較小；并且4℃貯藏30d的過程中HPCD處理西瓜汁的風味變化較小。

根據消費習慣，鮮榨果汁通常要在7d之內消費掉，因此該鮮榨西瓜汁的保質期只需7d。95℃、1min的熱處理和30MPa HPCD處理在微生物指標方面均可以達到上述要求，而HPCD處理可以更好的保持鮮榨西瓜汁的風味，因此HPCD處理更適合鮮榨西瓜汁的生產。

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Effects of High Pressure Carbon Dioxide on Microbiological and Flavor Profiles of Fresh Watermelon Juice

LIU Ye1，ZHAO Xiao-yan2,*，ZOU Lei3，HU Xiao-song4，SONG Huan-lu1
(1.School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China；2. Beijing Vegetable Research Center, Beijing 100097, China；3. Environmental Management College of China；Qinhuangdao 066004,
China；4. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In this study, the effect of high pressure carbon dioxide (HPCD) on the microbial indexes and flavor of fresh watermelon juice was investigated. The total bacteria, mold and yeast count, and typical flavor compounds of watermelon juice after treated with HPCD for 60 min at 30 MPa were analyzed and compared to those of samples thermally treated at 95 ℃ for 1 min.Microbial analysis was carried out on watermelon juice during 30 days of storage at 4 ℃.The results showed that better sterilization results were achieved by the thermal treatment than the HPCD treatment. The microbial indexes of watermelon juice samples sterilized by the different treatment methods were in line with the requirement of the national standardHygienicStandard for Fruit and Vegetable Juiceand could meet consumer demands for fresh watermelon juice within the shelf life. The HPCD treatment had little impact on typical flavor compounds of watermelon juice and little changes were observed during storage. In general, HPCD treatment is more suitable than heat treatment for fresh watermelon juice production.

high pressure carbon dioxide (HPCD)；watermelon juice；sterilization；flavor

O521.9；TS275.5

A

1002-6630(2012)03-0082-07

2011-03-17

北京市委組織部優秀人才項目(2011D005003000007)；國家“863”計劃項目(2007AA100405)；

北京市重大科技計劃項目(101105046610000)

劉野(1981—)，男，講師，博士，研究方向為食品非熱加工技術。E-mail：liuyecau@126.com

*通信作者：趙曉燕(1971—)，女，研究員，博士，研究方向為功能性食品。E-mail：caucfsne@yahoo.com.cn