兩種殺菌條件下藍莓汁儲藏品質變化及動力學研究

高學玲， 劉 佳， 周 巍， 胡 勇， 岳鵬翔*

（1.安徽農業大學 茶與食品科技學院，安徽 合肥 230036；2.安徽省農業科學院 農產品加工研究所，安徽 合肥230031）

藍莓是杜鵑花科越橘屬多年生落葉或常綠灌木，又稱越橘[1]。藍莓中富含花青素、多酚、黃酮、VC、超氧化物歧化酶（SOD）等多種抗氧化物，是具有很強的抗氧化作用的水果之一[2-3]。研究表明：藍莓花色苷具有抗氧化、清除自由基、提高人體免疫力、延緩衰老、抗癌、抗炎癥等多種藥理活性[4]。目前，高花青素含量的藍莓已成為國內外生物、食品、醫學、園藝等學科的研究熱點，其研究多集中于藍莓的抗氧化作用及活性成分的代謝機理、藍莓種植技術、活性成分的影響因子及抗氧化作用、活性成分的提取分離純化等幾個方面[5-9]。

熱殺菌和微波殺菌是目前較為常見的兩種果汁殺菌技術[10]。其中微波殺菌與傳統的熱殺菌相比，具有縮短加工時間，加熱均勻，能有效保護食品中熱敏性營養物質，減少食品色、香、味的損失等優點[11]。目前果汁微波殺菌技術的研究主要集中在殺菌過程本身對果汁熱敏性成分的保護等方面[12]，而關于微波殺菌對果汁儲藏期間品質變化方面的研究，尤其是經熱殺菌和微波殺菌的果汁在儲藏期間品質變化方面的對比研究，尚未見文獻報道。

反應動力學模型研究在對食品貨架期[13]，營養物質損失[14]等方面均已做出了較好的預測。作者采用化學反應動力學方程及Arrhenius方程，分別對經熱殺菌和微波殺菌后藍莓汁中菌落總數、花青素含量及色澤在儲藏期間的變化規律進行研究，并建立反應動力學方程。利用化學反應動力學研究熱殺菌和微波殺菌對儲藏期間藍莓汁品質變化的影響，可為進一步深入研究品質指標變化的機理及工藝參數的合理選取提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

兔眼藍莓：安徽省懷寧藍莓種植基地提供，采后-20℃凍藏；果膠酶；購于法國LAFFORT公司；無水乙酸鈉、氯化鉀、濃鹽酸、無水乙醇：均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

L-550型離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司產品；DK-8B型水浴鍋：上海精密實驗設備有限公司產品；WD750ASL23型微波爐：廣東格蘭仕集團有限公司產品；CM 3500D型色差儀：日本Konica Minolta公司產品；BS110S電子天平：北京賽多利斯天平有限公司產品；PHS-3C型pH計：上海精密科學儀器有限公司產品；UV759S型分光光度計：上海精密科學儀器有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 藍莓汁制備工藝 藍莓凍果在室溫避光條件下解凍后打漿，制得的果漿經果膠酶酶解后，以5 000 r/min離心10 min，分離制得藍莓汁，pH為（3.2±0.1）。將50 mL藍莓汁灌裝后分別經80℃、20 min熱殺菌處理和750 W、30 s微波殺菌處理后，制得兩種藍莓汁樣品。為保證試驗樣品的一致性，藍莓汁樣品為一次性制備。

1.2.2 藍莓汁儲藏試驗 經熱殺菌和微波殺菌的藍莓汁樣品，分別用錫紙包裹容器避光置于不同溫度（4、16、25、37 ℃）恒溫系統中，分別經不同時期（0～75 d）的儲藏，分析藍莓汁中菌落總數、花青素質量濃度及色澤等品質參數的變化。

1.2.3 藍莓汁品質指標測定方法

1）菌落總數 根據國家標準GB4789.2—2010[15]測定。

2）花青素質量濃度 采用pH示差法[16-17]檢測藍莓汁中花青素的質量濃度。總花青素質量濃度（Total anthocyanins，TAcy）的計算公式如下（按矢車菊色素-3-葡萄糖苷計）：

式中：A為稀釋樣品吸光度；449.2為矢車菊色素-3-葡萄糖苷的摩爾分子質量 （g/mol）；n為體積稀釋倍數；26 900為矢車菊色素-3-葡萄糖糖苷的摩爾消光系數 （L/mol/cm），A510nm為510 nm下樣品吸光度；A700nm為700 nm下樣品吸光度。

3）色度 藍莓汁的顏色變化用色差（△E）來表示，色度使用CM 3500D型色差儀檢測。

式中：a為樣品紅度；b為樣品黃度；L為樣品亮度；△E 為樣品與對照組之間的色差；a0、b0、L0為對照組相應值。

1.2.4 動力學理論

1）動力學方程 食品貯藏和加工中的品質變化動力學模型中大多數符合一級反應動力學模型[18]，即：

式中，t為反應時間；C為t時刻的品質指標值；C0為初始品質指標值；k為反應速度常數。

2）Arrhenius方程 儲藏過程中儲藏溫度對反應速率常數的影響采用Arrhenius經驗方程[19]，即：

式中，A為頻率因子；Ea為反應的活化能（kJ/mol）；R 為氣體常數 （8.314 5 J/mol/K）；T 為絕對溫度（K）。

對于指定反應，頻率因子是與反應溫度（或微波頻率）、反應物濃度和反應時間都無關系的常數。活化能的大小反映了反應溫度和微波功率對反應速率常數的影響程度，也可表示反應的難易程度[19]。

2 結果與分析

2.1 儲藏期間藍莓汁菌落總數的變化

儲藏期間熱殺菌和微波殺菌的藍莓汁中菌落總數的變化如圖1所示。如圖1（a），隨著儲藏時間的延長，不同儲藏溫度下熱殺菌藍莓汁中菌落總數均呈顯著增加趨勢。隨著儲藏溫度的增大，藍莓汁菌落總數的增長速度也迅速增大。如圖1（b），微波殺菌藍莓汁中菌落總數隨著儲藏時間的增長均呈顯著增大趨勢，并且隨著儲藏溫度的升高，菌落總數的增大速率也逐漸加快。由圖1可見，微波殺菌相比熱殺菌，雖然能在很短的時間內達到與長時間熱殺菌相同的殺菌效果，但在儲藏期間，相同儲藏條件下，微波殺菌的藍莓汁中菌落總數的增長速度要明顯快于熱殺菌。

圖1 儲藏期間藍莓汁中菌落總數的變化Fig.1 Changes in total bacterial count of sterilization treated blueberry juice during storage

試驗結果由式（3）計算所得藍莓汁菌落總數增長速率及R2見表1。熱殺菌藍莓汁的R2均大于0.92，微波殺菌藍莓汁的R2均大于0.96，回歸方程的擬合精度較高，表明菌落總數的變化符合一級反應動力學模型。由表1可見，熱殺菌和微波殺菌的菌落總數增長速率隨著儲藏溫度升高逐漸增大，而同溫度下微波殺菌的增長速率則明顯高于熱殺菌。

2.2 儲藏期間藍莓汁花青素質量濃度的變化

儲藏期間熱殺菌和微波殺菌的藍莓汁花青素含量的變化如圖2所示。如圖2（a），隨著儲藏時間的延長，不同儲藏溫度下熱殺菌藍莓汁中花青素含量均呈顯著下降趨勢。隨著儲藏溫度的增大，藍莓汁花青素的損失速率也迅速增大。如圖2（b），不同儲藏溫度下微波殺菌的藍莓汁中花青素含量隨著儲藏時間的增長均呈顯著降低趨勢，并且隨著儲藏溫度增大，花青素的損失也逐漸加快。根據圖2，雖然熱殺菌和微波殺菌的藍莓汁中花青素含量殺菌結束后相差不大，但是熱殺菌的藍莓汁在儲藏過程中損失得較快，而微波殺菌的藍莓汁在儲藏過程中花青素的損失速率則較小。

表1 儲藏期間熱殺菌和微波殺菌所得藍莓汁品質變化的速率常數Table 1 Quality change rates of sterilization treated blueberry juice during storage

圖2 儲藏期間藍莓汁花青素質量濃度的變化Fig.2 Changes in total anthocyanins content of sterilization treated blueberry juice during storage

由式（3）計算所得藍莓汁花青素損失速率及R2的實驗結果見表1。由表1可知，儲藏期間熱殺菌藍莓汁花青素損失速率的R2均大于0.97，儲藏期間微波殺菌藍莓汁花青素損失速率R2均大于0.95，回歸方程的擬合精度較高，表明花青素含量的變化符合一級反應動力學模型。熱殺菌和微波殺菌的花青素損失速率隨著儲藏溫度升高均逐漸增大，而微波殺菌的損失速率增加趨勢明顯慢于熱殺菌，與圖2的描述一致。

2.3 儲藏期間藍莓汁色澤的變化

儲藏期間藍莓汁的色澤變化用色差（△E）來表示，對照組為殺菌前的藍莓汁，△E越大，藍莓汁的色澤變化越嚴重。儲藏期間藍莓汁色澤隨儲藏時間的變化如圖3所示。由圖3，隨著儲藏時間的延長，不同儲藏溫度下的熱殺菌和微波殺菌藍莓汁的色差均呈顯著增大趨勢。隨著儲藏溫度的升高，藍莓汁色差的變化速率也迅速增大根據圖3，熱殺菌的藍莓汁色差在殺菌結束后已經達到8.575，并且在儲藏期間變化較快；而微波殺菌的藍莓汁在剛剛殺菌后僅為2.022，并且在儲藏期間變化也較慢。

由式（3）計算所得藍莓汁色澤變化速率及R2的實驗結果見表1。儲藏期間由表1可知，熱殺菌藍莓汁色澤變化速率的R2均大于0.92，而儲藏期間微波殺菌藍莓汁色澤變化速率R2均大于0.90，回歸方程的擬合精度較高，表明色澤的變化符合一級反應動力學模型。熱殺菌和微波殺菌的色澤變化速率隨著儲藏溫度升高均逐漸增大，而微波殺菌的變化速率增大趨勢也明顯慢于熱殺菌，這與圖3的描述完全符合。

圖3 儲藏期間藍莓汁色澤的變化Fig.3 Colour changes of sterilization treated blueberry juice during storage

2.4 儲藏期間藍莓汁品質指標的動力學模型及模型驗證

將Arrhenius方程式（4）取對數得：

根據上式，將儲藏過程中熱殺菌與微波殺菌的藍莓汁菌落總數、花青素質量濃度、色差的-lnk對熱力學溫度倒數1/T作回歸直線，如圖4所示。由回歸直線的斜率和截距求出活化能Ea和頻率因子A，結果如表2所示。

圖4 儲藏期間藍莓汁品質指標變化的Arrhenius關系曲線Fig.4 Arrhenius curves of quality changes of sterilization treated blueberry juice during storage

表2 儲藏期間藍莓汁品質變化的活化能和頻率因子Table 2 Pre-exponential factor and activation energy of sterilization treated blueberry juice during storage

由表2可知，所有Arrhenius方程的擬合精度都很高（R2>0.98）。3種品質指標中，熱殺菌與微波殺菌的藍莓汁花青素含量的活化能均最高，說明儲藏期間中3個指標中花青素含量的變化較難發生。而與熱殺菌相比，微波殺菌3種品質指標的活化能均較低，說明儲藏溫度對微波殺菌所得藍莓汁的品質影響不大。 由參數代入式（3）、（4），即可得到熱處理和微波處理下藍莓汁品質3個指標的一級反應動力學模型。

為了驗證已經建立的動力學模型的準確性，將熱殺菌和微波殺菌的藍莓汁分別在20℃下儲藏8 d、15℃下儲藏10 d，進行驗證試驗。驗證結果如表3所示，所有驗證試驗的模型預測值與實驗值之間的相對誤差均不超過2%，表明本研究建立的儲藏期間動力學模型的預測準確性高。

表3 動力學模型的驗證結果Table 3 Verified results of the reaction kinetics model equation

3 結語

利用一級反應動力學模型和Arrhenius方程對儲藏期間熱殺菌和微波殺菌所得藍莓汁的品質變化進行了研究。研究表明：在儲藏期間熱殺菌和微波殺菌藍莓汁中菌落總數、花青素質量濃度和色差均有顯著的變化，其變化均符合一級反應動力學模型（R2>0.9），且儲藏溫度對菌落總數、花青素質量濃度和色差的變化速率常數均有顯著影響。儲藏溫度升高，菌落總數、花青素和色度的變化速率也隨之增大。在較低的儲藏溫度，藍莓汁的菌落總數增長緩慢，花青素和色澤的損失較小，藍莓汁能夠長時間保持較好的品質。微波殺菌的藍莓汁相比熱殺菌，雖菌落總數增長的速率更快，但能較好的抑制花青素、色澤及抗氧化能力的損失。

花青素是藍莓汁最主要的抗氧化成分之一。花青素性質不穩定，容易受到光、熱、氧氣等因素的影響而損失。而花青素含量的變化也會影響到藍莓汁色澤的變化。作者研究中所得的反應動力學方程中，相比熱殺菌，微波殺菌所得藍莓汁的花青素含量、色澤的活化能均較低。這表明微波殺菌所得藍莓汁在儲藏期間，其花青素質量濃度和色澤的變化速率受儲藏溫度不如熱殺菌所得藍莓汁大，而造成這一現象的原因，尚有待于進一步研究。

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