超高壓技術對果蔬汁微生物和品質影響的研究進展

高紅芳，謝蘭心，樊曉博

（渭南職業技術學院，陜西 渭南 714000）

果蔬中富含人體不可缺少的營養成分和活性物質，對人體健康、增強體質、預防疾病均有重要作用。但是，果蔬容易腐敗變質，具有很強的季節性，不易貯藏。果蔬汁飲料在口感和營養上與新鮮果蔬相近，深受消費者喜愛，具有很好的市場開發前景。因此，將果蔬加工成果蔬汁，不僅可以解決果蔬安全貯藏問題，而且可以保留果蔬中的營養成分。傳統果蔬汁加工過程中主要采用高溫殺菌技術，會導致果汁維生素與活性成分損失、芳香物質散逸、感官品質下降，難以滿足消費者的需求。因此，非熱加工技術在食品加工中越來越被重視。

超高壓加工技術（Ultra-high pressure processing，HPP）作為一種新型非熱殺菌技術，與傳統熱處理相比，不僅能保證食品微生物方面的安全，而且可以更好地保持食品原有的色、香、味及營養成分。早在2001年，超高壓技術就被美國食品藥品監督管理局（FDA）批準應用于果蔬汁加工，不僅可口可樂、星巴克、Tyson等多家大型跨國食品公司在使用超高壓技術，而且越來越多的創新型食品公司也在開發并使用食品超高壓處理技術生產果蔬汁。美國和日本是超高壓果蔬汁的主銷市場。我國超高壓果蔬汁生產技術應用還處在起步階段，中國農業大學食品科學與營養工程學院研發團隊經過不斷努力，已在超高壓加工果蔬汁技術方面積累了良好基礎。2018年，超高壓食品低溫處理研發及加工中心在上海成立，標志著我國超高壓綠色健康食品加工行業進入了一個嶄新的時代。

隨著人們對天然、不含防腐劑與最少加工食品的日益青睞，超高壓技術在食品加工中的應用研究越來越廣泛。前人從超高壓誘導食品微生物失活的工藝參數[1]、超高壓食品加工設備現狀及發展趨勢[2]等方面進行了綜述。在此基礎上，本文歸納了超高壓技術在果蔬汁加工中的最新研究進展，綜述了超高壓參數、微生物種類、食品基質等因素對果蔬汁微生物的殺菌效果以及超高壓協同熱處理、超聲波、酶抑制劑等技術在果蔬汁滅酶方面的研究進展，評價了超高壓技術對果蔬汁理化特性、色澤、香氣成分、生物活性成分等的影響，指出了超高壓在果蔬汁加工中有待解決的關鍵問題，并對其發展方向及趨勢進行了展望。

1 超高壓技術對果蔬汁中微生物的影響

在果蔬汁生產加工過程中，微生物的滅活對提高其安全性和延長貨架期至關重要，表1列出了超高壓處理對果蔬汁部分微生物的殺菌效果，通過選擇合理的殺菌參數可以將果蔬汁中大部分微生物完全殺滅或降低至安全水平。超高壓殺菌效果受到處理參數（壓力、溫度、保壓時間）、微生物種類、食品基質等因素的影響。

表1 超高壓技術對果蔬汁中微生物的影響Table 1 Effectsof HPPon microorganisms in fruit and vegetable juice

在超高壓處理參數中，壓力是影響殺菌效果的主要因素，高壓破壞微生物膜結構，使微生物細胞內蛋白質或酶發生不可逆變性，胞內物質泄漏，最終導致微生物失活。一般情況下，壓力越大，殺菌效果越好。壓力為200 MPa時，可將綠蘆筍汁中菌落總數降低至200 CFU/mL，當壓力升高至400 MPa時，可達到商業無菌[3]。延長處理時間，可以提高殺菌效果，但當壓力不夠時，即使延長處理時間也起不到殺菌作用。Varela-santos等[4]在350 MPa下對石榴汁處理30 s，霉菌和酵母菌的對數值下降了2.1，當處理時間延長至90 s時，霉菌和酵母菌數量并沒有繼續下降。此外，也有研究報道，升/卸壓速率會影響果汁的殺菌效果。Syed等[5]發現，比起1.3 MPa/s慢速升壓過程，11.4 MPa/s快速升壓能更好地殺滅橘子汁中大腸桿菌。溫度是影響超高壓殺菌效果的另一重要因素，在常溫以上范圍內，超高壓殺菌效果隨溫度的升高而加強，這是由于溫度協同作用可增加蛋白質的變性，提高對微生物的致死率。但在0℃以下的低溫條件下，殺菌效果比常溫殺菌效果好。Zhu等[6]研究發現，超高壓對冷凍狀態下胡蘿卜汁的殺菌效果好于對常溫條件下胡蘿卜汁的殺菌效果，這是由于壓力使細胞因冰晶析出而破裂的程度加劇，在低溫下蛋白質的敏感性提高，更易變性[7]。

不同微生物對壓力的敏感度不同，一般耐壓次序為芽孢＞革蘭氏陽性菌＞革蘭氏陰性菌。但由于不同果蔬汁成分不同，耐壓性會發生改變。芽孢對高壓是最具抗性的，一些芽孢甚至能在1 000 MPa的壓力下存活，單獨使用超高壓技術很難殺滅果蔬汁中的芽孢。超高壓協同熱處理技術被認為是一種有效殺滅芽孢的方法。Evelyn等[8]發現，在38℃下用600 MPa壓力處理蘋果汁10 min，費希新薩托菌芽孢的對數值下降了1，當溫度升高至75℃時，對數值下降了3.3。超高壓協同超聲輔熱可以有效殺滅芽孢，Evelyn等[9]在研究橙汁中酸土環脂芽孢桿菌芽孢的滅菌動力學時發現，僅超聲輔熱處理，D78℃值為28 min，600 MPa下預處理15 min，D78℃值下降至14 min。有研究發現，超高壓協同化學試劑也可以有效殺滅芽孢，添加500 IU/mL的乳酸鏈球菌肽（Nisin）經500 MPa處理后，細菌芽孢的對數值下降6[10]。

在復雜的食品基質中，其組成成分及其性質與超高壓的殺菌效果密切相關，有些成分會對微生物起到一定的保護作用，進一步導致亞致死性受損細胞在貯藏期間恢復[11]。趙鳳等[12]采用超高壓技術處理枸杞汁，可使菌落總數降低至5CFU/mL，但隨著儲藏時間的延長，菌落總數增加，在第28天時已達到117 CFU/mL，而超高壓處理的菠蘿汁在儲藏2個月后菌落總數仍然符合國家食品衛生標準[13]。超高壓殺菌效果還與果汁的pH值有關，每種微生物都有適合其生長的pH值，當pH值發生變化時，微生物的生長會受到影響。一般來說，微生物在中性果蔬汁中最具耐壓性，當酸堿度升高或降低時，微生物細胞的耐壓性降低。姜斌等[14]研究發現，在400 MPa下處理蘋果汁15 min，菌落總數降至20.08 CFU/mL，而胡蘿卜汁中菌落總數為300 CFU/mL，表明超高壓對pH值較低的鮮榨蘋果汁的殺菌效果強于pH值為中性的鮮榨胡蘿卜汁。此外，果蔬汁中水分活度會影響超高壓殺菌效果，水分活度下降會引起細胞收縮、細胞膜增厚，從而減小細胞體積及細胞膜流動性和滲透性，殺菌效果隨之減弱[15]。總之，超高壓殺菌是一項非常復雜的工藝，因此在處理果蔬汁時應綜合考慮微生物特性、果蔬汁特性和處理工藝參數之間的相互影響，優化出最佳組合處理參數，從而得到更好的殺菌效果。

2 超高壓技術對果蔬汁酶活性的影響

酶是果蔬汁中存在的天然大分子物質，在加工過程中對果蔬汁色澤、組織狀態及香氣有較大的影響。果蔬汁中常見的酶有過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、甲氧基果膠酶（PME）等。其中，POD、PPO主要影響果汁的色澤，PME主要改變果蔬汁的組織狀態。經超高壓處理后，這些酶可能被激活或部分活性受到抑制（見表2）。一般而言，低壓條件下酶被激活，可能是由于超高壓引起食品體積縮小，提高了酶的相對濃度，酶活性增強。高壓條件下部分酶活性受到抑制，是由于超高壓處理破壞了維持蛋白質三級結構的氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價鍵，而蛋白質的三級結構是形成酶活性中心的基礎，從而使酶喪失活性。Yi等[26]研究了超高壓對不同品種蘋果濁汁中酶的鈍化效果，研究發現600 MPa下對粉紅女郎、澳洲青蘋、喬納金3個不同品種蘋果濁汁處理3 min，PPO殘余酶活性分別為93%、55%、75%，POD殘余酶活性分別為107%、66%、59%。可見，雖然超高壓處理條件一致，但酶鈍化效果存在很大差異，這可能是由于不同品種蘋果汁的pH值、化學成分存在差異，導致同種酶在不同果蔬汁中所表現的耐壓特性也不同。

表2 超高壓技術對果蔬汁中酶活性的影響Table 2 Effects of HPPon enzymesactivitiesin fruit and vegetable juice

單一使用超高壓技術不能完全鈍化酶，容易使果蔬汁在貯藏過程中發生酶促反應，引起果蔬汁的褐變，超高壓協同其他技術可以提高酶的鈍化效果。Abid等[27]在450 MPa條件下處理蘋果汁10 min，PPO、POD、PME殘余酶活性分別為51.22%、46.13%、48.93%，協同超聲（25 kHz，70%振幅，60 min）處理后，幾種酶的殘余酶活性分別降至32.67%、21.13%、23.93%。超高壓協同CO2可提高果蔬汁中酶的鈍化效果。Zhao等[11]研究發現，在600 MPa下處理蘋果汁10 min，PPO殘余酶活性為87.0%，協同CO2處理后PPO殘余酶活性降至0.5%，這可能是由于超高壓處理過程中溶解的CO2會改變離子平衡并影響酶的活性；此外，溶解的CO2在快速減壓過程中產生氣泡，使酶構象變化，從而導致酶失活。循環加壓可以提高酶的鈍化效果，即經過多次超高壓處理比相同時間長的一次性超高壓處理的鈍酶效果好。Stinco等[28]研究發現，在600 MPa下處理胡蘿卜汁，PPO的殘余酶活性大于60%，而在300MPa下循環加壓3次，胡蘿卜汁中PPO活性降至43%。還有研究報道，超高壓與重組果膠甲酯酶抑制劑聯合處理鮮榨橙汁，可以完全鈍化橙汁的PME，改善橙汁品質，解決了單獨超高壓處理在鈍酶方面存在的不足[29]。

3 超高壓技術對果蔬汁品質的影響

果蔬汁為熱敏性產品，采用傳統的熱殺菌技術會對其色澤、活性成分、香氣等品質產生影響，也會對果蔬汁理化指標、懸浮穩定性及黏度等性質產生影響，為了最大限度地降低果蔬汁加工過程中品質的變化，國內外學者采用超高壓技術進行了諸多研究。

3.1 超高壓處理對果蔬汁理化特性的影響

理化指標是果蔬汁產品的基礎指標，主要有pH值、可滴定酸、可溶性固形物含量等[38]，可直接影響果蔬汁的口感。與未處理的果蔬汁相比，超高壓處理對草莓汁[39]、楊桃汁[20]、楊梅復合果汁[40]、水蜜桃汁[41]等的pH值、可滴定酸、可溶性固形物含量均無顯著影響，表明超高壓處理不會影響果蔬汁的基本理化性質。

3.2 超高壓處理對果蔬汁色澤的影響

色澤是判斷果蔬汁品質優劣的重要因素之一，直接影響產品的市場價值和消費者的購買欲望。超高壓處理會對果蔬汁的色素有一定的影響，這是由于酶和微生物的不完全失活，超高壓處理后果蔬汁的顏色化合物可能會發生變化，這可能會導致食品基質中發生化學反應（酶和非酶反應）[42]。在研究果蔬汁色澤變化時，通常用△E值表示色澤總體變化程度，當△E＜3時，人肉眼很難識別。從表3可以看出，當溫度低于35℃時，超高壓處理的果蔬汁△E＜3，而當超高壓處理溫度為60℃時，△E值均大于3，說明超高壓對果蔬汁色澤的影響主要取決于處理溫度，溫度較高時會引起果蔬汁色澤的變化。超高壓處理的果蔬汁在貯藏過程中色澤會改變，Jez˙等[43]研究發現，經超高壓處理（600 MPa，15 min）的番茄汁初始ΔE值為2.54，在6℃下儲藏至第7天，其ΔE值為5.88，儲藏至第14天時的ΔE值為6.83，這是由于果蔬汁中殘余酶活引起的果蔬汁褐變，與超高壓在滅活酶方面不足有關。

表3 超高壓技術對果蔬汁色澤的影響Table 3 Effectsof HPPon color of fruit and vegetable juice

3.3 超高壓處理對果蔬汁香氣成分的影響

香氣成分是評價果汁品質的重要指標，香氣濃郁的果汁更受消費者喜愛，減少香氣成分在殺菌過程中的損失是研制高品質果汁的關鍵。Wang等[23]研究發現，超高壓處理（500 MPa，10 min）增加了桑葚汁中的醛、酮和醇揮發性物質的含量，提升了果汁的香味。Zhang等[51]研究結果表明，超高壓處理（400 MPa，15 min）的芒果汁中3-蒈烯、β-月桂烯和異松油烯等芳香物質濃度提高，果汁的松香味更濃郁。張峻松等[52]研究發現，500 MPa下對芒果汁處理20 min，芳樟醇、糠醛、順式-3-己烯醇和己醇等物質的質量分數分別增長了23.4%、79.1%、93.8%、128.6%，并且增加了2-已烯醛和十八醛等香氣成分。陳旋等[53]研究結果表明，超高壓處理后使胡柚百香果果汁中酯類揮發性物質含量略微增加，可能是由于超高壓處理激活了酯酶。綜上所述，超高壓可以改善果蔬汁的風味，其原因在于超高壓可使酶被激活或者鈍化，從而影響酶在香氣物質合成途徑中的作用，進而影響香氣前體物質的轉化，最終使果蔬汁整體香氣物質含量和種類發生變化，風味改善[54]。

3.4 超高壓處理對果蔬汁活性成分的影響

果蔬汁中含有豐富的抗壞血酸，屬熱敏性物質，性質不穩定，光照和氧氣容易使其分解。經超高壓處理后荔枝基飲料[43]、柑橘汁[55]中的抗壞血酸保留率均可達到80%以上，與未處理果蔬汁相比，抗壞血酸含量略有降低，可能是由于超高壓處理過程中促進了封袋時袋中少量殘留的氧氣與抗壞血酸接觸，發生氧化反應。然而，有研究發現，超高壓處理可以提高果蔬汁中抗壞血酸含量[20]，可能是由于經過超高壓處理后，抗壞血酸提取得更加充分。總體而言，相對于熱處理，超高壓處理可以最大限度地保留果蔬汁中抗壞血酸含量。

酚類化合物是一類天然抗氧化劑，廣泛分布于植物界，是果蔬產品品質的重要指標，具有預防癌癥、心血管等疾病的功能。Deng等[56]研究發現，經超高壓處理后的蘋果濁汁中總酚濃度略有減少，可能是由于酚類物質的氧化降解。但在Raj等[44]的研究中發現，經超高壓處理后，印度醋栗汁中總酚含量增加了20%，可能是由于超高壓處理導致植物細胞破裂，提高了酚類化合物的可萃取性。Hou等[57]研究結果表明,超高壓處理后的刺梨汁中總酚含量沒有顯著變化。綜上所述，超高壓處理對果蔬汁總酚含量的影響并沒有一定的規律性，而這些結果的差異性歸因于植物細胞破裂后的可萃取性與活性物質降解之間的平衡。同時，超高壓處理不破壞共價鍵，能最大限度地保留果蔬汁中的營養成分，對果蔬汁中的胡蘿卜素、花色苷、黃酮類等其他活性物質也沒有破壞作用[58]。

3.5 超高壓處理對果蔬汁穩定性和黏度的影響

果蔬汁中存在一些細小的果肉粒子、膠態或分子狀態及離子狀態的溶解物質，這些粒子并不穩定，是果蔬汁產生沉淀的原因。尹琳琳等[59]研究表明，超高壓處理可以提高草莓汁的懸浮穩定性，而超高壓協同中溫處理后使草莓汁的懸浮穩定性更高，這可能是由于超高壓對懸浮組織成分有一定的破壞作用，提高了其懸浮穩定性，而中溫處理強化了這種粉碎作用，使草莓汁中較大的組織更加細化，在離心過程中穩定地懸浮于果汁中而不被離心出來。但黃曉玲等[60]的研究中發現，與熱處理相比，超高壓處理橙汁的懸浮穩定性降低，在貯藏第25天時，出現大量絮凝沉淀，分層嚴重。超高壓導致果蔬汁懸浮穩定性下降可歸因于：一方面，高壓作用加強了樣品中大分子物質如蛋白質、多酚、多糖等的聚集而更容易產生絮凝；另一方面，超高壓處理不能完全鈍化果蔬汁中的酶，使PME殘余活性較高，而PME能夠水解高甲氧基果膠生成低酯化度甲氧基果膠，易與Ca2+形成絡合物，導致果汁出現絮狀沉淀。

黏度是果蔬汁流變學的一個重要參數，主要影響果汁的口感。尹琳琳等[59]研究發現，超高壓處理后的草莓汁黏度升高，可能是高壓增加了果汁組織內容物溶出。而高婧昕等[37]研究發現，超高壓處理后果蔬汁黏度降低，可能是由于超高壓處理后果蔬汁中存在果膠酶而將果膠類大分子物質在貯藏過程中分解。該觀點在Zhang等[61]的研究中得到了證實，將胡蘿卜汁在超高壓處理之前進行燙漂預處理（90℃，2 min），滅活了果汁中的果膠酯酶（PE）和果膠甲酯酶（PME），但果膠類大分子物質不會被降解，黏度反而升高。

4 超高壓加工設備現狀及未來發展趨勢

由于超高壓設備價格昂貴，一直是超高壓技術發展的瓶頸。日本、美國等一些發達國家在超高壓加工裝置的定型化、標準化、批量生產等方面取得了一定的成就，目前國際上供應商業化超高壓設備的公司主要有美國AvureTechnologies公司和ElmhurtsResearch公司、日本Kobelco公司、荷蘭Stork Food&Dairy Systems B.V.公司、瑞典ABB公司和德國Uhde公司等。

我國在超高壓設備上仍然落后于國外技術，大部分超高壓設備需要進口。但是引進裝備的主要問題在于：一是裝備購置成本以及維修和維護成本均十分高昂；二是缺乏大容積、大產能裝備。這些原因限制了超高壓食品的規模化發展。為此，相關企業或單位積極開展了超高壓技術市場化應用的研究，推進了相關技術和設備的產業化發展。國內主要的超高壓技術及設備研發單位主要有包頭科發高壓科技有限責任公司、山西三水河科技股份有限公司、中國兵器工業第52研究所、上海大隆超高壓設備廠有限公司、天津華泰森淼生物技術工程公司、內蒙古雄遠科技有限公司等，這些單位自主研發了一系列實驗加工設備，為超高壓設備及相關技術的產業化發展積累了經驗，在食品行業創新改進、超高壓設備成本降低等方面發揮出重要作用。但是由于關鍵原材料、關鍵元器件研發不足、需依賴進口等諸多原因，尚未形成較為成熟和完備的超高壓裝備體系。

5 結語

超高壓作為一項非熱殺菌技術，能有效滅活果蔬汁中的有害微生物，延長果蔬汁的貨架期，最大限度地保留果蔬汁的色澤與風味、減少果蔬汁加工過程中活性物質的損失，有廣闊的應用前景。但仍然存在一定的局限：首先，鈍酶方面沒有熱處理效果好，果蔬汁中的多酚氧化酶以及過氧化物酶的殘余酶活性較高，從而造成果蔬汁貯藏期間品質的劣變。其次，超高壓殺菌技術通常情況下無法比較不同處理條件及環境下的殺菌效果，因此，需要建立動力學模型來評價不同加工參數的殺菌效果，有助于食品技術人員在現實應用中調查最小致死劑量、優化滅菌方法，減少試驗次數。再次，超高壓處理會導致一些亞致死微生物，這些微生物在貯藏期間會重新繁殖生長，應進一步研究其特定因素，如優化超高壓工藝參數，了解亞致死微生物的保護機制和恢復條件，以確保其充分滅活。最后，超高壓貯藏運輸過程中所要求的的低溫環境，使其在果蔬汁產品加工的工業化應用中還存在種種局限，未來需要重點解決這些局限性問題。