超高压对鲜榨苹果汁的杀菌效果及动力学分析

李 珊，陈芹芹，李淑燕，韩 帅，倪元颖*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京 100083)

超高压对鲜榨苹果汁的杀菌效果及动力学分析

李 珊，陈芹芹，李淑燕，韩 帅，倪元颖*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京 100083)

研究超高压对鲜榨苹果汁的杀菌效果，考察细菌总数、霉菌、酵母菌数分别在300、400、500、600MPa，保压时间5、10、15、20、25min条件下的变化。结果表明：随着压力的升高和时间的延长，杀菌效果增强；霉菌、酵母对压力较为敏感，500MPa处理5min即可被全部杀死。对不同处理压力下苹果汁杀菌效果进行动力学分析，应用Weibull模型，绘制杀菌曲线，在4个压力水平下，曲线相关系数R2均大于0.900，证明拟合效果良好。模型中，比例参数b值，随压力的增加而升高；形状参数n，在400～600MPa条件下则没有显著变化。

超高压；鲜榨苹果汁；细菌总数；霉菌；酵母菌；Weibull模型

随着生活水平的提高，人们对食品品质和营养的要求也不断提升。营养好、品质高的食品越来越受到消费者的青睐。鲜榨苹果汁即是这样一种食品，它既含有丰富的营养，又保持良好的天然风味，风靡日本欧洲市场[1]。为实现一定的货架期要求，保证鲜榨苹果汁的安全性，工业化生产中普遍采用热力加工达到灭菌的目的。果汁是一种热敏食品，热处理能很好的杀灭和钝化果汁中的微生物和酶，但对果汁的品质影响较大[2]。超高压技术作为一种非热加工技术，它既能保证食品的微生物安全性，又能保持食品色泽、风味、营养价值等方面的质量品质[3]。

超高压技术能有效杀死食品中的腐败菌和致病菌，主要原因是高压能使微生物细胞膜损伤、蛋白质变性及改变细胞内pH值[4]。其杀菌效果主要与微生物种类、压力大小、加压时间、环境因子等多种因素有关。一般来说，酵母菌、霉菌的耐压性比细菌中革兰氏阴性菌的耐压性低，而革兰氏阴性菌的耐压性又较革兰氏阳性菌低，病毒也可在不太高的压力下灭活。芽孢较营养细胞的耐压性强[5]。不同食品体系中，超高压技术对微生物的杀灭效果也不同。目前已有报道，应用超高压对苹果汁[6]、草莓汁[7]、猕猴桃汁[8]、枸杞[9]等进行处理，有较好的杀菌效果。苹果汁为高酸性食品，其中主要的腐败菌是对压力敏感的酵母、霉菌和乳酸菌[10]。无论是食品原料中天然存在的微生物还是专门接种到物料中的微生物，超高压灭菌动力学曲线大多数情况下并不符合一级反应的规律[11]。研究发现[12]，log-logistic 模型及Weibull模型能够比线性模型更好的解释超高压灭菌的实验结果，而Weibull模型更加简洁、易用。超高压处理鲜榨苹果汁灭菌动力学还未见报道。本实验通过研究超高压对鲜榨苹果汁的杀菌效果，并分析其杀菌动力学，为超高压在鲜榨苹果汁加工领域中提供一些基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

市售山东烟台红富士苹果，于4℃度避光贮存。市售聚乙烯塑料袋。

营养琼脂、孟加拉红培养基、抗坏血酸、氯化钠均购自北京蓝弋化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

CAU-HHP-700超高压设备 包头科发新型高技术食品机械有限责任公司；K600(3205)Braun食品料理机 德国博朗公司；SPN1501F电子天平 美国奥豪斯公司；SW-lJ-1FD超净台 苏州尚田洁净技术有限公司；LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂；PHX智能型生化培养箱 宁波莱福科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 试样制备

市场购得形态良好，无病虫害的山东烟台红富士苹果，用自来水清洗3遍，再用蒸馏水冲洗，切块放入榨汁机中榨汁，加入质量分数为0.15%抗坏血酸护色，用4层纱布过滤。然后分装于聚乙烯塑料袋中(每袋40mL)，抽真空热封于2℃冰箱中备用。

1.3.2 超高压实验设计

将袋装苹果汁置于高压腔，设定压力及时间参数，于室温(25℃)下采用压力分别为300、400、500、600MPa，保压时间为5、10、15、20、25min处理。

1.3.3 微生物检测

根据GB 4789.2—2010《食品微生物学检验菌落总数测定》检测菌落总数；根据GB 4789.15—2010《食品微生物学检验霉菌和酵母计数》进行霉菌和酵母菌计数。菌落总数培养基选用营养琼脂，霉菌、酵母菌计数选用孟加拉红培养基。为保证实验数据准确性，所得实验结果均为两个平行，3组重复数据平均所得。

1.4 数据统计与分析

1.4.1 动力学分析

灭菌效果用Weibull模型分析[13-15]。

式中：N0为超高压处理前样品中菌落总数/(CFU/mL)；N为超高压处理后样品中菌落总数/(CFU/mL)；b和n分别为尺度参数和形状参数[15]。当n＜1时Weibull分布为一个凹面向上的曲线，n＞1时曲线凹面向下，n=1时为一条直线。

1.4.2 数据分析

方差分析(ANOVA)及Weibull模型分析使用SPSS 17.0，绘图使用Microcal Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 超高压处理对鲜榨苹果汁的杀菌效果研究

2.1.1 超高压处理对菌落总数的影响

图1 不同压力对苹果汁中菌落总数的影响Fig.1 Effect of pressure on the bacteria inactivation in fresh apple juice

由图1可知，压力和时间是影响菌落总数的重要因素。随着保压时间的延长及处理压力的增加，菌落总数呈现明显下降的趋势。高压处理保压5min后，600MPa处理组较300MPa处理组菌落总数的对数多降低了2.2个单位。而处理组(600MPa、25min)比处理组300MPa、5min菌落降低对数多降低了2.8个单位。当压力从300MPa增加到400MPa时，菌落总数降幅较大。而压力从400MPa到500MPa，500MPa到600MPa时，菌落总数降幅较小。这是由于不同菌都有自身耐压阈值，压力敏感菌压力阈值较低(＜300MPa)，耐压菌的阈值高，少数革兰氏阳性菌芽孢可耐受1000MPa以上压力[7]。因此，在较低压力下提高到较高压力，能有效杀灭压力敏感菌，细菌总数大幅度减少，而继续升高压力，在一定条件下因压力达不到耐压菌的阈值，菌落总数的降低趋势也就相对平缓。

2.1.2 超高压处理对霉菌、酵母菌的杀菌效果

图2 不同压力对苹果汁中霉菌、酵母菌数的影响Fig.2 Effect of pressure on the inactivation of mold and yeast in fresh apple juice

由图2可见，随着压力的增加霉菌及酵母菌的数量显著降低。400MPa处理组霉菌、酵母菌数随时间的延长其降低速率更快。在压力400MPa条件下处理20min，菌落总数由最初的16000CFU/mL降至15CFU/mL，符合国家食品卫生不超过20CFU/mL的标准。结果表明，当压力提升至500MPa时，对鲜榨苹果汁处理5min则无霉菌酵母菌检出，600MPa处理5min也能达到相同的效果。

2.2 超高压处理对鲜榨苹果汁杀菌效果的动力学分析

表1 超高压处理鲜榨苹果汁杀菌曲线Weibull模型参数Table 1 The Weibull model for kinetic parameters of bacteria inactivation in apple juice treated by ultra high pressure

以相关系数(R2)为模型拟合好坏的评价指标。R2越大，模型拟合度越高。由表1可见，4个压力下Weibull模型的R2值都在0.900以上，表明超高压对鲜榨苹果汁灭菌效果的动力学符合Weibull模型。

图3 300、400、500、600MPa条件下Weibull模型拟合的杀菌动力学曲线Fig.3 Survival curves of bacteria in fresh apple juice at 300, 400, 500 MPa and 600 MPa fitted with Weibull model

由图3可知，杀菌动力学曲线的形状随着处理压力水平的变化呈现显著变化。由于本实验选用的超高压设备升压速率为70MPa/min，升高到600MPa需9min左右，而实验以压力升高到处理压力300、400、500、600MPa后为0min开始计时，此时细菌总数已经随压力的升高而有一定下降。当处理压力在300MPa时，超高压杀菌动力学曲线弯曲度较小接近线性，但随着压力的增加，杀菌曲线呈凹面状，显示明显的曲率和拖尾[16]。在较高的压力400、500、600MPa条件下杀菌曲线的形状较为相似。在初始的5min内，菌落对数急速降低，5min之后到25min的拖尾部分仍能降低约1.5个对数。

由表1显示，Weibull模型中两个动力学参数b和n与压力相关。在压力范围300～600MPa间b值与压力几乎成线性关系，随着压力的增加而增加。这一结果与其他文献报道[13-14]一致。n值显示处理压力对杀菌曲线的形状的影响。在压力300MPa时n值最大，表明在此压力条件下微生物细胞的敏感性提高，导致微生物大量死亡。压力从300～400MPa，n值降低最多，而400～500MPa，500～600MPa间n值变化不大。即表明在400～600MPa下，动力学曲线形状趋于稳定。

3 结 论

本实验研究了超高压处理对鲜榨苹果汁的杀菌效果的影响，并对其进行了杀菌动力学分析。得出以下结论：压力大小及保压时间对杀菌效果影响显著，在处理压力300～600MPa范围内，鲜榨苹果汁的处理压力越大，保压时间越长，杀菌效果越好。处理组600MPa，25min比处理组300MPa，5min菌落降低对数多降低了2.8个单位。霉菌、酵母菌对压力更为敏感，处理压力500MPa以上保压5min则无菌落检出。

Weibull模型对超高压处理鲜榨苹果汁的杀菌动力学曲线拟合良好。比例参数b值与压力几乎呈线性关系，随压力的增大而升高，b值越大杀菌效果越好。形状参数n值与压力相关，表明压力大小影响杀菌曲线的形状，300MPa压力时杀菌曲线较为接近线性，增加压力到400、500、600MPa，曲线凹度增加，且相互间变化趋于稳定。

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Bactericidal Effect and Kinetics of High Hydrostatic Pressure on Fresh Apple Juice

LI Shan，CHEN Qin-qin，LI Shu-yan，HAN Shuai，NI Yuan-ying*
(Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing, Ministry of Agriculture, Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing, Ministry of Education, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to explore the bactericidal effect of high hydrostatic pressure on natural microorganisms in fresh apple juice, the numbers of total bacteria, mold and yeast in fresh apple juice were measured after pressure treatment at 300, 400, 500 or 600 MPa for 5, 10, 15, 20 min and 25 min, respectively. The results showed that the bactericidal effect was improved with the increase of pressure level and pressure-holding time. Mold and yeast were more sensitive to high hydrostatic pressure and could be inactivated at 500 MPa for 5 min. The Weibull model was used to fit the survival curve. The correlation coefficients (R2) were more than 0.900 determined at four pressure levels, which proved that Weibull model was suitable for the kinetic analysis of bacterial inactivation. The values of scale factor b in the model were increased with the increase of pressure, while the values of shape factor n were stable in the pressure range of 400 to 600 MPa.

high hydrostatic pressure；fresh apple juice；total bacterial count；mold；yeast；Weibull model

TS255.1

A

1002-6630(2011)07-0043-04

2010-07-14

北京市科技计划重点项目(D101105046610001)

李珊(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：li3flysky@yahoo.com.cn

*通信作者：倪元颖(1960—)，女，教授，硕士，研究方向为果蔬加工、天然产物提取和功能食品开发。

E-mail：niyuany@163.com