超高压在柑橘类果汁加工中的应用及其研究进展

曹秋旭，郭丽琼，吴厚玖

(1.西南大学食品科学学院，重庆400715;2.中国农业科学院柑橘研究所，重庆400712)

超高压在柑橘类果汁加工中的应用及其研究进展

曹秋旭1，郭丽琼1，吴厚玖2，*

(1.西南大学食品科学学院，重庆400715;2.中国农业科学院柑橘研究所，重庆400712)

超高压技术能有效的对食品进行杀菌和灭酶，由于大都在常温下处理，因此对食品的色、香、味等感官特征以及营养成分影响较小，是一种有潜在应用价值非热灭菌的先进技术。本文综述了超高压技术的特点及其在柑橘果汁中的应用和研究进展，并展望了超高压在果汁加工中的应用前景，为进一步研究超高压技术在果汁加工中的应用提供参考。

柑橘汁，超高压，杀菌，灭酶

Abstract:The ultra high pressure technology could sterilize and inactivate enzymes effectively in food，the sensory characteristics such as color，flavor，taste and nutrients had a few influence due to the processing most at room temperature，so it was an advanced non-thermal sterilization technology that had potential applications.The characteristics and the application and research advances of the ultra high pressure in the citrus juice processing was reviewed，and the application prospect of the ultra high pressure in the citrus juice processing was discussed.This could provid the reference for the deep research of ultra high pressure in the citrus juice processing，

Key words:citrus juice;ultra high pressure;sterilization;enzymes inactivation

柑橘是世界第一大水果。目前，世界上约有140个国家进行商品化柑橘生产，据联合国粮农组织报告，2009年全球柑橘总产量为1.24亿t，其中甜橙产量为676万t［1］。柑橘果实营养丰富，既可鲜食，又可加工成以果汁为主的各种产品。柑橘果汁中含有丰富的维生素C(Vitamin C)、叶酸与钾，同时对于改善患有高血胆固醇人群的血脂具有重要意义［2］。目前，柑橘的加工制品多达1000种以上，最主要的是橙汁，其次是橘瓣罐头、蜜饯和果酒等。在柑橘汁加工中通常采用热杀菌技术来灭酶和杀菌，该技术虽然能够延长产品的货架期，但也会对产品产生一些不利的影响，如:破坏产品原有的色、香、味，引起热敏性营养成分(如VC)的损失，产生异味和异常物质等［3-5］，且耗能量大，容易造成环境污染等。超高压(ultra high pressure，UHP)属于一项纯物理非热加工技术，它可以杀灭食品中的微生物，钝化酶或使其部分失活、使蛋白质变性、使淀粉糊化或部分糊化，从而避免热加工的破坏作用，达到延长食品的贮藏期、保持食品原有的营养成分与风味、提高食品的食用品质的目的［6］。在橙汁加工中，超高压处理对橙汁色泽等参数影响程度较小;相比于热力杀菌处理，橙汁主要成分损失要低得多;超高压处理后的橙汁中挥发性风味组成成分如醇类、酯类、烃类总含量变化相对较少，醛类热力杀菌处理与鲜榨橙汁比较无明显变化，而超高压处理与鲜榨橙汁相比醛类增加3倍以上［7］。

1 超高压技术在柑橘类果汁加工中的应用研究

超高压技术具体是指利用一定的压力媒介(水、食用油、甘油、油与水的乳浊液等)使食品在极高的压力(一般大于100MPa)下产生蛋白质变性、酶失活、淀粉糊化和微生物杀灭等一系列理化及生物效应，从而达到灭菌和改性的过程［8］。超高压技术可广泛应用于食品的杀菌、灭酶及改善食品品质等方面，目前超高压技术已在果酱、果汁、含果肉的果冻、豆浆、乳蛋白制品、鱼糜鱼糕、鱼肉制品、牛肉制品、甲壳类水产品等开展过系列研究，并取得了许多产业化效果［9-11］。同时它适合果汁饮料、浓缩果汁和果酱等液态或半固态食品的杀菌、灭酶及改善食品品质，超高压处理的新鲜果汁，其颜色、风味、营养成分和未经超高压处理的新鲜果汁几乎无任何差别［12-13］。

1.1 超高压灭酶

酶是有催化活性的一类特殊蛋白质，其生物活性产生于活性中心，活性中心是由分子的三维结构产生的。超高压作用可使维持蛋白质三级结构的盐键、疏水键以及氢键等各种次级键被破坏，导致酶蛋白三级结构崩溃，使酶活性中心的氨基酸组成发生改变或丧失活性，从而改变其催化活性。蛋白质的二级和三级结构的改变与体积的变化有关，而根据勒夏特列原理，超高压有利于体积减小的反应发生，而抑制体积增加的反应［14］，因此会受到高压的影响，而蛋白质的一级结构不受高压作用的影响［15-16］。高压对酶的影响分为两种情况:压力较低时可能可以激活酶;压力较高时使酶失去活性，加热可以协同高压抑制酶活性［17］。

根据酶活力的损失和恢复失活分为4类［15，18-19］:完全不可逆失活、完全可逆失活、不完全可逆失活、不完全不可逆失活。超高压使酶激活或失活都与食品的品质有关，除了构型变化，酶激活主要是由于压力产生的凝聚作用，在完整的组织中酶和基质经常被隔离分开。应用较低的高压可以破坏这种隔离，使膜破坏而使酶和基质相互接触，这种相互接触引起的酶反应可被压力加速或减速，这取决于酶催化反应的反应容积。

每种酶都存在最低失活压力，低于这个压力酶就不会失活，当压力超过这个值时(在特定时间内)，酶失活速度会加速直到完全失活，甚至一些果汁经过较低的压力处理后，其中的某些酶活力不降反升，这可能是由于较低压力破坏了细胞结构而将胞内的酶释放出来，但这一压力却不能破坏酶的活性中心，从而导致低压下酶活不降反升。同时有研究表明，较低压力对某些酶具有激活作用［20］。由此可见，对于特定酶的最低压力和最高压力的研究是研究超高压灭活酶的关键点。这个压力失活范围受到酶的类型、pH、介质成分、温度等因素影响，对于一些酶存在一个最高压力，比它更高的压力，并不会导致额外酶的失活，一般认为由酶的一小部分不可逆失活而转化为非常耐压的部分。当压力解除后耐压的一部分恢复原来状态，而不可逆失活的保持不变［21］。当利用核磁共振术、红外或拉曼光谱技术、X-射线衍射技术、动态光谱扫描技术以及电子自旋共振高精密度的技术观察蛋白质结构在超高压作用下的变化情况，就可以进一步证实维持蛋白质三级结构的盐键、疏水键以及氢键等各种次级键被破坏，导致蛋白质的空间结构崩溃，最后甚至发生了蛋白的变性［22］。

在食品贮藏过程中，过氧化物酶(Peroxidase，POD)常对食品风味产生负面影响，影响食品感官。在食品热加工处理中，过氧化物酶也是一种最难钝化的酶，因此常将其作为灭酶效果的指标酶。同时，一般情况下它也是非常耐压的。造成过氧化物酶对压力的耐受性可能有以下两个方面原因:食品体系中蛋白质、糖类、脂肪以及一些盐对酶具有保护作用;过氧化物酶存在多种形式的同工酶。

夏远景等［20］发现，当处理温度为室温、保压时间分别为5、20min时，200MPa以下压力范围内橙汁中过氧化物酶被激活，其活性随压力的增加出现上升趋势，当压力大于200MPa，随着处理压力增加酶活性下降;产生200MPa内酶活性升高现象的主要原因可能为以下2点:橙汁中存在未破碎细胞，在压力作用下细胞膜被损坏或改变了膜的通透性，使细胞内部的过氧化物酶泄露出来，导致酶活性比对照样还高;酶液中还存在一定数量的细胞碎片，当压力增加到200MPa时，压力使酶从果汁细胞碎片附着而被束缚的状态中解离出来，提高了酶的活性。而当压力足够高时，酶的活性中心构像发生变化，因此活性下降。此外，过氧化物酶活性变化与处理温度、处理时间、果汁的pH等均有关。

多酚氧化酶(Polyphendoxidase，PPO)广泛地存在于各种植物中，在许多常见的水果和蔬菜中都能检测到，是引起食品褐变和果蔬等腐败的主要原因。赵光远等［23］研究发现，500MPa以下压力对果汁中的多酚氧化酶有激活作用，在600MPa以上或与热处理结合时有钝化多酚氧化酶的作用。

果胶甲基酯酶(Pectin methylesterase，PME)是使柑橘汁中产生絮状不稳定物的酶，并与制品黏稠度的减小以及浓缩物的凝胶化有关。Cano等研究表明，新鲜的橙汁的果胶甲基酯酶在室温、200～400MPa的压力处理下可被灭活［14］。Lisbeth 等［24］研究发现，5℃下，经600MPa高压处理1min，再在室温下贮藏1d的橙汁中果胶甲基酯酶活性下降了92%，少部分未失活的果胶甲基酯酶是热稳定性较高的果胶甲基酯酶，但它们在室温下(20℃)经过相同的压力及保压时间处理后仍不会失活。不过，Polydera［25］等对希腊脐橙果汁的研究发现，在500MPa压力下处理15min，果胶甲基酯酶活性基本被钝化，并在贮藏和运输过程中不会复活。

将高压技术和其他技术相结合，可以更有效地破坏果汁中的酶。Monica等［26］把2mmol/L的 CO2充入橙汁，用500MPa的压力处理，果胶甲酯酶的活性比单独用500MPa压力处理能更进一步钝化，在500～800MPa下，CO2同样能显著地降低多酚氧化酶的活性。

1.2 超高压灭菌

超高压灭菌基本原理是高压使微生物形态结构、生化反应、基因机制以及细胞壁膜发生多方面变化，从而影响微生物原有的生理活动机能而死亡［27］。超高压能破坏蛋白质氢键、二硫键和离子键，蛋白质高级结构遭受破坏，使其基本物性发生变异，产生蛋白质的压力凝固及酶的失活;超高压还能使菌体内的成分产生泄漏和细胞膜破裂等多种菌体损伤［28-29］。所以，超高压在常温下具有致死微生物，使蛋白质、淀粉等产生压力凝固，同时在静态压力向自身体积减小的方向变化，即形成生物体高分子物质的核酸、多糖类、脂肪等立体构造的氢键结合、离子结合、疏水结合等非共有结合发生变化，从而导致蛋白质、淀粉原来的构造被破坏而发生变性，细胞核膜被破坏，酶失去活性和功能，生命活动停止［16，30-31］。

由于高压处理时料温随着加压(卸压)而升高(降低)，一般高压处理每增加100MPa压力，温度升高2～4℃，故近年来也认为超高压对微生物的致死作用是压缩热和高压联合作用的结果［15］。

与热力杀菌技术相比，它的杀菌时间一般只需5～10min，而传统热力杀菌一般为 20～30min，同时它可以在常温下进行(巴氏杀菌温度一般为70～100℃)，外界环境影响较小，利于保持食品功能成分的生理活性，保持其色、香、味及营养成分，蛋白质、淀粉类食品超高压处理后可获得新特性的食品，同时具有延长食品的贮藏期等优点［8，10，32］。

超高压灭菌的效果与压力大小、果汁含菌量、处理时间及微生物的种类等因素有关［16］。柑橘类果汁呈酸性，酵母、霉菌、乳酸菌等是其变质腐败的主要原因。柑桔类果汁加压实验表明，在300～400MPa下处理10min，果汁中易生长的酵母、霉菌及一般细菌(如乳酸菌)全部死亡［33］。

酵母菌和好氧性细菌广泛存在于柑橘果汁中，它们对产品货架寿命有较大影响。Bull等［34］研究发现经过600MPa超高压处理过的伏令夏橙和脐橙橙汁中微生物能够降低到理想的水平。他们将橙汁经600MPa，20℃，1min处理后，在4℃或 10℃条件下贮藏12周后，测定发现其好氧性细菌和酵母菌检出量大幅下降。

在对影响超高压灭菌效果参数的研究中，Donsl’G 等［35］发现，当压力为 150、200、250MPa，温度均为25℃，保压时间均为1min时，酵母菌失活率随着压力的上升而上升;而当压力分别为150、250MPa时，保压时间均为1min，两压力情况下45℃时失活率均远高于25℃时失活率，说明在超高压处理过程中，某一压力下，随着保压温度的提高，杀菌效果会有所提高，但保压温度对杀菌效果的影响显著性远不及压力，同样的情况也出现在保压时间和压力的比较中，因此影响超高压灭菌的效果的最重要的因素应为压力大小。

1.3 超高压处理对果汁品质的影响

对于柑橘类果汁等产品，热力杀菌处理会不同程度的破坏一些重要的感官品质，如口感、颜色、香气成分、营养物质等。而利用超高压处理，可以有效的保持功能成分的生理活性，并且对果汁特有的色、香、味破坏较小，有利于保证产品品质。

对于柑橘类果汁，在25℃、100～600MPa的作用下，可溶性固形物、酸、不溶性固形物及氨基态氮都没有明显变化［36］。但对于VC含量，不同品种橙汁处理后VC含量的损失是不同的，某些品种处理后其VC损失甚至较热力杀菌大，这可能是由于这些品种的橙汁中氧气含量较高，在加压条件下对氧气氧化VC损失有较大促进作用。

例如，Felix［37］等研究发现，室温下经 200、400、600MPa处理，保压时间均为30min的橙汁，其水溶性维生素含量基本不发生变化。Sánchez-Moreno［38］等研究发现经400MPa、40℃、1min处理的橙汁，其VC含量下降9%。而 Plaza［39］等研究发现，在 20℃，经400、500、600MPa处理 15min的血橙汁，其 VC损失为5.5%～8.1%;但相关资料表明，热力(90℃、30s)杀菌处理后的橙汁VC损失率也仅为5%左右［7］。此外，VC的氧化也可能与一些高压食品的颜色变化有关。Polydera 等［40］在600MPa、40℃、4min 的条件下处理的脐橙汁，发现其颜色变化与VC的损失存在一定的线性相关，果蔬都含有一定量的VC，其氧化和损失也可能是造成颜色劣变的一个原因。

蒋和体等［7］采用超高压(400MPa、25℃、15min)和热力(90℃、30s)杀菌处理脐橙汁后发现，橙汁主要成分都出现程度不同的损失，但超高压杀菌处理其主要成分的下降普遍低于热力杀菌处理;VC热力杀菌橙汁损失率达4.85%，而超高压杀菌处理后VC损失率达3.35%;两种杀菌处理对橙汁类胡萝卜素的降解作用大，损失率高达23.47%～28.62%;对总酚、总酸、总糖的降解作用不明显;橙汁中脯氨酸含量最高，杀菌处理后橙汁游离氨基酸含量都有增加，超高压杀菌增加16.8%，热杀菌增加21.4%。

Plaza［41］等研究发现，新鲜橙汁 400MPa、40℃、1min处理，在4℃下放置40d后，其类胡萝卜素含量比脉冲电场处理(35kV，1cm，750μs)和低温巴氏杀菌处理(70℃，30s)高。Polydera［42］等研究发现，在600MPa，40℃下保压4min后，与传统热力杀菌技术相比，其抗氧化活性物质含量较高，而在室温下贮藏一段时间后，其抗氧化活性物质含量仍比传统热力杀菌处理的高。

同时Torres［39］等还发现超高压处理后血橙汁中色素物质含量基本不发生改变，经高压处理的血橙汁，其特征色泽血红色出现不同程度的加深;在4℃和20℃下贮藏，处理后的样品的货架寿命明显较对照长，4℃下原样货架寿命约为55d，而经400、500、600MPa压力处理后的样品货架寿命依次约为56、60、65d，20℃ 下对照为 20d，而处理后的依次为 47、40、85d。

潘见［43］等在对超高压处理后的鲜榨橙汁香气成分的变化的研究中发现，超高压处理对橙汁中的柠檬烯影响很显著，500MPa的压力处理15min后含量下降了75%;对橙汁品质不利的α-松油醇、香芹酮在此条件下处理后含量迅速上升，含量分别提高66倍和37倍;醛类特征香气成分基本不受高压影响;酯类成分在高压下的变化趋势是:其含量在较低压力下先上升，然后随着压力的升高而下降，但总体变化幅度不显著。

此外，Polydera等［44］还发现，橙汁经 500MPa、35℃、5min的超高压处理可以很好的改善其粘度和稳定性，并且延缓了橙汁变质，有效延长了商品货架期。

2 前景展望

超高压处理技术属于非热杀菌技术，与传统热力杀菌相比，它有风味和营养损失少等优点。利用超高压处理新鲜果汁，不仅使果汁中的微生物得到有效的杀灭，同时果汁中的营养成分特别是热敏性营养成分和易挥发香气成分得到很好的保留，而且果汁中的酶也得到很好的控制，有利于防止新鲜果汁发生酶促褐变。

国内超高压技术在水果加工中的应用刚刚起步，与发达国家相比还有较大的差距;超高压技术在水果加工中应用还缺乏系统研究，有关具体处理工艺、详细处理参数等尚未完全明了;并且超高压设备较贵、技术和材质要求高、连续化生产效率较低，目前仅仅是将其用于生产高附加值产品;同时这项技术是一种复杂的技术，它是工程材料、机械制造、物理、化学、生物等多学科和领域的理论和技术的合成，而且这种合成的紧密程度是前所未有的。

在科学技术日新月异的时代，抓住机遇，加快超高压技术的研究和应用，对我国参与国际竞争有着极为重要的意义。随着超高压工艺条件的确定，新型材料及设备的研发，超高压处理技术在果汁加工尤其是柑橘果汁的加工中必定有着广阔的前景。

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The application and research advances of the ultra high pressure in the citrus juice processing

CAO Qiu-xu1，GUO Li-qiong1，WU Hou-jiu2，*
(1.Food Science College，Southwest University，Chongqing 400715，China;2.Citrus Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 400712，China)

TS255.44

A

1002-0306(2012)12-0414-05

2011-09-05 *通讯联系人

曹秋旭(1987-)，男，硕士研究生，研究方向:现代食品加工理论与技术。