杀菌方式对柑橘汁品质影响的研究进展

李楠楠，贾 蒙，马亚琴，2

（1.西南大学 柑橘研究所，重庆 400712；2.国家柑橘工程技术研究中心，重庆 400712）

柑橘汁是目前最受欢迎的果汁饮料，其中橙汁的产量和需求量最大。2017—2018年全球橙汁产品需求量达到160×104t，其中巴西作为橙汁的最大生产国，其橙汁出口量占到全球的3/4以上[1]。尽管我国的橙汁人均消费比例不足美国的1%，但近年来的橙汁进口量也迅速增加，橙汁进口量从1998年的0.52 t增加到了2016年的5.58×104t，增长了近10倍[2]。随着消费市场不断拓展和对健康理念的追求，新鲜、营养、健康、安全的橙汁日益受到消费者的青睐。

杀菌作为控制柑橘汁品质最为关键的步骤，其通过杀灭微生物、钝化抗坏血酸氧化酶、果胶分解酶，以有效延长柑橘汁的货架期，非热加工技术因能最大限度地保持柑橘汁新鲜、风味、色泽等特性引起了加工企业和研究人员的关注。目前，传统的热杀菌方式在柑橘汁实际生产中应用最为广泛，但高温引起柑橘汁中抗坏血酸、类胡萝卜素等营养物质的损失而降低其品质。为了保证柑橘汁货架期的同时，又能最大限度地保持其品质，掀起了果汁加工行业及其研究领域发展“最少加工”的热潮，进而推动了非热杀菌技术的研究和发展[3-4]。

基于消费者对柑橘汁色、香、味的更高要求，随之在加工技术领域引发的变革。综述了热杀菌和非热杀菌2种杀菌方式对以柑橘汁为主的果蔬汁品质的影响，并简要介绍了其他非热杀菌的研究现状及未来的发展趋势。

1 热杀菌

1.1 热杀菌的特点

热杀菌是一种热处理食品的过程，是将食品加热使其上升到某一高温并持续一段时间，杀灭食品中的有害微生物，从而达到延长食品货架期的目的[5]。热杀菌按处理食品的温度高低分为低温杀菌（≤100℃）、高温杀菌（＞100℃）、超高温杀菌（＞130℃），其中pH值≤4.5的酸性食品和热敏性成分较多的食品可采用低温杀菌，pH值＞4.5的食品采用超高温杀菌或高温杀菌。热杀菌按杀菌效果的高低有巴氏杀菌（≤100℃）和商业杀菌（＞100℃）2种杀菌方式，其中巴氏灭菌法能在相对合适的温度下保持食品中营养物质，又达到杀死微生物的效果，因此成为目前应用范围最广的杀菌方法。一般橙汁的pH值低于4.5，且其所含的维C及其风味物质属于热敏性物质，目前国内外多采用巴氏杀菌（≤100℃）来对其灭菌[4]。

1.2 热杀菌的研究现状

人类对热杀菌的认识和应用改变了自身的饮食习惯和消费方式，热杀菌技术中最具代表性的技术是巴氏杀菌，杀菌强度高，几乎可以杀死食品中全部的病原菌，巴氏杀菌技术在橙汁杀菌中被广泛应用。Igual M等人[6]对贮藏期间西柚汁中类黄酮变化进行研究，发现在-18℃冷冻条件下贮藏2个月鲜榨西柚汁的总类黄酮损失率为25%，而常规巴氏热处理（80℃，11 s）和微波热处理（900 W，80℃，30 s）总类黄酮损失率分别19.21%和12%。Chen Y，Noci F等人[7-8]认为热杀菌是从食品外部到内部的一个热传递过程，并把巴氏杀菌分为高温短时杀菌（HTST，≥72℃，15 s）和低温长时杀菌（LTLT，63℃，≥30 min），相对于LTLT，HTST杀菌更能抑制细菌的生长，但当温度升高到94℃时，导致了苹果汁更多的酚类物质降解（48%）。Vikram V B等人[9]采用50，60，75，90℃对橙汁进行热处理，发现温度越高，维C降解率越大，且与同等条件下的欧姆、红外照射和微波（100，105，110，125℃）热处理对比温度上升较慢，需要5 min才能使温度升高到90℃，这主要是因为传统热处理的热传递是从食品外部开始，而电磁加热的热反应最初发生在橙汁内部。Uçan F等人[10]研究了巴氏杀菌（90℃，15 s）的浊柠檬汁与天然浑浊柠檬汁的生物活性成分和品质参数，发现杀菌后的柠檬汁总酚含量增加，类胡萝卜素下降，但差异不显著，因此巴氏杀菌汁也可作为保护人体健康的良好生物活性来源。Stinco C M等人[11]研究了工业鲜榨橙汁（FISO）、工业巴氏杀菌橙汁（PISO）和手榨汁（HSO）等不同榨汁方式对橙汁颜色、粒径和类胡萝卜素的影响，发现PISO的类胡萝卜素比例低于PISO，高于HSO。而Claudie Dhuiquemayer等人[12]参照巴氏杀菌的条件发现橙汁中维A、多酚和维C的含量并没有减少，但引起了类胡萝卜素的降解产物，如呋喃类化合物和顺式异构体，推测贮藏条件和非热因素是橙汁微量元素损失的原因。Bai J等人[13]对比新鲜商品汁（FCJ）、巴氏杀菌新鲜商品汁（PFCJ）与巴氏杀菌加工汁（PPJ）和手榨汁（HSJ）离心处理后，发现黄酮含量高的果汁会加快浑浊态消失，而巴氏杀菌可以抑制浑浊态消失，但新鲜商品汁FCJ和PFCJ因含更多皮油反而提升浑浊态稳定性；巴氏杀菌对FCJ和PFCJ上清液中柠檬苦素和生物碱含量无影响，但会导致哈姆林果汁沉淀中柠檬苦素、诺米林和未知生物碱含量的减少。Leizerson S等人[14]研究了欧姆处理加热（在90，120，150℃的温度条件下分别处理1.13，0.85，0.68 s）与巴氏杀菌（90℃，50 s）处理对橙汁品质的影响，发现欧姆加热处理使果胶酯酶活性降低98%，维C含量降低15%，但巴氏杀菌橙汁中5种代表性风味化合物较欧姆加热显著降低，且感官评价试验表明新鲜橙汁和欧姆橙汁没有差异，因此后者可有效地用于替代巴氏杀菌。因此，巴氏杀菌处理橙汁导致其营养物质显著降解，品质快速劣变。

热杀菌也引起橙汁发生非酶褐变现象和橙汁中酶活的变化。Lu Q等人[15]在100℃温度下分别热处理橙汁1，5，10，15，30，60，120，240，360，480，600 min，发现橙汁中类胡萝卜素在热处理100 min后降解缓慢，模拟体系中类胡萝卜素会持续降解；黄酮类物质中香蜂草苷在热处理中无明显改变，其余的物质降解明显，损失率为12.83%～48.50%；抗坏血酸损失率约为68.09%，导致橙汁褐变严重。Wibowo S等人[16]利用巴氏杀菌处理橙汁并在不同温度（20，28，35，42℃）条件下贮藏32周，发现在较高的温度延长贮藏时间橙汁褐变明显，这可能与类胡萝卜素的降解和异构化有关，此外抗坏血酸的降解也有助于非酶褐变发生。Hirsch A R等人[17]在不同温度（42，52，62，72，82，92℃）下对新鲜橙汁进行热处理，发现处理温度≥42℃时，除了Ortanique橙汁外其他橙汁的过氧化物酶（POD）活性低于新鲜橙汁的4.3%；温度≤62℃时，果胶甲酯酶（PE）的热耐受性是最高的，但在72℃下PE失活达到84%～90%。

此外，热杀菌也影响橙汁感官品质、风味物质等。Lee H S等人[18]研究了瓦伦西亚橙汁热巴氏杀菌（90℃，30 s）过程中类胡萝卜素色素含量和果汁色泽的变化，发现热杀菌后总胡萝卜素色素含量损失显著，对类胡萝卜素色素含量的热效应特别是对紫黄质（46.4%）和蒽黄素（24.8%）的热效应有明显的影响，黄化素成为巴氏杀菌瓦伦西亚橙汁中主要的类胡萝卜素，其次是玉米黄质；柑橘汁巴氏杀菌后有明显的颜色变化，使果汁色泽变浅，变得更加饱和。韩燕等人[19]对7个甜橙品种橙汁分别经煮沸杀菌（96℃，1 min）、微波杀菌（900 W，30 s）、高温杀菌（110℃，30 s）处理后的色泽变化进行研究，结果表明对橙汁色泽影响从大到小依次是煮沸杀菌、高温杀菌、微波杀菌。橙汁中类胡萝卜素和维C对色泽影响较大，因此通过改变二者含量也是抑制褐变的途径之一。王珺等人[20]发现热杀菌（100℃，5 min）处理酶解球果萜烯类和酮类含量分别增加12.13%和9.44%，醛类、醇类和酯类分别下降42.32%，13.54%和62.35%，新检出α-水芹烯、α-荜澄茄油烯、乙酸辛酯、D-香芹酮等风味物质。蒋和体等人[21]综合比较研究了热杀菌（90℃，1 min）对橙汁品质如色泽、营养物质、香气的影响，发现热处理后的橙汁色泽、褐变指数变化呈现显著性差异；维C损失率近4.85%，类胡萝卜损失23.47%～28.62%，游离态氨基酸增加21.4%，醛类物质无明显变化；热杀菌与鲜橙汁比较其他风味物质减少45%。亦有研究表明不同的热杀菌条件影响橙汁货架期，Bull M K等人[22]研究橙汁微生物货架期发现，巴氏杀菌（65℃，1 min）的橙汁贮藏在4℃时货架期为4周；当温度升高至10℃时，货架期仅为14 d。

综上可知，热杀菌会明显降低橙汁营养物质、感官品质、风味物质和货架期，引起橙汁品质劣变。但热杀菌效果好，目前仍是一种最为经济有效的杀菌方式。

2 非热杀菌技术

2.1 非热杀菌技术的特点

热杀菌是用于果汁中微生物灭活最常用的手段，但高温处理导致橙汁中营养物质下降，口感风味劣变。近年来，非热力杀菌技术的发展有效地弥补了热杀菌的不足，通过常温或低温条件对果汁进行杀菌，不仅能够达到商业无菌的效果，而且还能最大限度地保留食品原有的功能性营养成分。非热杀菌已经被证明是一种高效、安全的杀菌手法。同时，非热杀菌可以避免热杀菌所造成的果汁的蒸煮味，可以更好地保留果汁的色、香、味等风味品质。但由于非热杀菌的成本较高，且杀菌效果不及热杀菌好，因此，目前还没有成功地应用于商业化杀菌橙汁。当前，研究最为广泛的非热杀菌方法有超高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、超声波杀菌等。

2.2 超高压杀菌（UHP）

超高压杀菌技术是将特殊包装的食品放到液体介质中，施加100～1 000 MPa的压力并持续一定时间后，使食品达到商业无菌的目的。研究表明，果汁在400～600 MPa的超高压下，几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌都能被杀死。因此，超高压杀菌相对于热杀菌能使果蔬汁的营养成分更多地保留，且具有诱人的色泽和更佳的口感，可延长果汁保藏期至6个月以上[23-25]。

已有研究[21]表明，在400 MPa保压处理15 min橙汁，橙汁色泽、褐变指数变化不明显；维C损失率约3.35%，类胡萝卜损失23.47%～28.62%，游离态氨基酸增加16.8%；醛类增加3倍以上，对香气成分保留较高。利用超高压处理晚期伊予柑、柚子果汁的研究发现，450 MPa下处理10 min后菌落总数呈指数下降，可达到商业无菌的效果，但超高压处理浓缩果汁杀菌效果差[26]。王珺等人[20]对酶解球果进行超高压杀菌（400 MPa，10 min）后榨出的橙汁与未杀菌的对比，发现超高压处理后萜烯类和酯类含量分别下降9.03%和65.87%，醛类、醇类和酮类分别增加5.70%，5.57%和109.22%，新检出2,4-癸二烯醛、香叶醇、1-癸醇、诺卡酮等风味物质，橙汁风味更为浓郁。采用超高压技术能最大限度地保持橙汁原有的品质，杀菌效果理想，但设备昂贵、杀菌成本较高。

2.3 超声波杀菌

超声波在食品工业中的应用一直是研究的主流趋势，已在食品分析（诊断超声）和食品加工（功率超声）领域得到了广泛应用。功率超声已被公认为是替代或补充传统热处理在食品工业中的一种有前途的加工技术。当高功率超声在液体中传播时，由于压力的变化而产生空化气泡。这些微气泡在传播声波的后续压缩循环中剧烈地坍塌，导致局部高温达到5 000 K，压力高达50 000 KPa，高剪切效应[27]。超声波处理的机制主要是物理效应（空化、机械效应）或化学效应（自由基如·OH，H+的声化学反应），已有的报道证明了超声处理能使致病性和腐败性微生物（大肠杆菌、李斯特菌）、酶（果胶甲基化酶、多酚氧化酶）失活。Valdramidis V P等人[28]确定了超声振幅和温度等外在参数对橙汁抗坏血酸（AA）和非酶褐变（NEB）质量指数动力学的联合效应，发现不同超声振幅的温度对NEB和AA降解速率具有协同效应；振幅对NEB速率具有拮抗效应，因此超声波对橙汁中的NEB比AA降解有更剧烈的效应。GóMezlóPez V M等人[29]使用超声波（20 kHz，500 W）对菌群失活的加钙橙汁进行处理，发现超声能有效延长货架期，贮藏期间的抗坏血酸明显下降，亮度增加，黄、绿值增加，但与未处理果汁相比，色泽、香气和风味没有显著性差异。Valero M等人[30]用超声（500 kHz，240 W，15 min）处理橙汁，发现其对橙汁中柠檬苦素和色泽几乎没有影响，但5℃和12℃分别贮藏14 d后发现有微生物的生长。因此，超声波能较好地保持橙汁的品质，但杀菌效果不及热杀菌，未来可考虑将超声波与其他非热杀菌相结合，以延长橙汁的货架期。

2.4 高压脉冲电场杀菌（PEF）

PEF杀菌是一种基于高电场强度（5～55 kV/cm）的脉冲在毫秒范围内输送到食品中的技术，可用于提供安全、稳定的产品，如具有新鲜特性和高营养价值的果汁。PEF是一种连续处理技术，可用于对大肠杆菌和酵母等营养细胞的灭活。然而，由于缺乏对E.coli O157∶H7等致病微生物的报道，且PET对细菌芽孢的灭活作用不明显，因此PEF可以作为果汁贮藏保鲜的有效手段[7]。

Cserhalmi Z等人[31]对不同类型的柑橘汁（柚子汁、柠檬汁、橙汁、橘子汁）进行PEF杀菌处理后发现，除了柠檬酸外其他酸的含量差异小于1%，维C损失量小于6%；糖度、黏度、导电率、非酶褐变和羟甲基糠醛没有差异，色泽稍有差异，但对挥发性物质影响较大。Rah T等人[32]用高压（600 MPa，1 min，17℃）与高压脉冲电场（23 kV/cm，2μs）处理橙汁，发现其有助于橙汁保鲜，等效于温和的巴氏杀菌（72℃，20 s），橙汁品质、风味俱佳。Plaza L等人[33]用HP（400 Pa，1 min，40℃）和PEF（35 kV/cm，750 ms）处理橙汁，并与低温巴氏杀菌比较（LPT，70℃，30 s），发现PEF和LPT保持相似的类胡萝卜素和黄烷酮水平，而HP的水平要比前两者高；4℃冷藏期间三者也与上述结果相似。Agcam E等人[34]发现经PEF处理的橙汁贮藏一段时间（4℃，180 d）后比巴氏杀菌橙汁（HP1：90℃，10 s；HP2：90℃，20 s）有更高的总酚含量，且类胡萝卜素和酚酸含量更稳定。Hartyáni P等[35]发现，用高压脉冲（PEF，28 kV/cm，50μs）和高静压（HHP，600 MPa，10 min）分别处理柑橘汁后，除了总色差以外，其他的理化性质，如pH值、维C、柠檬酸等没有明显差异，而HHP处理后的橙汁的香气成分要比PEF处理后的要少。进一步的研究发现[36]高压脉冲电场强度为17 kV/cm时处理1 034μs橙汁的维C含量达到最高（583.91 mg/L），且4℃贮藏180 d后没有检出羟甲基糠醛（HMF）。方婷等人[37]研究了PEF（12.5 kV/cm，17μs）和热杀菌（90℃，15 s）处理对鲜橙汁品质的影响，发现高压脉冲可有效灭活微生物，但灭菌效果不及热杀菌；同时PEF在维C保存和感官评价均优于热杀菌。PEF技术能实现液体食品杀菌的连续化操作，非常合适于橙汁杀菌，未来主要解决PEF工业化的问题。

2.5 其他非热杀菌：紫外照射、膜过滤、辐照

紫外辐射是食品工业中表面微生物灭活的有效方法，紫外线波长以265～266 nm处的杀菌能力最强，会破坏微生物DNA并抑制细胞增殖，Noci F等人[8]报道，经紫外辐射后的苹果汁的总酚含量降低28%，远低于热处理后的48%。但由于紫外线的穿透能力差，因此与清水相比，紫外辐射只能在果汁表面穿透很短的深度。

膜过滤包括超滤（UF）和微量过滤（MF）2个部分，膜过滤的效果取决于膜的类型、孔径、跨膜压力、膜面积和果汁特征等因素。它们可以把大分子物质，如蛋白质、酯类、微生物阻隔在外面；而使小分子物质，如维他命、胶体、糖和水通过微孔，从而减少细菌的数量，因此膜过滤被称为“冷杀菌”，相对于热杀菌膜过滤可以更好地保存香味成分[7]。

辐照是一种安全高效的杀菌方式，它是运用Co γ射线照射食品，从而引起食品中微生物发生理化反应，破坏或抑制其生长，以达到杀菌消毒的效果。邹立强等人[38]采用不同的辐照剂量对脐橙汁杀菌，发现脐橙汁pH值和可溶性固形物含量基本没有变化，总酸和总糖含量略有降低，但高辐照剂量造成维C损失严重，经10 kGy处理后损失达到61.2%。因此辐照处理比其他处理方式相比更不利于维C的保留，可考虑将辐照与其他处理相结合的方式以达到更好的杀菌效果。

3 结语

热杀菌是一种传统柑橘汁杀菌方式，但会引起柑橘汁中营养物质，如类胡萝卜素、酚类物质、维C等的降解和其他理化组分的改变。而非热杀菌技术，如高压脉冲电场杀菌、超声波杀菌、超高压杀菌和膜过滤都是非常有前景的果汁保存技术，但是与热杀菌相比，其较低的杀菌效果和较高的成本将阻碍非热杀菌的工业化发展。未来需要在精简非热杀菌设备和提高杀菌效率方面开展深入的研究，降低杀菌成本，或考虑联合不同杀菌方式，通过优化加工工艺和技术参数以达到理想的杀菌效果。