高压均质对胡萝卜汁物化特性及类胡萝卜素含量的影响

刘嘉宁 刘 璇 毕金峰* 易建勇 张佰清 彭 健

（1 沈阳农业大学食品学院 辽宁沈阳110866 2 中国农业科学院农产品加工研究所 农业部农产品加工综合性重点实验室 北京100193）

胡萝卜含有β-胡萝卜素、α-胡萝卜素等类胡萝卜素及其它多种营养成分，是鲜食、菜肴烹饪和加工用重要蔬菜原料。β-胡萝卜素可以增强机体免疫力并且降低心血管疾病、老年性黄斑变性和癌症等疾病的发病率，胡萝卜又是β-胡萝卜素含量最高的蔬菜之一[1]。将其加工成为食用方便、快捷的食品，有利于促进人们对胡萝卜的摄入。目前，制汁是胡萝卜主要的加工方式之一，以胡萝卜浆和浓缩汁为主，鲜榨胡萝卜汁也逐渐兴起。然而，存在破壁困难和加热后有蒸煮气味等问题，并且直接榨汁后的产品不稳定，在短时间内会出现浑浊，甚至分层等现象，造成产品品质降低。

针对以上一系列问题，通常采用均质处理进行改善。常规均质压力通常控制在20～60 MPa 范围，通常将60 MPa 以上的均质称为高压均质（HPH）。HPH 是利用高压作用使液体高速通过狭窄缝隙，在这一过程中会产生强大剪切力、撞击力和空穴作用等，受到上述作用后液体中存在的大分子和悬浮颗粒被破坏，悬浮颗粒的粒径减小[2]。近年来，随着食品机械制造技术的提升，国内外关于高压均质及超高压均质对果蔬汁品质影响的研究越来越多。HPH 可以破坏微生物细胞结构，有较好的杀菌效果，可延长货架期[3]。HPH 也可以改善果蔬汁感官品质并且保持果蔬汁中生物活性成分的含量。Maresca 等[4]研究表明在压力150 MPa 条件下均质3 次可以延长果汁的货架期，并且在28 d 贮藏期内，感官品质不会变化。Betoret 等[5]研究表明HPH 可以改善柑橘汁的色泽品质，柑橘汁的亮度随着均质压力的增加而增加。Welti-Chanes等[6]研究结果表明HPH 处理可以钝化橙汁中果胶甲酯酶的活性，从而保持橙汁浊度。Kubo 等[7]研究结果表明HPH 处理番茄汁可以改变粒径分布，提高番茄汁稠度，从而改善番茄汁的感官特性。Augusto 等[2]研究表明HPH 改善了番茄汁的黏弹性，增加了番茄汁的稠度。HPH 对提升鲜榨果蔬汁安全、表观品质及稳定性具有重要作用。

类胡萝卜素具有诸多生理活性，然而植物细胞壁的存在限制了加工过程中类胡萝卜素的释放，进而影响其有效生物利用率。采用HPH 等方法破坏细胞壁并减小颗粒粒径，是探索提高类胡萝卜素生物利用率的有效途径之一。Knockaert 等[8]研究表明当均质压力大于50 MPa 时，胡萝卜细胞结构被破坏，胡萝卜浆中类胡萝卜素生物利用率显著提高。在HPH 对类胡萝卜素生物利用率的影响方面，研究内容主要涉及口腔咀嚼、胃消化阶段和小肠消化吸收阶段中类胡萝卜素含量的变化[9-10]，而关于从食品中释放阶段，HPH 对类胡萝卜素含量的影响少见报道。

本研究基于HPH 对植物组织破碎和果蔬汁物化性质的潜在作用，选取不同均质条件（压力、进料温度、均质次数等）处理鲜榨胡萝卜汁，比较分析不同处理对胡萝卜汁物化特性的影响，包括粒径分布、Zeta 电位、浊度、悬浮稳定性和流变学特性以及类胡萝卜素含量，并通过方差及显著性分析确定HPH 对胡萝卜汁物化特性和类胡萝卜素含量的影响，旨在为后续研究如何提高胡萝卜汁稳定性和类胡萝卜素的生物利用率提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

胡萝卜购于北京市清河小营农副产品市场，品种为“黑田五寸”，产地山东；正己烷，丙酮，无水乙醇，氯化钠，国药集团化学试剂有限公司，以上试剂均为分析纯级；2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT），纯度99%，北京依诺凯科技有限公司；正己烷、甲基叔丁基醚（MTBE）、甲醇均为色谱纯试剂，美国Tedia 公司；色谱级β-胡萝卜素和α-胡萝卜素标品，美国Sigma-Aldrich 公司。

1.2 仪器与设备

JN-02HC 高压纳米均质机（含加热/冷却循环系统），广州聚能生物科技有限公司；JYL-C51V 九阳料理机，九阳股份有限公司；JM-30A 胶体磨，廊坊市廊通机械有限公司；Microtarc S3500 激光粒度分析仪，美国Microtarc 公司；Zetasizer Nano ZS电位分析仪，英国Malvern 公司；UV-1800 紫外-可见分光光度计，日本Shimadzu 公司；3K15 离心机，德国Sigma 公司；Physica MCR301 流变仪，奥地 利Anton Paar 公 司；2100N 浊 度 仪，美 国HACH 公司；RE-3000 旋转蒸发器，上海亚荣生化仪 器 厂；C30 柱，YMC Carotenoid S-5μm（250 mm×4.6 mm）；HPLC 设备（Waters 1525 溶剂输送系统和Waters 2489 紫外-可见光检测器），美国Waters 公司；电子天平（精度0.1mg），德国Sartorius 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 胡萝卜汁的制备 胡萝卜经清洗和切块，与去离子水1∶2 混合打浆2 min，得到胡萝卜汁。对胡萝卜汁先采用胶体磨处理，后使用（HPH）处理，样品处理条件及编号见表1。

表1 样品编号和处理条件Table1 Sample coding and processing conditions

1.3.2 胡萝卜汁粒径分布的测定 采用激光粒度分析仪测定胡萝卜汁的颗粒粒径分布，绘制胡萝卜汁颗粒粒径分布图，分析HPH 对中值粒径D50，体积平均粒径D[4，3]和表面积平均粒径D[3，2]的影响，其中D[4，3]主要受胡萝卜汁中大颗粒的影响，而D[3，2]主要受胡萝卜汁中小颗粒的影响[11]。

1.3.3 胡萝卜汁Zeta 电位的测定 采用电位分析仪测定胡萝卜汁Zeta 电位。Zeta 电位仪直接测定的是电泳迁移率，而后通过Henry 方程推导出Zeta 电位。将样品稀释20 倍，使样品的Attn 值在6～8 之间，混匀后，取上清液于弯曲式毛细管样品池中测定Zeta 电位。

1.3.4 胡萝卜汁浊度和悬浮稳定性的测定

1.3.4.1 胡萝卜汁浊度测定 参照Jerome 等[12]的方法稍作修改。取10 mL 胡萝卜汁，稀释3 倍后，使用浊度仪测定其浊度。

1.3.4.2 胡萝卜汁悬浮稳定性的测定 将胡萝卜汁于8 000 r/min 离心10 min，稀释3 倍，测定浊度。以离心前、后的浊度差作为胡萝卜汁悬浮稳定性指标。浊度差的数值越小，胡萝卜汁稳定性越好。

1.3.5 胡萝卜汁流变特性的测定

1.3.5.1 胡萝卜汁的黏度曲线 采用流变仪，选取平板转子（直径49.983 mm，间隙1 mm），使用水循环系统控制测定温度为（25±1）℃。取2.3 mL胡萝卜汁置于夹具和平板转子之间，在稳态剪切模式下，设置剪切速率从0.01 s-1指数增加到100 s-1，测定该剪切速率范围内剪切应力随剪切速率的变化，以及表观黏度随剪切速率的变化[11]。

1.3.5.2 胡萝卜汁的黏弹性 采用流变仪、平板转子，用水循环系统控制测定温度为（25±1）℃。在振荡剪切模式下，应变振幅为1%，角频率由1 rad/s 增加到100 rad/s，记录贮藏模量（G′）和损耗模量（G″）随角频率的变化。

1.3.6 胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的测定 取1 mL 胡萝卜汁加35 mL 提取液 （含50%正己烷，25%丙酮，25%乙醇和0.1%BHT）及0.5 g NaCl，搅拌20 min。向上述溶液中加入15 mL 蒸馏水，搅拌10 min。将混合物放入分液漏斗，收集有机相。有机相于旋转蒸发仪上在（30±2）℃的条件下蒸至近干，用正己烷溶解残渣并定容10 mL。样品在进样前用0.45 μm 滤膜过滤，在-18 ℃条件下冷藏备用。为了对类胡萝卜素单体进行定量分析，采用高效液相色谱法，反相C30柱加紫外可见光检测器。色谱条件：流动相A：V甲醇∶V甲基叔丁基醚（MTBE）∶V水=81∶15 ∶4，流动相B：V甲醇∶VMTBE∶V水=6 ∶90 ∶4，梯度洗脱条件为：100%A～44%A（45 min）；流速：1.0 mL/min；检测波长为450 nm；进样量：10 μL；柱温：30℃[13]。

1.4 数据分析

试验结果均采用平均值±标准差 （Mean±SD）表示。采用SPSS 19.0 进行ANOVA、Ducan 多重比较分析（P＜0.05）。试验分析图采用origin 9.0 和Excel 2003 绘制。

2 结果与分析

2.1 HPH 对胡萝卜汁粒径分布的影响

不同HPH 处理对胡萝卜汁颗粒粒径分布的影响如图1所示。由图1a 可知，均质与未均质处理相比，粒径分布峰偏左，小颗粒所占比例增加。随着均质压力的增加，粒径分布峰向左移动，小颗粒所占比例增加。这是由于增加均质压力可以增强对颗粒的破坏程度，使小颗粒比例增加，此结果与Lopez-Sanchez 等[14]采用不同压力的HPH 处理胡萝卜乳液和Tan 等[15]采用不同压力的HPH 处理番茄浆后颗粒粒径变化趋势一致。由图1b 可知，随着均质次数增加，粒径分布峰向左移动，这是由于均质次数增加对颗粒破坏作用增强，此结果与Tan 等[15]采用不同次数的HPH 处理番茄浆后颗粒粒径变化趋势一致。由图1c 可知，进料温度为50 ℃与25 ℃相比，粒径分布峰向左移动，小颗粒比例增加。而进料温度为70 ℃与50 ℃相比，粒径分布峰向右移动，这可能是因为在70 ℃条件下蛋白质等变性引起颗粒聚集，从而使粒径分布峰向右移动。

HPH 处理对胡萝卜汁中值粒径D50的影响如图2所示。由图2a 可知，均质与未均质处理相比，可以显著降低D50值。未经均质处理的胡萝卜汁D50值为346.7 μm，而经20 MPa 均质处理后，D50值为165 μm。随着均质压力增加，D50减小，均质压力超过60 MPa 后，D50值呈不显著减小趋势，180 MPa 处理后的D50值最低（21.1 μm），此结果与Augusto 等[11]采用不同压力的HPH 处理番茄汁的变化趋势一致。由图2b 可知，均质次数为3 次与均质为1 次和2 次相比，D50值显著减小。进料温度为50 ℃与25 ℃相比，D50值显著减小；当进料温度为70 ℃时，D50值显著增加，这可能是由于较高温度使果汁中蛋白质物质等变性，颗粒易发生聚集，引起D50值增加。HPH 处理后D50变化趋势与粒径分布峰变化趋势基本一致。

图1 HPH 对胡萝卜汁颗粒粒径分布的影响Fig.1 Effect of HPH on particle size distribution of carrot juice

图2 HPH 对胡萝卜汁中值粒径D50 的影响Fig.2 Effect of HPH on median particle size D50 of carrot juice

HPH 对胡萝卜汁体积平均粒径D[4，3]和表面积平均粒径D[3，2]的影响如图3所示。由图3a可知，均质与未均质处理相比，可以显著降低D[4，3]和D[3，2]。不同均质压力处理胡萝卜汁后，D[4，3]和D[3，2]变化趋势相同，都降低。D[4，3]主要受胡萝卜汁中大颗粒的影响，而D[3，2]主要受胡萝卜汁中小颗粒的影响。压力为20 MPa 与未均质相比，D[4，3]减小了41.46%，D[3，2]减小了49.48%；压力为180 MPa 与未均质相比，D[4，3]减小了90%，D[3，2]减小了92.17%。较低压力和较高压力处理对大颗粒和小颗粒粒径的影响程度相差不大。由图3b 可知，随着均质次数增加，D[4，3]先增加后减小，D[3，2]减小。由图3c 可知，随着进料温度增加，D[4，3]和D[3，2]变化趋势相同。进料温度从25℃增加到50℃，D[4，3]和D[3，2]均减小。当进料温度从50℃增加到70℃时，D[4，3]和D[3，2]均增加，这与不同进料温度下D50变化规律一致。

2.2 HPH 对胡萝卜汁Zeta 电位的影响

通过测定颗粒表面的带电性质即Zeta 电位，来评估体系中悬浮稳颗粒的静电稳定性。一般来说，Zeta 电位的绝对值越高，颗粒间排斥力越大，从而达到分散稳定状态。而Zeta 电位绝对值低，颗粒间排斥力小，相互聚集，体系不稳定[16]。不同处理的Zeta 电位均为负值，这可能是因为带负电的果胶包裹在小颗粒外部形成保护层，使整体的表面带负电荷[17]。未均质与均质处理后胡萝卜汁的Zeta 电位无显著差异。HPH 压力、次数和进料温度对胡萝卜汁的Zeta 电位没有显著性影响。从静电稳定性角度看，HPH 对胡萝卜汁静电稳定性无显著性影响，此结果与Leite 等[18]研究结果一致。

图3 HPH 对胡萝卜汁体积平均粒径D[4，3]和表面积平均粒径D[3，2]的影响Fig.3 Effect of HPH on volume-based diameter and area-based diameter of carrot juice

2.3 HPH 对胡萝卜汁浊度和悬浮稳定性的影响

由图4a 所示，均质与未均质处理相比胡萝卜汁浊度显著增加，这是因为均质处理使胡萝卜汁中颗粒减小，更多颗粒悬浮在果汁中，使浊度增加。均质压力从20 MPa 升高到60 MPa，浊度增加，而后随着压力的升高，浊度下降，当均质压力为100，150 MPa 和180 MPa 时浊度无显著性差异。这可能是由于均质压力的升高使颗粒变得细小，从而增加胡萝卜汁浊度；随着压力的增加，挤压和剪切等作用增强，细胞破坏程度增加，颗粒变得更加细小，使更多光线透过[19]。均质与未均质相比，离心前、后浊度差小，说明均质处理可以提高胡萝卜汁悬浮稳定性。随着均质压力升高，悬浮稳定性提高。这是因为均质处理降低了颗粒粒径，均质压力越高，对颗粒破坏程度越高，颗粒粒径越小。根据Stokes 公式：v=2r2g（ρp-ρ0）/9η，颗粒越小，沉降速率越小，体系越稳定。由图4b 所示，均质次数的增加会降低胡萝卜汁浊度，提高胡萝卜汁悬浮稳定性。由图4c 所示，进料温度的增加会降低胡萝卜汁浊度，而不同进料温度之间无显著差异。进料温度会提高胡萝卜汁悬浮稳定性，而不同进料温度之间无显著性差异。

2.4 HPH 对胡萝卜汁流变特性的影响

2.4.1 胡萝卜汁的流体类型和黏度曲线 HPH处理后胡萝卜汁的流变曲线如图5所示。胡萝卜汁的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，有剪切变稀的趋势（0＜n＜1），因此胡萝卜汁属于假塑性流体。应用不同模型对流变曲线进行拟合[20]，发现Herschel-Bulkley 模型对流变曲线的拟合效果最好。

表2 HPH 处理对胡萝卜汁Zeta 电位的影响Table 2 Effect of HPH on the zeta potential of carrot juice

式中：τ——剪切应力，Pa；τ0——屈服应力，Pa；K——稠度系数，Pa·sn；γ——剪切速率，s-1；n——流动特性指数，该模型经常作为剪切变稀流体的通用模型使用[21-23]。由表3可知，均质压力越大，K 值越小，黏稠度越小，当均质压力在100～180 MPa 范围时，K 值变化不大。这可能是由于随着压力增加，对果胶结构破坏严重，导致胡萝卜汁黏稠度下降。此结果与Silva 等[24]一致，该研究表明菠萝汁的表观黏度随着均质压力（0 MPa～70 MPa）增加而降低。均质2 次和3 次与均质1 次相比，K 值降低程度大。进料温度为50 ℃与25 ℃相比，K 值减小，而当进料温度为70 ℃时，K 值增加。n 值代表体系剪切变稀的难易程度，即假塑性程度。20 MPa 和60 MPa 的HPH 处理相对于未均质处理，n 值减小，假塑性程度增加。当压力达到100 MPa 时，假塑性程度下降；当均质压力为100～180 MPa 时，假塑性程度变化不大。n 值的变化可能是由于胡萝卜汁中存在的大分子物质，如果胶等含量及结构的变化引起的。

图4 HPH 对胡萝卜汁浊度和悬浮稳定性的影响Fig.4 Effects of HPH on turbidity and suspension stability of carrot juice

图5 HPH 处理后胡萝卜汁的流变曲线Fig.5 Rheological curves by HPH treatment

HPH 处理后的胡萝卜汁黏度曲线如图6所示。黏度曲线可以直观反映黏度随剪切速率的变化。由图6a 可知，随着均质压力的增加，胡萝卜汁表观黏度降低，这与模型中的K 值变化规律一致。根据传统理论，随着均质压力增大，果汁中颗粒粒径减小，悬浮液的黏度增加。经分析，黏度降低可能原因为：1）HPH 破坏了果胶结构，使黏度降低。2）由2.1 节结果可知，HPH 使小颗粒增多，颗粒与颗粒间相互作用减小，更易流动，因此黏度降低。由图6b 可知，随着均质次数增加，胡萝卜汁表观黏度降低。由图6c 可知，当进料温度为25 ℃时，胡萝卜汁表观黏度比进料温度为50 ℃和70 ℃时表观黏度大，这可能是由于温度的升高，体系中分子运动加剧，分子间距增大，分子间作用力减小，流动时的摩擦力减小，黏度降低[25]。

表3 不同HPH 处理后胡萝卜汁的Herschel-Bulkley 模型拟合参数Table 3 Herschel-Bulkley model parameters of carrot juice by different HPH treatments

图6 HPH 对胡萝卜汁表观黏度的影响Fig.6 Effect of HPH on apparent viscosity of carrot juice

2.4.2 HPH 对胡萝卜汁黏弹性的影响 HPH 处理后胡萝卜汁的贮藏模量G′和损耗模量G″变化如图7所示。G′表示体系的弹性行为，G″则表示体系的黏性行为。G′＞G″表示体系属于凝胶体系，而G′＜G″表示体系属于溶胶体系[13]。由图7可知，胡萝卜汁G′＞G″，胡萝卜汁具有凝胶特性，随着角频率的增加，大部分处理的G′呈下降趋势，G″呈上升趋势。不同处理后G′随角频率变化的曲线差距较大，而G″随角频率变化的曲线差距不大，曲线相对集中。由图7a 可知，随着均质压力的增加，G′和G″均减小，可能是由于均质压力增大，果胶等物质结构逐渐被破坏，因此G′和G″减小。由图7b可知，随着均质次数增加，G′和G″均减小。由图7c可知，进料温度为50 ℃和70 ℃时，G′和G″均比进料温度为25 ℃时的高。

2.5 HPH 对胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的影响

通过HPLC 分析可知胡萝卜汁主要存在两种类胡萝卜素，分别是β-胡萝卜素和α-胡萝卜素。除了均质压力为20 MPa 外，其它处理后的β-胡萝卜素和α 胡萝卜素含量均比未均质的高。随着均质压力、均质次数和进料温度的增加，β-胡萝卜素和α-胡萝卜素含量均增加。在进料温度25 ℃，均质次数3 次，均质压力60 MPa 时β-胡萝卜素和α-胡萝卜素含量最高，分别为：44.86 μg/mL 和22.39 μg/mL。将α-胡萝卜素和β-胡萝卜素含量相加视为总类胡萝卜素含量。由表4可知，除了均质压力为20 MPa 外，其它处理后的总类胡萝卜素含量均比未均质的高。随着均质压力的增加，总类胡萝卜素含量逐渐增加。均质次数的增加可以显著增加总类胡萝卜素含量。进料温度的增加可以增加总类胡萝卜素含量。

HPH 不会降低胡萝卜汁中类胡萝卜素含量，甚至会促进类胡萝卜素释放到胡萝卜汁中。虽然不同HPH 处理后类胡萝卜素含量变化不大，但不同HPH 处理对细胞壁的破坏程度不同，对果胶含量和结构等影响也不同。随着贮藏时间的变化，由于果胶等物质的作用，所以类胡萝卜素的含量可能会有明显变化。另外，果胶等物质的包裹作用可能对光降解有阻碍作用，从而提高类胡萝卜素稳定性。HPH 对胡萝卜汁在贮藏期内类胡萝卜素含量的影响以及内源果胶与类胡萝卜素分子相互作用的规律有待进一步研究。

图7 HPH 对胡萝卜汁黏弹性的影响Fig.7 Effect of HPH on elastic and viscous behavior of carrot juice

表4 HPH 对胡萝卜汁中类胡萝卜素单体和总类胡萝卜素含量的影响Table 4 Effect of HPH on contents of β-carotene，α-carotene and total carotenoids in carrot juice

3 结论

1） HPH 处理可有效减小胡萝卜汁中颗粒的粒径，随着均质压力和均质次数的增加，粒径分布峰向粒径小的方向移动，D50、D[4，3]和D[3，2]均减小。均质与未均质处理相比胡萝卜汁浊度显著增加，HPH 可以提高胡萝卜汁的悬浮稳定性。

2） 胡萝卜汁属于假塑性流体（0＜n＜1），流变曲线符合Herschel-Bulkley 模型。随着均质压力和均质次数的增加，胡萝卜汁表观黏度降低。胡萝卜汁有凝胶特性（G′＞G″），随着均质压力和均质次数的增加，G′和G″均减小。

3） 胡萝卜汁主要存在两种类胡萝卜素，分别是α-胡萝卜素和β-胡萝卜素。随着均质压力、均质次数和进料温度的增加，β-胡萝卜素和α-胡萝卜素含量均增加。在进料温度25 ℃，均质次数3次，均质压力60 MPa 时β-胡萝卜素和α-胡萝卜素含量最高，分别为44.86 μg/mL 和22.39 μg/mL。HPH 不会降低胡萝卜汁中类胡萝卜素含量，甚至促进类胡萝卜素释放到胡萝卜汁中。

虽然不同HPH 处理后，类胡萝卜素含量变化不大，但不同HPH 处理对果胶含量和结构等影响不同，随着贮藏时间的变化，由于果胶等物质的作用，类胡萝卜素的含量和存在状态可能有明显变化，因此HPH 对贮藏期内胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的变化以及内源果胶与类胡萝卜素分子相互作用的规律有待进一步研究。