非热加工技术在蓝莓精深加工中的应用研究进展

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(1.西华大学食品与生物工程学院,四川成都 610039; 2.宜宾西华大学研究院,四川宜宾 644000)

蓝莓(Vacciniumspp.)属于杜鹃花科越橘属植物,具有很高的经济价值,最早起源于北美,目前在世界上许多国家都有种植,而我国蓝莓种植起步较晚,只有20年种植历史,主产区在我国东北地区,近年来在华北、江浙、辽东半岛、华南地区也有种植[1]。蓝莓是一种蓝色的小浆果,果实呈蓝色,果肉细腻,甜酸适口,具有香爽宜人的香气[2];因富含花青素、氨基酸、维生素、果胶、超氧化物歧化酶(SOD)、矿物质等,而被誉为“浆果之王”[3]。同时,蓝莓能够增强人体的免疫力、保护视力、降血压、降血脂、延缓神经衰老等[4]。目前,随着人们生活水平的提高及对健康更加重视,蓝莓在国内外均具有广阔的市场,但主要以鲜食为主,产品形式比较单一[5]。因其鲜果保藏期特别短,若将蓝莓加工成可长期保藏的制品,既能满足消费者对产品营养、保健方面的需求,又能丰富市场供应,延长产品链[6]。此外,目前的蓝莓产业现状即种植量上升较快,鲜果市场饱和后其精深加工是必然的趋势。所以,科研人员开展了大量蓝莓产品加工工艺的研究,主要产品包括蓝莓汁、蓝莓酒、蓝莓干、低糖果酱、混合果酱等,并且研究了加工过程中活性成分的变化。然而,蓝莓产品大多采用传统热杀菌处理,这种处理方式虽然能够杀灭蓝莓产品中的微生物,延长它的保藏期[7],但也会造成食品中热敏成分的损失,并对蓝莓产品的色泽、风味和口感产生不良影响[8]。因此,对蓝莓及其产品采取非热加工手段成为必然趋势。

表1 非热加工技术在蓝莓加工中的研究现状Table 1 Research status of non-thermal processing technology in blueberry processing

食品非热加工技术是指在食品行业中通过非传统加热的方法来主要进行杀菌与钝酶的技术,这种技术不仅有利于保持食品中功能性成分的生物活性,且还有利于保持色、香、味及营养成分,避免传统热杀菌技术导致营养物质被破坏、颜色加深、挥发性风味成分损失等问题[9]。因此,非热加工技术成为国内外食品加工技术研究的新热点。本文主要综述了各种非热加工技术对不同蓝莓产品中微生物及品质的影响研究,通过分析不同非热杀菌手段在蓝莓加工中的优缺点,提出了未来蓝莓精深加工主要的研究方向,为蓝莓的进一步精深加工提供参考。

1 超高压处理技术

超高压处理(HPP)是指将一定的静态液体压力施加于食品物料上并保持一定的时间,起到了杀菌、破坏酶及改善物料结构和特性作用的非热加工方法[10]。一般使用压力为100～800 MPa,处理时间为几毫秒到20 min[11]。超高压加工技术不仅可以用于食品保鲜,满足消费者对食品最低限度加工的要求,而且可以最大限度保留产品原有的风味和营养素[12]。

目前,超高压处理蓝莓汁的研究较多(表1)。研究发现,HPP对蓝莓汁可溶性固形物(TSS)和pH无显著性影响[7,13-17],能保持花青素[7,13-16]、VC[13,15-16]、总酚含量[16]。此外,研究人员发现超高压技术对菌落总数有很好的杀灭效果[13-15],当处理为条件400 MPa、10 min时至少灭活了2.79个对数[13,15],最终产品符合国家饮料标准(GB 7101-2015)。

过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)是导致蓝莓汁品质劣变的主要原因之一。据报道POD在较高压力下更容易灭活,而PPO在适当的pH下进行超高压更容易灭活[18]。目前,李星贺[16]研究发现500 MPa、5 min、40 ℃的超高压处理可以将蓝莓汁的POD酶活性降至49.13%,而500 MPa、15 min、10 ℃可使PPO酶活性降至4.78%。实验结果表明POD不易被HPP处理钝化,这可能是因为POD结构耐压。此外,压力在300～400 MPa时POD酶会被激活,继续增加压力才会有明显的抑制效果[19]。PPO酶活性可被HPP处理有效抑制,这可能是因为一定的处理条件可以弱化酶蛋白的一些氢键、疏水键、离子键和静电相互作用,使酶的三维结构受到破坏,从而加速PPO的失活[20]。此外,残余的酶活性一方面可能降解花色苷从而降低蓝莓汁中花色苷的含量,最终影响蓝莓汁的营养品质和色泽等[16];另一方面还可能引起蓝莓汁在贮藏期内发生酶促褐变,从而导致颜色劣变[21]。

综上所述,HPP能显著降低蓝莓汁中的微生物数量延长其保质期,并且可有效保留蓝莓汁的营养品质。但是,对于POD酶活的抑制力度还不够,可能会影响蓝莓汁的货架期稳定性。因此,采用HPP与其他技术相结合来有效钝化或抑制POD活性,从而保障蓝莓汁的品质,值得进一步研究。

2 超声波技术

超声波(US)是一种振荡形式的能量波,高于人类听觉范围(16 kHz以上),超声波可以分为两大类,其中16～100 kHz波段为低频高场强超声(10～1000 W/cm2);100～1000 kHz波段为高频低场强超声(不超过1 W/cm2)[34]。超声波处理可以显著提高食品质量并避免营养损失,保留最有益的营养成分,减少果汁中的微生物数量[35]。研究发现,US对蓝莓汁的pH和电导率无显著影响[22,26],能够保留花青素含量[22,24]。但是当处理条件为0.5 W/cm2、40 kHz、60 min时,蓝莓汁的TSS含量增加6%[22],TSS的增加可能是由于提取效力的提高,US破坏了果实组织和细胞壁,导致更多的可溶性固体穿过细胞膜,从而引起TSS增大[36]。

此外,部分研究人员发现US联合其他杀菌方式有很好的杀菌效果。Zhu等[24]研究了压热超声波对蓝莓果汁中大肠杆菌O157∶H7的杀灭效果,发现在560 W、40 ℃/350 MPa、5 min内有5.85个对数的大肠杆菌O157∶H7被快速灭活。Jambrak等[26]研究高功率热超声对蓝莓果汁的微生物杀灭效果,发现在处理条件为20 kHz、600 W、3 min、60 ℃时,有5.756个对数的酵母和霉菌被完全灭活。研究结果表明US联合热或其他栅栏因子能显著降低蓝莓汁中的微生物数量延长其保质期,而且很好的保留了蓝莓汁的营养成分。目前很多研究显示,单独使用US杀灭食品中的微生物效果是有限的,但是与其他杀菌方法相结合则具有很大的潜力[37]。综上所述,US和其他栅栏因子的一种或多种的结合会有更好的作用,而且效果明显,比较适合蓝莓果汁的加工处理。

3 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥技术是在真空状态下,使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化直接通过气态升华而被除去,使物料干燥而不破坏其中的营养成分[28]。目前,采用真空冷冻干燥处理蓝莓的研究较多。研究发现,-40 ℃预冻3 h、-82 ℃冷阱、压强0.01 kPa的处理条件下,干燥的蓝莓果干含水率为4.32%[27],-55 ℃预冻7.5 h、干燥32 h处理条件的含水率为5.27%[30];-20 ℃预冻4 h、-40 ℃冷阱条件下的复水性为55.88%[29],该条件下VC保留率为78.11%[29],感官方面的色泽气味基本无变化[29-30]。此外,罗洁莹等[30]研究得到蓝莓鲜果干燥的最佳工艺是预冷温度-55 ℃,预冻时间7.5 h,隔板温度50 ℃,干燥时间32 h,该条件得到的蓝莓果干外形饱满,与鲜果无异,具有蓝莓的特有风味,入口酥脆,疏松多孔,易于咀嚼。研究结果表明真空冷冻干燥能很好的保留蓝莓果干的感官品质和VC含量。但是加工过程对蓝莓果干营养成分的影响,目前主要集中在对VC含量的影响研究上,缺乏对其他营养成分系统的研究。此外,真空冷冻干燥处理时间较长,能耗很高,设备方面也比较落后,所以对设备的升级改造对于产业化应用具有重大意义。

4 高压脉冲电场

高压脉冲电场(PEF)是利用对两电极的流态物料进行反复施加高电压短脉冲处理,从而将微生物杀死,提高食品的安全性和稳定性,使食品得以长期贮藏的加工方法[38]。研究发现,在30 kV/cm、54 μs、1.4 mS/cm的处理条件下,PEF对蓝莓汁中的可溶性固形物、还原糖、总酸和总酚含量无显著影响(P>0.05),能够很好的保留花青素和VC的含量,而且色泽无明显变化[31-33]。此外,王寅等[31]研究了PEF处理对蓝莓汁的微生物灭菌效果,发现30 kV/cm、54 μs、1.4 mS/cm的条件处理后菌落总数下降了3.07个对数。陶晓赟等[32]研究PEF处理蓝莓汁,发现处理条件为35 kV/cm、82 μs时,大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌分别减少了5.12、4.64、5.30个对数。以上研究说明PEF处理对蓝莓汁有很好的杀菌效果,而且很好地保留了蓝莓汁的营养成分和质量特性,比较适合蓝莓汁的加工。但是食品物料在加工过程中因直接接触电极而有可能发生电化学反应,不仅会导致电极腐蚀,甚至可能会产生有毒的化合物,从而影响食品质量安全[39]。所以弱化电极腐蚀解决食品安全问题可能成为今后PEF的研究重点。

5 加工过程的非热清洗技术

5.1 脉冲光(PL)处理技术

脉冲光(PL)是一种新兴的非热能技术,它利用从紫外到近红外(200～1100 nm)的短光强脉冲广谱光来灭活微生物[40]。已被许多研究人员证实可有效对抗琼脂平板或细胞培养基中的各种细菌、真菌和病毒[41-42]。目前,已经有部分研究人员将PL用于处理蓝莓并进行研究。

Cao等[43]研究发现干燥PL(6 J/cm2、30 s)分别使蓝莓上斑点接种和浸渍接种的沙门氏菌减少0.9和0.6个对数,而水辅助PL(9 J/cm2、45 s)处理分别使两种菌减少4.4个对数和0.8个对数;此外,两种处理后的蓝莓硬度、颜色、花青素含量和总抗氧化活性无显著变化(P>0.05);而两种处理的总酚含量有少量的增加,水辅助PL比干燥PL的总酚含量多增加了1.9%,这可能是因为在处理过程中抑制了降解总酚的酶。而且干燥PL比水辅助PL大约多0.34%的重量损失,这可能是因为干燥PL处理引起的机械损伤和表皮灼伤导致的水分损失较高,而水辅助PL处理样品损失较低可能因为在处理过程中蓝莓吸收了处理环境中的水分[43]。

Huang等[44]研究发现,1 min高能量水辅助PL(0.23～0.30 J/cm2)或低能量水辅助PL(0.102～0.140 J/cm2)和1% H2O2(WPL-H2O2)的组合处理分别能将蓝莓上的沙门氏菌最大减少5.6和5.0个对数,而氯洗涤减少了3.9个对数。此外,WPL-H2O2处理的去污效果与氯洗涤相比没有显著性差异。

以上研究结果表明,水辅助PL能更好的灭活蓝莓鲜果上的沙门氏菌,还有很好的去污和保留蓝莓的营养质量的效果。因此,水辅助PL可以替代氯洗涤用于蓝莓鲜果原料的预处理。

5.2 冷等离子体技术

冷等离子体(CP)是一种新兴的非热加工技术,可以对新鲜农产品的表面进行净化并实现原料的预处理。CP可有效地杀灭细菌、酵母、霉菌以及其他有害微生物,甚至非常难以灭活的孢子[45]。CP目前已被用于医疗器械、水、空气、食物和活组织的生物净化及消毒,而不会造成损害[45-46]。一些研究发现,CP可用于灭活蓝莓上的酵母、霉菌[47]、食源性病毒[48]。同时,CP对于农药的降解效率较高,当80 kV处理5 min时啶酰菌胺的降解效率为80.18%,吡虫啉为75.62%。这可能是因为CP处理后,形成的大量臭氧造成的。臭氧可与水反应产生过氧化物和羟基自由基,从而降解农药[49]。

此外,还发现了CP处理能保留VC含量[49]。但是当60 kV处理1 min时,总酚含量增加了19.05%和总类黄酮含量增加了10.09%[46],这种现象可归因于CP处理提高了苯丙氨酸氨基酶(PAL)的活性,从而增加了总酚和总类黄酮含量,很多研究报道了PAL与总酚和总类黄酮的变化的相关性[50-51]。当处理条件为80 kV、1 min时蓝莓的花青素含量显著降低,下降了45.85%[49],这可能是因为CP产生的臭氧和其他自由基造成的,臭氧和这些羟基自由基可能引起发色团的氧化裂解,导致花青素的显著损失[52]。当处理时间为120 s时,颜色发生最大变化,L值下降了8.72,其下降可能是因为蓝莓皮蜡融化的结果[47]。

综上所述,CP对蓝莓上的农药残留有一定的降解作用,且部分营养成分显著增加。但是CP处理后蓝莓的花青素含量显著下降。此外,关于CP技术的杀菌机理还不甚明确,处理后的食品安全问题的研究还不是很彻底,需要进一步的研究。

5.3 紫外线照射技术

紫外线(UV)是100～400 nm 的不可见光,并且可以被分类为UV-A(320～400 nm)、UV-B(280～320 nm)、UV-C(200～280 nm)和真空紫外(100～200 nm)四个部分[34]。Lee等[53]对比了UV-TiO2光催化、UV处理和水洗新鲜蓝莓,发现UV-TiO2光催化(4.5 mW/cm2)和UV处理(6.0 mW/cm2)后蓝莓表皮菌落总数在处理30 s后分别下降了5.3和4.5个对数,而水洗只减少了2.9个对数;与水洗对照相比,UV-TiO2和UV处理后果实的总酚含量分别增加了21.77%和10.08%,总花青素含量分别增加了38.93%和25.19%。UV-C处理主要通过影响花青素糖基转移酶和酰基转移酶的表达水平来影响花青素合成;而总酚含量的增加可能是因为紫外线诱导蓝莓中苯丙氨酸氨基酶(PAL)活性升高。

Kim等[54]对比了静电EO喷雾(14 A,10 V,4～16 min)、紫外线(UV，20 mW/cm2,10 min)和臭氧(4000 mg/L,8 min)对蓝莓表皮进行杀菌,发现静电EO喷雾、臭氧、紫外线处理分别灭活大肠杆菌O157∶H7为1.10、0.72和4.05个对数。然后又对比了单独的紫外(7.95 mW/cm2,2 min)和紫外与臭氧(1 min)的联合处理,发现紫外处理、联合处理分别减少4.09、3.96个对数的大肠杆菌O157∶H7。研究结果表明,单独的UV处理或紫外联合其他处理对蓝莓皮有更好的杀菌效果,能显著灭活菌落总数和大肠杆菌O157∶H7,而且能够显著增加蓝莓营养成分的含量。所以紫外线可以替代其他洗涤用于新鲜蓝莓的清洗。

5.4 臭氧和脉冲紫外光技术

臭氧自19世纪后期开始用于饮用水的净化[55],并且具有氧化有机物质的能力。臭氧是一种能够有效杀菌、脱色、脱臭的高效无残留的杀菌消毒剂[56],并且已成功用于气态和水性形式,用于食品的去污。而脉冲紫外光是以脉冲形式激发处理的紫外线,利用瞬时、高强度的脉冲光能量杀灭各类微生物。Bialka等[57]通过评估气态臭氧(浓度为5%)、含水臭氧和脉冲紫外光(1.27 J/cm2)处理蓝莓鲜果,研究发现气态臭氧处理64 min后沙门氏菌和大肠杆菌分别最大减少3.0和2.2个对数,含水臭氧分别在64和32 min减少4.9个对数,脉冲紫外光在处理64 min后分别减少4.3和3.8个对数。结果表明臭氧和脉冲紫外光都比较适合蓝莓上大肠杆菌和沙门氏菌的微生物灭活,且时间越长灭活效果越好。但是臭氧和脉冲紫外光处理对蓝莓的品质影响尚未见报道。因此,对臭氧和脉冲紫外光用于清洗蓝莓的应用仍然有待于进一步的研究。

研究发现几种非热清洗技术对蓝莓上的微生物均有显著的杀菌效果。此外水辅助PL和UV处理都能增加营养成分含量,而CP、臭氧和脉冲紫外光对蓝莓的清洗研究还不够彻底。目前水辅助PL和UV处理比较适合蓝莓加工过程的预处理,对于蓝莓的进一步加工有着重要的作用,而对其他蓝莓预处理加工技术可以进行进一步的研究。

6 其他相关非热加工技术

膜过滤是一种高效、易操作的流体分离技术,利用膜过滤不但可以滤除蛋白质、果胶、单宁等浑浊成分,也可以降低酵母、细菌等微生物负荷[58]。膜方法涉及果汁通过膜以保留颗粒,从而降低果汁的光泽和透明度。此外,该程序减少了细菌和孢子的数量,起到冷巴氏灭菌的作用[59]。目前应用膜过滤处理技术处理蓝莓的研究较少,Pizzolato等[59]研究发现微滤(MF,跨膜压力2 bar,25±1 ℃)处理得到的蓝莓澄清汁与原汁相比,pH无显著变化,但是粘度下降了49.01%,可溶性固形物的含量下降了17.27%,蛋白质含量下降了0.34%,这可能与部分固体通过MF被膜保留有关。因此,膜过滤会较减少蓝莓澄清汁的营养成分。但是,过滤后的浓缩汁可用于果酱的加工[59]。膜过滤是值得被开发的新型非热加工技术,但它比较适合纯净水等成分较单一的饮料。

微芯片脉冲电场(MPEF)需要更低的电压以实现杀菌效果。目前,具有杀菌功能的微芯片已经被开发出来,并且可以在低压下实现有效的灭菌。Zhu等[60]研究发现微芯片脉冲电场处理鲜榨蓝莓汁,在流速7 mL/min、脉冲宽度0.15 ms、电压350 V的处理条件下,蓝莓汁中的菌落总数下降了3.6个对数,酵母菌和霉菌下降了3.5个对数,均被显著灭活;同时,维生素C、花青素、总酚、可滴定酸含量和颜色没有显着差异变化(P>0.05),最终得到蓝莓汁在4 ℃下至少可以贮藏30 d。结果表明MPEF对于蓝莓汁的加工有着重要作用。因此可以进一步研究MPEF处理对蓝莓汁品质的影响,为MPEF在果汁加工中的广泛应用提供理论依据。

7 结论与展望

在现有的非热加工技术中,超高压、超声波、高压脉冲电场和真空冷冻干燥在蓝莓中的应用研究较多。超高压处理蓝莓汁虽然能够保留蓝莓中的营养成分且达到杀菌效果,但是对酶活性的抑制力度不够。真空冷冻干燥和高压脉冲电场因设备问题,目前尚未有工业化规模的研究。超声波和其他杀菌方法结合的效果较明显,适合实验研究的蓝莓汁加工。此外,水辅助PL和UV对蓝莓鲜果的清洗效果较好。除上述几种非热处理技术以外,还有多种非热杀菌技术未用于蓝莓的加工,比如放射线杀菌、超高压CO2杀菌、射频电场处理和超高压均质技术等。然而,单独采用上述加工技术很难达到保证蓝莓产品安全、维持感官和营养品质的目的。因此在蓝莓的精深加工中,应用新的非热加工技术、多种非热加工技术相结合的栅栏技术以及非热加工技术对于蓝莓产品品质调控的机制等将成为主要的研究方向,这对于蓝莓的进一步加工利用具有重要的意义。