新型热和非热加工对非浓缩还原苹果汁品质影响的研究现状

李根，初乐，马寅斐，和法涛，丁辰，朱风涛，赵岩

(中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东 济南，250014)

苹果是蔷薇科苹果属植物的果实。中国多年前就已超越美国、日本成为世界上苹果栽种规模最大、产量最高的国家，苹果总产量约占全球总产量的55%。2017年我国苹果产量约4 450万t，从最近几年增长趋势看，苹果产量每年增加180万t，接近200万t[1]。随着生活质量的日益提高，人们越来越注重食品的品质与营养，消费者对品质高、营养好的食品的需求日益增加。非浓缩还原(not from concentrate，NFC)果汁是一种既保留了天然风味，又含有丰富营养的纯天然果汁，盛行于欧美和日本市场[2]。由于没有澄清和浓缩等复杂工艺，最大程度保留了VC、多酚和果胶等生理活性因子，但也使得NFC果汁在加工贮藏中容易发生褐变分层等问题，这也是制约NFC果汁发展的主要问题[3]。

食品工业中最主要的加工技术是热处理，它的主要目的是确保食品安全和延长货架期[4]，但同时也对果汁的色泽、香气和营养成分有不利影响。在保持食品质量与安全的前提下，对食品加工贮藏特性影响最小的创新技术引起人们极大的兴趣[5]。非热技术是指在亚致死的环境温度下有效的技术，对食品的关键营养成分和质量参数影响极小或没有影响[6]。本文的目的是系统地总结了常规热处理和非热处理在NFC苹果汁上的应用，并介绍有关的技术及其原理，为NFC苹果汁生产加工提供参考。

1 NFC苹果汁在加工过程中品质的变化

NFC苹果汁品质控制主要存在三大问题：色泽稳定性、浑浊稳定性和营养成分的损失。色泽稳定性改变主要是由NFC苹果汁加工过程中的酶促褐变和贮藏期间非酶褐变引起的。酶促褐变主要是由于苹果中的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和空气中的O2反应，使酚类氧化聚合，形成一种不溶性黑色物质，破坏果汁颜色[7]。非酶褐变是在贮藏过程中由于VC的降解、美拉德反应、焦糖化反应、酚类物质的氧化聚合而引起的果汁色泽和营养成分改变，是使NFC苹果汁货架期缩短的重要原因[8]。浑浊稳定性改变主要是NFC苹果汁中大量的果肉、大分子物质(蛋白质、果胶等)形成的胶体溶液以及其他悬浮颗粒相互作用造成的，除此之外，苹果中的内源酶果胶甲酯酶(pectin methylesterase，PME)使果胶脱掉甲酯基团，产生果胶酸。果胶酸进一步与果汁中的Ca2+结合形成果胶酸钙，影响果汁的混浊稳定性[9]。但适量的PME酶会使果胶带负电，使体系稳定性增强。

2 杀菌方式对NFC苹果汁品质的影响

2.1 热处理对NFC苹果汁品质的影响

NFC苹果汁可以立即投入市场，但只能在冷库中保存较短的时间。热处理(巴氏杀菌)通常用来保存和延长果汁货架期[10]。这种方法依赖于食物外部产生的热量，然后通过传导和对流机制传递到食物中。现在巴氏杀菌的程序种类繁多，一般包括“低温长时间”杀菌(low-temperature-long-time，LTLT)和“高温短时”杀菌(high-temperature-short-time，HTST)。LTLT杀菌是加热食品至约63 ℃不少于30 min，HTST是加热食品约72 ℃或更高维持15 s或更多[11]。从实际的应用情况看，NFC苹果汁一般采用的是HTST杀菌，HTST杀菌能够达到杀菌和克服稳定性的问题，同时可以使PPO和PME酶失活。但2种方法都会造成苹果汁营养成分和感官品质的下降[12]。

由于传统巴氏杀菌对NFC苹果汁品质影响过大，出现了一些新型热杀菌方式。超高温杀菌(ultra high temperature，UHT)是目前液态食品最常用的杀菌方式，是将产品在封闭的系统中升温至135～150 ℃，持续2～8 s，然后迅速冷却的杀菌方式[13]。SANCHEZ等[14]发现苹果汁经过UHT(135 ℃，5 s)处理后，果汁中PPO酶活性下降了95%，但果汁的酸度和色泽有较大的损失。微波杀菌(microwave sterilization)是一种新型杀菌方式，同时存在热效应和非热效应。微波的热效应是食品中微生物成分被一定电磁场影响发生分子极化，吸收能量升温使蛋白质变性失活。微波的非热效应是电磁场使微生物细胞膜电位和周围的电荷产生改变。据报道，特定的微波非热效应可以提高微生物和酶的失活率[15]。CANUMIR等[16]研究不同微波功率处理不同时间对苹果汁大肠杆菌数量的影响，表明苹果汁在900 W，60 s和720 W，90 s对大肠杆菌致死率较好；还研究了微波杀菌参数在720 W和900 W下D值分别为(0.48±0.1) min和(0.42±0.03) min，平均Z值为(652.57±2.16) W。SIGUEMOTO等[17]比较微波加热和常规加热对苹果汁中食源性病原菌灭活率的影响，发现微波加热对苹果汁中大肠杆菌和单核细胞基因的灭活效果优于传统的热处理方法，微波辐射似乎存在增强的非热效应。欧姆杀菌是通过电极，使电流通过食品介质从而实现快速均匀的加热[18]，其加热速率与液体食品的导电性有关。PARK等[19]发现欧姆杀菌对大肠杆菌、伤寒沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌的杀均效果显著高于传统巴氏杀菌，是因为欧姆加热不仅存在热效应，而且还可由电穿孔引起的细胞损伤，导致额外的细菌失活。之后他们研究了欧姆加热对苹果汁品质的影响，发现欧姆杀菌后的果汁的pH和色泽与未处理相比无显著差异[20]。综上所述，传统热处理可以起到杀菌钝酶延长货架期的作用，但对果汁品质的影响较大。虽然新型的热处理能够减小这种影响，但其主要的杀菌机制还是通过热效应，依然无法最大程度保留果汁营养成分。

2.2 非热处理对NFC苹果汁品质的影响

非热处理技术在过去的30年中得到了深入的研究，是对食品加工和贮藏功能性能影响最小的创新技术。这些技术采用减少加热的方法来使酶和致病微生物失活，同时保持果汁的色泽、风味和营养价值[21]。NFC苹果汁的非热处理技术主要包括超高压技术、超声波技术、紫外辐照技术、脉冲电场技术、非热等离子体技术。

2.2.1 NFC苹果汁超高压处理技术

高静水压技术(high hydrostatic pressure,HHP)，又称超高压技术(high-pressure processing,HPP)，是食品加工和保鲜中最有前途的非热处理方法之一[22]，也是目前研究最广泛的一种非热杀菌方式。HPP是将果汁置于密闭高压装置内，把水或油当作介质，给予100～1 000 MPa的压力，从而杀死果汁中的有害微生物。HPP可以破坏微生物细胞膜，影响稳态，变性和失活蛋白质，包括参与复制的酶，并可以改变细胞的形态。微生物的死亡率与施加的压力成正比，即长时间的加压处理并不一定会促进致死效果[23]。李珊等[24]采用HPP处理鲜榨苹果汁，发现果汁中的霉菌、酵母菌对压力较为敏感，500 MPa 处理5 min即无菌落检出，300 MPa时压力与时间基本呈线性关系。除此之外，苹果汁中细菌孢子对高温压力等环境具有极强的抵抗力，可以在传统的巴氏灭菌中存活，PORE，BSKA等[25]采用超高压与热处理联合处理苹果汁，发现在300 MPa、50 ℃下处理15 min果汁中的细菌孢子下降了3.7个对数。HPP对共价键的影响有限，因此可以保持食品的颜色、风味和营养价值等品质属性。YI等[26]对比了热处理和超高压处理对苹果汁品质的影响，发现HPP能更好地保持果汁的色泽、糖酸等，但PPO酶有一定的抗压能力，可能会对果汁货架期产生影响。JUAREZ-ENRIQUEZ等[27]从PPO、PME酶活性、VC、总酸等理化指标评价了HPP对苹果汁的影响，发现HPP处理后PME完全失活且在34 d的贮藏期内未恢复，PPO酶氧化邻苯二酚的能力在贮藏期内有部分恢复，但由于高压改变了其三级结构，无法与酚类反应，因此多酚含量未见显著性减少。果汁色度有显著变化，但果汁主要的颜色(浅黄色)不受贮藏温度的影响。超高压处理后在贮藏期内果汁VC含量、果汁的抗氧化能力逐渐降低，主要的理化特性无显著变化。

2.2.2 NFC苹果汁超声处理技术

超声(ultrasonic，US)迄今为止已经在食品工业中有广泛应用，包括超声波加工、保存和提取[28]。超声波杀菌是果汁中细微的空气泡在大功率超声影响下发生崩溃、收缩等变化，使泡内温度和压力短暂升高，使液体中的微生物失活[29]。US不仅避免了产品的损失，而且提高了产品的最终营养质量，减少了果汁中的微生物数量。此外，还具有加工时间短、能耗低、环保等优点。ABID等[30]在20 ℃下用超声处理鲜榨苹果汁30、60、90 min，发现超声处理对苹果汁的pH值、总可溶性固形物和可滴定酸度均无显著影响，且显著提高了VC含量、总酚含量和抗氧化能力，微生物数量也显著降低。但在也观察到，超声处理并不能完全实现苹果汁的灭菌。因此，超声与高温(热超声)、高压(压力超声)或两者兼有(压力超声)等过程相结合，可在微生物失活与质量保持和效率方面产生协同效应[31]。热超声(thermosonication，TS)技术在果汁加工中的应用具有很大的潜力，因为可以利用较温和的温度来杀灭微生物，同时可以保留果汁原有的特性。根据HERCEG等[32]的报道，由于膜和生物材料对能量的吸收，热超声处理后细菌细胞和孢子通常变得更加敏感，热和超声波的共同作用导致细胞膜的弱化或破坏，细胞膜的侵蚀和穿孔使细胞内的物质暴露在环境中，从而产生致命的影响。FERRARIO等[33]报道了在热超声处理(20 kHz；30 min；44 ℃)苹果汁后，果汁中酵母菌和嗜酸耐热菌显著下降了6.4个对数和3.0个对数。除此之外，TS处理对引起果蔬汁变质的各种酶(果胶甲酯酶、PPO、脂氧合酶和过氧化物酶)的抑制效果，均比热处理更有效[34]。ABID等[35]发现TS后果汁的PPO、过氧化物酶(peroxidase，POD)和PME酶的失活率分别为93.85%、91%和92.9%，对果汁pH值、总酸、糖度等理化性质影响不显著，VC和总酚等营养成分能更多的保留。而且TS减小了液体中粒子的尺寸，提供了更好的均匀性和稳定性。

2.2.3 NFC苹果汁脉冲电场处理技术

脉冲电场(pulsed electric fields，PEF)技术可能是保证NFC苹果汁质量和安全性的关键技术之一，因为它更适合于连续加工(HPP一般是分批加工)[36]。脉冲电场技术是一种短时间(从几纳秒到几毫秒)的电场处理技术，电场强度从100～300 V/cm到20～80 kV/cm。当其作用于食品基质时，会产生一种叫电穿孔的物理现象，由于电位的差异，这种现象表现为细胞壁的局部结构损伤，导致微生物的细胞膜破裂而失活[37]。与其他非热技术一样，该工艺中也存在一定的热处理，提高了效率，但PEF所联合的温度更低(40～60 ℃)[38]。钟葵等[39]通过对鲜榨苹果汁PEF处理后使细菌总数和霉菌与酵母菌总数分别减少了1.18和1.67个对数，而与热处理相比对苹果汁色泽和风味损失较小。BI等[40]研究了不同电场强度和脉冲时间对苹果汁的影响，发现在35 kV/cm处理2 μs后PPO和POD酶完全失活，而且可以保持苹果汁的VC、总酚含量、抗氧化能力、色泽等品质特性。CHARLES-RODRGUEZ等[41]通过对比PEF和HTST 2种杀菌方式，发现所得果汁的颜色在两种处理方式中都有统计学意义的变化，但PEF似乎更能保留天然产品的颜色。另外，RIENER等[42]用PEF(100 μs，40 kV/cm)结合预热(50 ℃)处理苹果汁，发现PPO和POD酶活性分别下降了71%和68%且2种酶失活的动力学数据均符合一级动力学模型，这种失活水平明显比传统巴氏杀菌更高。

2.2.4 NFC苹果汁紫外线处理技术

紫外线杀菌(ultraviolet radiation，UV)技术被证明是一种有效的杀菌技术，与其他杀菌技术相比，紫外线杀菌技术不仅杀菌时间短，而且使用方便成本较低。该技术在降低液体食品和饮料中的细菌数量的同时，不会在物理化学参数、感官特性和生物活性化合物等方面产生负面影响[43]。UV-C(200～280 nm)在254 nm是一种用于抑制或灭活液体食品中食源性微生物的消毒方法。在对食品进行UV-C处理过程中，在同一DNA链上相邻嘧啶分子间产生嘧啶二聚体，可以中断DNA转录和翻译，导致细胞死亡，从而抑制其繁殖过程，导致微生物失活[44]。TREMARIN等[45]研究了不同强度的UV-C辐射处理对苹果汁嗜酸耐热菌失活的影响，发现其对数存活率随处理时间呈线性下降，最大强度时在8 min内细菌孢子数下降了约5个对数。紫外线穿透率与介质的吸光度成反比，因此，确保微生物安全所需的照射剂量受果汁成分的影响。NFC苹果汁中含有多种可溶性化合物，如多酚、蛋白质和维生素，它们能吸收UV-C辐射；还含有不溶性物质，如蛋白质、碳水化合物和较大的组织颗粒，可以阻止或分散辐射[46]。MURAKAMI等[47]评估了不同浊度苹果汁在不同紫外强度下微生物失活情况，发现对不溶性固形物的影响显著，靠近紫外光源的产品杀菌效果更好。因此，针对NFC苹果汁杀菌需要针对性地优化使用的剂量。除此之外，紫外杀菌时果汁的流速、粒径、和压榨过程中果汁的褐变对杀菌效率也有影响[48]。紫外杀菌对果汁质量的潜在影响较小，NOCI等[49]发现紫外杀菌对果汁色泽影响更小，褐变指数显著低于热杀菌组，但对果汁PPO酶活性影响不显著，这与尤菊[50]的研究一致，同时其发现UV处理后鲜榨苹果汁的总黄酮含量、抗氧化能力显著提高。可能是果汁在UV-C照射下激发自由基产生，引发压力应激反应导致植物抗毒素累积，使黄酮类化合物含量增加。

2.2.5 NFC苹果汁非热等离子体处理技术

近年来，非热等离子体(non-thermal plasma，NTP)作为一种新颖、经济、多功能、非热处理技术越来越多用于食品中。NTP是指体系中电子温度远高于体系中其他粒子温度的等离子体。当施加脉冲电场(如电晕放电、介电阻挡放电等)时，其表观温度接近或略高于环境温度，适用于热敏性食物的加工[51]。NTP杀菌导致细菌失活的确切机制仍在研究中，但一些生成的产物已被证明发挥了作用，这些产物包括等离子气相中的活性氧粒子、活性氧粒子、UV辐射和带电粒子[52]。MONTENEGRO等[53]研究了不同NTP工艺参数(放电电压、脉冲数和脉冲频率)对大肠杆菌失活的影响，发现NTP可有效减少苹果汁中大肠杆菌O157∶H7细胞的数量，最多可减少7log单位。DASON等[54]发现苹果汁在低温等离子体处理下大肠杆菌数量显著下降[(4.02±0.03)lgCFU/mL]，对酚类稳定性和颜色变化均有积极影响。然而，有关NFC苹果汁NTP处理的文献较少，但从其他相关研究可以发现。NTP对果蔬中内源酶PPO、POD、PME等具有良好的钝化作用以及能更好地保留果汁中的生物活性成分[55]。GAROFULIC等[56]研究了冷等离子体处理对酸樱桃汁中花青素和酚酸的影响。优化等离子体工艺参数并与热巴氏灭菌和未经处理的果汁进行比较。结果表明，其短时间处理增加了花色素苷和酚酸的浓度。在另一项研究中，同样发现石榴汁经大气等离子处理后，总酚含量增加了33.03%，可能与细胞壁的分解和提取作用有关[57]。

3 结语

NFC苹果汁作为市面上兴起的果汁，处理工艺简单，最大程度地保留了苹果中的营养成分，是一种新鲜、纯天然的饮料。目前 NFC 苹果汁在加工过程中存在口感、色泽较差、易分层的问题，特别是传统的热处理对果汁的营养物质和感官品质损害较大。

新兴的非热处理工艺能在较低温度下达到与热杀菌相同的效果(杀菌钝酶)，解决NFC苹果汁加工过程中口感差、易褐变的问题，而且能更好地保留苹果汁中的营养成分，本文综述了近年来提高NFC苹果汁生产质量的非热食品加工技术，特别是对杀菌灭酶的效果性和营养风味的稳定性。这些技术主要涉及超高压技术、超声处理技术、脉冲电场技术、紫外辐照技术和非热等离子体技术。尽管非热技术在微生物失活和保持NFC苹果汁质量方面有良好的潜力，但单一的工艺技术都存在其局限性，需要结合2种或2种以上的非热处理来进一步研究。