果蔬汁饮料新型非热灭菌技术研究及应用进展

张俊超， 张献忠，沈金金，朱玉燕，张 静

（德清秋水果汁有限公司，浙江湖州 313200）

果蔬汁是以水果、蔬菜为原料经过物理方法（如压榨、离心、萃取等） 得到的汁液产品，一般是指纯果蔬汁、100%果蔬汁和复合果蔬汁等[1]。果蔬汁含有丰富的对人体有益的功能组分，如膳食纤维、维生素、矿物质、花色苷、类胡萝卜素、多酚、黄酮类等[2-5]。果蔬汁因其原料多样、口感丰富、香气独特及健康属性，已成为饮料市场传统的 “三大品类” 之一。随着经济发展及消费者健康意识的觉醒，绿色、原生态的食材越来越受到推崇，世界饮料市场已经向天然、健康、便捷的方向发展，消费者对果蔬汁饮料提出了更高的要求，更长的货架期、更安全的产品、更新鲜的风味和更营养的特性成为果蔬汁饮料未来发展趋势。

传统的果蔬汁饮料加工灭菌方式多应用高温巴氏杀菌和超高温瞬时灭菌等技术[6]，研究证实果蔬汁货架期跟原材料的生物酶灭活和微生物消杀密切相关[7]，目前的高温灭菌方式使得果蔬汁中的热敏性营养组分、功能性成分和与贡献新鲜口感的挥发性组分产生热裂解、氧化还原等多种化学反应，导致果蔬汁饮料综合品质下降，口感香气新鲜度等均无法满足消费者需求[8-9]。这就使得果蔬汁饮料加工业在积极研究和探索传统灭菌技术的替代方案，非热灭菌技术成为近年来研究的热点[10-13]。 非热灭菌（Non-thermal sterilization） 是一类技术的统称，共同特点是采用非热的方式对食品进行灭菌处理，且过程中温度无剧烈变化，达到杀菌、除菌或抑菌的目的，从而保留产品品质和延长货架期[14]。

1 影响果蔬汁货架期的主要因素

果蔬汁工业灭菌的主要目的是保证食品安全和延长货架期，而影响果蔬汁货架期的主要因素就是微生物和酶。

在果蔬汁加工过程中，杀灭微生物至关重要，因为果蔬汁体系中含有丰富的碳水化合物等富营养源支持微生物的生长[15]。引起果蔬汁变质的微生物主要有细菌、酵母菌和霉菌等3 类。微生物污染不仅使果蔬汁产品失去或降低原有的营养价值、组织状态等，更为严重的是，某些微生物能够分泌毒素，危害人体健康[16]。美国联邦果汁危害性分析关键控制点规定，果汁加工企业在生产过程中必须进行处理，将所含微生物减少99.999%或5 log CFU/mL[17]。

而果蔬原料中所含的生物酶活性也是影响果蔬汁货架期及品质的另一个重要因素。果蔬原料中含有多酚氧化酶（Polyphenoloxidase，PPO）、果胶甲基酯酶（Pectin methyl esterase，PME） 等，其中PPO在氧气存在的条件下，可以把酚类物质氧化成醌类物质，导致果蔬汁发生褐变进而影响品质[18]。而PME 则可以通过降解果胶而破坏果蔬汁的混浊体系，最终影响产品感官品质[19]。因此，加工中钝化PPO和PME 等酶是保持果蔬汁稳定性、延长产品货架期的必要条件之一。

2 新型非热灭菌技术

2.1 超高压灭菌技术

超高压灭菌又称为高压加工（High Pressure Processing， HPP） 或高静 水 压（High Hydrostatic Pressure，HHP），属于食品行业后杀菌的非热加工技术，自1990 年以来逐渐应用于食品工业，应用压力范围一般为100～800 MPa[20-21]。独立包装或未包装的果蔬汁置于超高压设备加压室中，通过泵将静水压均匀加压于产品，以达到杀菌目的[22]。超高压设备可通过调节压力、加压时间（1 ms～20 min） 和初始处理温度等参数以适应不同的产品[23]。

2.1.1 超高压技术灭菌机制

HPP 对微生物灭活的主要机理为超高压能够破坏蛋白质、多糖、脂质、核酸等生物大分子的非共价键，使微生物细胞形态发生改变，抑制酶的活性和DNA 等遗传物质的复制等，从而达到消灭微生物的作用[24]。其中，HPP 破坏细胞膜，使蛋白质变性和降低细胞内pH 值的作用仅对草兰氏阳性菌而言，目前HPP 对孢子影响机制并没有研究清楚。有研究显示，即使是同一种细菌的孢子，对于高压的敏感度也是不一样的[25]。已有研究显示，在高压处理之后再辅以一定温度的处理，可以对芽孢杆菌的孢子有效消杀，细菌孢子可以在一定的压力条件下生长，且孢子种类不同则适合生长的压力条件也不尽相同，但是这些孢子可以通过高温处理消杀[26]。

2.1.2 超高压灭菌在果蔬汁中的应用

由于超高压在有效灭菌的同时能够保留果蔬汁产品的风味和营养品质，使其在果蔬汁灭菌的研究中广泛应用。目前，许多研究已经在证实HPP 在苹果汁、橙汁、石榴汁、草莓汁、芒果汁、胡萝卜汁等果蔬汁的加工中起到良好的灭菌作用[27]。

目前，世界主要的高压灭菌设备制造商有美国的Avure、西班牙的Hiperbaric 和德国的Multivac 等，其中Hiperbaric 的市场份额已经超过了50%。随着技术的发展，超高压灭菌设备技术逐渐成熟，国内的制造商已经具备研发生产食品工业用高压设备的能力，主要的制造商有包头科发高压科技有限责任公司等，已经形成了超高压装备的研究开发、设计、生产及推广的成熟链条。且一些品牌的NFC 果蔬汁产品已经开始应用HPP 进行灭菌，并作为产品主要的亮点进行宣传，如Hey Juice 品牌果汁、Fruity 品牌果汁和KellyOne 品牌果蔬汁产品等。

当然，超高压灭菌技术目前还存在一些缺点，如超高压在酶灭活方面没有高温杀菌效果好，同时会产生一些亚致死微生物，对产品贮藏条件要求较高[28]。因此，可以考虑将超高压灭菌与其他灭菌方式相结合，以提升灭菌效果，提高产品品质。同时，超高压的应用成本高、不能像饮料生产线一样连续生产等问题也限制了其在果蔬汁工业中的大规模推广，以上问题均是超高压装备制造行业未来需要重点解决的。

2.2 超声波灭菌技术

超声波处理是近年来在食品工业兴起的一种新技术，已经广泛应用于加工、保存和提取工艺当中。超声波不仅能够避免产品损耗，还能降低果蔬汁中微生物数量、提高产品的营养等，具有加工时间短、能耗低、环保等优点[29]。

2.2.1 超声波技术灭菌机制

（2）微量物质示踪剂具有安全环保、成分稳定、成本低、检测精度高等优点，将成为油田示踪剂未来的主要研发和应用方向。

超声波灭菌应用的频率范围一般为20～100 kHz，其对微生物的灭活主要是超声波引起的空穴效应，果蔬汁经超声波处理可以破坏微生物细胞壁和产生自由基，进而达到灭菌的效果。超声波可以使处理的液体介质持续不断地产生微小气泡，气泡在介质中移动到距声波源一定距离时，会因为能量消失而快速破裂，而气泡破裂产生的冲击波会在短时间内（100 ns） 产生瞬时高温高压区域，可以破坏微生物细胞，进而在这一区域内将微生物消灭，但这一效果仅限定于气泡破裂时的瞬时冲击波区域，且这一区域瞬时的高温高压在一定时间内并不会影响介质本身的宏观温度。超声波产生的空穴效应还会改变胞内微观动力，扰乱胞内组分，进而对细胞中的酶抑制或灭活[30]。

2.2.2 超声波灭菌在果蔬汁中的应用

超声波技术在应用过程中会产生剧烈的机械运动，已经在果蔬产业得到广泛应用，但工业化应用的主要是清洗原料，超声波杀菌的应用在果蔬汁行业还处于研究阶段，已有研究表明超声波可以将果蔬汁中的致病菌降低至5 log 以下，如在500 kHz、240 W 情况下处理柑橘汁15 min；在25 kHz、600 W情况下处理90 min；在20 kHz、750 W 条件下处理胡萝卜汁2 min 均可有效对果蔬汁中的微生物进行杀灭[31]。超声波灭菌技术应用研究已经开展多年，但在果蔬汁行业尚未有真正的工业化应用，而现有研究对超声波对果蔬汁中微生物的影响及其潜在的安全性问题尚不够深入，因此对于超声波杀菌的大规模工业化应用还有很远的距离。同时，超声波单独灭菌不够彻底，影响因素较多，但与其他灭菌方法联合应用具有很大的潜力，目前已有对超声波联合臭氧、纳米二氧化钛、微波、激光、紫外线、超高压等协同技术的研究，但均处于实验室阶段[32]。

2.3 脉冲电场灭菌技术

脉冲电场（Pulsed Electric Field，PEF） 灭菌技术是一种新型的非热食品灭菌技术，PEF 主要是以较高的电场强度（10～50 kV/cm）、较短的脉冲宽度（0～100 μs） 和较高的脉冲频率（0～2 000 Hz） 对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。PEF 可以作为传统热灭菌技术的替代者得到广泛认可，其灭菌效果跟技术参数（电场强度、功率、处理时间） 及微生物本身（类型、生长曲线、形状） 有很大关系[33]。

2.3.1 脉冲电场技术灭菌机制

目前，关于PEF 对微生物的杀灭机制尚不完全清楚，普遍认为PEF 的灭菌作用主要靠电流对微生物细胞膜和细胞器的电穿孔作用。当电场强度超过细胞膜所能承受的阈值时，电流即可穿过微生物细胞形成不可逆损伤，进而导致微生物细胞液渗漏和胞溶作用，达到灭菌的效果。微生物细胞与外界环境进行着活跃的物质交换，细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行极其重要。PEF 的灭菌效果跟微生物的种类密切相关，研究证实相比革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌对PEF 的处理更敏感，而酵母菌最不敏感，即PEF 对酵母菌的杀灭效果不佳[34-35]。

PEF 作为一种新型的食品非热杀菌技术，一直受到美国、德国、加拿大、法国等发达国家企业和研究单位的重视。PEF 能耗小、效率高、对食品品质几乎没有影响，能够满足果蔬汁热敏性加工的需求。PEF 在果汁中应用能够增强大肠杆菌等细菌的杀灭效果，并且对果汁本身品质及营养成分几乎没有影响。但是，PEF 相较于传统热杀菌技术，其设备投资成本高，进而限制了其在果蔬汁行业的工业化应用[36]。

目前，在PEF 设备的研究和制造领域美国俄亥俄州立大学处于国际领先地位，其已建成一条处理能力2 000 L/h 的准工业化生产线，进行了橙汁、苹果汁等果汁的杀菌研究，并取得了良好效果。而美国Genesis Juice 公司利用PEF 技术生产的苹果汁、草莓汁等产品已经通过食品药品管理局的认证并在市场上销售，其产品所用设备的处理能力为200 L/h，货架期为4 周[37]。而国内关于PET 灭菌技术在果蔬汁中的应用仍处于实验室阶段，相关装备研发制造及工业化应用尚需时日。

2.4 紫外照射灭菌技术

紫外照射（Ultraviolet Irradiation，UI） 灭菌技术是近年来应用广泛的一种非热灭菌技术，主要是利用紫外灯对相关产品进行照射杀灭微生物，以达到灭菌目的。紫外照射设备简单且容易操作，对于特定微生物来说紫外照射对其是致命的，且紫外照射处理温度及湿度均较低。一般应用于食品灭菌的紫外线波长为UV-A （320～400 nm）、 UV-B （280～320 nm） 和UV-C （200～280 nm），其中UV-C 应用于果蔬汁加工灭菌效果良好[38]。

2.4.1 紫外照射技术灭菌机制

UV-C 波段的紫外照射可以杀灭果汁中的致病菌微生物，作为一种物理处理过程，UI 不会给果汁产品带来化学残留。UI 处理的灭菌机制已经得到广泛研究和认可，其最主要的作用是破坏微生物细胞的DNA。DNA 暴露于紫外线照射下，碱基对之间会形成共价键，同时生成环丁烷嘧啶二聚体。这些具聚体的生成会导致DNA 螺旋结构的扭曲，进而影响DNA 合成，最终抑制微生物的生长。紫外线还可以使微生物细胞产生氧自由基并与其DNA 和蛋白质反应，进而破坏生长[39]。影响紫外照射灭菌效率的参数有紫外光的透过率、功率、波长及紫外源和照射路径的物理排列长度等，菌株、生长阶段、微生物密度、生长介质及果蔬汁的种类和成分等特征也同样影响着紫外照射杀菌的效果[40]。

2.4.2 紫外照射灭菌在果蔬汁中的应用

紫外照射技术已经广泛应用于食品工业，包括延长货架期、灭菌、灭杀寄生虫和昆虫繁殖、延迟果实成熟、灭杀真菌和病毒或将其降至安全水平等。而在果蔬汁行业，已有研究表明通过UV-C 波段的紫外照射可以有效消灭或抑制苹果汁、杨桃汁和柑橘汁中的微生物；同时，果蔬汁通过UV-C 处理杀菌时，还可以最大程度地保持其生物活性组分多酚和黄酮等的活性[41-43]。

目前，在果蔬汁饮料行业紫外照射灭菌主要应用在供水、糖浆、清洁水、废水、过滤系统及包装表面的消毒等[44]，真正应用于产品本身的消毒尚未工业化应用，且随着果蔬汁饮料卫生标准日益严格，生产过程中有效的灭菌处理显得更为重要，紫外照射灭菌相较于其他技术，具有灭菌环境温和、不产生毒素或残余物、不改变被灭菌目标的化学组分、风味和pH 值等优点，且系统安装更换简单、维护成本低，对工厂现有设施稍微改造即可实现。因此，在果蔬汁饮料加工制造中有着良好的应用前景。

2.5 其他新型非热灭菌技术

高压二氧化碳（High Pressure Carbon Dioxide，HPCD） 灭菌技术是果蔬汁饮料加工中的一种新型灭局技术，CO2是一种无毒气体，且具有一定的杀菌效果。已有研究表明，HPCD 应用于果蔬汁杀菌可以有效灭活致病微生物和酶，同时能够保留果蔬汁中生物组分的活性、色泽和风味品质等。虽然称之为高压，但较之超高压灭菌HPCD 技术中CO2的压力小于40 MPa，且处理温度在20～60 ℃，可以防止热敏组分分解。将果蔬汁暴露于CO2中增加了微生物停滞期和萌发时间，若采用CO2和巴氏杀菌协同处理，在一定时间内气体可以渗透至微生物细胞中，随后发生爆破性减压，导致细胞内气体迅速膨胀，进而导致微生物细胞破裂，最终达到灭菌目的[45]。

冷等离子体（Cold Plasma，CP） 灭菌技术一般由高压电场下的气体介质放电所诱发，利用诱发的电子、离子、原子、UV 光量子和带电粒子等混合体灭杀微生物。现有研究表明，CP 技术能有效杀灭橙汁、柑橘汁等果蔬汁中的大肠杆菌和沙门氏菌[46-47]；CP 技术处理时间短、对样品的影响不明显（如橙汁中的维生素C），且能耗远低于热过程和其他非热过程的能耗率，说明CP 技术在果蔬汁灭菌中有非常大的潜力，但该技术仍处于实验室研究阶段，工业化应用还需深入研究。

3 结语

与传统的热加工灭菌相比，新型非热灭菌技术已经在果蔬汁饮料中显现出一些独特优势。其中，冷等离子体灭菌技术已证实能对密封包装食物中微生物进行有效杀灭，通过后续深入研究与应用，可能成为热灭菌的真正替代技术。而超高压、超声波、脉冲电场、紫外线照射等新型灭菌技术虽然单独应用效果不太理想，但是其与热处理灭菌相结合进行应用已显示出巨大的灭菌潜力，将是今后技术与装备发展的一个重要趋势。新型灭菌技术与热灭菌联合应用于果蔬汁饮料加工中，能够减少处理时间和降低处理温度，提高现有技术灭菌效果，同时将热灭菌技术引起的产品品质损失降至最低，还有降低能耗等效果。这些新型非热灭菌技术在最小化投资和工艺优化的前提下，将会拥有较大的市场价值。但是，为了确保新型非热灭菌技术能够真正达到微生物灭活效果和延长果蔬汁货架期，并确保细菌和芽孢在产品储存过程中不会萌发，仍需要深入研究。