膜过滤耦合紫外光法非热杀菌处理椰子水研究

李铭，肖容雍，段振华

（1.三亚中瑞酒店管理职业学院，海南三亚572000；2.三亚航空旅游职业学院，海南三亚572000；3.贺州学院食品与生物工程学院，广西贺州542899）

椰子（Cocox nucifera L.）是热带地区典型的木本油料作物和食品加工原料[1]，在海南经济作物中占有重要的地位。椰子水（coconut water）是椰子果实腔内的液体胚乳，是一种营养和保健价值都很高的天然饮料[2]。根据联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization，FAO）数据显示，全球椰果年产量约62.46万吨[3]。椰子水来源丰富，椰果中的椰子水约占其总质量的25%[2]。我国椰子水的年产量约7.5万吨。大多数椰子在加工时，除将少量椰子水加工为清凉饮料外，大部分作为废物倒掉。这既造成环境污染，又造成资源的巨大浪费。由于椰子水含有丰富的营养物质，是微生物生长的理想培养液，因此其极易受微生物污染而变质，造成潜在的食品安全问题。有研究者采用电喷雾-傅立叶变换-离子回旋共振质谱（electrospray ionization-Fourier transform-ion cyclotron resonance-mass spectrometry，ESI-FT-ICR-MS），跟踪监控了室温23℃下保存椰子水的物理化学品质的下降过程，通过测定pH值、总酸度、微生物含量、紫外-可见光谱（ultravioletvisible，UV-vis）等指标，结果表明保存3 d后的椰子水不适合用于饮用[4]。此外，椰子水中含有过氧化物酶和多酚氧化酶[5]，这些酶具有相对较高的热稳定性和物理稳定性，并且在储藏或冷藏过程中，这些酶会造成椰子水褐变[6]。目前已经推出的椰子水产品多为利乐包装的热杀菌常温保藏产品，保质期长是这类产品的优势，但是热杀菌会导致焦糖化反应和美拉德反应，使产品颜色加深，造成风味物质挥发和破坏，影响椰子水清爽的口感[7]。随着目前国内居民消费水平的提高，传统的热杀菌产品很难满足国内消费者追求绿色、天然、新鲜、原味的饮料消费发展趋势。

在众多现代食品工业技术中，非热杀菌的产品日渐受到研究者和消费者的关注。食品的非热杀菌是一类崭新的食品加工技术，既有利于最大限度地保持食品功能成分的生理活性，又有利于保持色、香、味及营养成分。近年来，食品的非热杀菌技术包括膜过滤技术[8]、高压二氧化碳技术[9]、高能超声波技术[10]、辐照杀菌技术[11]、超高压处理技术[12]、超高压脉冲电场技术[13]、脉冲强光技术[14]、紫外光技术[15]和等离子体技术[16]等，是国内外研究者高度关注的热点。

Mahnot等[17]采用微滤膜过滤技术处理嫩椰子水，研究表明膜过滤生产的椰子水样品在4℃冷藏条件下保存最长时间为46 d。尽管0.45 μm微滤膜并不足以去除所有的微生物，但是在冷藏过程中未检出大肠杆菌。研究采用的膜过滤装置为实验室规模的死端过滤装置，且膜片直径仅为47 mm，折算为膜面积仅0.001 734 m2。工业化膜过滤过程一般采用错流过滤方式，以避免膜面严重污染。因此，尽管该研究结果为膜分离技术在椰子水保藏的应用上提供了参考，但是该研究仅属于实验室规模，无法直接放大到实际的工业化过程中。

椰子水中含有多酚氧化酶和过氧化物酶，一旦椰子水在加工过程中接触空气中的氧气，酶促氧化反应就会使椰子水品质下降[18]。Augusto等[18]研究了紫外光照射技术对椰子水中多酚氧化酶和过氧化物酶的影响。结果表明，酶失活与处理时间相关，其失活机理可能是酶分子的折叠和聚集。过氧化物酶活力在处理15 min后下降到其初始酶活力的5%，在处理30 min后下降到初始酶活力1%。多酚氧化酶的活力在处理15 min后和30 min后分别下降到其初始酶活力的8%和2%。尽管其灭酶的效果得到了证实，且表明紫外光杀菌技术具有应用前景，但是该研究并未对微生物的杀灭效果以及紫外光处理后椰子水的理化指标进行评估，且未研究紫外光处理对椰子水的感官评定的影响。

与传统热杀菌相比，非热杀菌技术普遍能较好地保持椰子水及其它果汁类食品的品质，但是抑制过氧化物酶和多酚氧化酶效果尚不理想。紫外光照射技术可以达到90%以上的灭酶效果，但是其应用于椰子水的加工研究尚不全面。因此本文将膜过滤技术与紫外光照射技术联用，并且较为全面地评价了处理前后椰子水的理化、微生物和感官评定指标，为膜过滤耦合紫外光非热杀菌处理在食品中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

椰子水：市售；硫酸、盐酸、五水硫酸铜、硫酸钾、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、乙醇、氢氧化钠、三水亚甲基蓝、四水酒石酸钾钠、三水亚铁氰化钾、二水乙酸锌、葡萄糖、磷酸盐缓冲液：国药集团化学试剂有限公司；愈创木酚、邻苯二酚：赛默飞世尔科技有限公司；3MTMPetrifilmTM型总菌落数测试片：明尼苏达矿业及制造公司。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

陶瓷微滤膜（孔径分别为 100、500、800 nm，膜过滤面积均为0.02 m2）、过滤系统（循环罐体积为10 L）：南京九思高科技股份有限公司；MS-TS型电子分析天平、FiveEasy型pH计：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；VARIOSLAN-LUX型紫外可见分光光度计：赛默飞世尔科技有限公司；KjeltecTM840型凯式定氮仪：福斯分析仪器公司；HT112ATC型糖度计：德州晨旸光学科技有限公司；HPM-12型紫外光灯：飞利浦电子公司；CH1025型超级恒温水浴槽：上海平轩科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 巴氏杀菌处理方法

采用恒温水浴加热椰子水，当椰子水中心温度达到74℃后，维持15 s。

1.3.2 膜过滤处理方法

膜过滤试验采用错流过滤方式，操作压力为100kPa，设备放置在大型冷库内，将温度控制在4℃以抑制微生物生长。操作时间为5 h，每间隔30 min记录一次膜通量数据。试验前后分别取膜截留侧和透过侧的椰子水样品进行后续试验。

1.3.3 紫外光处理方法

采用自制设备，将紫外灯放置在距离样品20 cm处，照射聚异丁烯酸甲酯容器盛装的椰子水15 min[18]，将椰子水进行搅拌，并且试验在4℃冷库内进行，以维持椰子水低温。取处理前后的椰子水样品并且检测微生物以及各项理化指标。

1.3.4 椰子水的理化和微生物指标检测

采用凯氏定氮法检测蛋白质含量[19]；还原糖含量的测定采用费林试剂法[20]；可溶性固形物含量采用糖度计测定[21]；总菌落数采用3MTMPetrifilmTM型总菌落数测试片检测[22]，在37℃培养箱内培养24h后进行平板计数；过氧化物酶活力采用1.5%愈创木酚为底物在460 nm下测定其吸光度值；多酚氧化酶活力采用0.6 mol/L邻苯二酚底物在420 nm下测定其吸光度值[23]。

1.3.5 椰子水保藏试验

使用新鲜椰子水、膜过滤后的椰子水以及膜过滤耦合UV处理后的椰子水，分别在4℃的条件下冷藏，并在第 0、1、3、5、7、9、11、13 和 15 天取样，检测总菌落数。

1.3.6 椰子水感官评价

采用新鲜椰子水、巴氏杀菌椰子水以及膜过滤耦合UV处理后的椰子水进行对比感官评定。从样品的外观、颜色、气味、总体感觉4个方面进行0（不喜欢）～10（喜欢）打分。

1.4 数据处理

所有理化指标数据为3次重复，并以平均值±标准差表示，显著性差异使用费舍尔最小显著性差异的多重比较算法。

2 结果与分析

2.1 不同膜孔径对椰子水膜通量的影响

膜通量是表征膜设备在一定温度和给定压力下，单位膜面积在单位时间内通过分离膜材料的液体的体积[24]。不同孔径陶瓷膜对椰子水的膜通量的影响见图1。

图1 不同孔径陶瓷膜对椰子水的膜通量的影响Fig.1 Effect of ceramic membranes with different pore sizes on membrane flux of coconut water

由图1可知，初始膜通量受孔径的影响，孔径越大初始膜通量越大。随着过滤时间的延长，800 nm孔径滤膜的膜通量明显降低，而500 nm和100 nm陶瓷膜的膜通量相对较为稳定。Kwon等[25]研究发现，椰子的蛋白质分子量主要分布在22 kDa～100 kDa。试验过程中膜通量下降的主要原因，可能是这部分蛋白质分子与800 nm膜孔有较强的“架桥作用”[26]，因此800 nm孔径膜更容易发生膜污染[27]，从而造成了膜孔堵塞，降低了膜通量。而这些大分子在较小的膜孔上，类似于在光滑的平面上，不容易被吸附，且由于采用错流过滤，膜面的循环液可以不断冲刷清理掉吸附的大分子，使得膜污染发生缓慢。因此从膜通量最大化的角度，800 nm膜不适合作为椰子水的过滤材料，而采用孔径较小的500 nm滤膜，可以获得较稳定且相对较高的膜通量。

2.2 不同处理对椰子水理化指标和微生物指标的影响

为评估椰子水经过不同处理后的品质，对椰子水中可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和还原糖含量进行测定，并将其设定为积极评价指标，处理后的椰子水越接近原液，表明过滤效果越好。并测定过氧化物酶活力、多酚氧化酶活力和总菌落数，并将其作为消极评价指标，处理后的椰子水相比于处理前指标越低，则表明过滤效果越好，试验结果见表1。

表1 不同处理方式对椰子水过滤效果的影响Table 1 Effect of different treatment methods on filtration effect of coconut water

由表1可知，与新鲜椰子水相比，100 nm膜过滤可以显著降低大部分消极评价指标（P＜0.05），但是也降低了积极评价指标，导致椰子水的营养价值降低。而孔径500 nm和800 nm膜过滤后，不仅保留了椰子水中的营养成分，同时显著降低了酶活力和总菌落数，有利于保持椰子水品质。因此，综合考虑膜过滤效率和椰子水处理前后的品质，选用孔径500 nm过滤膜作为椰子水非热杀菌的过滤核心元件。

2.3 膜过滤耦合紫外光处理对椰子水理化指标和微生物指标的影响

由表1可知，椰子水经过500 nm膜过滤后，可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和还原糖含量整体较为接近新鲜椰子水，说明膜过滤对椰子水品质影响不大，但是仍然有较强的过氧化物酶和多酚氧化酶活力。由于酶是一种生物化学反应的高效催化剂，因此仍然需要进一步抑制酶活力以提高椰子水的品质。

经500 nm膜过滤后再采用紫外光处理，过氧化物酶活力从0.014 U/mL下降到0.003 U/mL，多酚氧化酶活力从0.155 U/mL下降到0.012 U/mL，均降低了一个数量级。同时总菌落数下降到＜25 cfu/mL。Porto等[28]采用臭氧处理青椰子水，致使过氧化物酶完全失活，但并未对食品品质造成影响。

膜过滤耦合紫外光处理对椰子水除菌效果的影响见图2。

图2 膜过滤耦合紫外光处理对椰子水除菌效果的影响Fig.2 Effect of membrane filtration coupled with UV treatment on the sterilization of coconut water

如图2所示，新鲜椰子水初始总菌落数已经达到约1×104cfu/mL且总菌落数增长迅速，在第4天～第5天已经超过1×106cfu/mL，此时的椰子水已经不符合饮用安全。而经过500 nm膜过滤的椰子水在第9天仍然只有约1×105cfu/mL，并且经过UV处理后在第14天仍然低于1×105cfu/mL。说明膜过滤耦合UV处理可以有效抑制椰子水中微生物生长。

2.4 膜过滤耦合紫外光处理对椰子水感官品质的影响

为进一步评估500nm膜过滤耦合UV处理对椰子水感官品质的影响，将处理后的椰子水与新鲜椰子水和巴氏杀菌椰子水的感官评价进行对比，结果见表2。

表2 膜过滤耦合紫外光处理对椰子水感官品质的影响结果Table 2 Effect of filtration coupled with UV treatment on sensory quality of coconut water

由表2可知，巴氏杀菌采用热处理，颜色气味评分显著低于经其它两种处理方式的椰子水（P＜0.05），新鲜椰子水除颜色外，其它评价指标均得分最高。膜过滤耦合UV处理椰子水的感官评分与新鲜椰子水差异不显著（P＞0.05），其中颜色评分略高于新鲜椰子水。可能是经过过滤处理的椰子水相较于新鲜椰子水更加澄清透明。

3 结论

通过对椰子水进行膜过滤和紫外光处理，并将处理后的椰子水品质与新鲜椰子水和巴氏杀菌处理的椰子水进行对比，结果表明，500 nm陶瓷膜的膜通量稳定，所得到的椰子水的可溶性固形物含量、pH值、粗蛋白含量和还原糖含量整体较为接近新鲜椰子水，说明经过膜过滤对椰子水品质影响不大，因此选用500 nm陶瓷膜作为过滤组件。膜过滤耦合UV处理得到的椰子水，其总菌落数在第14天仍然低于1×105cfu/mL。感官评价结果表明，膜过滤耦合UV处理椰子水的感官评价与新鲜椰子水差异不显著（P＞0.05），但显著高于巴氏杀菌处理得到的椰子水（P＜0.05），因此500 nm陶瓷膜过滤耦合UV处理椰子水可以有效实现椰子水的保鲜杀菌效果。本研究为工业化设计提供有效数据积累和参数参考，具有工业化应用前景。