柑橘汁杀菌方法研究进展

田 瑾，罗潇潇，马 嫄,*，刘晓翠，黄林华

（1.西华大学食品与生物工程学院，四川 成都 610039；2.西南大学柑桔研究所，重庆 400712）

柑橘属于芸香科下属植物，包括橘子、柑、柚、甜橙、金橘、柠檬、酸橙等[1−4]。柑橘类水果富含维生素C、黄酮类物质 (柠檬素、柚皮素、橘红素等)、植物多酚等[5]，研究发现柑橘类能改善血压、血脂和保护心血管，还具有化食消痰，防止恶心等功效[6−7]。柑橘汁因其特有的风味和丰富的营养成分，销量在众多的果蔬汁中占据榜首[8]。柑橘汁生产中主要采用的巴氏杀菌方法会减少柑橘汁中维生素C 的含量并会影响其原有的风味，因此在大多数巴氏杀菌的柑橘汁中往往会加入一些添加剂来保持口感、营养价值或增添柑橘汁的风味。非热杀菌是采用非加热的方法来杀死食品中的微生物，同时最大限度地维持食品原有的风味、营养成分以及其物性的杀菌方法。非热杀菌主要包括物理杀菌和化学杀菌，其中物理杀菌主要包括超高压杀菌、超声波杀菌、高压脉冲电场杀菌等[9]。非热杀菌一般在常温下完成，处理过程中不产生热效应。因此它克服了一般热杀菌技术传热较慢和对杀菌对象产生热损伤等缺点，特别适合热敏性的食品物料（如柑橘汁）的杀菌处理。

1 热杀菌

1.1 巴氏杀菌

巴氏杀菌是利用低于100 ℃的热力杀灭微生物的杀菌方法。经巴氏杀菌后的柑橘汁，其营养成分和挥发性成分都有所损失，王可兴等[10]研究表明对橙汁进行巴氏杀菌的过程中有7 种键合态香气物质被完全水解，有3 种键合态香气物质的含量在灭菌后显著降低。程玉娇[11]检测发现巴氏杀菌后宽皮柑橘汁具有风味活性的1-对孟稀-8-硫醇浓度降低，但DMS、MeSH、CS2等有异味的的挥发性硫化物浓度增加。Achir 等[12]对柑橘汁进行巴氏杀菌，发现羟基叶黄素和环氧叶黄素的损失率分别可达40%和70%。Ros-Chumillas 等[13]发现橙汁利用巴氏杀菌和采用不同包装材料及无菌灌装可达到延长储藏期的目的。虽然巴氏杀菌条件优化后能使营养成分和挥发性成分得以保留，并且通过将不同的因素（例如氧气清除剂，灌装过程中在顶部空间中添加液氮滴，螺旋盖中用铝箔密封以及冷藏温度）与单层PET 瓶结合使用能延长货架期，但是在贮藏期间柑橘汁的营养成分和挥发性成分的保持效果不佳。Sádecká 等[14]研究发现经过巴氏杀菌处理后的橙汁，在其贮藏过程中香气成分（d-柠檬烯、戊烯、二苯烯醇（如亚麻醇））的含量下降，而某些伏拉式单烯显著增加，此外，还对贮藏果汁中的抗坏血酸浓度、抗氧化活性、总多酚浓度和颜色变化进行测定，发现贮藏期间这些指标逐渐下降。由此可以知道巴氏杀菌对柑橘汁的杀菌效果能达到国家标准，但在贮藏期中维持柑橘汁的营养成分和延长货架期方面并不理想。这也是巴氏杀菌未来研究的一个方向。

1.2 微波杀菌

微波是频率在300 MHz 到300 GHz 的电磁波。微波杀菌是利用微波对微生物的热效应与非热效应的相互作用改变微生物细胞膜的通透性使其生长发育受到阻碍而导致死亡[15]。由于微波杀菌是物理杀菌，没有添加化学防腐剂，且采用的温度较低耗时较短，所以经微波杀菌后柑橘汁具有较好的品质[16]。韩燕等[17]通过对橙汁进行不同杀菌处理可知对橙汁的色泽影响最大的是煮沸杀菌，其次是高温高压杀菌，微波杀菌的影响是最小的。沈海亮等[18]对锦橙汁进行微波杀菌和巴氏杀菌来看其挥发性香气成分的保留程度，结果表明巴氏杀菌后的橙汁中的挥发性香气成分比微波杀菌后的橙汁少，所以微波杀菌更有利于萜烯类和酯类的香气物质的留存。在Singh 等[19]的研究中利用微波辅助紫外线对橙汁进行杀菌，研究表明当微波功率为500 W，流速为166 mL/min 和处理时间为9.51 s时能得到橙汁细菌总数、总酚、维生素C 等的最佳参数值；同时 Brugos 等[20]采用常规热处理（热浴）和聚焦微波加热（合成微波反应器）对橙汁中果胶甲基酯酶（PME）的动态失活，研究发现微波辅助热处理后橙汁中果胶甲基酯酶灭活率达到99%。虽然微波杀菌可以很好地保持柑橘汁的营养成分和色泽，但是柑橘汁微波杀菌后在贮藏期中柑橘汁成分的变化缺乏深入的研究，所以这将是柑橘汁微波杀菌未来的研究热点。

1.3 超高温瞬时杀菌

超高温瞬时杀菌是在125～150 ℃下保持4～20 s 的处理方式[21]。高温瞬时杀菌与巴氏杀菌相比较，因其温度较高可以杀死孢子，使柑橘汁杀菌效果更接近于商业无菌，且货架期更长；虽然超高温瞬时杀菌对柑橘汁的精油含量损失较大，但对其色泽、香气物质和风味都不会有太大的变化。

王金锋等[22]利用计算流体力学模拟出超高温瞬时灭菌处理橙汁的理想时间，根据卡诺循环计算出灭菌的最佳条件为135 ℃、13 s，因其能耗是最低 的。Galina 等[23]的研究表明经130 ℃、2 s处理的橙汁比传统巴氏灭菌处理的橙汁具有更高的生物活性物质（维生素C、总酚、橙皮苷和类胡萝卜素）。Wang 等[24]通过利用计算流体力学（computational fluid dynamics，简称CFD）证明了选择超高温短时杀菌更有利于杀菌后降低冷却过程中消耗的能量[25−26]。综上所述，超高温瞬时灭菌具有延长货架期和有利于灭菌后的冷却过程等优点，而且相较于其他热杀菌方法，它更有利于保存活性物质。

2 非热杀菌方法的研究进展

2.1 超高压杀菌

超高压杀菌是指用100～1000 MPa 的压强去处理食品，超高压能通过瞬间卸压或梯度减压等连续式操作使渗透到致病菌体内的水或其他物质膨胀，来杀灭微生物，通过作用于食品中酶的非共价键，如离子键、二硫键等，破坏其结构来钝化酶活[27]。而超高压对共价键的影响很小，这能在杀灭微生物的同时很好地保护食品的品质[28−29]。

Bull 等[30]的研究表明经超高压处理（600 MPa、20 ℃、60 s）后脐橙汁的微生物菌量降低到无法检测的水平。Polydera 等[31]研究发现，与热杀菌（80 ℃，60 s）相比，超高压处理（600 MPa、40 ℃、4 min）能较好地保留橙汁的抗氧化活性。蒋和体等[32]的研究发现橙汁经超高压处理后其主要成分的减少都小于热力杀菌。王孝荣等[33]的研究表明鲜榨橙汁经过超高压处理（400 MPa、15 min）和热处理（90℃、30 s）后其醛类、烃类含量均会出现不同程度的减少，但超高压处理后的鲜榨橙汁的色泽受影响较小。赵玉生等[34]的研究发现温州蜜桔和八塑果汁分别经1 000～6 000 Pa、10 min 和8 000～10 000 Pa、10 min 的超高压处理后营养成分损失较少。综上所述，超高压杀菌技术在对柑橘汁进行杀菌和灭酶的同时也对其色香味等感官特征有一定保护作用[35]，无疑是一种有潜在价值的非热杀菌技术。

2.2 超声波杀菌

超声波是一种频率高于20 kHz 的声波，它应用于医学、军事、工业中较多，在食品方面主要是用于物质的提取，也可被用来对食品进行杀菌[36]。超声波杀菌利用超声波的空化作用，使液体产生瞬间高温高压从而导致细菌死亡、病毒失活以及抑制酶的活性[37−38]。其中空化作用是指在超声波的作用下液体中的微气泡发生振动，当声压达到一定值后由气泡产生冲击形成的一系列振动、膨胀等的动力学过程，即在食品超声灭菌过程中产生了强烈的机械振动，这种振动具有破坏微生物细胞结构和使微生物内溶物流出或沉淀等的能力[39]。

超声波杀菌技术不仅可以杀菌还能降解农药残留，最重要的是与传统热杀菌技术相比超声波能最大程度地保留果汁中的营养成分和挥发香气成分[40]。粟星等[41]研究发现，超声波比热处理更好地保持橙汁的营养品质。李申[42]研究发现，在低温下（4 ℃）对橙汁进行30 min 的超声波处理，总的杀菌率仅42.5%，但当处理温度为50 ℃时，超声波处理的橙汁的总杀菌率达到了99.89%，说明超声波与适宜的温度协同对柑橘汁进行杀菌，其灭菌效果可达到国标要求。Paniagua-Martínez 等[43]使用超声波辅助超临界CO2处理橙汁3 min，发现：大肠杆菌完全灭活，橙汁的酸碱度基本没有变化；与巴氏杀菌相比，橙汁的酚类化合物和抗坏血酸的损失量都较少；其抗氧化能力提高了12%。Khandpur等[44]将超声波和紫外线相结合应用使橙汁营养保持在较高水平，但与仅用超声波处理相比，营养素有一些损失。由此可知，超声波杀菌能使柑橘汁保持较好的品质，但在杀菌方面需要与其他技术相结合才能达到国家标准[45]。

2.3 高压脉冲电场杀菌

高压脉冲电场杀菌（plused electric fields,PEF）通过电极产生的瞬时高压脉冲电场作用于食品，使微生物的细胞膜破裂或穿孔起到对食品的灭菌作用，同时它也是最近几年食品非热力杀菌处理研究领域的热点之一。

由于高压脉冲电场可以杀灭微生物，具有处理时间短、能耗低和传递速度均匀等优点，所以它能更有效地钝化橙汁中的各类酶活，从而延长其贮藏期[46]。严志明[47]将橙汁经由高压脉冲电场（流速10 mL/min，场强达到20 kV/cm，脉冲频率128 Hz，脉冲宽度为17 μs）杀菌后，在0 ℃低温储藏条件下橙汁的储藏期有加长。对于橙汁中的各类酶来说，Cronin 等[48]发现当脉冲电场强度及处理时间都增加时，橙汁中的果胶甲基酯酶的残留活性下降。而廖小军等[49]发现当脉冲场强为12 kV/cm，脉冲时间为1 200 个脉冲时，橙汁中的大肠杆菌减少了1.73 个对数，当减小至10 kV/cm、400 个脉冲时，橙汁中的过氧化物酶活性降低60%。同时与热杀菌对比，高压脉冲电场杀菌技术对橙汁中的Vc 具有更高的保留率，如Agcam 等[50]对橙汁进行高压脉冲电场技术处理和热处理，研究发现，在对橙汁进行高压脉冲电场杀菌后（电场强度为17 kV/cm，时间为1 034 μs，能量为17.37 J）橙汁中的抗坏血酸的半衰期最长（1112d），并且在贮藏期中未发生明显的降解；方婷[51]发现经热杀菌后的橙汁Vc 的含量下降了7.7%，而高压脉冲电场杀菌后的橙汁Vc 含量只下降了5%。曾新安等[52]的研究表明当温度小于60℃，脉冲场强为25 kV/cm 时灭菌效果达到国家标准，同时Vc 保留率为86.6%。

综上所述，高压脉冲电场技术在橙汁杀菌工艺中效果不错，而且在一些高压脉冲电场处理条件下杀菌的橙汁抗坏血酸的含量高于经过热杀菌处理后的橙汁；但在未来希望能将高压脉冲电场杀菌和其他热杀菌技术进行联用来达到更好的杀菌效果。

2.4 辐照杀菌（高频辐射）

对含有热敏性成分的食品来说辐照技术是最有效的杀菌技术之一[53−54]。辐照杀菌主要通过造成微生物DNA 损伤、干扰代谢和破坏细胞内膜从而引起酶系统紊乱，导致微生物死亡[54−56]。另外水分子受辐射后离子化，形成了-H、-OH、-HO2、-H2O等基团，这些基团在不同途径中参与化学反应，在水基团的作用下，生物活性物质被钝化以致细胞受损，当损伤到一定程度则微生物的生理机能就会丧失。

范刚等[57]通过比较辐照和巴氏杀菌对锦橙汁品质的影响，发现辐照处理后的锦橙汁香气物质的保持率高于巴氏杀菌。邹立强等[58]研究发现，不同辐照剂量（2、4、6、8、10 kGy）对脐橙汁处理后其菌落总数、霉菌和酵母及大肠杆菌的数量分别下降2.48、2.97、4.61 个对数级，辐照剂量越大杀菌效果越好。但辐照也会造成产品维生素的损失并对产品的风味造成不利影响，当利用0.7 kGy 的γ 射线对柑橘汁进行处理时会产生异味[59−60]，同时果蔬食品中的Vc、Vb 和Ve 对辐照最敏感；但柑橘在大约1 kGy剂量下辐照Vc 没有明显损失[54]。Nakauma 等[61]研究发现，随着电子束或γ 射线照射剂量的增加，酸乳杆菌孢子的存活率呈指数级下降，通过研究当辐照和热杀菌协同对杀菌时，所需的辐照剂量可降低，因此辐照协同热处理具有较好的应用前景。

2.5 化学杀菌

化学杀菌是利用化学杀菌剂（一般是抑菌剂、防腐剂和抗菌剂）去干扰或破坏微生物的生理、生化反应和代谢活动，使微生物的生长繁殖受到抑制，甚至死亡，化学杀菌的效果通常与化学杀菌剂的用量与作用时长有关[62]。其实在实际的食品生产过程中，对食品使用化学杀菌剂技进行杀菌是受到国家有关部门严格管控的，所以现在食品工业中不会把化学杀菌直接作用于食品本身[63]。

近年来，研究者们致力于将天然的抑菌剂和防腐剂应用于食品中，使天然的化学杀菌剂直接作用于食品，且不影响食品安全。如Martín-Diana 等[64]通过向橙汁加入壳聚糖（天然抗菌剂）进行杀菌来延长货架期，当加入的壳聚糖质量浓度高于1 g/L时，微生物总数减少1 log，但是在此浓度下抗环血酸的含量将降低，所以建议加入1 g/L 的壳聚糖到橙汁中，不仅可以杀菌，还能保存抗坏血酸。Mosqueda-Melgar 等[65]在橙汁中加入柠檬酸（天然抑菌剂）并与高强度脉冲电场杀菌技术联用来杀菌，在5℃温度下保存91 天都未检测到微生物的生长，但橙汁的香气和口感发生了变化。虽然天然化学杀菌剂对柑橘汁中的微生物有抑制作用，但是在保持柑橘汁的营养成分和香气等方面有明显的不足，所以在以后可探索更多可直接作用于柑橘汁的化学杀菌剂，并且提高化学杀菌后的柑橘汁的品质，以及可与其他杀菌技术相联用来弥补化学杀菌的不足。

2.6 高密度CO2 杀菌

高密度CO2(dense phase carbon dioxide,DPCD)杀菌技术是通过加压CO2或超临界CO2接触食品，利用其分子效应使某些微生物和酶失活[62]，这项技术所需温度低，从而避免传统巴氏杀菌的热效应。在过去60 年该技术对包括病原体、腐败菌、酵母菌和霉菌在内的各种微生物的营养细胞和孢子的影响，以及对食品重要的各种酶的影响已经得到证明。许多液态食品在DPCD 处理后保持了新鲜的感官、营养和物理特性[67]。

Niu 等[68]采用了高密度CO2杀菌技术处理鲜榨橙汁，并与未经处理和热杀菌处理的鲜榨橙汁进行比较，发现经高密度CO2处理10 min 和20 min后的橙汁比热杀菌处理后的橙汁在其挥发性成分上更接近鲜榨橙汁。Boff 等[69]对橙汁分别进行了热处理，高压处理和高压与CO2联合处理，与热处理后的橙汁相比，高压处理和高压与CO2联合处理后的橙汁的挥发性成分损失较低。而且高压与CO2联合处理后的橙汁比热处理后的橙汁具有更高的抗坏血酸保留率。Paniagua-Martínez 等[43]利用超临界CO2辅助超声波连续处理方式对橙汁进行杀菌，与巴氏杀菌处理的橙汁相比，经超临界CO2辅助超声波连续处理后的橙汁的褐变指数和颜色变化更大。综上所述，高密度CO2杀菌技术在柑橘汁的挥发性成分的保留上有明显的优势，并且也能保留较多的营养成分，特别是高密度CO2杀菌技术与其他技术的联用使其营养成分的保留率更高，但是如何让高密度CO2杀菌技术与其他技术的联用不产生其他负面作用需要进一步的研究。

2.7 紫外照射杀菌

紫 外 线 照 射（ultraviolet irradiation,UV Irradiation）的杀菌机制是由于微生物的DNA 吸收紫外光从而导致了其DNA 的突变使其死亡[70]。紫外线的波长范围是100～400 nm，分为4 个波段，但只有UV-C（20～280 nm）具有杀菌能力，且在265～266 nm 处的杀菌能力最强，会破坏微生物DNA 并抑制细胞增殖[71]。

紫外照射技术从2000 年被美国FDA 批准可用于果蔬汁饮料产品的杀菌后，近年来越来越多的企业将它应用于果蔬汁的杀菌工艺环节中，同时规定应用低压汞灯来产生紫外线，且90%的紫外光波长为253.7 nm[72]。Ferrario 等[73]以胡萝卜–橙汁为原料，采用UV-C 光辅助加热可以使果汁在24 d 储藏期内保持它的多酚含量和总抗氧化活性以保证饮品达到消费者的要求。Bengi 等[74]采用准直光束仪对橙汁样品进行了多次紫外线照射，照射强度为1.32 mW/cm2，照射深度为0.153 cm，从而提高了橙汁中腐败微生物的灭活效果，延长果汁的货架寿命，但紫外照射对橙汁的颜色没有影响。Prado 等[75]研究紫外线(UV-C)辐射对工业化橙汁菌属的生物膜影响发现经UV-C 处理的不锈钢和橡胶表面 30 min(26.2 kJ/m2)后生物膜形成明显减少(约2log cfu/mL)，即UV-C 可以减少生物膜的形成。由此可见，利用紫外线照射技术不仅可以将柑橘汁的腐败微生物进行灭活，同时还不影响其色泽，但紫外线的穿透能力差，只能在果汁表面穿透很短的距离；因此，需要与其他的杀菌技术进行联用而达到更好的杀菌效果。

3 结束语

从以上研究中可知，不管是在营养成分的保持还是在感官品质和挥发性香气成分提升等方面，非热杀菌技术的整体效果都优于热杀菌技术，但工作的连续性和安全性是技术瓶颈。虽然有些非热杀菌具有能耗低、易控制、效率高、无残留且较环保等特点，但是大部分的非热杀菌的成本比热力杀菌的成本要高[76]；因此，在今后如何提高非热杀菌效果、降低其成本以及优化或强化现有的非热杀菌技术，成为实现非热杀菌在柑橘汁实际生产加工运用中的关键。两种杀菌方式的联用比某些单个的杀菌方式的效果更好[77]，未来可以考虑以热杀菌作为初次杀菌，非热杀菌作为灌装前的二次杀菌来达到理想的杀菌效果。