椰子水的非热杀菌技术应用研究进展

李铭，赵鹤飞，陈冬梅

（1.三亚航空旅游职业学院，海南三亚572000；2.三亚阳雨茗生物科技有限公司，海南三亚572000；3.内布拉斯加大学-林肯分校，食品科学与技术系，食品加工中心，美国内布拉斯加州林肯市68588）

椰子水的非热杀菌技术应用研究进展

李铭1，赵鹤飞2，3，陈冬梅1

（1.三亚航空旅游职业学院，海南三亚572000；2.三亚阳雨茗生物科技有限公司，海南三亚572000；3.内布拉斯加大学-林肯分校，食品科学与技术系，食品加工中心，美国内布拉斯加州林肯市68588）

椰子水是一种天然功能饮料，但是其非常容易腐败变质的特性限制了它的食品领域工业化的前景。热杀菌技术尽管非常有效，并且目前已经有成熟的工业化产品上市，但是其对风味破坏的固有缺陷不能最佳的保持椰子水的原汁原味。为了掌握非热杀菌技术处理椰子水的研究现状，本文综述了近年来非热杀菌技术在椰子水处理上的应用研究，并且探讨了目前尚未应用在椰子水的加工处理上，但是与饮料密切相关的非热杀菌技术，并且对未来的进一步研究方向做出了展望。

非热巴氏杀菌；椰子水；酶；微生物；食品品质

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，在海南经济作物中占有重要的地位[1]。椰子主要生长分布在海南省东南沿海的文昌、琼海、万宁、陵水县和三亚市等地，其面积和产量约占全国的80%[2]。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[1，3-4]。椰子水存在于果腔中，在椰子肉尚未形成之前，嫩果中的椰子水味酸；椰子肉形成以后，椰子水含糖量较高，味甜；然而成熟后的椰子水味淡，但脂肪和矿物质含量增加，它可代替盐水、葡萄糖液做静脉注入，在严重腹泻呕吐的情况下服用可抗脱水，又能增加肾的血液循环，有利尿作用[2，5]。椰子水与某运动饮料对比见表1。椰子水的矿物质成分较为接近目前运动饮料的配方，并且来源天然。因此，椰子水可以在价值100亿美元的世界“运动饮料”市场上进行竞争[6]。

2014年9月，在美国畅销多年的某椰子水品牌正式登陆中国，“椰子水”这个在中国推广多年却依然略显陌生，并且非常容易和“椰奶”混淆的概念终于第一次被市场关注。2015年春节后，海南省某知名椰奶加工企业的椰子水产品已经在国内部分地区低调亮相。由于椰子水刚刚在中国预热，还处于磨合期，所以对市场的发展走向难以精准预测。因此，自新品上市以来，该企业并没有针对椰子水进行大规模宣传，仅有少数地区结合当地实际情况，进行了小范围的宣传推广[8]。

表1 椰子水与某运动饮料对比[7]Table 1 Coconut water vs.a sports drink mg/100 mL

根据联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization，FAO）数据显示，2014年（截止到2016年10月可以查询到的最新数据），中国的椰果年产量约28.04万t[9]。椰子水来源丰富，去衣椰果中的椰子水占其总重量的30%[10]，按照这个比例计算，中国的椰子水的年产量约为9万t。尽管目前已经有海南省某知名企业推出椰子水产品，但是仅仅上市一年多。大多数椰子加工厂在加工椰子时，除少量椰子水被利用作清凉饮料外，大部分作为废物被倒掉，这既造成环境污染，又造成资源的巨大浪费。椰子水由于含有丰富的营养物质和某些生长激素，又是微生物生长最适合的培养液，极易受微生物污染而变质，这会造成潜在的食品安全风险。2015年，巴西的研究团队采用电喷雾-傅立叶变换-离子回旋共振质谱（ESI-FT-ICRMS）关联常规的pH、总酸度、微生物、紫外-可见光谱（UV-vis）检测，跟踪监控了室温23℃下常温保存0～15天内，椰子水的物理化学品质的下降过程，研究表明3天后椰子水将不适合用于饮用[11]。此外，椰子水天然含有过氧化物酶和多酚氧化酶[12]，具有相对较高的热稳定性，并且造成储藏或冷藏过程中的椰子水褐变，颜色变黄褐色或者粉红色[13]，尽管粉红色椰子水使得产品更加吸引消费者，但是颜色的变化仍然表明了椰子水品质的下降[14-15]。目前市场上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造成产品颜色加深，加热造成风味物质挥发和破坏，影响椰子水清爽的口感[16-18]。表现出的主要问题为颜色略呈棕色，有一定的焦糖味，新鲜椰子水的清爽口感严重下降。因此，传统的热杀菌技术很难满足生产颜色和口感接近于新鲜椰子水的工业化椰子水饮料的要求。随着目前国内居民生活消费水平的持续提高，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、原味的饮料消费的发展趋势。

在众多现代食品工业技术中，非热杀菌的产品日渐受到食品科学家和大众消费者的关注。随着食品营养与健康、中西医医疗和养生知识借由电视、网络等媒体的普遍传播，对消费者而言，冷藏的、保质期短的食品饮料产品往往与新鲜、“零添加”、等健康概念相关联，“保质期短的（才是）健康的”概念已经在不知不觉中逐渐深入人心。例如，短保质期的冷藏巴氏杀菌奶对长保质期的常温奶的销售市场造成了冲击，上海某知名奶制品生产企业将低温陶瓷膜过滤牛奶以传统产品2倍～3倍的价格抢占了高端奶制品市场[19]；超市和便利店的冰箱内，低温冷藏的果汁深受白领人士的喜爱。2016年7月杭州某知名食品饮料企业推出了采用超高压冷杀菌技术加工的短保质期冷藏果蔬汁，并且可以让消费者通过网络在线个性化定制各种果蔬的比例，初步设定的价格约为常温果汁产品的8倍～10倍[20]。

现代的食品加工技术要求在保障食品安全的同时，最大限度地保留食品的色、香、味及其营养成分。然而，传统的食品热力杀菌方法已经远远不能够满足这种要求，例如，罐藏、热风干燥等技术的常温保藏食品的风味和口感远不如冷藏、速冻、冷冻干燥食品的风味和口感。

食品杀菌技术可分为热杀菌和非热杀菌[21]。热杀菌技术是食品工业普遍采用方法，根据采用温度又分为巴氏杀菌、低温杀菌、高温杀菌和超高温瞬时灭菌。非热杀菌包括物理杀菌和化学杀菌两种类型，本文所述的非热杀菌指物理非热杀菌。食品的非热杀菌是一类崭新的食品加工技术。尽管其杀菌灭酶的强度和最终效果没有传统的热处理强，但是，由于其处理过程中食品的温度不升高或升高的程度很低，因此非热杀菌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，例如，膜过滤除菌[22]、高压二氧化碳技术[6]、高能超声波技术[23]、辐照杀菌技术[14，24]、超高压处理技术[25]、超高压脉冲电场技术[26-27]、脉冲强光杀菌技术[28]、紫外线杀菌技术[29]等，是国内外食品科学研究者高度关注的研究热点。冷杀菌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，避免了传统食品加工中主要采用热杀菌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。

尽管市场上已经有成功的商业化常温保藏的椰子水产品，但是尚未有风味和营养保持更佳的非热杀菌杀、灭酶的椰子水产品的成熟工业化案例。椰子是海南省的重要农业作物之一，也是世界广大赤道地区的重要的经济作物。为掌握目前非热杀菌、灭酶技术在椰子水生产加工过程中的应用现状，本文综述了国内外学者的研究进展。

1 微滤膜技术

在膜孔径和膜材料选择适当的情况下，膜过滤（membrane filtration）技术可以除去水中病菌、病毒、热源、胶体、等有害物质，在食品工业中，已广泛应用于牛奶除菌或脱脂、啤酒和酱油除菌、果汁浓缩、黄酒纯化、白酒陈化、味精等氨基酸提纯、蔗糠脱色等生产中。上海某知名乳制品企业采用了低温膜过滤技术生产冷杀菌液态奶，替代了传统的超高温杀菌技术和巴氏杀菌技术。传统的热杀菌工艺一般需要采用60℃～ 155℃[30]不等的加热杀菌过程，在杀死有害细菌的同时，也大量地破坏了牛奶中众多的活性营养成分，尤其是热敏性的活性免疫球蛋白和乳铁蛋白及维生素等；而低温膜过滤工艺是在低温状态和一定的压力下，让鲜乳通过膜孔筛分原理来移除细菌，在保证安全的同时，尽可能多地保留了鲜奶中的营养成分。膜过滤杀菌奶（更准确的说是除菌奶）是膜分离技术在液体食品上的成功工业化案例，为该技术在其它类似的液体食品的杀菌保藏应用上，提供非常有价值的参考。但是，膜分离技术在椰子水的杀菌保藏上，尚未有工业化应用技术和成熟的产品出现，应该受到食品科学和工程领域的学者的进一步关注。

2005年，联合国粮食及农业组织（以下简称粮农组织）决定对其椰汁专利“椰汁低温灭菌的微过滤方法”[7]实行“被动世界性公共领域方式”政策，这意味着粮农组织椰汁生产程序的知识产权为免费提供。粮农组织提供了一个比较简单地生产稳定椰汁的工艺程序：采摘大约9个月的椰子，然后用水将椰子清洗干净，再用1%的漂白溶液消毒至少15 min。在将椰子切开后立刻用粗滤网过滤去除椰汁中的固体物质和微粒。然后将椰汁转移到无菌冷藏柜中降温至4℃～6℃，以避免在下一步加工过程中，因微生物发酵和酶反应造成的产品品质下降，甚至腐败。与葡萄酒和啤酒的酿造一样，添加聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）等（浓度10 g/100 L）澄清剂降低多酚和丹宁酸含量，并提高最终产品的稳定性。然后通过粗过滤去掉澄清剂，之后将椰汁放进高压储存罐。充入氮气使椰汁通过无菌微过滤进入无菌储存罐，并在无菌状况下装瓶。粮农组织资助开展的研究表明，质量良好的椰汁是清澈而无色的，pH值为5至5.4，糖度（Brix）在5～6.5之间。椰汁中所含微生物数量不应超过5 000 CFU/mL，大肠型细菌少于10 CFU/mL，而且不得检出粪大肠菌群。

Chaudhuri等[3，31-32]的研究团队近年来连续在国际期刊上发表了3篇采用微滤膜过滤技术处理嫩椰子水（tender coconut water）的工艺技术的文章，研究表明在添加了柠檬酸（0.02 g/100 mL）、抗坏血酸（0.18 g/ 100 mL）、半胱氨酸（0.009 g/100 mL）作为天然添加剂后，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，但是在冷藏过程中粪大肠杆菌未检出。然而，研究采用的膜过滤装置为死端过滤装置，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，以避免死端过滤方式造成的膜面严重污染。膜分离技术发展至今，已经很难见到死端过滤方式的膜技术被用于工程实际了，死端过滤方式一般仅用于实验室规模的研究。并且，工业化的微滤膜组件通常采用错流管式膜组件，当实验膜组件的膜面积达到0.2 m2～1 m2，所得到的数据才可以有效放大到几百m2的工业化生产设备上。因此，Chaudhuri团队的研究结果尽管为膜分离技术在椰子水保藏的应用上提供里有价值的参考，但是该研究仅属于实验室小规模，无法直接放大到实际的工业化过程中。

2 高压二氧化碳技术

二氧化碳是一种天然抗微生物剂，单独作用能抑制微生物生长，但不能杀死微生物，若与压力结合则能达到有效杀菌效果，因此，高压二氧化碳技术（high pressure carbon dioxide，HPCD），包括超临二氧化碳技术，已成为一种新型非热杀菌技术[21]。其机理目前尚不清楚，主要可能的机理为细胞内氧排除作用，细胞内溶物抽取效应和酸化作用理论或这些机理的协同效应。高压二氧化碳能够成为一种食品加工的非热杀菌技术主要是因为其独特的物理特性[16]：其黏度和扩散能力介于液体和气体之间，临界温度为31.1℃，在该温度下大部分食品原料是稳定的；临界压力为7.3 MPa，这一并不非常高的压力很容易在工业应用中实现。

2009年Damar等[33]，首次应用了二氧化碳技术处理椰子水，灭活微生物，以及评估椰子水处理后的物理化学特性和消费者的接受度。在这项研究中，通过加入苹果酸以降低pH至4.20来对椰子水进行酸化，加入蔗糖使糖浓度达到0.7%（质量分数），在4℃和0.18MPa下进行二氧化碳处理。结果表明，总好氧菌的减少超过5 Log（CFU/mL），尽管pH值降低并且糖浓度增加，但是产品的消费者接受程度非常好。

2015年，为保证椰子水的微生物稳定性，营养成分和口感风味，Cappelletti等[6]使用高压二氧化碳技术对椰子水进行巴氏杀菌。研究表明，在最优工艺参数为12 MPa、40℃、30 min下处理椰子水，常温细菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌（两者共计）均可以下降5 Log（CFU/mL），并且大肠菌群下降7 Log（CFU/mL）。HPCD杀菌椰子水的感官指标、理化指标、维生素和氨基酸指标相比于新鲜椰子水无显著差异。挥发性成分检测表明，HPCD杀菌使得椰子水减少了大部分的挥发性成分，但是热杀菌椰子水产生了明显的烤麦芽风味（更多的挥发性成分）。

3 紫外线照射技术

紫外线是100 nm～400 nm的不可见光，并且可以被分类为UV-A（320 nm～400 nm），UV-B（280 nm～320 nm），和UV-C（200 nm～280 nm）[34]。多酚氧化酶和过氧化物酶天然存在于椰子水中，一旦椰子水在加工过程中接触空气中的氧气，氧化反应就会使椰子水品质下降[15，35]。2015年Augusto等[15]评估了采用400 W的紫外灯，波长分布为250 nm～740 nm，峰值波长为400 nm和420 nm的紫外线照射技术失活椰子水中多酚氧化酶和过氧化物酶的技术。研究结果表明，酶失活与处理时间相关，并且可以用两步失活动力学描述，其失活机理可能是分子的折叠和聚集。过氧化物酶活力在处理15 min后下降到其初始酶活力的约5%，在处理30 min后下降到约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约8%和2%。尽管其灭酶的效果得到了证实，且表明紫外线灭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，且未进行感官评定。

对于微生物的杀菌处理一般采用UV-C[36]，2016年Gabriel等[32]研究了使用15 W、253.7 nm紫外线C（UV-C）处理湍流状态下pH 5.80、6.10 Brix的嫩椰子水的技术，并对比研究了选定的腐败菌和致病菌的失活率。接种的微生物显著的改变了椰子水的UV-C吸收率和透光率，吸光度从0.90（无量纲）上升到1.08（无量纲），透光率从12.74%下降到8.39%。实验测定了UV-C的灭活微生物的D值（微生物下降1 Log的时间s）和紫外线计量（微生物下降1 Log所需的紫外线能量mJ/cm2），结果表明，对于不同的腐败菌，D值为2.93 s～5.60 s，紫外线计量为7.63 mJ/cm2～14.56 mJ/cm2，变化差异显著。但是，对于致病菌，变化差异不显著，D值为3.19 s～3.76 s，紫外线计量为8.28 mJ/cm2～9.78 mJ/cm2。结果与之前小体积、静止状态下处理椰子水的结果相近，说明使椰子水处于湍流状态下进行紫外线处理并非必要。该研究仅检测了微生物指标而没有监测椰子水理化指标并进行感官评定，紫外线处理后椰子水的品质尚未有文献报道，因此，尽管Gabriel等的研究为进一步研究椰子水和其它类似的液体食品的紫外线处理技术提供了有价值参考，但是对紫外线应用于椰子水的工业化加工处理的技术，仍然有待于进一步的研究。

4 辐照杀菌技术

辐射可用于杀死或显著降低腐败菌和致病菌[37]，2011年Awua等[14]对比研究了采用121℃、20 mins杀菌锅灭菌和5 kGy伽玛射线处理椰子水的技术。结果表明，两种处理方法均对椰子水的颜色产生影响，处理后的颜色变苍白或者深黄色，并且浑浊度增加。实验并没有对微生物采用培养后平板计数的方式进行可靠监控，而采用测量浊度的方式间接反应微生物指标，因此对于微生物控制的研究的可靠性不能保证。

5 其它相关非热杀菌技术

商业化超高压杀菌技术使用的压力为100 MPa～800 MPa，处理时间为几毫秒到20分钟[38]，合适的压力和维压时间的组合可以有效降低营养菌微生物的数量。但是，细菌孢子和食品中的酶往往对HPP灭活作用具有固有的抵抗力，并且是该技术的主要应用限制，因此往往需要其它的栅栏因子和HPP联合作用[39-40]。2016年Yi等[41]研究对比了HPP和热杀菌的处理苹果混汁的品质变化。分别采用600 MPa、3 min的HPP和85℃、5 min的热杀菌处理苹果汁，结果表明：热处理后苹果汁的颜色显著高于HPP处理的产品，两种处理方式对糖和酸的含量都几乎没有影响。热处理后，多酚氧化酶和过氧化物酶的活力低于检测限，但是HPP处理后，两种酶的活力仍然还保留了处理之前的50%（下降了50%）。热处理后，GC-MS检测醛类、醇类、酮类和有机硫的含量显著高于HPP处理和未处理的苹果汁。总之，HPP处理的苹果汁的品质更接近未处理的原汁品质。尽管目前尚未有HPP处理椰子水的文献报道，但是根据其在苹果汁的加工应用推测，并且考虑到其在果汁加工领域的成功商业化[42-43]，HPP在处理加工椰子水的应用上前景很大，但是，其限制因素为HPP对多酚氧化酶和过氧化物酶活力的抑制作用有限，很可能需要结合一种有效抑制酶活力的技术进行协同，例如采用紫外线照射技术与HPP偶联。

2014年Agcam等[44]比较研究了脉冲电场（PEF）加工和巴氏热杀菌法加工对橙汁品质的影响，研究对比了储存在4℃下，180 d后，总酚浓度、对羟基苯甲酸、对羟基酸、黄酮醇，黄酮的前后变化。电场强度和热杀菌强度决定总酚浓度变化。PEF处理的橙汁样品的黄酮和酚酸的含量较热灭菌处理样品更稳定，PEF处理过的样品感官评分较热处理更高。2008年Riener等[45]研究表明，PEF处理苹果汁中的多酚氧化酶和过氧化物酶的活力分别下降了71%and 68%，说明尽管PEF对这两种酶活力的钝化作用较HPP的50%灭酶效果更强，但是较紫外线照射技术的90%以上灭酶效果相比，仍然相差甚远，也说明PEF和紫外线照射技术偶联处理椰子水的潜在应用前景。

6 结论和展望

与传统热杀菌相比，非热杀菌技术普遍能非常好的保持椰子水及其它果汁类食品的品质，但是对于椰子水品质的影响非常重要的过氧化物酶和多酚氧化酶，灭酶效果尚不理想。紫外线照射技术可以达到90%以上的灭酶效果，但是其单独应用于椰子水的加工研究并不全面，目前并没有考察杀菌效果。膜过滤技术在牛奶除菌上的成功工业化应用案例预示着其在椰子水保藏应用上的巨大前景，但是目前尚未有工业化规模的研究，并且缺乏膜过滤技术对于过氧化物酶和多酚氧化酶去除效果的研究，很可能需要与紫外线照射技术偶联来实现灭酶的目的。脉冲电场（PEF）和超高压杀菌（HPP）与紫外线照射技术灭酶偶联加工椰子水具有很大的应用前景，也是未来的研究方向。

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Advances in the Applications of Non-thermal Pasteurization on Coconut Water

LI Ming1，ZHAO He-fei2，3，CHEN Dong-mei1
（1.Sanya Aviation&Tourism College，Sanya 572000，Hainan，China；2.Sanya Yangyuming Bio-technical Co.，Ltd.，Sanya 572000，Hainan，China；3.Food Processing Center，Department of Food Science and Technology，University of Nebraska-Lincoln，Lincoln 68588，NE，United State of America）

Coconut water is a kind of natural functional drinks；however，the character of easy spoilage inhibits its perspective in food industry.Although thermal treatment is very effective，and currently there are mature industrialized products in the market，the inherent default of the flavor deterioration by thermal treatment cannot enable coconut water to maintain its original flavor.In order to investigate the application status of non-thermal pasteurization technology on coconut water，recently published articles were summarized.In addition，those non-thermal pasteurization technologies，which have yet to be applied to coconut water but are pertinent to beverage，were also investigated.Finally，suggestions were made for further research to increase our knowledge of the application of non-thermal pasteurization technology on this original tropical juice.

non-thermal pasteurization；coconut water；enzymes；microorganisms；food quality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.08.047

2016-10-24

三亚市科工信局院地合作项目（2015YD51）

李铭（1983—），男（汉），讲师，学士/在读研究生，研究方向：食品科学。