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物理方法在鲜切苹果保鲜中的应用研究进展

2018-04-24王智荣吕新刚郑力榕

食品科学 2018年7期
关键词:褐变气调杀菌

王智荣,杨 琦,吕新刚,*,郑力榕,高 慧

鲜切果蔬,又名半处理果蔬或轻度加工果蔬,是新鲜果蔬经分级、整理、清洗、切分、去心(核)、修整、保鲜、包装等程序处理后形成的快捷方便食品。相对于完整的新鲜果蔬,鲜切果蔬更易产生生理衰老、营养损失、组织变色、质地软化或木质化、风味下降、微生物侵染等问题,使其品质保持困难,大大缩短了这类产品的货架寿命,限制了鲜切果蔬加工业的发展[1-5]。近年来,国内外科研人员围绕如何保持鲜切苹果的品质及延长货架寿命等方面进行了大量研究,涉及物理、化学、生物等方法,其中物理方法因其安全性、便利性而受到广泛关注和认可。考虑到目前消费者对食品安全关注度的提升,本文对物理保鲜方法在鲜切苹果中的应用进行了综述,以期为其在本领域的深入发展及生产中的进一步应用提供借鉴。

物理保鲜方法是利用物理的技术手段达到保鲜的目的,其基本原理主要是通过调节温度、湿度、压力、气体成分等物理参数对果蔬产品进行作用,使之对环境反应迟缓,改变果蔬原来的生物规律,最终实现保鲜。

1 光电方法在鲜切苹果中的应用

1.1 紫外辐照

紫外(ultraviolet,UV)辐照杀菌是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构,造成生长性细胞死亡和/或再生性细胞死亡,达到杀菌消毒的效果,能有效避免或消除食品生产和制作过程中可能出现的严重交叉污染问题。用于鲜切苹果杀菌的紫外线波长在200~280 nm范围内,即短波紫外线(UV-C light,UV-C)区,UV-C波长短,能量高,杀菌效果好[5-8]。

UV辐照对鲜切苹果的杀菌保鲜效果取决于苹果品种、辐照剂量、辐照时间等。大多数报道认为适宜时间的低剂量UV辐照,能有效抑制鲜切苹果中霉菌、酵母菌等腐败菌的生长繁殖,维持较高水平的可滴定酸、抗坏血酸、还原糖和可溶性固形物含量,从而明显延长鲜切苹果的货架期[6-9](表1)。Manzocco等[7]的研究表明,这可能是因为UV辐照能促使鲜切苹果表面形成干燥的可食保护性薄膜,有利于抑制微生物的生长繁殖和阻止离子渗漏,并有助于消除存储期间的不良异味;但他们同时发现,高强度(大于1.2 kJ/m2)UV辐照会破坏鲜切苹果细胞生物膜的完整性,导致褐变和质量损失加剧。这和Gómez等[8]关于鲜切苹果的褐变随着辐照强度的增强和辐照时间的延长更严重的研究结果一致(表1),因此,应采用适宜的低强度辐照处理。此外,在UV辐照前,用适当浓度的柠檬酸或抗坏血酸浸渍鲜切苹果,其综合效果更好,尤其是在抑制褐变方面。例如,经过柠檬酸和UV联合处理的鲜切富士苹果,其各方面表现明显好于两者单独处理[10-11]。

UV穿透能力差,只能对表面进行消毒杀菌,对苹果切片背面和内部均无杀菌效果,对芽孢和孢子几乎没有作用[5],这些都限制了UV辐照的应用。鉴于此,寻求联合而非单一的UV辐照技术不失为一种可行的解决方案。

表1 光电方法在鲜切苹果保鲜中的应用Table 1 Applications of photoelectric methods in preservation of fresh-cut apples

1.2 脉冲光杀菌技术

脉冲光是一宽光谱白色闪光,谱带的分配与太阳光相似,但每一个脉冲闪光强度约是海平面处太阳光强度的20 000 倍。脉冲光中起杀菌作用的波段可能是紫外光,其他波段起协同作用。脉冲强光有一定的穿透性,当闪照时,脉冲强光作用使微生物蛋白质发生变性,从而使细胞失去生物活性,达到杀菌的目的[18]。

一般认为,脉冲光的杀菌保鲜效果和苹果品种、脉冲光强度、脉冲光处理时间等有关。脉冲光能有效杀灭鲜切苹果表面的微生物,有利于鲜切苹果的保存和货架期的延长(表1)。但Ignat等[12]研究指出,高强度的脉冲光对李斯特菌的作用不大;而且,随着脉冲强光强度的增强,鲜切苹果表面温度不断上升,导致褐变不断加深。通过光学显微镜观察,高强度的脉冲光使得切分后的苹果细胞失去了区域化功能,造成酶与底物的接触机会增多,导致苹果组织褐变加剧。显然,脉冲光的强度不宜过高。Gómez等[13]研究发现10 g/L的抗坏血酸和1 g/L的氯化钙混合液浸渍,结合71.6 J/cm2的脉冲光处理,鲜切苹果表面的褐变最小,微生物数量明显降低,但对切片的硬度和脆性没有显著影响。Moreira等[14]报道,脉冲光结合涂膜处理鲜切金冠苹果,能有效抑制嗜温菌、嗜冷菌、酵母菌和霉菌的生长繁殖,对鲜切苹果的抗氧化活性、质构和感官特性影响甚微。

然而,由于脉冲强光主要用于食品及包装材料表面杀菌,处理多层不透明包装鲜切苹果时,灭菌效果会受到一定程度的削弱,导致处理对象外部与中心杀菌效果不一致。此外,脉冲强光诱导的热效应是其杀菌机制之一,瞬时引起的局部温度升高可能会加速鲜切苹果组织水分蒸发以及一些酶促或非酶促劣变进程,对鲜切苹果的品质造成不利影响[18]。

1.3 高压脉冲电场及磁电辅助浸渍

高压脉冲电场处理是一种新型的非热食品处理技术,它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[19-20]。Shayanfar等[15]研究表明,高压脉冲电场处理能有效杀灭微生物,并在贮藏过程中有效控制微生物的生长繁殖,保持鲜切苹果的固有颜色。此外,高压脉冲电场所需能量低,温度上升幅度不大,对鲜切苹果的质构、营养风味等几乎没有影响,是一种理想的杀菌技术。

磁电辅助浸渍是将感应交变电场施加于浸渍溶液体系,并结合旋转磁场作用,即以交变电场力和交变磁场力共同作用促使菌体或离子发生大规模的迁徙运动,加速其在鲜切苹果组织中的渗透和扩散,以达到益生菌富集或离子强化的目的。杨哪等[16]研究表明,体系场强和磁场强度越高,越有利于菌体的扩散和渗透,其最适的电场频率和磁场频率分别为200 Hz和1 Hz。此外,磁电辅助浸渍还应用于钙离子强化,当施加到浸渍体系的电压为200 V、信号波形为脉冲波时,钙离子向苹果切片的渗透和扩散效果最为显著[17]。

2 高压技术在鲜切苹果中的应用

2.1 超高压技术

超高压处理就是将食品密封于弹性容器或置于无菌压力系统中,在高静压条件(一般100 MPa以上)下处理一段时间,从而抑制微生物的生长甚至杀死微生物,达到贮藏保鲜的目的。超高压处理可能引起微生物细胞形态和细胞壁、细胞膜结构的改变,进而破坏细胞正常的生化反应和遗传机制,细胞膜结构的改变很可能是超高压处理导致一些微生物死亡的主要原因[21]。

在20~30 ℃条件下,300~400 MPa处理鲜切果蔬5~15 min,即能有效杀灭果蔬中酵母和霉菌的营养细胞,但至少需要600 MPa的超高压处理10~15 min并结合60~90 ℃的热处理才能使这些孢子致死[22]。对于一些具有高传染能力的细菌如大肠杆菌和沙门氏菌,因其对酸敏感,故而采用相对较低的压力处理就能取得较好的杀菌效果。

超高压处理除了具有显著的杀菌效果外,还会影响多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)的活性。PPO被认为是导致鲜切苹果褐变的主要作用酶,超高压处理对PPO活性的抑制或激活会影响苹果切片的褐变程度。从现有的报道来看,200~500 MPa对PPO具有激活效应[23],而当压力超过500 MPa,则会抑制酶活性。如Weemaes等[24]研究发现,室温下,600 MPa处理会钝化PPO活性,且大致符合一级动力学反应。也有些研究得出了相反的或不同的结论(表2)。林怡等[25]研究表明,鲜切苹果片的色变符合零级动力学反应,当以400 MPa压力处理10 min时,可以显著减缓色变速率。此外,为进一步抑制褐变,很多学者开始探寻联合技术而非单一的超高压处理。如Vercammen等[26]将苹果切片浸于250 g/L酸化的葡萄糖溶液中,施以450 MPa的超高压处理,切片的货架期从不作处理的15 d延长到了90 d,且该处理对硬度几乎没有影响。Niranjala等[27]用体积分数为50%的菠萝汁浸渍高压处理鲜切苹果,也得到了类似的结果。

2.2 高压惰性气体处理

在一定压力和温度条件下,氩、氙、氮、氪等惰性气体能和水分子形成气体水合物,在气体水合物中,水分子作为主体通过氢键形成笼形结构,气体分子被包围在笼形结构中。果蔬中气体水合物的形成会降低鲜切苹果组织内水活度和酶分子的活性,抑制果蔬的代谢活动而达到保鲜的作用。加压处理后,惰性气体会进入鲜切果蔬组织内的微气孔中,取代果肉组织中氧分子等气体分子,在鲜切果蔬贮藏中起到后续保鲜的作用[28]。

吴志霜等[28-29]研究发现,高压氩气处理的鲜切苹果,其呼吸速率和乙烯生成量明显降低,褐变和微生物的生长繁殖也得到有效的控制,然而150 MPa[29]和25 MPa[28]处理对呼吸速率、乙烯生成量、总酚含量影响没有显著差别。在用惰性气体进行高压处理前,用一定浓度的抗坏血酸、柠檬酸和氯化钙的混合液浸渍切片适当时间,能有效改善高压处理引起的硬度下降等问题[29]。Wu Zhishuang等[30]用体积比为2∶9的氩气和氙气混合气体对鲜切苹果进行1.8 MPa高压处理,能促进鲜切苹果的创口愈合反应,提高酚类物质和木质素的积累,显著抑制大肠杆菌和酿酒酵母的生长繁殖(表2)。Tardelli等[37]的研究结果支持这一观点,苹果的PPO、POD和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)的生理活性亦几乎不受影响。

表2 高压技术在鲜切苹果保鲜中的应用Table 2 Applications of high-pressure technology in preservation of fresh-cut apples

表3 气调贮藏技术在鲜切苹果保鲜中的应用Table 3 Applications of modified atmosphere packaging in preservation of fresh-cut apples

3 气调贮藏技术在鲜切苹果中的应用

气调贮藏是通过调节和控制气体比例的方式来达到贮藏保鲜的目的,是目前国际上使用普遍使用的一种保鲜技术。对于鲜切果蔬,气调条件通常是通过采用自发气调包装实现的,对鲜切苹果的保鲜效果取决于苹果品种、温度、湿度和气体成分等,但最主要的影响因素是气体成分。绝大多数的报道认为,高浓度CO2和低浓度O2的气调贮藏能有效延长苹果的货架期,但过高浓度的CO2对苹果有伤害(表3)。例如,体积分数5% CO2+5% O2比体积分数35% CO2+5% O2的气体组成能更好地保持鲜切苹果的硬度和色泽[31]。姜爱丽等[32]指出气调能有效降低褐变程度和抑制腐烂发生,体积分数5% O2+10% CO2更有利于抑制腐烂,但体积分数5% O2+5% CO2更有利于控制褐变。气体成分对鲜切苹果品质影响还取决于所采用包装的性质。例如,高O2低CO2透过率包装能更好地保持鲜切苹果果香、口感、甜度和质构[33]。在体积分数90.5% N2+7.0% CO2+2.5% O2的初始气体成分下,中透O2比低透O2塑料包装抑制PPO活性的效果更好,进而显著延长鲜切苹果的货架期[34]。除对O2/CO2的调控之外,Ar也被用于气调组分的调控。体积分数80% Ar+20% CO2的气体配比能显著降低乙烯的生成量,并能诱导生成乙醛、乙醇、乙酸乙酯等物质,而对鲜切苹果的硬度、外观、风味几乎没有影响[35]。此外,苹果鲜切前的贮藏环境也影响其切片货架品质。Toivonen等[36]研究发现,从气调库移出并在低温大气环境下放置2 周的苹果,其切片在贮藏过程中颜色更稳定,二次褐变明显减弱。

4 温度调控在鲜切苹果中的应用

4.1 低温贮藏技术

低温贮藏就是利用低温技术将食品温度降低,并维持在低温状态。根据生物学反应的Q10理论,温度每降低10 ℃,代谢速率会下降2~3 倍。低温贮藏可以有效地抑制鲜切苹果表面微生物的生长和繁殖,钝化酶的生物活性,减弱鲜切苹果的呼吸作用,降低鲜切苹果内部化学反应的速率,有利于保持鲜切苹果的品质,是一种常用的保藏方法[5](表4)。Roversi等[38]研究发现,4 ℃条件下贮藏鲜切苹果30 d后,其水分含量仍高达85%。Fagundes等[39]指出,在11 d货架期内,贮藏温度为2、5、7 ℃的鲜切苹果都能保持较好品质,而贮藏温度为2 ℃的实验组呼吸速率和质量损失最低。魏敏等[40-41]报道认为,低温能有效抑制PPO、POD、PAL的活性,确定了鲜切富士和嘎啦苹果的最适贮藏温度为6 ℃。

4.2 热处理

热处理是指对果蔬在采后以高于果实成熟季节的温度(10~15 ℃)进行处理。热处理的目的在于杀灭微生物,抑制有害微生物的生长,破坏果蔬中的酶,钝化PPO、POD等活性,降低呼吸强度,抑制乙烯生成。热处理可以有效地控制鲜切果蔬在贮藏保鲜过程中的腐败变质,延长贮藏时间[42](表4)。范林林等[43]研究发现,50 ℃的热水处理2 min能更好地维持鲜切苹果的外观、风味和硬度,抑制微生物繁殖,具有很好的护色能力;而60 ℃和70 ℃热水处理的效果却低于未处理组,且显著低于50 ℃热水处理组。Aguayo等[44]研究发现,48 ℃和55 ℃热水处理2 min的实验组,不论是颜色、感官品质、微生物总数,还是抗氧化活性物质、酚类物质含量,都没有显著差异,显然,从降低能源消耗和减少高温对鲜切苹果的损伤等方面来看,48 ℃热水处理更好。

表4 温度调控在鲜切苹果保鲜中的应用Table 4 Applications of temperature control in preservation of fresh-cut apple

5 其他技术

5.1 减压冷藏技术

减压冷藏是在普通冷藏的基础上引入减压技术,并在冷藏期间保持恒定的低压、低温,是集真空冷却、气调贮藏、低温保存和减压技术于一体的食品贮藏方法[45]。胡欣等[46]研究表明,苹果切片经减压冷藏处理(1 417~1 503 Pa、3.1~4.5 ℃)比普通冷藏更能有效减缓切片表面的褐变。虽然减压冷藏具有冷却速率快、保存质量好、方便环保、延长货架寿命和没有危害物质产生等优点,但也存在高成本问题,另外容易导致食品失水,以及丧失原有的香气和风味[45](表5)。

表5 其他物理技术在鲜切苹果保鲜中的应用Table 5 Applications of other physical techniques in preservation of fresh-cut apples

5.2 超声波处理

超声波处理主要是利用高频高能量的超声波的空穴效应产生瞬间高温、高压,使某些细菌致死、病毒失活的过程。超声波能破坏一些体积较小的微生物细胞壁,导致微生物死亡,从而延长鲜切果蔬的货架期[5,49](表5)。杨明冠等[47]研究表明,超声波处理可以显著钝化PPO的活性,在一定的处理时间范围内,随超声功率的增大,酶活力迅速降低。但也有报道认为,超声波处理没有明显的抑制酶活力的能力[48]。

6 结 语

过去几十年,随着技术水平的提升以及对鲜切苹果货架期间生理生化变化的深入研究,物理方法通过杀菌、抑制褐变和软化等方面作用效应而表现出对鲜切苹果的良好保鲜效果,且明显表现出处理快速便捷、安全性高的技术优势。因而,物理技术在鲜切果蔬方面的应用具有良好的潜力和前景。目前产业应用方面,使用较多的仍是气调、低温贮藏和热处理等传统方法;而UV辐照、高压脉冲电场、超高压等技术也必将随着新型设备的开发而受到青睐。综上,未来应加强以下研究以推进物理技术的产业化应用:1)针对杀菌、抑制褐变和软化作用,着重研究各物理方法的典型作用机制、影响因素及处理条件,强化各方法的作用优势;2)对不同物理方法进行联合使用,研究协同作用条件及机制,实现优势互补;3)食品、机械、信息等方面背景研究人员开展协同研究,联合攻关。相信随着技术、设备的成熟及成本的降低,物理方法在鲜切果蔬保鲜方面必将发挥越来越大的作用。

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