浆果果汁加工工艺 及功效成分研究进展

封晓茹,侯亚男,张新雪,何茉荷,朱 月,孙爱东,甘芝霖,*

(1.北京林业大学生物科学与技术学院食品科学与工程系,北京 100083;2.北京林业大学林业食品加工与安全北京市重点实验室,北京 100083)

浆果是一类水分含量高、果肉呈浆状的水果[1],具有独特的风味及营养价值,目前市面上常见的浆果有蓝莓、桑葚、蔓越莓等。浆果中普遍富含花色苷、多酚、黄酮、维生素、矿物质等天然生理活性物质,具有清除自由基、调节代谢、延缓衰老、提高免疫力等功效作用[2-4],对预防和治疗疾病、促进机体健康有着重要的作用。表1列举了几种常见浆果富含的营养成分。

表1 浆果营养成分一览表Table 1 A list of nutritious ingredients in several kinds of berries

目前,浆果资源主要分布在北半球,且大多集中于山区、河谷等地。比如,在国外,树莓和黑莓主要分布在北半球的温带和寒带地区[17];蔓越莓主要生长在美国北部的马塞诸萨州、威斯康辛州、缅因州等气候相对寒冷的地区[18];而桑葚分布较广,即使在热带的中部和南美洲也能很好的适应环境[19]。我国幅员辽阔,气候多样,因而浆果资源十分丰富,如蓝莓分布在山东半岛、长白山区、大小兴安岭等地[5-6];黑果腺肋花楸在上世纪九十年代被引入我国辽西地区定植[20];树莓、黑莓等在我国以西南地区分布最为集中,而已经开发利用的品种集中在东北各地[17];桑葚在我国的种植历史悠久,分布遍及全国各省市,共有3000多个种质资源[13]。

浆果的鲜果果实过于柔软,是典型的加工型水果,一般在采摘期就对其进行加工,比如将其处理成浓缩果汁或原汁贮存,以供应进一步加工生产的需要[21]。目前,国内果汁行业正以平均每年20%的增长率成为食品工业发展最快的行业[22],浆果汁及其复合饮料市场份额不断增长,形成了新的果汁消费市场。近年来,国内各大果汁饮料厂开始重视浆果果汁的生产,如汇源集团与美国奥鲜倍公司合作生产蔓越莓果汁;北京金国都果汁厂与德国合作开发树莓果汁生产线。

现代社会,营养与健康越来越为人类所重视,浆果富含营养成分,食用价值和市场价值都很高,具有很大的开发潜力。因此,近些年来,浆果资源的功效作用及其深加工成为了研究热点。本文综述了浆果果汁主要加工工艺的研究进展,分析了不同加工工艺对浆果果汁品质的影响,在此基础上,阐述浆果的功效作用,从而为更好的开发浆果资源,增加其产业附加产值,并有效实现其综合利用提供理论依据和参考。

1 浆果果汁的加工工艺

1.1 工艺流程

与其他果蔬汁类似,浆果果汁主要分为澄清汁和混浊汁。澄清果汁采用澄清工艺将果汁中的悬浮物和易沉淀胶粒除去,外观清亮、透明,口感良好,粘度低且流动性好,便于贮存和运输[23]。混浊果汁在生产过程中不需要进行澄清,因而保有原果中的大量营养成分,具有更大的市场需求,但是易产生杂质沉淀[24]。基本工艺流程如下[25]:

1.2 加工工艺的研究进展

1.2.1 护色技术 浆果果实一般柔软多汁、果肉细腻,含有大量的花青素和多酚类物质。在加工过程中,花青素及多酚类物质不稳定、易降解,在多酚氧化酶的作用下产生褐变现象[26],影响果汁外观,造成原有色泽缺失、产品营养成分损失等问题。为消除由褐变对色泽产生的不利影响,护色技术的研究显得尤为重要。目前常用的护色方法主要有热处理和添加护色剂,通过抑制多酚氧化酶的活性达到护色目的。热处理包括沸水热烫、蒸汽热烫和微波热烫等[27],该方法不存在化学试剂残留的问题,但易造成浆果营养成分的损失,需严格控制处理时间和温度[26-27]。常用的护色剂包括抗坏血酸、柠檬酸、茶多酚、焦亚硫酸钠和L-半胱氨酸等[26,28],可以对果汁的色泽起到保护作用,但使用不当会对果汁的风味有不利的影响,因此需注意护色剂的选择和添加量等。除此之外,国内外研究发现一些天然产物提取物或活性成分也能起到良好的护色作用。Rein等[29]将阿魏酸,芥子酸和迷迭香酸分别加入到树莓、蔓越莓等果汁中,观察果汁在储存期间的颜色变化,发现酚酸的添加增强了储藏期间果汁中的花青素颜色强度及稳定性,从而起到保护和稳定果汁色泽的作用。Roidoung等[30]发现在维生素C强化后的蔓越莓果汁中添加没食子酸,可以有效减缓花色苷的降解,达到护色目的,而且没食子酸价格低廉,还能在果汁中诱导产生无热量的甜味。还有研究表明[31],将没食子酸与石榴皮提取物、樱桃茎提取物和绿茶提取物同时加入到酸樱桃浓缩汁中,同样减少了果汁中花色苷的降解,从而延缓果汁色泽褪变的同时还降低了浊度。以上天然物质的使用更加安全、环保,但其辅色机理,以及与传统护色技术的结合等问题仍需进一步探索与研究。

1.2.2 破碎榨汁技术 该步骤是生产浆果果汁非常重要的加工环节。采用合理的榨汁技术可以有效提高果汁出汁率、保留更多的营养成分、减少原料的浪费,从而提升生产效率和产品质量。工业生产中,浆果的破碎榨汁通常采用机械方法,比如直接压榨破碎再榨汁,这种方法的出汁率及可溶性固形物含量比较高,操作简便[32]。但是,浆果果胶含量较高,经破碎得到的果浆较为粘稠,自流汁较少,存在榨汁困难等问题。现有研究表明,利用酶解辅助榨汁以得到出汁率高、渣滓少的果汁[33]。该技术通过酶制剂的添加破坏浆果果浆内部细胞结构,从而提高原料浸出率。房子舒等[33]向蓝莓果浆添加果胶酶,发现出汁率随着酶浓度及酶解时间的增加而不断升高,由未处理组的67%升到80%以上。姚丽敏等[34]预先对红树莓加热软化30 min,然后在40 ℃下添加0.024%的果胶酶,酶解90 min,结果发现红树莓果实出汁率可提高49.82%。Heffels等[35]分别使用六种具有多聚半乳糖醛酸酶活性、果胶裂解酶活性及纤维素酶活性的商业酶制剂对蓝莓进行处理,结果表明较低酶剂量(0.5 nkat/g)对果汁产量几乎无影响,而较高酶剂量(10 nkat/g)均可以使果汁出汁率提高10%以上,且不同种类酶制剂的效果会有一定的差别。在未来,酶解技术中酶制剂的选择、使用条件以及与传统加工工序的结合是需要加强研究的方向。

1.2.3 澄清技术 浆果果汁加工过程中,果肉纤维、果胶及酚类物质极易引起沉淀和混浊,影响果汁的外观和品质[36]。澄清工艺可以去除果汁中全部悬浮物、果肉微粒、胶体物质及其他沉淀物,从而解决上述问题。此外,澄清汁具有良好的外观及贮藏稳定性,在市场上更受欢迎。因此,澄清工艺的改进和研究就显得尤为重要。果汁澄清一般有加入澄清剂法、酶解法、超滤法等。目前常用的果汁澄清剂主要有明胶、硅藻土、膨润土、PVPP(聚乙烯聚吡咯烷酮)等[37],以上物质通过与果汁中的多酚及蛋白质非特异性结合形成胶体絮凝物来发挥作用,但通常反应缓慢且处理不当会造成一定的危害[38]。酶解法是一种更为安全有效的澄清方法。Ghosh等[39]通过响应面优化设计,得到黑莓果汁中使用果胶酶进行澄清的最优工艺是,浓度为0.09%(w/v),温度为33.58 ℃,反应时间75 min,在此条件下,果汁粘稠度和浊度均显著下降(p<0.001)。针对引起果汁混浊的物质并不是单一酶制剂,越来越多研究开始关注不同酶制剂的组合及其协同作用。Wang等[40]使用含有果胶酶、纤维素酶及花青素酶的商业联合酶制剂对黑莓果汁进行处理,选择透光率和浊度来评判果汁澄清度,结果显示经酶制剂处理的果汁与未经处理的果汁相比,澄清度大大提高,且花青素、多酚等生物活性物质成分含量显著提升(p<0.05)。超滤技术可以利用超滤膜去除果汁中的果胶、纤维素、蛋白质、细菌等来达到澄清果汁的目的。实验表明[41],超滤技术不仅可以去除原汁中的悬浮固体,还能保留果汁中的营养成分,但该技术在浆果果汁生产中鲜有应用,在未来具有一定的发展潜力。

不同杀菌方式对浆果汁的香气和风味也有一定的影响。近年来,国内外学者采用感官评价、固相微萃取-气相色谱-质谱(SPME-GC-MS)、仿生学(电子鼻、电子舌等)等技术,结合雷达图、主成分分析等方法对浆果汁的香气及滋味进行了分析。表2列举了常见浆果原汁的主要香味物质,可以看出,酯类、醇类、醛类等是组成浆果汁香味的主要物质,根据浆果种类的不同,其香味组成亦有所差异。研究发现,巴氏杀菌、超高温瞬时杀菌等常用的热处理方式会造成浆果汁中酯类等物质的降解,从而导致气味显著减弱并伴有不良气味的产生,且原果汁具有的滋味也受到了一定的破坏[54,56,58]。相比与热处理,超高压[56]、超声波[59]、微波[58]、高压脉冲电场[51]等非热技术可以更好的保持浆果汁原有的风味,其香气组成和滋味都更接近于原汁。

如上所述,尽管已有关于超高压、脉冲电场等非热加工技术对浆果果汁中腐败微生物和病原微生物杀灭效果的研究,但关键工艺和实验条件等不一致会导致实验结果存在差异,因此需要大量可靠数据的积累,才能据此针对不同技术设计可行有效的非热杀菌工艺,最终实现其在浆果果汁加工中的商业化应用。

2 浆果果汁生物活性成分及功效作用研究进展

2.1 生物活性成分

花青素,是一种水溶性色素,属于酚类化合物中的类黄酮类,具有抗炎、抗氧化、抗癌、改善视力等功效作用[1],在体内的生物利用度较高,且作用持久[60],被广泛应用于保健食品、医药、化妆品等领域。研究表明,浆果果汁中含有较高水平和结构多样的花青素,是其中主要的生物活性成分[61]。科研人员在蓝莓汁中检测出多达27种花青素,总含量高达1000 mg/100 g,并在蓝莓汁具有的多项功效作用中起到积极和重要作用[62];Tomas等[63]发现,桑葚汁可以保留鲜果中60%～70%的花青素,并主要以矢车菊素-3-葡萄糖苷和矢车菊素-3-芸香糖苷两种形式存在;而在花楸汁中,花青素主要有矢车菊素-3-半乳糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-阿拉伯糖苷、矢车菊素-3-木糖苷等[48]。

多酚,属植物的次生代谢产物,主要包括酚酸类、黄酮类和花色苷类等。多酚的种类复杂,功效多样,一般具有抗氧化、抗炎、缓解心血管疾病等作用[64]。研究表明,相比于其他果汁和果汁饮料,浆果果汁是很好的多酚来源,且颜色越深,其酚类物质含量较高,比如黑色树莓中的总酚含量就远远超过红色树莓[61]。不同种类浆果的多酚种类亦有差别,比如蓝莓汁中的多酚主要是芪类化合物、单宁、类黄酮、黄酮等[62];蔓越莓汁中的多酚主要以酚酸类物质,如原儿茶酸、香草酸、水杨酸等形式存在[65];桑葚汁中富含花色苷、咖啡酸、奎宁酸等多酚类物质[63];黑莓汁中的多酚主要有原花青素、黄酮,水杨酸,鞣花酸等[66]。不同的多酚组成造成浆果汁功效作用存在一定差异,如蓝莓、花楸等的果汁抗氧化能力相对较强,蔓越莓汁则具有更显著的抑菌作用[65]。

黄酮,在果蔬中常以黄酮糖苷的形式存在。黄酮类物质可预防心脑血管疾病、改善血液循环、延缓衰老、预防癌症,对人体的健康和疾病的预防都具有重要意义[1]。浆果果汁中的黄酮类物质主要有槲皮素和杨梅素两大类[61],比如花楸汁中主要含有槲皮素-3-芸香糖苷、槲皮素-3-半乳糖苷等[48];蓝莓汁中的黄酮主要以多种槲皮素苷(槲皮素-3-半乳糖苷,槲皮素-3-葡萄糖苷,槲皮素-3-芸香糖苷)和杨梅素苷(杨梅素-3-葡萄糖苷,杨梅素-3-鼠李糖苷)的形式存在。

其他物质。除了花青素、多酚和黄酮,浆果果汁中还富含有机酸、纤维素、维生素和矿物质等[61-62,66]。

目前,有关浆果果汁中生物活性成分含量的检测报道较多,但其在加工过程中和贮藏期间发生的构效变化及机制有待深入研究,不同成分互相之间存在的关系和产生的影响还需进一步验证。

2.2 功效作用

浆果果汁具有多种功效作用,如抑菌、抗炎、抗氧化、降血糖、降血脂等。梳理近年来的国内外研究进展,可以发现对浆果果汁的功效评价主要从体外实验、动物实验和人体实验等三个层面进行研究和验证。

抑菌性。浆果汁中富含花青素、多酚、黄酮等物质,可有效抑制细菌的繁殖。Yang等[66]在肉汤、脱脂牛奶和全脂牛奶中分别接种了李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌等三种致病菌,然后按总体积的10%加入黑莓汁,结果显示上述致病菌的菌落数被降低了1～3个对数值,而体系中的益生菌,比如乳酸菌的菌落数则上升了1～4个对数值,说明黑莓汁可以作为天然抗菌剂和益生菌的促生长因子被应用于食品中。Huttunen等[67]的研究表明蔓越莓汁(可溶性固形物含量达到8.7 mg/g时作用最显著)可以明显抑制肺炎链球菌间的粘附现象,从而预防肺炎、脑膜炎、中耳炎等炎症疾病的发生。

抗病毒。Joshi等[68]发现鲜榨蓝莓汁及其含有的B型原花青素可有效抑制肠道病毒的增殖,在预防和治疗肠道疾病方面具备一定的潜力。从1966年开始,科研人员就针对蔓越莓汁对泌尿系统的影响进行临床研究,后续有大量的学者使用蔓越莓汁对无尿路感染患者进行随机双盲实验或对老年患者进行非盲交叉实验,实验结果均显示蔓越莓汁对尿路感染有一定的预防作用,主要起作用的生物活性物质是原花青素[69]。但是,由于浆果汁中成分复杂,对于其抑菌、抗病毒的作用机制尚不完全明确,仍需后续的实验进行进一步研究。

抗氧化、抗衰老。浆果汁中富含多酚、黄酮等成分,可有效清除自由基,达到抗氧化、延缓机体衰老的目的。邓秀婷等[70]向小鼠连续40 d灌胃桑葚提取液后,对小鼠血清及肝脏中超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等的含量进行测定,结果显示,鲜榨桑葚汁可显著提高血清和肝脏中SOD、GSH-Px活性,并降低MDA含量,从而具有一定的抗氧化和延缓衰老的作用。Kardum等[71]招募了29名25～49岁健康女性作为受试者,让她们每天饮用100 mL富含多酚的花楸汁,连续12周对受试者的常规理化指标、硫代巴比妥酸反应性物质水平、总抗氧化能力、总氧化状态等进行检测和观察,结果表明持续饮用12周花楸汁可以通过抗氧化作用达到预防肥胖的效果。Savikin等[72]挑选了29名年龄在25～48岁、皮下脂肪团等级为2(桔皮状脂肪粒自发分层于皮下组织,且清晰可见)、经期正常的成年女性作为受试者,在每顿餐前让她们饮用100 mL花楸汁,持续90 d后,通过超声测量受试人的表皮、皮肤和皮下厚度等结构参数,总胆固醇、甘油三酯等生化指标以及体重、全身脂肪等的测定,发现皮下脂肪团体积明显减小、水肿现象有效缓解、皮肤状态显著改观,这很可能得益于花楸汁中含量较高的花青素等成分。

预防心血管疾病。心血管疾病包括高血压、高血脂、高血糖等所导致的心脏、大脑及全身组织发生的缺血性或出血性疾病,是一种严重威胁人类得常见疾病,具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。Olas[3]对前人的研究进行归纳总结,认为浆果普遍具有抗血小板凝聚的作用,从而能一定程度上预防和治疗心血管疾病。Olas所在课题组[73]在体外将花楸汁与健康的人血清混合孵育,结果发现血小板活性显著降低、其凝集现象得到有效抑制。Azofeifa等[74]在由链脲佐菌素诱导产生的大鼠II型糖尿病模型中,让大鼠连续40天口服一定浓度(12.5%和25%)的黑莓汁,生化指标检测结果显示,较高浓度的黑莓汁(25%)可显著降低血清中甘油三酯和胆固醇水平,从而对糖尿病及其并发症的治疗有积极的影响。人体实验亦证明,服用花楸汁对高血压患者的血压水平、血清脂质等有积极的影响[75-76],可以在血压异常者的膳食中补充一定量的浆果汁对高血压起到预防和缓解的效果。

抗癌、抑制肿瘤。浆果汁中的花青素、鞣花酸等物质对预防和治疗癌症有着积极作用。Boivin[77]等选取了包括蓝莓、树莓、黑莓、蔓越莓在内的13种浆果汁为研究对象,分别用这13种浆果汁对胃腺癌、乳腺癌、前列腺癌、结肠直肠腺癌等细胞进行处理,结果发现大多数浆果汁对上述癌细胞的增殖均有一定的抑制作用,其中,树莓、蓝莓、蔓越莓等的效果更佳,其作用机理主要是通过下调cdk4、cdk6等蛋白的水平引起细胞周期阻值导致细胞死亡。álvarez-González等[78]研究发现,让小鼠连续四周口服蓝莓汁,可以有效缓解由氧化甲烷诱导产生的异常隐窝和氧化损伤现象,说明蓝莓汁对直肠癌、结肠癌等具有预防和治疗的潜力。Duthied等[79]招募了20名18～40岁的健康女性作为受试者。受试者被随机分配到治疗组或安慰剂组,治疗组每天饮用750 mL(3×250 mL)的蔓越莓汁,安慰剂组给予安慰剂饮料(即草莓味矿泉水+蔗糖)。持续2周后,测定血液和尿液中的各项指标,结果显示蔓越莓汁可以通过清除体内自由基对癌症起到预防作用。

其它保健作用。浆果汁还具有保护视力、延缓记忆力衰退等功效作用。研究表明[80],黑莓果汁中的多酚类物质对AlCl3和NaF诱导引起的脑部氧化应激和神经病症有保护作用。蓝莓汁中富含的花青素可活化和促进视网膜细胞中视紫质再生,有助于预防眼睛疾病,增进视力[6]。黑果腺肋花楸果汁中含有大量花色苷,可以起到抗辐射的效果[81]。

3 展望

综上所述,浆果具有很高的营养价值和经济价值,且风味独特、外观诱人,深受人们的青睐。但浆果水分含量较高,易发生腐烂变质而难以贮藏保鲜。上文提到,我国浆果资源丰富,亟待通过合理的加工手段和技术提高其产业附加产值。将浆果加工成果汁,不仅解决了不耐储藏和运输困难等问题,还很大程度上保持了浆果原有的口感、风味和营养成分,是一种有效的深加工手段。浆果汁加工过程中,要重点开发以超高压、脉冲电场、超声波、等离子体等为代表的新型非热食品加工技术和装备,通过操作参数与菌落总数、酶活及生物活性物质构效变化等的相关性研究,优化工艺条件,与此同时,通过护色、澄清、均质等关键工艺的改进解决褐变、功效成分降解、风味劣变等加工过程中存在的问题,最大程度保持浆果汁原有品质和风味,从而生产出更加安全、富含营养、货架期长、口感美味的果汁产品。目前在浆果汁生理活性的研究中,无论体外实验、动物实验还是人体实验,都主要侧重于某些特定功效的验证,而其作用机理、生物利用度、代谢途径尚不清楚,亟需在分子层面进行阐述。