加工条件对橙汁香气物质的影响

成传香，王鹏旭，马亚琴,2*，张震，贾蒙

1(西南大学，柑桔研究所，重庆，400712) 2(西南大学 食品科学学院，重庆，400712)

橙汁销量在全球果汁销量中最高，2017—2018年度全球橙汁产量达170万吨(65Brix)，其销量占到全球果汁销量的46%。2017—2018年度中国生产橙汁4.4万t，进口橙汁5.5万t[1]。橙汁由于其独特的风味、颜色以及营养成分深受消费者的喜爱，风味是影响果实品质最重要的特性之一，也是自然食品或加工产品最显著的质量参数[2]。橙汁的风味很大程度上取决于其挥发性成分，鲜榨橙汁中有200多种挥发性物质，主要为醛类、酯类、醇类、酮类和萜烯类[3]，这些香气物质赋予了橙汁柑橘味、甜香和花香。

橙汁香气是橙汁品质重要指标之一，橙汁中挥发性物质种类繁多，仅少部分具有香气特性，称为香气活性物质。通常利用气相色谱—质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)和气相色谱火焰离子化检测器(gas chromatography-flame ionization detector，GC-FID)确定橙汁中的挥发性物质，气相色谱—嗅辨仪(gas chromatography-olfactometry，GC-O)检测橙汁中的香气活性物质。含量高的香气物质其香气强度不一定高，采用香气值(odor activity value，OAV)，即香气浓度与香气阈值的比值来判断香气强度，香气值大于1的香气物质对风味才有贡献，香气值越大，对风味贡献越大。一般情况下，GC-O的检测结果与OAV值具有一致性[4]。顶空固相微萃取结合气相色谱—质谱联用技术是提取检测橙汁香气物质所使用的关键技术，搅拌棒固相微萃取同样适用于橙汁香气物质的提取[5]。

本文概述了橙汁加工过程中工艺类型和杀菌方式对香气物质的影响，寻求最大限度保持橙汁原有风味的加工橙汁产品，为有效提高橙汁产品质量提供理论依据。

1 柑橘原料特性

柑橘在植物学分类上属芸香科植物，常见的柑橘果实有柑、橘、橙、柚、柠檬等。柑橘果品的品质参数包括内在品质、风味品质、商品品质和加工品质等。内在品质是影响柑橘加工适应性的重要指标，由于甜橙具有出汁率高、糖酸含量高、风味浓郁、种子少、较少或无后苦味现象等特性适合加工制汁。

柑橘不同品种果实香气差异显著[6-7](见表1)，单萜烯是柑橘果实香气物质的重要组分，其中柠檬烯含量最高，其次为α-蒎烯、月桂烯和γ-松油烯，桧烯只在甜橙中检测到，柚子中的月桂烯显著高于其他品种；芳樟醇是柑橘果实中最主要的单萜烯衍生物，宽皮柑橘中香茅醇、紫苏醛、乙酸香茅酯的含量显著高于其他种类，橙花醛和香叶醛在柠檬中的含量显著高于其他种类；倍半萜烯和倍半萜烯衍生物是区分不同种类柑橘果实香气品质的重要香气组分，甜橙和柚子中巴伦西亚橘烯含量显著高于其他种类。甜橙品种香气也不完全一致，柳橙和塔罗科血橙的特征香气物质为丁酸甲酯，且香气强度要高于赣南脐橙和夏橙[8]。Naveline橙和赣南脐橙特征香气物质是含量较高的反-2-己烯醇，夏橙特征香气物质为月桂烯，卡拉布富斯奥伐来橙则为月桂烯和芳樟醇[9]。

表1 不同柑橘品种果实主要香气物质及特征香气物质Table 1 Main aroma substances and characteristic aroma substances of different citrus fruits

橙汁加工用果实的品质参数包括大小与形状、色泽、新鲜度、糖酸比、可溶性固形物、出汁率、风味以及营养物质含量等，重庆产地的长叶橙和锦橙以及广西的蜜奈和奥林达都是适合制汁的优良品种。

2 加工工艺对橙汁香气物质的影响

不同类型的橙汁产品加工单元操作主要有榨取、精制、脱气、杀菌、蒸发浓缩和还原等。机械压榨过程中，皮油会混入到果汁中，皮油中的挥发性成分与果汁相比差异显著，榨汁机的类型以及压力大小均会影响果汁中的皮油含量，从而影响橙汁整体风味。精制是利用高压将橙汁中的杂质细胞、细胞壁物质、胚胎种子以及果肉等固体颗粒分离出去，果肉中的挥发性成分主要是非极性的烃类物质，而极性的氧化挥发性物质大部分存在于浆液中。果肉中已检测到33种香气活性物质，其中22种为甜橙果肉的特征香气物质[10]。将果肉添加到果肉含量较低的橙汁中，可以增加橙汁怡人、酸甜的口感。脱气工艺只存在于未经浓缩的橙汁，脱气过程中橙汁水分以及香气物质均会随空气排出，香气物质含量相应减少。杀菌包括热杀菌和非热杀菌，均能有效杀灭腐败微生物、钝化酶活性，从而稳定橙汁质量，延长货架期。蒸发浓缩是指橙汁在高温、真空条件下，短时间脱水得到浓缩橙汁，但同时会造成挥发性物质严重损失，浓缩橙汁稀释还原成为浓缩还原橙汁。

基于加工工艺的不同，现有橙汁产品主要分为三类(见表2)：冷冻浓缩橙汁(frozen concentrated orange juice， FCOJ)、浓缩还原橙汁(reconstituted from concentrate，RFC)和非浓缩还原橙汁(not from concentrate，NFC)。世界橙汁的主流产品是传统的冷冻浓缩橙汁和新兴的非浓缩还原橙汁。NFC正在稳步发展，2009年增速为25.6%，2015年达28.9%。中国年产NFC橙汁3万t左右，美国NFC橙汁消费量占橙汁市场50%以上[1]。

表2 不同产品类型橙汁加工单元操作Table 2 Orange juice processing unit operation for different product types

注：√表示橙汁产品包含加工操作。

加工单元操作直接决定了橙汁生产类型。冷冻浓缩橙汁工艺是效益最高的橙汁加工工艺，其销量也是最高的。在FCOJ橙汁的整个工艺过程中，大部分挥发性物质在香气强度上呈现降低趋势。橙汁经过高温蒸发处理，挥发性香气物质的种类和含量明显降低，NFC橙汁中香气成分总含量为464.932 μg/mL，而RFC橙汁中香气成分总含量则低至2.107 μg/mL[11]，众多挥发性物质的损失会导致橙汁天然、特性的品质降低。具有香气活性的丁酸乙酯、月桂烯、芳樟醇、β-蒎烯、正辛醇、α-松油醇、癸醛、紫苏醛、长叶烯和香茅醇等挥发性物质对橙汁香气做出重要贡献[12]，这些香气物质含量在浓缩步骤降低意味着橙汁香气的巨大损失，其中茨烯、香橙烯、巴伦西亚橘烯这3种物质在浓缩后均不能检出，并且在浓缩还原汁中能检测出的醇类物质只有芳樟醇、α-松油醇、4-松油醇和cis-香芹醇这4种[11]。增香操作后，柠檬烯、α-松油醇、橙花醇、芳樟醇和癸醛这些典型香气物质增加了橙汁的香气强度，但混合后的橙汁中香气物质的种类和气味强度远不及原橙汁。

非浓缩还原橙汁工业化生产以巴氏杀菌工艺为主，其中橙汁中的香气物质在脱气单元会随着空气排出，从而造成香气损失严重。MASTELLO等[13]利用多维气相色谱确定巴氏杀菌橙汁中的香气活性成分，明确证实了己醛对橙汁香气是一种很重要的挥发性物质；由于辛醛主要存在于皮油当中，工业生产榨汁过程皮油会混入果汁当中，从而影响橙汁风味；芳樟醇作为橙汁中香气强度最大的醇类，拥有明显的花香和甜香，并且也主要存在于皮油当中，所以加工橙汁中的含量(0.020 mg/L)要高于新鲜手榨橙汁(0.004 mg/L)[14]；丁酸乙酯是香气强度最高的酯类，对柑桔加工制品风味贡献显著，加工橙汁中的丁酸乙酯以及总酯含量要比鲜榨橙汁含量低，所以丁酸乙酯和乙酸乙酯的含量多寡可以区分NFC、RFC和鲜榨橙汁[15]。柠檬烯是橙汁中含量最高的烯烃，也主要存在于皮油中，导致加工橙汁中的含量要远高于新鲜手榨橙汁。尽管柠檬烯含量高，但阈值较高，导致其对橙汁风味影响较小。柠檬烯由于其不饱和特性，经热加工处理结构容易发生改变产生新的物质，比如降低橙汁风味品质的香芹酮[16]。香芹酮是柠檬烯氧化产生的异味酮类，当香芹酮含量达0.5 mg/L以上，橙汁便有特征香气，利用GC-O技术将气味描述为香菜和薄荷味。由于香芹酮在热加工后含量升高，可以作为橙汁货架期的一个参考[17]。α-松油醇是柠檬烯的降解产物，含量超过 2×10-6g/mL，即给人以不愉快风味。α-松油醇作为橙汁中最重要的异味挥发性物质之一[18]，赋予橙汁生锈味、霉味和松树味。GC-O研究表明，α-松油醇的香气活性很低，通常被认为是橙汁过度加热的标识[19]。

采用3种不同的动态和静态顶空进样技术，发现RFC橙汁中存在较少能够赋予橙汁新鲜果香味的香气物质[20]。RFC橙汁相较于鲜榨橙汁拥有更少的挥发性香气物质，鲜榨橙汁中醛类物质含量是RFC橙汁中的11～53倍。RFC橙汁要比NFC橙汁多经历一个高温加热过程，即蒸发浓缩单元，挥发性物质总含量要低于NFC橙汁，并且还原操作不能恢复所有挥发性物质的种类和含量。在橙汁的感官评价实验中，RFC橙汁香气被专业的感官评价员描述为热带水果味、过度加热味和霉味，甚至不被认定为橙汁，但新鲜手榨橙汁完全没有类似评价[21]。

农村土地确权遇到阻碍的主要原因是农村社会没有建立完善的保障体系。国内的农村人口是庞大的，政府在进行农村保障体系建设时，将资金过多地投在农村养老保险方面，忽视了其他方面的基金投入，但是像医疗方面的巨大需求是不容忽视的，农村保障体系建设处于不平衡状态，这方面的工作进展一直不够理想[11]。要想让农村土地确权的推行更加顺利，就要对社会保障体系进行完善。

加工单元操作也影响橙汁香气成分的种类和含量[22]，分别从手榨、精滤、杀菌和还原4个单元操作选取血橙汁，采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术检测发现精滤操作处理后得到的橙汁香气成分最多，可高达55种，其次是杀菌和手榨依次为51和47种，还原操作处理后仅检出14种，测得香气总含量与种类多寡的趋势一致，分别为1 436.16、1 194.25、 459.21、118.72 mg/kg。其中机械榨汁有利于提升丁酸乙酯、辛醛、芳樟醇和癸醛几种香气物质，手工榨汁有利于保留柠檬烯和芳樟醇2种香气物质。榨汁工艺能显著影响甚至改变橙汁的香气，辛醛和橙香醛这些具有橙香气味的香气物质含量增加一倍以上[23]。手榨汁、手榨巴氏杀菌汁与工业巴氏杀菌汁相比含有更多的挥发性香气物质，并且压榨和精滤对橙汁风味品质影响显著[24]。而在浓缩还原橙汁加工过程中，浓缩还原对香气物质影响最大，烃类和醇类含量相较于精滤后橙汁分别降低3.85%和1.16%[25]，通过在实验室模拟浓缩橙汁生产线加工工艺，发现工厂线压榨、精制的挥发性物质种类高于实验室线，灭菌和浓缩低于实验室线，然而工厂线压榨、精制和灭菌的总挥发性物质含量则为实验室含量的30%～50%[26]。TONDER等[27]利用香气值估测和GC气味分析比较了鲜榨橙汁和浓缩还原橙汁，鲜榨橙汁中丁酸乙酯、柠檬烯、芳樟醇、辛醛和β-蒎烯含量明显高于浓缩还原橙汁，2种方法能够有效区分橙汁类型。李子晓[28]首次采用质子转移反应质谱检测橙汁中的挥发性成分，有效区分血橙、锦橙、红桔和脐橙4种橙汁，并建立了判别未知橙汁类型的函数模型，可以有效区分不同加工类型的橙汁。SCHMUTZER等[29]创造了1种新的评估橙汁及橙汁饮料质量的方法，即风味质量指数，该指数是倍半萜烯总含量和去除柠檬烯含量的烯烃类物质的总含量的比值。指数小于40%则为低品质，并且若醇类物质总含量超过1 000 μg/L或酮类物质总含量超过200 μg/L则判断该橙汁为低品质。结果显示，鲜榨和非浓缩还原橙汁都属于高品质橙汁，浓缩还原橙汁则为低品质橙汁。

甜橙品种、工艺类型和杀菌方式都对橙汁香气物质产生影响，综合考虑：非浓缩还原橙汁(NFC)在风味香气方面与鲜榨橙汁最为接近[30]，品质明显优于浓缩还原橙汁(RFC)。非浓缩还原橙汁工业生产大多数采用巴氏杀菌工艺，热杀菌对橙汁香气物质影响大于非热杀菌，已有研究表明非热杀菌技术能有效提升橙汁品质。

3 杀菌方式对橙汁风味物质的影响

3.1 热杀菌

热杀菌是目前使用最广泛的杀菌技术，包括超高温瞬时杀菌(125～150 ℃、2～8 s)、高温短时杀菌(121 ℃、15～16 s)和巴氏杀菌(75～90 ℃、15～20 min)。高温处理能够有效杀灭橙汁中微生物、钝化酶活性，从而达到稳定橙汁质量、延长保质期的效果。但热处理也会给橙汁品质带来负面影响，例如风味以及香气物质的损失、VC的降解和产品变色等。

橙汁高温加热时会产生一系列复杂的化学反应，橙汁中的有效成分如糖、氨基酸、脂质、酚类物质、VC和含硫物质等均有可能参与。橙汁风味由于原有香气物质的损失以及新的香气物质的生成而改变[31]，加热会导致橙汁中类胡萝卜素、抗坏血酸、不饱和脂肪酸、氨基酸、糖、硫胺素等物质的降解，其中高温促进了萜烯类物质酸催化的水合反应，从而提高了醇类物质的含量，但并非所有的反应产物都对橙汁香气有积极作用，比如α-松油醇；也能促进肉桂酸的降解从而产生有香气的醛类和醇类；还可以促进碳水化合物的降解产生异味物质呋喃醛和呋喃酮，影响整体香气；含硫挥发性物质作为一大类异味物质也主要在热加工过程中生成。

3.2 非热杀菌

非热杀菌是在常温或小幅度升温条件下进行杀菌，不仅能保证食品在微生物方面的安全性，而且能较好地保持食品的营养成分、风味、质地、色泽、新鲜度以及食品功能成分的生理活性[32]。橙汁属于热敏性产品，非热杀菌不会引起诸多营养物质的降解，并且对香气物质的合成和降解影响有限，最大程度地保留橙汁原有风味，从而可以满足消费者对高品质橙汁的需求，因此非热杀菌技术比如超高压技术、脉冲电场技术、超声技术和微波技术等正在被普遍研究。

3.2.1 超高压技术

超高压技术是在室温下操作的一种非热杀菌技术，也称为高静水压技术。该技术的机理在于利用300～700 MPa的压力，短时间内破坏细菌结构，降低果胶甲基酯酶的活性，能使微生物数量降低至2 lg CFU/mL[33]，较好地保持了橙汁的新鲜度、感官指标和营养价值[34]。超高压技术之所以能够较好地保持食品的营养价值和感官特性，原因在于较小程度影响小分子物质比如颜色和风味物质的共价键。橙汁中小分子的风味物质结构不受高压直接影响，但高压能够增强或者减弱酶促反应，从而间接改变某些风味物质的含量，破坏整个风味物质之间的平衡。超高压杀菌橙汁与鲜榨橙汁比较，香气物质减少了17种，新增加了15种，烃类、醇类、酯类总含量变化相对较少，醛类含量增加3倍以上，其他物质含量无明显变化[35]。相较于热处理，超高压处理更利于保持橙汁天然风味[36]，但同样存在α-松油醇和香芹酮产生的微量异味，在橙汁中添加0.005%的柠檬烯或蛋白质可以有效抑制异味产生[37]。OEY等[38]提出可以通过超高压激发β-葡萄糖苷酶活性来增强橙汁中香气物质的释放。

超高静压处理后的橙汁中含量较高的挥发性物质有柠檬烯、巴伦西亚橘烯、月桂烯、芳樟醇、辛醛和癸醛。癸醛是唯一不受超高静压影响的主要物质(P>0.05)， 柠檬烯和月桂烯在未经处理的橙汁中含量更高(P≤0.05)，瓦兰烯、芳樟醇和辛醛则在经过高压处理的橙汁中含量更高(P≤0.05)[17]。在保持橙汁质量方面，超高静压相较于巴氏杀菌有更好的效果。在感官评价试验中，超高静压处理的橙汁、鲜榨橙汁和巴氏杀菌橙汁在色泽和香气方面没有区别，但从整体印象来看，鲜榨橙汁效果更好。

3.2.2 超声波技术

除了游离香气，柑橘中还存在结合态形式的香气物质，糖苷键合态香气物质就是一类不具有挥发性、以糖苷形式存在的香气前体物质，该类物质在酸或酶的作用下可以释放出游离态香气，进而被人们感受到[39]。其中醇、醛、酸和酯等化合物可由氨基酸、脂肪酸和糖类经一系列氧化酶、脱氢酶、还原酶、裂解酶和异构酶等催化的生物合成反应得到。超声波通过影响酶的活性，一定程度上释放键合态香气物质[40]，从而引起香气物质的变化。超声波对酶的影响归因于空化效应引起的机械和声化学过程[41]。

超声波处理后的橙汁香气成分种类几乎不变，但相对含量发生较大变化[42]。超声处理后柠檬烯含量最高下降至23.20%，α-松油醇、芳樟醇以及醛类物质含量都呈先增加后减少趋势，酯类物质含量呈先略微减少后显著增加趋势。超声处理促使橙汁中的醇类和醛类物质转化为酯类物质，提高橙汁整体香气，但同时也导致橙汁中典型异味物质α-松油醇和香芹酮含量增高[43]。有研究表明，超声和微波联合处理橙汁后不仅可以达到杀菌钝酶效果，而且不产生因过度加热产生的异味，其风味评价明显优于传统巴氏杀菌[44]。超声也可以联合热处理以及静水压处理，可以对橙汁有更好的杀菌钝酶效果。

3.2.3 脉冲电场技术

脉冲电场处理是将食品置于2个电极之间，并予以短时间的电场脉冲从而达到杀菌钝酶效果。钝酶效果主要取决于脉冲电场产生的高温，杀菌效果主要取决于电场强度、处理时间和脉冲波长。实验室条件下，脉冲电场处理后的橙汁在色泽、口感以及香气方面明显优于巴氏杀菌处理。

VERVOORT等[45]分别采用巴氏杀菌、超高压和脉冲电场处理鲜榨橙汁，比较了3种杀菌方式对橙汁营养物质、品质和感官系数的影响。结果表明，巴氏杀菌处理后的橙汁是最稳定的，超高压和脉冲电场处理后的橙汁品质几乎一致，但脉冲电场处理会导致更高的果肉降解和果汁浑浊。3种杀菌方式对橙汁香气分布无直接影响，在所有样品中也没有检测到特殊生成或降解的挥发性物质，在实验室条件下基于对橙汁风味物质的影响，超高压和脉冲电场杀菌可以取代巴氏杀菌。采用商业规模的脉冲电场处理番茄汁，严格控制杀菌条件以及包装完整性，可以减轻果汁浑浊，并且其特征香气物质强度高于热处理，风味和整体接受度也要高于热处理[46]，说明脉冲电场杀菌技术在橙汁杀菌方面具有商业化潜力。

3.2.4 其他非热杀菌技术

欧姆加热技术是指电流在一对电极之间流过连续流动的食品，食品内部产生热量，可以有效灭菌，同时产生“电穿孔”效应，造成细胞死亡。欧姆加热是体积加热方式，液体和其中的固体几乎同时加热，而在传统的热处理中，由于固体受热依靠传到液体的热量，很容易造成加热过度。欧姆加热处理可以使橙汁中果胶酯酶活性降低98%，VC减少15%，5种特征风味物质(癸醛、辛烷、柠檬烯、蒎烯和月桂烯)含量要高于巴氏杀菌[47]，产生此现象的原因在于橙汁经欧姆加热处理后产生较少的化学反应，更大程度地保留了原有香气物质[48]，并且欧姆加热处理的橙汁其货架期是巴氏杀菌的两倍[49]。除此之外，感官评价实验中，评价员能够区分出鲜榨汁和巴氏杀菌汁，巴氏杀菌汁和欧姆加热汁，但是辨别不出鲜榨汁和欧姆加热汁，欧姆加热处理的橙汁能够保留绝大部分的感官指标[50]。

微波杀菌技术是利用微波产生的热效应和非热效应使食品的蛋白质和生理活性物质发生变异，从而导致微生物生长发育延缓和死亡，达到食品灭菌目的。由于微波杀菌是热效应和非热效应共同作用结果，与传统热杀菌相比，灭菌彻底并且容易控制，不会导致加热过度。无核雪柑汁经微波杀菌后其香气物质总含量要低于巴氏杀菌处理，但叶醇、5-十一烯、十二碳醛和γ-芹子烯含量均高于巴氏杀菌，并且没有检测到异味物质α-松油醇[51]，微波杀菌对橙汁香气的影响尚不明确。VIKRAM等[52]将欧姆加热、红外线和微波加热3种电磁加热技术与传统的巴氏杀菌对橙汁中VC的降解进行了比较，结果显示，微波加热导致VC降解程度最大，欧姆加热最小，可以作为研究香气物质的一个参考。

辐射灭菌是利用电离辐射杀死大多数微生物的一种有效方法。辐照技术杀菌后的橙汁对香气的保持要优于巴氏杀菌，挥发性物质含量增加可能是辐照使果胶组织中的挥发性物质释放引起的[53]，但在贮藏后期橙汁会产生异味：源于一些硫化物，如甲硫醇、二甲基二硫、二甲基硫醚、和二甲基三硫化物[54]的积累。如何消除异味是辐照杀菌应用于橙汁加工的一个障碍。

4 总结与展望

香气作为橙汁品质的重要指标，对橙汁风味影响显著，甜橙的品种、成熟度以及制汁加工工艺和杀菌方式都会对橙汁香气产生影响。如何保持香气也是橙汁生产过程中重要难题之一，目前的解决方案有：(1)在保证原料果实品质的基础上，尽量减少加工过程中香气的损失。消费者越来越倾向于选择最少加工的食品，鲜榨橙汁由于营养丰富、风味俱佳，深受消费者的喜爱。非浓缩还原橙汁(NFC)是目前在风味香气方面与鲜榨橙汁最接近的橙汁产品，而此类橙汁产品主要采用的杀菌方式是巴氏杀菌。新兴的非热杀菌方式无论在实验室条件还是商业规模，对橙汁中香气物质的影响要低于热杀菌，更大程度地保留了原有风味。考虑到设备安装、操作成本等因素，非热杀菌技术还不能完全投入工业生产，简化设备以及提高生产效率是非热杀菌技术应用于工业生产亟待解决的问题。(2)橙汁产品生产后香气的复原。复原风味后的橙汁很难达到原来的香气品质，可以考虑利用酸或酶水解橙汁中糖苷键合态香气前体物质，促进香气释放。此外，为更加全面地了解加工过程中香气物质的变化情况，可以采用多种香气物质的提取方式和检验方法，还需重点关注加工过程中异味物质的生成及控制。