超高压技术在果蔬汁杀菌中的应用

贾蒙，成传香，王鹏旭，马亚琴,2*

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)

随着全球与饮食有关的健康问题不断增加，越来越多的人比以往更加关注食物的营养价值和保健功能[1]。新鲜果蔬汁饮料由于其营养丰富、益于建康，正成为全球最受欢迎的饮料之一[2]。一般传统的果汁加工通过热处理(如：巴氏杀菌和超高温杀菌)来延长其货架期，这种处理方式已被证明能够减少微生物数量达到安全的水平。然而，这种安全水平通常是以牺牲产品的营养价值为代价来实现的。也就是说，热杀菌产生了不期望有的风味，并造成了氧化降解、色素和维生素(Vc)的损失[3]。尽管优化后的热杀菌过程能够达到最佳的安全水平以及感官和营养特性[4]，但是负面影响并没有完全消除。为此，研究人员和食品工业已经为果汁和蔬菜汁开发了许多非热技术，例如超声波、高压脉冲电场、超高压处理以及紫外照射等等，以最大限度地保持果蔬汁原有的感官和营养品质。

超高压处理作为一种新的非热杀菌技术，已经在食品工业化生产中得到应用。据统计，2015年超过300套的超高压设备在世界范围内大规模生产，相比2 000年增加了近10倍，这些设备主要在北美(54%)、欧洲(25%)和亚洲(12%)生产。此外，超高压食品的全球市场于2015年达到约98亿美元，预计在2025年达到547.7亿美元的市场价值[5]。由于超高压技术对于高水分含量食品的适用性，使其在果蔬汁和饮料的加工生产中达到了超高压食品20%的市场份额，其中超高压技术用于橙汁、菠萝汁、苹果汁以及蓝莓汁等果蔬汁加工的工业化生产方面已经逐渐走向成熟。通常情况下，超高压技术是在室温条件下把食品置于100～600 MPa的高压密封的柔性容器中，利用液体(通常是水)作为压力传递介质，使食品的内部和表面受到均匀的压力，以实现食品中的致病微生物和酶灭活，此项技术获得美国食品药物管理局(FDA)的正式批准，可以进行食品工业化应用[6]。此外，超高压还可以结合热杀菌、超声波杀菌、高压脉冲杀菌等杀菌技术处理产品，以达到提升杀菌效果、减少生物活性成分损失和节约成本的目的。本文对超高压加工对果蔬汁理化性质及营养品质的影响进行了系统的综述，并简要介绍了超高压与其他杀菌技术联用的应用实例及其未来的发展趋势。

1 超高压介绍

1.1 超高压简介

超高压(ultra-high pressure，UHP)又称为高压加工(high pressure processing，HPP)或高静水压(high hydrostatic pressure，HHP)，在我国一般将压力超过100 MPa的压强称为超高压[7]。超高压食品加工技术是将特殊包装的食品放至液体介质中，施加100～1 000 MPa的压力并持续一定时间后，可使食品中各种致病和引起腐败的细菌、酵母、霉菌、病毒和孢子灭活，延长了食品的货架期。因此，超高压杀菌相对于热杀菌能更多的保留果蔬汁的营养成分，且具有诱人的色泽和更好口感，并使果汁保藏期可延长至6个月以上[8-10]。

对于超高压杀菌技术的研究已有100多年的发展历史。早在20世纪80年代初，就有人将超高压技术与生物体联系起来；1885年美国报道了超高压能消除细菌的研究成果[6]；1899年，HITE使用第一台超高压食品加工设备对牛奶进行加压处理，发现能延长其保质期，随后在水果和蔬菜上开始使用；1914年BRIDGMAN报道了静水压下蛋白质变性、凝固的报告；但在此后的大半个世纪里，超高压技术只进行了很少量的基础工作[11]。直到20世纪80年代中期，由于超高压处理作为传统食品热加工的替代方法的成功发展，使得人们恢复了兴趣。1992年，日本通过将第一个超高压加工的果酱投放市场，由此引发了超高压大革命。在接下来的3年里超高压处理果酱的技术被公布于市场，随后有6个公司进行生产并取得了令人瞩目的成功。目前，超高压技术经过近30年的迅速发展，已经取得了重大的突破性进展，并能够生产出安全、新鲜、营养和创新型食品[5]。

1.2 超高压的处理机制

超高压技术中的压力同热力一样，是一个基本的热力学变量。在超高压处理期间，压力会产生热效应，进而引起体积和能量的变化，其中压力主要影响处理产品的体积。因此温度的影响与压力的影响不可分离，二者的联合效应可能是协同的、拮抗的或加成的，它们会导致相变、化学反应或分子的重新取向。超高压技术有3个基本原理：均衡原理(isostatic principle)、勒夏特列原理(Le Chatelier’s principle)、微观有序性原理(principle of microscopic ordering)和阿列纽斯关系(Arrhenius relationship)。均衡原理是假定压力的均匀施加在各个方向均等地作用，那么其影响会在食品中瞬时且均匀的分布；勒夏特列原理是指压力增强会导致食品体积减小的现象(相变、分子结构的变化、化学反应)，并达到一个平衡，如果压力(广义变量)改变，平衡就会趋向于减少相应强度变量(体积)的变化；微观有序性原理是在恒定温度下，随着压力的增加，给定物质分子有序度也会增加，因此压力和温度对分子结构和化学反应产生拮抗作用；阿列纽斯关系是指与热处理一样，超高压过程中的各种反应速率也受到压力处理过程中热效应的影响，压力和热的联合效应可以是协同的、加成的或拮抗的[12]。

超高压杀菌主要是利用压力改变原子之间的距离，从而引起食品中物理性质(熔点、溶解度、密度和黏度)、化学平衡(弱酸解离、酸碱平衡和电离)、内部反应速率的变化。它可以使微生物的细胞形态发生改变，并破坏细胞壁以及生物高分子物质立体结构的非共价键，抑制酶的活性和DNA等遗传物质的复制等，从而达到杀灭细菌等微生物的作用。而蛋白质的主要结构是由共价键构成，因而不受压力(高达1 500 MPa)的影响，但由于压力会使共价键的键和距离被压缩，因此蛋白质将发生凝固[10,12]。

1.3 超高压系统

第1台食品超高压系统是在19世纪末HITE从宾夕法尼亚州国家运输公司订购时设计的，但直到20世纪80年代，设备才开始进行商业化生产。典型的超高压系统如图1所示，包括压力容器、压力发生装置、温度控制装置(可选)和材料处理系统。压力容器是低合金钢制成的锻造整体圆筒。典型的整体式压力容器的壁厚取决于容器的最大工作压力、容器直径以及容器设计完成所能经受的循环次数；压力发生装置有直接加压系统(活塞)或者间接加压系统(泵)两种，其中直接加压系统可以实现快速压缩，适用于在小型实验室中应用，间接加压系统采用泵产生的高压强将压力流体从储罐压缩到压力容器中，适合食品工业中大规模加工应用；温度控制装置包括加热或冷却控制单元；材料处理系统包括压力传递流体和包装材料等。压力传递流体一般是水，但果蔬汁是液体食品，因此自身可作为压力介质，被压缩后传送到储罐或直接传送到填充管线；包装材料通常应选择能调整到15%体积下降并恢复到原来的尺寸和形状的弹性，因此聚合物或共聚物被认为是最适合超高压产品的包装材料,如PE、PP、EVOH或复合材料PE/PA/EVOH/PE、PP/EVOH/PP、PA/PE等[5, 10, 13]。

图1 超高压系统的主要组成[14]Fig.1 Basic components of UHP

随着超高压设备技术的逐步成熟，美国、西班牙、英国、日本和中国的各生产商已经具备开发生产超高压设备的能力。目前全球主要的超高压设备生产商有Avure(美国)、Hiperbaric(西班牙)和Multivac(德国)等；中国主要的设备生产商有包头科发高压科技有限责任公司和山西海普瑞科技有限公司等；其中Hiperbaric作为全球最大的设备供应商，市场份额超过了50%。超高压设备分为水平和垂直两种类型，商业应用中使用的大多数设备都是水平型，如德国Multivac公司的卧式超高压系统(图2)，它的优点是便于在生产线上装卸集装箱[6]。工业超高压主要有分批、连续和半连续3种操作系统，这3种超高压系统都适用于果蔬汁的杀菌。其中，分批处理系统的优点是可以同时处理液体和固体产品，在这种情况下，产品通常先进行预包装，如山西海普瑞生产出分批操作系统的超高压设备(图3)，可分批次的对瓶装果汁进行杀菌，通常在600 MPa、4 ℃、5 min的工作条件下，其处理量可达到8 t/h。连续和半连续系统仅适用于液体或可泵送产品，我国在“十一五”期间已成功研发出最大容量500 L，最大处理压力700 MPa的连续式超高压设备[5,10]。

图2 水平型超高压生产设备(德国Multivac)[6]Fig.2 A horizontal UHP production systems(Multivac, German)

图3 分批式处理的超高压设备及其产品Fig.3 Equipment using batch UHP of foods and it’s products

2 超高压技术对果蔬汁品质的影响

超高压处理果蔬汁的效果与许多因素相关，包括压强、温度、处理时间、施压方式、微生物种类、果蔬汁的组成成分以及pH、水分活度等[15]。其中压强、温度、处理时间是主要的控制参数。实验表明，压力与温度相结合的杀菌效果比单纯靠压力杀菌的效果要好得多[16]。由于超高压杀菌是一项非常复杂的工艺，因此在利用超高压处理食品时应综合考虑微生物特性、果蔬汁特性和处理工艺参数之间的相互影响，优化出一种处理参数的最佳组合，从而得到更好的处理效果。

2.1 超高压处理对果蔬汁理化性质的影响

果蔬汁的理化指标主要有：pH、可滴定酸(TA)、可溶性固形物(TSS)、色泽等，是衡量果蔬汁基本品质的重要因素。研究发现，与未处理的果蔬汁相比，超高压处理对菠萝汁[17]、杨桃汁[18]、柚子汁[19]、葡萄汁[20]的pH、可滴定酸和可溶性固形物的含量影响不显著，表明超高压对果蔬汁处理的理化性质影响不大。

2.2 超高压处理对果蔬汁感官品质的影响

风味和色泽是果蔬汁主要的感官品质。其中，色泽是消费者评价果蔬汁产品品质最直观的指标之一，其优劣会影响消费者对产品的可接受性；果蔬汁贮藏期间的色泽变化也是评价其贮藏时间的参考指标[21]。而食品的风味成分则决定了消费者的再次购买欲望。尽管传统热处理能有效延长产品的货架期，但会引起颜色的变化以及风味物质的损失[22]。

HUANG等[18]将杨桃汁经超高压处理后发现，相对于热处理后的果汁颜色明显变暗，超高压处理前后其颜色基本没有显著变化。然而，AADIL等[19]使用不同压强的超高压条件处理柚子汁，与对照组相比，超高压处理的a*、b*和L*值均有所下降，且压强越大，影响越显著，但没有热处理对柚子汁的颜色影响大。同样地，王孝荣[23]在室温条件(18～22 ℃)下使用超高压(400 MPa，15 min)和热处理(90 ℃，30 s) 处理鲜榨橙汁，与未处理组相比，发现2种处理方式对a*和b*值均有显著影响，但超高压处理后对L*影响不及热杀菌大。这可能是因为集中压力所导致的温度升高，进而引起色值的下降。但这种颜色变化是难以用肉眼观察到的，因此相对于热处理，超高压更大程度地保留橙汁的色泽。

在感官品质上，超高压也可以更好地满足消费者对果蔬汁质量的期望。CHANG等[20]选取20名感官评价员，并采用ten-point系统分析了超高压和热处理(90 ℃/min)后的白葡萄汁的酸度、香气、甜度、苦味以及总体接受度，发现超高压处理的果汁的酸度、香气和甜度评分也随着处理压力的增加而略有下降，但是这些评分优于热处理处理的样品。同样地，NAYAK等[24]对超高压和热处理对苹果汁进行感官评定，与对照组相比，发现2种处理果汁在味道、香气、以及可接受方面均有所下降，但在贮藏期间超高压处理的苹果汁的感官评分略有下降，与热处理相比表现出一定的优势。

2.3 超高压处理对果蔬汁中挥发性成分的影响

果蔬中挥发性成分物质是果蔬产品风味的主要组成部分，它是在果蔬成熟或后熟期间形成的次级代谢产物。而芳香物质如烯烃类、醛类、醇酮类和酯类等是决定果蔬汁品质的关键因素，超高压处理可以避免这些热敏性成份的损失，同时由于钝化了酶的活性，能使一些潜在的香气成分被释放出来，进而改善果蔬汁的品质[25]。

蒋和体等[26]对超高压处理后的橙汁风味物质进行GC-MS分析，发现醛类比未处理组增加3倍以上，其他物质无明显变化，但热处理后风味物质成份减少了45%；王海翔等[27]发现超高压处理脐橙后的柠檬烯含量显著下降，而且压力、温度和处理时间的增加可导致柠檬烯的下降。LIU等[28]比较了超高压(HPP)和高温短时(HTST)处理黄瓜汁中主要芳香烃的变化，结果表明，2种方法均能显著提高香气含量，但超高压处理的香气含量高于热处理。YI等[29]对比超高压和热处理对苹果汁中挥发性成分的影响，发现热处理的果汁中检测到更多的醛、醇和有机硫化合物。超高压处理后这些化合物的浓度增加可能与美拉德反应和氧化反应(例如类胡萝卜素和不饱和脂肪酸的降解)有关[18]。总之，相对于热杀菌引起的美拉德反应和氧化反应，超高压可以更好的保留果蔬汁中的风味物质，且由于超高压能抑制微生物的生长，因此在低温贮藏期间果蔬汁的香气成分保持稳定。

2.4 超高压对生物活性成分的影响

果蔬汁因含有丰富的生物活性成分而受到消费者欢迎，如抗坏血酸、酚类、黄酮以及类胡萝卜素等等。它们大都属于热敏性物质，经传统热处理后容易降解，导致果蔬汁的营养价值降低。超高压作为一种非热加工技术，在适当的处理条件下，能最大限度的保留其原有的生物活性成分，甚至还能提高其含量。

2.4.1 抗坏血酸

抗坏血酸又称维生素(VC)，是胶原蛋白和某些激素生物合成的必需营养素和人体重要的微量营养素。适量Vc摄入不仅可以降低癌症和心血管疾病的发病率，还可预防心脏、慢性炎症和神经衰退性疾病[30]。但VC极不稳定，比如光照、温度、压力以及酸性条件等都会对其产生较大的影响。向晨茜等[31]采用500 MPa的超高压处理橙汁15 min后，Vc含量小幅度下降，损失了7.29%。MOUSSA-AYOUB等[32]比较超高压和热处理后仙人掌汁中抗坏血酸含量的变化，结果发现热处理后导致抗坏血酸损失率高达22%，超高压处理对抗坏血酸含量无显著性影响。BARBA等[33]将不同压强的超高压处理的蓝莓汁与对照组相比，结果表明，随着压强的升高，抗坏血酸含量显著降低，在400和600 MPa的加压条件下仍保存了样品中VC的92%，这可能是因为在400和600 MPa的加工过程中压力诱导的酶被激活所致。然而，AADIL[19]发现,超高压和热处理后的柚子汁中VC含量分别从25.58 mg/100mL减少到19.32 mg/100mL和17.28 mg/100mL，这与ABID[34]的发现一致，可能是温度和处理时间导致了VC的损失。但超高压处理后的果蔬汁中VC含量仍然要高于热处理。

2.4.2 酚类物质

酚类化合物是一类天然抗氧化剂，广泛分布于植物界，尤其是水果和蔬菜中，其主要保持水果、蔬菜及其产品的感官特性，特别是颜色和味道特性。酚类化合物已经被报道具有预防疾病的功能，如癌症、心血管疾病和神经衰退性疾病等[35]。

大多数已发表的数据表明，超高压处理比热杀菌更能有效地保存水果和蔬菜产品中的总酚含量。APICHARTSRANGKOON等[36]发现，超高压处理(400 MPa，<30 ℃，20 min)与巴氏杀菌(90 ℃，3 min) 或高温短时杀菌(121 ℃，4 min)相比，能够显著地保留青蒿汁中的总酚含量和抗氧化能力。BARBA[32]使用200、400、600 MPa分别处理蓝莓汁5、9、14 min，发现处理后的总酚含量增加13%～27%，总酚含量的增加可能与某些抗氧化成分在高压处理后的可萃取性增加有关。同样地，HUANG[18]使用超高压处理杨桃汁，发现其总酚略有升高，增加了约2.4%。然而，JE等[37]使用450 MPa和5 min的压力条件处理番茄酱，其酚类物质有不同程度的损失，其中阿魏酸和对香豆酸损失超过了43%；绿原酸和咖啡酸损失超过了60%；异绿原酸与芥子酸则分别损失了73%和79%，这是因为番茄品种是影响多酚含量的关键因素。王孝荣等[23]发现超高压处理后的鲜榨橙汁的总酚损失率为1.77%。ZHANG等[38]发现超高压处理对胡萝卜汁中总酚含量无显著影响；贮藏20 d后，超高压处理胡萝卜汁的总酚含量减少了35.8%，这可能是由于酚类化合物的氧化降解和酚类化合物与蛋白质的聚合所致。

2.4.3 花色苷

花色苷是一种具有抗氧化功能的水溶性色素，它与果蔬及其加工产品的颜色有关。研究表明，花色苷具有保障人体健康和预防癌症的功能，近年来已广泛用作抗肿瘤的临床药物[39]。

BARBA等[33]使用不同压力的超高压处理蓝莓汁后，发现总花色苷和单体花色苷含量比新鲜果汁要高，其中在400 MPa/15 min时达到最大值(增加16%)。同样地，AADIL等[19]使用超高压(250 MPa，60 ℃，3 min)处理柚子汁后发现其花色苷的含量增加了36%。柚子汁中花青素的降解也可能是由于抗坏血酸氧化产物如过氧化氢引起的。此外，草莓和黑莓浆果经超高压和热处理后，花色苷含量也有类似的增加趋势[39]。

2.4.4 黄酮类物质

黄酮类化合物是一种天然色素，广泛存在于水果中，它对人体具有许多重要的生理生化作用和食用药用价值，如抗氧化、抗炎、抗癌、抗衰老等生物活性功能。AADIL等[19]使用超高压处理的柚子汁中总黄酮含量增加了17%～37%。HUANG等[18]将杨桃汁进行超高压处理后，其总黄酮含量与对照组有轻微的提升。而NAYAK等[24]发现超高压处理后对苹果汁中总黄酮含量没有显著影响，且在贮藏15 d后，超高压相对于热处理和未处理组能保持更多的总黄酮含量。而贮藏过程中总黄酮含量减少可能是由于多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)的残留活性引起的。

2.4.5 类胡萝卜素

类胡萝卜素如胡萝卜素(未饱和碳氢化合物)和叶黄素(含氧衍生物)广泛存在于水果和蔬菜中。一般来说，蔬菜中的主要类胡萝卜素是叶黄素、β-胡萝卜素、紫黄质和新黄质，而在水果中，叶黄素通常占很大比例。类胡萝卜素的作用主要表现在抗氧化活性、抑制脂质过氧化、提高低密度脂蛋白(LDL)的抗氧化能力等方面。β-胡萝卜素还可以预防心血管疾病、肺癌和其他胃肠道癌症的发生[40]。

AADIL等[19]使用不同条件的超高压处理柚子汁后，发现类胡萝卜素均有提升，其中250 MPa/60 ℃/3 min 的条件下类胡萝卜素含量提升了136%。然而，蒋和体等[26]使用超高压和热杀菌处理橙汁后，发现2种杀菌方式对类胡萝卜素的降解作用大，损失率高达 23.47%～28.62%。LENKA等[41]发现超高压处理的草莓汁中β-类胡萝卜素含量为(122.02±4.28) μg/mL，低于高温短时处理的β-类胡萝卜素含量(156.28±2.13) μg/mL。

2.5 超高压对果蔬汁中酶活性的影响

多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)等酶对果蔬汁的色泽和风味品质有很大影响，SKREDE等[42]发现果蔬加工过程中花青素降解是由于多酚氧化酶和过氧化物酶产生的酚醌的间接氧化造成的。夏远景等[43]使用超高压处理橙汁后发现200 MPa以内随着压力的升高，过氧化物酶活性升高，而超过200 MPa后，随着压力的升高，过氧化物酶活性降低，到了500 MPa后其活性降至原来的74.1%。类似地，YI等[29]研究发现超高压处理后的苹果汁中多酚氧化酶和过氧化物酶残留超过了50%，而热处理后2种酶的残留在检测限以下，这在CHANG等[20]的研究中也有类似结果。说明超高压在钝酶方面没有热处理效果明显。

2.6 超高压对果蔬汁中微生物的影响

在果蔬汁的加工过程中，微生物的灭活对于提高其安全性和延长货架期至关重要，因为果蔬是支持微生物生长和活动的丰富营养源。美国联邦果汁危险性分析关键控制点(HACCP)规定，果汁加工者必须进行处理以将相关微生物减少99.999%或5 lg CFU/mL[44]。果蔬汁中通常含有酵母菌、霉菌、大肠杆菌以及沙门氏菌等等，各种微生物在超高压处理下表现不同，并具有不同的耐压特性。其中酵母和霉菌是对超高压处理最敏感的微生物，但是一些子囊孢子(例如，丝衣霉和踝节菌属)对高压具有抗性，可以通过结合超高压与轻度热处理来灭活[3]。大肠杆菌O157∶H7的死亡率直接受到温度升高的影响，因为较高温度(40 ℃)和强度较低的超高压处理(200和400 MPa)使菌落减少了5个对数周期[45]。表1列出了超高压处理对果蔬汁中主要微生物数量的影响，结果表明，超高压能将微生物数量减少到安全水平之下，符合行业标准。

表1 超高压处理对果蔬汁中微生物的影响研究汇总Table 1 Summary of studies on the effects of UHP treatment on microorganisms in fruit and vegetable juices

注：“-”表示未报道，“未检出”表示菌落数量低于检测限(<1 CFU/mL)。

3 超高压技术的发展趋势

现存的各种非热杀菌技术单独对果蔬汁杀菌都会存在着一定的缺陷，比如超高压处理在钝酶方面没有热处理效果好，导致了在一些果汁中多酚氧化酶和过氧化物酶残存甚至超过了50%。另外，超高压处理会产生一些亚致死微生物，这些微生物在贮藏期间会重新繁殖生长，赵凤等[46]把超高压处理的枸杞汁在4 ℃条件下贮藏至28 d时其微生物总数达到了117 CFU/mL，超过了行业标准。因此未来可考虑将超高压与其他处理技术相结合，增强对果蔬汁中微生物的致死效应，以提高其品质，满足消费者的需求。ZHAO等[48]在室温下对超滤(UF)后的库尔勒梨汁进行超高压(HPP，500 MPa/10 min)和高温短时处理(HTST，110 ℃/8.6 s)，最后发现相对于UF-HTST，UF-HPP能更好地保留抗坏血酸和总酚，显示出较好的抗氧化性，同时颜色变化少，且细菌数量在检出限以下，能在4 ℃下贮存56 d，因此UF-HPP能有效地用于库尔勒梨汁的生产。GOMES等[49]采用超声(600/1 200 W，5 min)和超高压(450 MPa，5 min)联合处理益生蔓越汁，发现能很好地保留添加的果糖-寡糖成份，其他的特性如pH、颜色、可溶性固形物、有机酸、生物活性成分和抗氧化能力几乎不发生变化，因此这种加工技术能够适应于益生蔓越汁的加工。

4 总结

超高压杀菌是一种有前景的果蔬汁处理技术，它能延长果蔬汁的货架期，并有效灭活果蔬汁中有害微生物，保持其风味和营养价值，增加产品的价值定位，使其成为维持食品质量的优良选择。但超高压在杀菌钝酶方面还存在着一定缺陷，因此可考虑将超高压与其他处理方式相结合，以降低耗能，并提高杀菌效果。此外，超高压技术较高的杀菌成本，间歇处理的缺陷[50]，以及贮藏运输过程中所要求的低温环境，使得它在果蔬汁产品加工的工业化应用中还存在种种局限，在未来需要重点解决这些局限性问题。