非浓缩还原苹果汁加工技术研究进展

易俊洁,周林燕,蔡圣宝,胡小松

(1.昆明理工大学食品安全研究院,云南昆明 650500;2.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

我国的苹果汁产业发展始自80年代初期,最主要的苹果汁加工产品是苹果浓缩汁。由于我国苹果资源丰富且劳动力成本较低,苹果浓缩汁产业发展迅速,出口量位居世界前列。据不完全统计,我国苹果浓缩汁出口量占世界总出口量的近60%,与波兰和美国同为世界三大苹果浓缩汁生产大国[1]。苹果浓缩汁具有易贮藏保存、便于运输等优点,但果汁经过高温浓缩后,营养成分和风味物质损失严重,极易出现非酶褐变、芳香成分逸散、贮藏期后浑浊等品质劣变问题[2]。近年来,随着消费者健康意识的不断增强,“新鲜”、“天然”、“安全”、“短货架期”的非浓缩还原(NFC,not from concentrate)果汁,作为有别于传统浓缩还原汁的新型果汁形式,越来越受到消费者的青睐,市场占有率也不断上升。NFC苹果汁不经过高温浓缩和果汁还原,能够更好的保持苹果汁原有的风味和口感。前人研究还发现,与苹果浓缩还原汁相比,NFC苹果汁不仅含有更多的果肉纤维、更丰富的口感,多酚和果胶类物质含量也较高[3-4]。

近年来最少加工和清洁标签概念不断兴起,更天然、更清洁的NFC果汁逐渐成为饮料产业的重要发展趋势,苹果汁加工产业也正在从浓缩还原汁向NFC果汁逐步转型。随着NFC果汁加工技术的不断革新和消费者需求的多样性,NFC苹果汁也被细分为三大类(如图1和图2所示):苹果澄清汁(clear apple juice or clarified apple juice),该果汁需添加澄清剂或果胶酶,通过酶解预处理、过滤、澄清等工艺,最终获得澄清透亮的苹果清汁;苹果浊汁(cloudy apple juice or opalescent apple juice),该果汁通常需离心去除大块果肉,保持果汁具有较高的混浊稳定性;果肉苹果浊汁(pulp-enriched cloudy apple juice),该果汁富含果肉,是未经过澄清、过滤的鲜榨果汁[5]。

图1 不同NFC苹果汁分散体系的主要组成物质

图2 NFC苹果汁加工流程简述[6-9]

根据欧洲果汁协会(European Fruit Juice Association,AIJN)的数据统计,近年来NFC果汁在欧洲发达国家的市场份额稳步增长,2016年同比增长4.4%,2017年增长了5.4%。在我国,虽然果汁及果汁饮料产业发展迅猛,2016年我国果汁产量已达到2404.9万吨,实现零售额1009.14亿元的突破,但其中NFC果汁市场仍处于初级阶段。我国作为最大的苹果汁加工及出口国,与时俱进地发展NFC苹果汁具有重大的发展前景和重要的现实意义。本文将从苹果原料的选择出发,综述不同NFC苹果汁加工工艺流程、关键技术及发展趋势,为我国NFC苹果汁加工的发展提供技术支持和理论借鉴。

1 苹果原料的选择

苹果作为我国大宗果品,主要集中栽培于渤海湾(包括山东、河北、辽宁、北京、天津)、西北黄土高原(包括陕西、甘肃、山西、宁夏、青海)、黄河故道(括河南、江苏、安徽)和西南冷凉高地等地区,其中陕西、山东、山西、河南、河北、辽宁、甘肃等地为主要产区[10]。我国苹果品种繁多,约有400多种,其中商用品种有几十种,表1列出了我国主要的苹果品种。目前,富士(Fuji)苹果仍然是我国的主要苹果品种,占苹果总产量的70%以上,除此之外,嘎啦(Gala)和秦冠(Qinguan)也占有相当的比重。在欧美苹果市场,除了富士和嘎啦之外,元帅(Red Delicious)、金冠(Golden Delicious)、乔纳金(Jonagold)、粉红女士(Pink Lady)、澳洲青苹果(Granny Smith)和布瑞拜(Braeburn)也具有较高的市场占有率。

表1 我国主要苹果品种及特性[10]

在苹果汁原料品种的选择上,要充分考虑出汁率和糖酸比,通常认为苹果汁糖酸比在10∶1～15∶1较为合适[11]。富士和粉红女士苹果具有优良的甜味特性,是苹果汁加工的主要原料之一[11-13]。而酸度较高的澳洲青苹果也常作为调配品种,可以增强酸味,改善口感,使果汁达到糖酸平衡[13]。苹果酚类物质的含量高低也会直接影响苹果汁的最终品质(如颜色和稳定性),而苹果原料的品种和成熟度是其酚类物质含量的重要影响因素之一。苹果中黄烷-3-醇是最主要的酚类物质,占71%～90%,其中包括单体形式的儿茶素以及低聚或多聚物形式的原花青素[14]。原花青素不仅是苹果汁苦涩口感的来源,还可能与蛋白质和多糖结合,形成絮状物,导致沉淀。除了黄烷醇,羟基肉桂酸也占有相当比重(4%～18%)。羟基肉桂酸和儿茶素及原花青素是导致苹果汁发生酶促褐变的主要酚类物质[15]。Wu等[16]对我国山东的八大苹果品种(元帅、金冠、国光、红富士、秦冠、乔纳金、澳洲青苹果和王林)进行功能性组成特性分析,发现不同苹果品种酚类物质组成和含量均不同,其中国光、金冠、秦冠等品种的总酚含量最高,秦冠和国光的儿茶素含量尤其高,可能相对其他品种更易发生褐变。成熟度也会显著影响到苹果原料中酚类物质的含量,而且苹果不同部位酚类物质含量变化具有差异。Alonso-Salces等[15]发现苹果皮和果肉中的总酚和原花青素含量均随着成熟度升高而升高,而果肉中的黄烷醇和羟基肉桂酸在成熟苹果中含量均较低。

苹果原料中的淀粉含量也会影响苹果汁的品质。研究发现过高的淀粉含量会使苹果汁原有的淡黄色,在榨汁过程中变成灰白色,进而导致絮状物生成[17]。Stevenson等[18]研究发现苹果中的淀粉在成熟早期聚集,随着不断成熟,淀粉含量降低,逐渐降解成双糖或单糖,而这些小分子糖类物质是最终苹果甜味的主要来源。另外,不同品种的苹果中淀粉含量及淀粉降解速度也不同。例如,澳洲青苹果和乔纳金在成熟早期淀粉含量很高,但随着不断成熟,含量显著降低。另外,有研究发现在成熟过程中苹果细胞壁结构也会不断分解,使得果汁中的悬浮颗粒更分散、更细小,降低颗粒的密度,提高颗粒的水合性,从而增强苹果汁的颗粒稳定性[17]。因此,在选择NFC苹果汁加工原料时,应尽量挑选高成熟度、未腐烂的果实。为了生产出高品质的NFC苹果汁,在榨汁前需进行严格的拣选和清洗,去除腐烂果、杂物、泥土等[19]。目前,超声清洗技术作为重要的苹果原料清洗预处理工艺之一,广泛应用于最少加工的NFC苹果汁(如超高压NFC苹果汁),以达到降低初始菌数和污染的作用[6]。总之,只有优质、清洁的苹果原料,才能生产出高品质的NFC苹果汁。

2 破碎与压榨技术

NFC苹果汁的生产需先破碎后榨汁,以提高出汁率。目前常用的苹果破碎方法有机械破碎、热力破碎、冷冻破碎、超声波破碎、酶法破碎等[20]。对于生产NFC苹果清汁来说,酶法破碎是目前应用最广泛的破碎技术,该技术通过向果浆加入酶制剂,以加速细胞结构破碎、促进果胶溶解、增强果汁流动性、提高出汁率、缩短榨汁时间和降低果渣的产生[21-23]。果胶酶是最常用的商业酶制剂,包含多聚半乳糖醛酸酶、果胶酸裂解酶、果胶甲酯酶等[3,21]。除此之外,Ribeiro等[22]采用果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶的复合酶制剂,发现同样可以提高果汁出汁率。根据酶制剂的种类和苹果原料特性的不同,酶制剂加入方式和剂量也不同。通常将果浆加热至20～50 ℃,持续1～2 h,再根据剂量要求,加入适量的酶制剂,并通过搅拌提高酶制剂反应效率[6,8]。Van等[24]发现通过酶法破碎处理的苹果汁,出汁率从45%显著提升至80%。另外,也有研究报道,酶法破碎还可以促进多酚物质的溶出,使得苹果汁中的多酚含量显著上升[25-26]。

压榨技术及设备的不断革新也能显著提高苹果汁的出汁率。常用的压榨技术有压榨法(如带式压榨、螺旋压榨法等)和离心法(如倾析式离心法等)。根据压榨温度的不同,又可分为冷榨和热榨[25]。在苹果破碎和压榨过程,细胞结构被破坏,其中的内源酶(如多酚氧化酶)与底物(如酚类物质)接触,发生一系列的酶促反应,可能导致果汁发生褐变。因此,苹果破碎压榨过程中需添加一定量的防褐变抑制剂,如抗坏血酸或异抗坏血酸等(250～1000 mg/L),能有效抑制多酚类物质被氧化、减缓酶促褐变的发生[17,21,27]。另外,通过隔绝空气或运用惰性气体也可以有效的减缓苹果汁的酶促反应。目前常用方法包括真空脱气法(通过降低顶空压力来除去溶解氧)、惰性气体喷射法(用惰性气体置换溶解氧)和膜脱气法(膜气体分离技术)等[27]。例如,De等[28]报道了一种新型的螺旋-过滤压榨技术,可以在低氧的条件下工作。该技术与带式压榨技术相比,能显著提高出汁率,获得浊度更高、颜色更稳定的苹果混浊汁。

3 澄清与过滤技术

澄清和过滤是NFC苹果清汁加工过程中重要的工艺环节,即通过机械或化学方法除去果汁中存在的浑浊物以及可能引起浑浊的物质。苹果汁(浆)富含果胶,且极易形成大分子果胶-蛋白质、多酚-蛋白质复合物,导致浑浊甚至沉淀产生[29]。虽然机械处理(如过滤、离心)能够除去果汁中的果肉颗粒或其他悬浮物,但这些大分子复合物的形成,仍可能导致果汁的二次浑浊。因此,需要先采用酶制剂或澄清剂进行预处理,再通过离心或过滤进一步对果汁进行澄清[30]。

果胶酶作为NFC苹果清汁澄清过程中重要的酶制剂,可以有效的水解蛋白质颗粒周围的果胶涂层,从而使颗粒聚集然后沉淀[6]。该酶制剂的添加,通常使用两种方法:热添加法,将酶加入到54 ℃的苹果汁中,混合并保温1～2 h;冷添加法,将酶在室温(约20 ℃)下加入苹果汁中并保持6～8 h[6]。目前,一种新的纳米生物催化技术也开始应用于苹果汁的澄清处理,该技术将酶制剂固定在磁性纳米颗粒上。研究发现该方法可以显著增强酶制剂的稳定性、缩短循环时间、改善催化效果和提高出汁率[31-32]。Seenuvasan等[32]将果胶酶固定在二氧化硅涂覆的磁性纳米颗粒上处理苹果汁,澄清效果显著。Sojitra等[31]则将复合酶制剂(果胶酶,纤维素酶和淀粉酶)同时固定在氨基功能化的磁性纳米颗粒上,经过150 min处理后,苹果汁的浊度可降低到澄清前的41%。

除了酶法处理,传统的澄清剂,如膨润土、明胶、酪蛋白、硅溶胶、聚乙烯吡咯烷酮等均被用于苹果汁的澄清处理[33]。近年来,新型的天然澄清剂越来越受到关注,例如壳聚糖,主要来自真菌发酵或提取于虾壳,已被用于苹果汁澄清[34-35]。壳聚糖作为天然阳离子澄清剂,具有良好絮凝能力,能与苹果汁中带负电荷的胶体物质发生静电作用,形成凝集,使果汁得到澄清[36]。另一方面,壳聚糖作为一种多聚糖,可以通过氢键和范德华力与多酚、富含脯氨酸蛋白质等浑浊形成物质的相互作用,避免苹果汁出现后浑浊[37]。田其英[38]优化了壳聚糖澄清苹果汁的工艺条件,结果表明在温度50 ℃时、壳聚糖添加量为0.32 g/L、澄清60 min的条件下,所得苹果汁透光率达到97%以上。Rocha等[37]发现,壳聚糖的添加剂量减低160倍后,仍能达到与高浓度膨润土相似的澄清效果。壳聚糖作为生物体产物,具有天然、安全、无毒、无害等特点,已被美国食品药物管理局(FDA)批准为食品添加剂[36]。

通常酶法或澄清剂处理后,苹果汁将从沉降槽中被泵出,进一步过滤分离。传统分离方法有压力叶、旋转真空、框架、带式过滤装置等[6]。近年来,膜分离技术在苹果汁澄清过滤方面也得到广泛应用,特别是微滤、超滤等技术。通过超滤澄清法,不仅能起到减菌和去除过量酶制剂的作用,还能避免澄清剂的使用,降低操作成本,更好的保留苹果汁的芳香成分,提高产品品质[39-40]。

4 混浊稳定技术

对于NFC苹果浊汁来说,体系的混浊稳定性是重要的质量评价指标。如图1所示,苹果浊汁的液体体系主要组成成分包括糖、有机酸、矿物质等,而体系中的云状颗粒则由果肉颗粒、蛋白质、脂类、酚类、果胶等物质组成[41]。根据Beveridg[17]对70多种苹果汁成分分析,苹果浊汁的悬浮颗粒中的果胶含量并不高,仅占总量约2%,蛋白质和脂类物质是主要组成成分,合计占总量的70%,其次是原花青素等酚类物质,占总量的5%左右(表2)。苹果浊汁的云状颗粒稳定性通常遵循斯托克斯沉速公式(公式1)。由该沉降公式可知,苹果汁的混浊稳定性与颗粒大小、粘度、果汁溶液和颗粒的密度差等因素密切相关,其中颗粒粒径、密度差与沉降速度成正比,而果汁粘度与其成反比。可见,云状颗粒的粒度和果汁粘度是影响混浊稳定性的重要因素。

表2 苹果浊汁中颗粒物质的主要组成成分

式(1)

式中：V是沉降速度(m/s);d是粒径(m);ρ2和ρ1分别是颗粒密度和溶剂密度(kg/m3);η是果汁动态粘度(kg/m·s);g是重力加速度(m/s2)。

苹果浊汁中的颗粒体系一般认为是以带正电的蛋白质为核心,果胶分子吸附其上[42]。基于经典的DLVO理论(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek),胶体粒子的稳定性将取决于有吸引力的范德华力和排斥静电力、水合力之间的平衡[43]。NFC苹果浊汁中的大悬浮颗粒在重力作用下沉积,而悬浮于体系当中的云状细小颗粒(颗粒范围为1 nm～10 μm)因具有胶体性质,可以稳定悬浮于果汁体系中[42,44]。因此,通过大孔过滤或低速离心处理,除去果肉及不稳定大颗粒,仅保留细小的云状颗粒,能获得混浊稳定的NFC苹果浊汁。

对于富含果肉的NFC苹果浊汁,由于含有大量的大粒径颗粒,体系呈现“非胶体”或非布朗分散状态,导致果汁的布朗运动和颗粒间相互作用力可忽略不计。因而非流体动力学参数,如颗粒形状、颗粒大小和分布、颗粒可变形性和液体极性等,都将严重影响果汁的混浊稳定性[42]。高压均质技术是加工NFC果肉苹果浊汁重要的加工工序,通常处理压力为20～60 MPa,可以改变果汁中颗粒的形状、分散性、体积分数、颗粒最大聚集率、黏性等特性[45]。在高压均质处理过程中产生的压力梯度、剪切力、空穴作用可以使苹果汁中的悬浮颗粒粒径减小、增加悬浮颗粒的表面积、以及颗粒之间的相互作用。同时,高压均质技术还能进一步破碎细胞结构,释放细胞壁成分(如果胶、蛋白质等),使得颗粒之间、颗粒与果汁之间的相互作用增强,引起黏度的变化[46]。

除此之外,添加稳定剂也是提高果汁混浊稳定,避免分层沉淀的重要手段。常见的稳定剂包括果胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素、阿拉伯胶、瓜尔胶、黄蓍胶、黄原胶、胶凝糖及它们的混合物[41]。Ibrahim等[47]发现羧甲基纤维素、黄原胶和果胶能显著提高苹果浊汁的稳定性。近年来,随着欧洲国家“食品清洁标签(Food clean label,FCL)”理念的兴起,天然果蔬原料取代传统的稳定剂在NFC苹果浊汁加工当中也得到使用。Yi等[48]将金猕猴桃作为天然配料添加于果肉苹果浊汁中,不仅可以减缓苹果浊汁的褐变发生,更能显著的提高果汁的混浊稳定,在42 d的低温贮藏过程中,添加猕猴桃浆的NFC果肉苹果浊汁未出现可见的分层沉淀。

5 杀菌与包装技术

目前在NFC苹果汁加工领域,热杀菌技术仍是应用最为广泛的杀菌技术,该技术通过升高温度,达到杀菌、钝酶的效果,可有效的延长产品的货架期。随着杀菌技术不断革新与优化,提高杀菌温度、缩短杀菌时间成为新型热杀菌技术的发展趋势,其中高温短时杀菌技术(High-temperature short-time,HTST)结合热灌装以及超高温瞬时杀菌技术(Ultra high temperature,UHT)结合无菌灌装是目前最受欢迎的两种热杀菌技术。对于NFC苹果汁来说,HTST的杀菌条件为77～88 ℃、25～30 s,而UHT苹果汁的常用加工条件为138 ℃,2 s以上,通过这样的杀菌条件,果汁可常温储存8个月以上[49]。根据技术和设备的不同,热杀菌又可分为连续式或分批式,果汁可先进行灌装再杀菌或先杀菌再热灌装。在连续式杀菌过程中,果汁将通过热交换器,经过预热、加热、恒温和冷却等步骤,以达到杀菌的效果[50]。

尽管热杀菌技术能有效的杀灭果汁中的致病菌、腐败菌和产毒菌,钝化内源酶,延长产品货架期,但高温会对颜色、风味、营养、质构以及功能等品质可能会造成不良的影响。随着社会的进步、生活水平的提高和人们对营养健康的关注,消费者对果汁的新鲜口感和品质要求也在不断提高,从而诞生了非热加工技术(Non-thermal processing technology)。目前,大量的非热加工技术开始应用于果汁加工,其中超高压技术是最受关注且商业化程度较高的非热杀菌技术之一[51]。据不完全统计,目前全球已有超过60家公司使用超高压技术加工食品,设备高达300余台,主要分布于美洲(56%)、欧洲(24%)、亚洲(14%)和澳洲(6%),超高压加工食品中果汁饮料制品占总量的约30%,所占比例最高[52]。

超高压杀菌技术是一个物理过程,加工过程中,整个食品受力均一,压力传递速度快,不存在压力梯度,而热杀菌为了达到样品中心预定的温度,可能出现加热点或表面过热的现象。超高压技术基本效应是通过压缩样品的体积(即减少物质分子间/原子间的距离),从而使得物质的电子结构和晶体结构发生变化。该技术只作用于生物大分子中的氢键、离子键和疏水键等非共价键,不破坏共价键。因此,对维生素、色素和风味物质等小分子化合物的影响不显著,从而使食品较好地保持了原有的营养、色泽和风味[53]。超高压加工需先对果汁进行包装再处理,为保证食品和包装的完整性,包装材料应有足够的韧性耐受力。金属罐和玻璃瓶由于他们具有不可逆性变形和易破碎性,不适用于超高压加工,而纸基包装材料由于它们的变形性也不能用于超高压食品的预包装。相对而言,软塑料具有弹性,能够恢复原状,良好的热封性更有利于防止后污染的发生,该材料目前被广泛应用于超高压果汁加工。曹霞敏[54]对比了聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)和尼龙聚乙烯(NP)三种软塑料包装材料在超高压加工过程中的特性变化,根据卫生指标及对果汁品质保留效果的分析,发现PET瓶是最适于超高压果汁加工的包装材料。果汁在灌装之后,将进行超高压处理,主要加工过程如图3所示,包括加载样品→加压→保压→泄压→卸载样品等加工环节[52]。超高压处理的NFC苹果汁,商业常用的杀菌条件为室温600 MPa,保压2～9 min[55]。超高压技术致力于常温或稍高于常温下处理食品,不存在升温、保温与冷却环节。与传统热杀菌技术相比,显著降低能耗,属于低碳经济技术。超高压每吨产品电量与水量消耗分别只有传统热杀菌的15%和50%左右,是一项“绿色”的加工技术,对环境污染较小。超高压杀菌技术已被美国农业部食品安全与监察局(USDA-FSIS)认证并被消费者接受,可广泛应用于果汁加工领域[52]。超高压技术作为一种新型的食品加工技术具有一定的优越性,但任何一项技术都具有局限性。比如,超高压技术在常温处理下对芽孢的杀灭效果不显著,使得超高压果汁多需要冷链运输与低温销售,以保证其食品安全性,同时该产品的货架期也比传统热杀菌果汁短。另外,超高压加工无法完全钝化果汁中内源酶(如PME、PPO、POD酶等),甚至可能出现激活的现象,这些残余的内源酶可能使苹果汁在贮藏过程中出现褐变、分层等感官品质劣变,并伴随着风味物质的变化[48]。

图3 超高压技术生产线俯视图[52]

6 展望

随着人们对高品质果汁需求的不断增大,最少加工的NFC苹果汁必将成为市场发展的主要趋势。目前,NFC苹果汁在我国仍处于初级发展阶段,产品市场占有率低、产品品质层次不齐、品质控制关键技术有待提高,因此科学技术人员应该随着消费者的需求,寻求适合NFC苹果汁加工的更优生产工艺和新型关键技术。例如NFC苹果汁极易出现的快速褐变和分层沉淀问题。在褐变控制方面,目前国内外主要通过在加工过程中添加维生素C等抗氧化剂、减少氧气接触以及原料热烫等手段控制酶促及非酶褐变。而混浊稳定性方面,主要通过高压均质、添加稳定剂、改变粒子的电负性等手段加以改善。这些方法虽然在一定程度上可以缓解NFC苹果汁的感官品质变化,但在最少加工和食品清洁标签理念的大趋势下,如何基于现有的技术手段,通过更天然的配料添加、更简单的配料组成、更轻微的加工方式去解决NFC苹果汁的褐变、沉淀问题,得到更高品质、更稳定、更天然的果汁,是当前NFC苹果汁加工产业重要的研究任务。