超高压技术在果汁加工中应用的研究进展

王明雪，赵江丽，关晔晴，关军锋,*，王永霞

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸056000；2.河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所，河北 石家庄050051）

超高压是指大于100 MPa的压力，一般把对物体施加大于100 MPa压力的技术称为超高压技术（Ultra-high pressure，UHP），该技术在冶金、化工、成型、切割及食品等领域均有应用。将100～1 000 MPa的静态液体压力施加于包装好的固态或液态食品上并保持一段时间，可以起到对食品杀菌灭酶和保鲜加工的目的[1]。采用UHP进行食品灭菌保鲜可以在延长食品保质期的同时，更好地保留其营养物质和风味特点，UHP灭菌是果汁加工中最常用的灭菌手段[2]。本文从UHP处理工艺参数对微生物的灭活效果、果汁品质和酶活性的影响3个方面进行综述，阐述了UHP处理中的常见问题与技术难点，以期为UHP的应用提供参考。

1 影响果汁中微生物灭活效果的UHP工艺参数

采用UHP对果汁进行处理时，其工艺参数（压力、保压时间、过程温度、升压和卸压速率及加压次数[3-4]）的不同，会对微生物的灭活效果产生影响。

1.1 压力

研究表明，压力是UHP处理中影响微生物灭活效果的主要因素，随着处理压力的升高，微生物灭活效果增强[5-6]。草莓汁经200 MPa或250 MPa处理120 s后，耐酸大肠杆菌数对数值分别减少3.52和4.02[7]。UHP处理树莓汁时，处理压力越高，大肠杆菌、沙门氏菌、酵母菌和霉菌等微生物的灭活效果越好[8]。对南果梨汁的超高压灭菌研究中发现，当压力由200 MPa升高到300 MPa时，菌落总数由8×103CFU/mL减少到0.26×103CFU/mL，灭活效果显著提高[9]。其原因可能是随着压力水平增加，微生物细胞被破坏的几率也随之增加。

1.2 保压时间

保压时间对微生物灭活效果的影响次之，延长保压时间可以更有效地破坏微生物细胞。处理压力为350 MPa时，对南果梨汁的保压时间由5 min增加到25 min时，菌落总数由319 CFU/mL降至14 CFU/mL，微生物数量显著减少[9]。研究发现，用300 MPa的压力处理蓝莓汁24 min，微生物的灭活效果明显优于6 min[10]。随着保压时间的延长，杨桃汁中细菌存活数量明显减少[11]。经UHP处理的草莓汁中，菌落总数随保压时间的延长而显著减少，但总体减少趋势是先快后慢再快速减少，这可能是由于在压力处理下，部分耐压性弱的微生物迅速死亡，随着保压时间的延长，其他微生物也会陆续灭亡，从而使灭菌效果增强[12]。

1.3 过程温度

UHP处理的过程温度对微生物灭活效果的影响也比较明显[13]，在高于或低于常温下进行UHP处理的微生物灭活效果均优于常温[14]。研究表明，多数的微生物在-20℃下的灭菌效果优于20℃。UHP处理对冷冻样品中大肠杆菌的灭活效果显著优于常温样品[13]，这与低温高压下菌体细胞膜的结构更易被破坏有关[15]。在高于常温的UHP处理中，微生物被灭活的比率随温度升高而增加。猕猴桃果汁经30℃、400 MPa处理可达到商业无菌状态，而将温度升高到50℃时，仅需200 MPa的压力即可达到商业无菌状态[16]。有研究发现，细菌细胞对20～35℃的静水压力相对不敏感，当操作温度大于35℃时，细菌细胞对压力变得敏感，这可能与细菌细胞膜脂的相变及其流动性的变化有关[17]。

1.4 升压和卸压速率

升压、卸压速率也会对杀菌效果产生影响。缓慢的升压速率可能会引起细菌细胞的应激反应，从而影响微生物的失活率。提高升压速率可以增强UHP处理对总好氧菌（Total aerobic bacteria）的灭活效果，采用60 MPa/min的速率加压，失活的总需氧菌数的对数值为0.8～1.3，采用120 MPa/min的速率加压，失活的总需氧菌的对数值则升高到0.88～2.14[18]。采用快速卸压的方式可以提高对大肠杆菌、沙门氏菌、绿脓假单胞菌、副溶血性弧菌的灭菌效果[3]。Ratphitagsanti等[19]发现，在卸压速率不变的情况下，较慢的升压速率使解淀粉芽孢杆菌TMW 2.479孢子的失活率更高。但在相同的加压梯度条件下，不同的升压速率对英诺克李斯特氏菌（Listeria innocua）的灭活效果差异不显著[20]。由上可知，营养细菌细胞、酵母和细菌孢子对压力的敏感性不同，因此，有必要研究不同微生物在不同升压和卸压条件下的活动情况。

1.5 加压次数

增加加压次数可以提高果汁中微生物的灭活效果。猕猴桃果汁经400 MPa加压1次时菌落总数小于100 CFU/mL，加压2次时，杀菌率可达100%，果汁达到商业无菌状态[21]。第1次加压具有活化芽孢菌芽孢的作用，会引起芽孢菌芽孢发芽变成营养细胞，芽孢菌的营养细胞对压力非常敏感，所以第2次加压便很容易将已成为营养细胞的芽孢菌杀死[22]。因此，重复加压处理具有明显的杀灭芽孢的作用。

2 UHP处理对果汁品质的影响

果汁品质的变化是影响果汁产品货架期的重要原因，评价果汁品质的指标主要有理化指标、营养指标和香气品质。

2.1 UHP处理对果汁理化指标的影响

果汁理化指标主要包括：可溶性固形物含量（SSC）、pH值、色度、浊度等。

大多数水果如橙子[23]、香蕉[24]、猕猴桃[16]、椰子[25]、杨梅[26]、山荆子[27]、柠檬汁[28]、柑橘汁[28]等，经超高压处理后，SSC变化较小，无显著性差异。但是，桑葚果汁经700 MPa保压5 min处理后SSC增加了近30%[29]；鲜杨桃汁经UHP处理后SSC由10.1°Brix降低至9.7°Brix，在冷藏40 d后逐渐降低至9.1°Brix；SSC在冷藏期的降低可能与果汁中未被灭活的微生物需要糖作为营养来源继续生长，导致葡萄糖、果糖和总糖含量下降有关[11]。

果汁经UHP处理后pH值变化不一致。对南果梨汁的研究发现，压力由200 MPa升高到500 MPa时，pH值由3.84降低到3.66；350 MPa压力下保压时间由5 min延长到25 min时，pH值由3.88降低到3.82；随着UHP压力的升高和保压时间的延长，果汁的pH值显著降低[9]，可能是由于压力升高使水溶液的电离平衡向生成更多H+的方向进行，引起受压介质pH值下降。桑葚汁经UHP处理后pH值上升，且随压力增大pH值变化显著[29]，草莓汁经300 MPa分别处理20 min、30 min、40 min后与处理前无显著差异，但压力大于300 MPa会使草莓汁pH值随压力升高显著增加[12]，这可能与果汁的制备方法及其化学成分有关。

色度是评价果汁品质的重要指标之一，一般用色差仪进行测定，结果用L*、a*、b*值表示，其中，L*值表示果汁的明暗度，a*值表示红绿偏向，a*＞0颜色偏红，a*＜0颜色偏绿，b*值表示黄蓝偏向，b*＞0颜色偏黄，b*＜0颜色偏蓝。经UHP处理后色度变化在不同类果汁中差异较大，苹果、草莓、橙、蓝莓、山荆子等果汁的色度参数随压力升高呈无规律性变化，且差异不明显。南果梨汁的L*值随压力升高而下降[9]，超高压处理对西番莲果汁的色度无显著影响[30]。这可能与果汁的固有属性及果汁中的酶活性有关，也可能与果汁中多酚类物质与氧气充分接触而被氧化，导致果汁褐变程度增加有关。

果汁的浊度可以直接反映出果汁的稳定程度和品质。UHP处理影响果汁浊度变化的因素较多。草莓浑浊汁经UHP处理后浊度减小，但不同压力作用下浊度的减小速率不同。压力温度协同处理后，猕猴桃清汁的浊度略有减小[16]，这可能是由于高压和热处理使果胶降解增多，果汁黏度增大，减少了悬浮颗粒在离心过程中的沉淀，进而使浊度减小[12]。对澄清苹果汁的研究中发现，UHP处理对其浊度影响不显著[31]，这可能与苹果汁本身的澄清度有关。UHP处理导致浊度变化的可能原因有：①破碎的果肉细胞促进了化学成分的溶出；②UHP引起与果汁状态相关的细胞壁水解酶，如果胶甲酯酶（PME）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）等活性的变化；③果汁自身组织状态的不同[32]。

2.2 UHP处理对果汁营养成分的影响

果汁的营养成分包括还原糖、有机酸、维生素、蛋白质等。

有研究发现，UHP处理对橙汁的糖浓度和还原糖含量没有显著影响[33]。超高压处理对苹果汁糖和酸的浓度影响很小[34]，这可能与UHP一般只对食品中各组分分子间的非共价键起作用[35]有关。

大多数果汁经UHP处理后VC含量明显下降，如菠萝汁、杨梅汁、山荆子汁、猕猴桃汁、苹果汁[34]等。猕猴桃汁经UHP处理后VC含量降低了14.89%[21]，其原因是超高压处理加速了氧气与VC的接触，使VC被氧化[28]。草莓浆[36]、浑浊苹果汁[37]经UHP处理后VC含量无明显变化。

一般认为，UHP会破坏蛋白质的3级和4级结构，引起蛋白质变性[35]，使果汁中的蛋白质含量降低，但这对蛋白质含量低的果汁影响不大，如UHP处理后，蓝莓汁中蛋白含量为1.1～1.5 mg/mL，与处理前蛋白含量相比无明显变化[10]。

2.3 UHP处理对果汁香气成分的影响

香气成分的种类与含量直接决定果汁的香气品质。滋味鲜美、气味浓郁的果汁更受消费者欢迎。果汁中香气化合物的种类及含量变化与UHP处理压力和保压时间有关。大量研究表明，UHP对果汁的特有香气成分影响较小，如苹果汁、杏汁等。橙汁经400 MPa保压10 min处理后，香气成分变化不明显[38]。芒果汁经UHP处理后其香气成分中的β-月桂稀、α-水芹烯等萜烯类物质含量均显著下降[39]。黑莓汁在300 MPa保压10 min处理后，其香气成分中的醇类、酸类、酯类物质含量均减少，而酮类、醛类物质含量增加[40]。UHP处理导致香气成分变化的原因可能与香气成分在高压环境中发生化学反应及相关酶对香气物质的影响有关[32]。

3 UHP处理对果汁中酶活性的影响

果汁中常见的酶包括过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、果胶甲酯酶等，其酶活性的高低直接对果汁的褐变程度、风味及稳定性等造成影响。

3.1 压力对酶活性的影响

压力对酶活性的影响是双重的，较低的压力会激活酶的活性，而较高的压力会抑制酶的活性。25℃，压力为200 MPa时，保压5 min或20 min，橙汁中的POD被激活，其活性随压力的升高而增大；压力高于200 MPa后，酶活性随处理压力升高而降低[41]。白葡萄汁经300 MPa和600 MPa处理后，POD活性分别降低了73.1%和52.1%[42]。鲜榨荔枝汁经300 MPa处理后，POD活性变化不明显，但经450 MPa处理后POD活性显著降低[43]。Krystian等[37]研究表明，不同UHP处理参数均导致苹果汁PPO和POD失活，其中压力的影响最大，压力600 MPa时，PPO和POD活性分别下降到1.8%和58%。芒果、胡萝卜混合果汁经超高压处理后PPO活性降低，但POD活性却增加了约30%。高压可以增加植物膜中酶和底物的释放，甚至可以改变其2级和3级结构，这种构象变化可以改变酶活性及其底物特异性，暴露新的活性位点，激活潜在同工酶，并修饰其功能[44]。

3.2 处理时间和温度对酶活性的影响

保压时间和温度对酶活性影响较小。梨汁中PPO活性随处理时间的延长而降低，达到阈值后，再延长保压时间对酶活性几乎没有影响[45]。在100 MPa压力下，处理12 min和24 min时，蓝莓汁中POD活性残余量与处理6 min相比分别减少了2.22%和8.9%[10]。但在小于200 MPa的范围内，时间的延长对草莓汁中PME的钝化效果无显著影响，随着压力升高，UHP对PME的钝化作用随时间延长而显著减小，500 MPa条件下分别处理20 min和30 min，酶活性由85.39%降低到80.12%[12]。温度协同超高压对梨汁中PPO活性的降低效果较好，且温度越高协同抑制效应越明显[45]。芒果浆经热烫后再进行超高压处理，其PPO和POD活性也存在被钝化的现象[39]。方亮[16]研究认为，升温会弱化酶蛋白的某些氢键、疏水键、离子键和静电相互作用，高压可增强这种弱化作用，使酶的三维构象受到破坏而加速其失活。

4 小结与展望

果汁是一个复杂的体系，UHP处理对果汁的影响受果汁品种、类型、加工工艺参数等多种因素影响。目前的研究结果明确表明，UHP可以使果汁中微生物灭活，同时较好地保留果汁的营养品质及其特有香气，但多数情况下UHP不能使果汁中的酶完全灭活，易导致果汁在货架后期发生品质劣变，缩短保质期[32]。因此，将UHP大规模地应用于工业化生产，应针对特定果汁产品开发适用的加工工艺。同时，在UHP处理果汁的工艺中，还可以联合电解质水、超声波、紫外线、热处理、低温储藏、脱气等手段，最大程度维持果汁的营养品质，延长其保质时间。