不同抗氧化剂对非浓缩还原苹果汁香气质量影响研究进展

刘慧，赵鹏涛,2,3*，王晓宇,2,3，赵建荣，曹晓蒙，孟永宏,2,3，郭玉蓉,2,3

1(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，陕西 西安，710100)2(国家苹果加工技术研发专业中心，陕西 西安，710100) 3(西部果品资源高值利用教育部工程研究中心，陕西 西安，710100)4(杨凌环球园艺有限公司，陕西 咸阳，712100)

苹果居世界四大水果之首，我国苹果总产量约占全球总产量的55%[1]。苹果加工是延长产业链，提升产品价值的有效手段。非浓缩还原(not from concentrate，NFC)苹果汁是将新鲜苹果清洗后榨汁，经杀菌后直接灌装而制成，凭借其新鲜、自然、安全等特点逐渐受到越来越多消费者的欢迎[2]。NFC苹果汁与浓缩还原苹果汁相比，口感更丰富，营养成分保留更加充分，并且香气特征更突出[3]。然而，NFC苹果汁由于加工和贮藏条件苛刻、货架期短、价格较高、质量稳定性差等原因发展缓慢。

香气质量是评价NFC苹果汁感官品质的决定性因素之一。苹果汁原料的品种、产地、成熟度以及苹果汁的加工方式和贮藏条件都会影响苹果汁香气质量，其中加工及贮藏过程中的氧化褐变是影响NFC苹果汁香气质量的重要因素[4]。当前NFC果汁加工产业中主要使用抗坏血酸、亚硫酸等抗氧化剂抑制氧化褐变，护色的同时对其香气质量有明显的调控作用。亚硫酸是最常用的抗氧化剂，成本低廉，常用于果酒的抗氧化与杀菌，但是具有一定的毒性，急需替代产品。抗坏血酸和谷胱甘肽是果蔬中本身存在的天然抗氧化剂，近年来其对果蔬加工产品的香气质量影响受到了越来越多的关注。本文综述了NFC苹果汁香气质量的物质基础以及关键影响因素，并围绕抗坏血酸、亚硫酸和谷胱甘肽这3种抗氧化剂对香气质量的影响展开对比论述，期望为NFC苹果汁生产及贮藏过程中香气质量的保持与调控提供参考依据。

1 NFC苹果汁及其主要香气组分和质量

根据制作工艺的不同，NFC苹果汁可分为三类：NFC苹果清汁、NFC苹果浊汁以及NFC果肉苹果浊汁。苹果原材料的处理是NFC果汁加工的第一步，糖酸比在10∶1～15∶1的苹果原料是制汁的理想选择[5]。国内产量最大的“富士”苹果，风味偏甜且香气突出，综合质量最好[6]，常与酸味苹果(如澳洲青苹果)混合作为主要原料生产NFC苹果汁。

苹果汁的典型香气取决于其香气组分，目前国内外研究者已鉴定出300多种香气物质[7]。苹果汁香气物质组成根据苹果品种、产地、原料成熟质量、加工过程和贮藏过程不同而有一定的差异[4]。如表1所示，苹果汁中的香气物质主要包括酯类、醇类、醛类、酮类、萜烯类、酸类等。

1.1 酯类

酯类化合物是苹果汁的甜香和果香味的主要风味特征来源，苹果汁香气的品质也往往用酯类化合物的总量来评价。苹果汁中的酯类物质主要包括丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸己酯等[16]。有研究证明丁酸乙酯和2-甲基丁酸乙酯是苹果汁的特征香气物质，其中丁酸乙酯呈现出菠萝味和甜香味，2-甲基丁酸乙酯呈现出果香味和甜香味[17]。此外，酯类香气化合物的气味阈值一般比较低，特别是2-甲基丁酸丙酯，具有甜香和果香的特征，尽管其含量较低，但对苹果汁香气质量影响较大[8]。

表1 NFC苹果汁中已检测出的主要香气成分Table 1 Main aroma components detected in NFC apple juice

1.2 醇类

醇类物质阈值较高，因其相对含量较高，也是苹果汁中重要的香气物质[18]。苹果汁中的醇类最主要是1-丁醇、3-甲基-1-丁醇和正己醇[19]。吴昕烨等[10]研究发现，3-甲基-1-丁醇的浓度越低，苹果汁的香气质量更高。而1-丁醇和己醇对苹果汁的风味具有积极作用，增加苹果汁的甜香和清香，这2种物质在苹果汁贮藏期间变化不大。

1.3 醛类

醛类香气是苹果汁中的清香气味来源，主要包括乙醛、己醛、反-2-己烯醛。比如反-2-己烯醛，呈现出清淡的苹果香气以及青草香气，被多篇文章报道是苹果的特征香气物质之一[20]。醛类物质是苹果汁破碎后酶促褐变产生的，在贮藏过程中呈升高的趋势。

1.4 萜烯类

萜烯类物质在果汁中含量较低，因其阈值普遍相对较低(一般在50 μg/L以下)，因此较少量的萜烯类存在既可赋予果汁果香和甜香。α-法尼烯是其中最主要的萜烯类物质，呈现花香和果味的香气特征。苹果汁中的萜烯类香气物质不稳定，丑述睿等[21]发现苹果汁放置12 h后萜烯类物质的种类和含量都有所减少。

1.5 其他香气物质

除酯类、醛类和醇类物质以外，苹果汁的香气物质中还鉴定出少量酮类和酸类物质。酮类物质主要包括：6-甲基-5-庚烯-2酮、β-大马士酮、香叶基丙酮和β-紫罗兰酮，赋予苹果汁花香和果香。酸类物质主要包括：己酸、壬酸和癸酸，有着奶酪的香味。

2 褐变对苹果汁香气质量的影响

褐变是苹果汁加工过程中的常见反应，主要有酶促褐变和非酶促褐变。褐变会影响苹果汁的风味和品质，从而影响消费者接受性。

2.1 非酶褐变

苹果汁中的非酶褐变主要发生在杀菌和贮藏过程中[22]，在果汁颜色改变的同时，也会影响果汁的香气质量，NFC苹果汁贮藏越久，颜色越深且香气质量越差。焦糖化反应、美拉德反应、抗坏血酸的氧化和多元酚的氧化缩合反应等变都属于非酶褐变。非酶褐变反应历程如图1所示：

①-美拉德反应；②-Amadori分子重排；③-糖的脱水作用；④-糖的裂解； ⑤-Strecker降解作用；⑥-醇醛缩合作用；⑦-醛胺聚合作用图1 霍氏褐变反应历程综合图[23]Fig.1 Comprehensive diagram of Hodge browning reaction history

非酶褐变反应会生成类黑素和还原性酮、醛类物质，从而影响苹果汁的香气质量。苹果汁中的酚类物质主要有儿茶素、表儿茶素、绿原酸、根皮苷等，有研究发现，含有邻苯二酚、邻苯三酚、对苯二酚基团的多酚(如儿茶素、表儿茶素等)容易发生氧化褐变，从而影响果汁的品质和风味[24]。

2.2 酶促褐变

酶促褐变主要发生在苹果汁生产的前端工序, 如破碎、榨汁、过滤等阶段[22]，酶促褐变的必要条件有3个：酚类底物、酚氧化酶和氧[25]。在有氧的环境下，多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)催化苹果中的多酚，产生棕色色素[26]，也会影响食品的营养价值和感官品质并会引起部分香气物质发生改变，所以应当在榨汁之前在物料中添加抗氧化剂来防止酶促褐变的发生。苹果汁生产中常见的抑制酶促褐变的方法有：(1)物理方法：如热处理钝化PPO酶活性，低氧减缓褐变反应等；(2)生物技术：利用常规育种和基因工程的方法培育出低酶促褐变的苹果栽培品种；(3)化学方法：添加褐变抑制剂(抗氧化剂、还原剂、螯合物、络合物和酶抑制剂)抑制褐变[27]。有研究发现酶促褐变后的苹果汁中，正丁醇、2-甲基-1-丁醇、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯呈现的果香特征增强，而乙醛、反-2-己烯醛、3-甲基-1-丁醇、乙酸乙酯、己醛所呈现的清香香气特征降低[20]。COETZEE等[28]也发现，在酚类的氧化过程中，邻苯二酚、醌和半醌自由基是都可能加速硫醇类香气物质的损失(图2)。

图2 多酚氧化物及醌参与的硫醇类香气氧化机制[28]Fig.2 Possible mechanisms of the oxidation of thiols induced by polyphenols and quinone

总之，NFC苹果汁加工过程中的氧化褐变会引起香气质量的变化，造成香气的损失从而影响苹果汁的品质，因此，在苹果汁生产中，抗氧化剂的使用较为普遍，虽然更多的是为了抑制苹果汁的氧化褐变，但其对苹果汁的香气也有重要影响，包括抑制氧气与多酚氧化酶的作用，从而能在一定程度上改善苹果汁在生产和贮藏期间的香气质量。

3 常见抗氧化剂对苹果汁香气的影响

3.1 抗坏血酸

抗坏血酸和其钠盐也可作为一种抗氧化剂用于食品中，可防止食品和饮料变色、变味，因其安全有效的特点，是研究者们常研究的抗氧化剂。抗坏血酸对多酚氧化酶的作用分为以下3个方面：(1)在中间体邻醌反应成棕色颜料前与之结合，将其还原为酚类化合物；(2)与PPO酶中的Cu2+螯合，使得酶失活而抑制褐变；(3)PPO酶直接氧化，起竞争性抑制的作用[29]。但是抗坏血酸的有效性十分短暂，当抗坏血酸完全还原成为脱氢抗坏血酸后，酶促褐变会继续反应。并且，有研究表明，抗坏血酸的添加可以很好地保护赋予苹果汁果香和甜香的酯类物质，但高浓度的抗坏血酸会影响苹果的气味，向苹果汁中添加高浓度的抗坏血酸，果汁中的己醛和反-2-己乙烯醛的浓度比空白对照苹果汁中高，这2种醛具有青草味，果汁中加入高浓度的抗坏血酸会使得果汁的生青味有所增加[30]。XU等[38]发现抗坏血酸受到外界影响也会降解而生成新的挥发性物质而影响苹果汁的风味(图3)。

图3 L-抗坏血酸降解的反应途径[31]Fig.3 Reaction pathways for the degradation of L-ascorbic acid (d = 13C)

3.2 亚硫酸(二氧化硫)

亚硫酸是目前使用最广、最常用的传统抗氧化剂，具有抗菌、增酸的效果。亚硫酸的优点在于有明显的抗氧化效果，可以保护酯类、醇类以及脂肪酸类的香气物质[32]。亚硫酸作为二元酸在溶液体系中主要有3种存在形式：游离态的SO2分子、亚硫酸氢盐离子以及亚硫酸盐离子，各形态存在比例受溶液pH、温度等因素的影响。在NFC苹果汁体系中(pH 3～4)，主要以亚硫酸氢盐离子存在。有研究显示，亚硫酸可以破坏PPO的活性从而抑制酶促褐变的发生，且在微酸性pH 6条件下，抑制酶促反应的能力最强，且0.01 g/kg的二氧化硫可以完全抑制酚氧化酶的活性[33]。故SO2可用于抑制NFC苹果汁中褐变而提高其品质。从香气物质合成途径来讲，SO2的存在还可能阻断有机脂肪酸氧化形成反-2-己烯醛的脂氧合酶/过氧化氢裂解酶途径[34]，从而在一定程度上影响C6化合物的形成[35]从而影响果汁香气质量。亚硫酸/SO2除了会影响果汁品质外，在其浓度过高时还具有一定毒性，过量使用也会对人体有危害，损害人体各种器官，还会影响人体内正常酶活力的作用[33]。所以目前的研究趋势是限制亚硫酸的使用，或是寻找亚硫酸的替代物质。

3.3 谷胱甘肽

谷胱甘肽(glutathione，GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸以及甘氨酸缩合形成的三肽化合物，具有较强的抗氧化性，可以抑制果汁的酶促褐变[36]。还原性谷胱甘肽是目前硫醇中含巯基最丰富的小分子化合物，在清除自由基后会被氧化为没有生理活性的氧化性谷胱甘肽(oxidized glutathione, GSSG)，只有还原形式的谷胱甘肽具有生理活性，并且GSH的巯基是负责其生化特性的活性位点[37]。对于苹果汁加工产品，谷胱甘肽的使用对香气影响的研究还不多。XU等[38]研究发现，在苹果酒中加入GSH可起到保护酚类、抑制褐变和改善风味的作用，并且值得注意的是，GSH能降低显色指数，保护绿原酸和根皮苷，降低表儿茶素和儿茶素的含量，改变香气化合物(2-甲基-1-丙醇、3-甲基-1-丁醇、苯甲酸乙酯、芳樟醇等)的含量，因此GSH可用于提高苹果酒的风味和品质。苹果汁中的酚类物质特别是绿原酸和表儿茶素含量丰富，因此还原型谷胱甘肽可能通过影响果汁中酚类化合物的含量从而影响其香气质量。

GSH处理苹果汁的褐变过程中，GSH(0.08%)可以抑制99.8%的多酚氧化酶活性。在室温下榨汁和贮藏过程中，0.08%GSH处理的苹果汁褐变指数显著降低(P<0.05)。WU[39]研究证明，在罐装苹果汁贮藏的过程中，没有添加GSH的样品组在贮藏2个月后，除味道以外的所有感官属性均明显下降；然而，使用GSH处理的样品则保持初始水平。因此，使用GSH不仅可以保持贮藏期的NFC苹果汁的香气质量，还可以改善果汁感官特征，提高果汁整体的质量。CLARK等[40]研究发现，GSH还可与反式-2-己烯醛发生反应生成3-巯基-1-己醇，因此GSH也被认为是果汁中特定香气的前体物质。故在苹果汁中加入GSH既可以起到抑制褐变和保鲜的作用，又可以增加果汁的香气。

3.4 复合抗氧化剂的协同作用

抗氧化剂之间的复配使用可以使得某些抗氧化剂的效果更好。ROUSSIS等[41]研究发现，在葡萄酒酿造中，GSH可以配合更低浓度的亚硫酸与混合使用来保护挥发性香气物质，且与传统亚硫酸使用剂量效果相当。同样，在苹果汁生产中，亚硫酸与GSH复合使用，也将对其生产及贮藏期间的氧化褐变有较好的抑制作用，进而对香气质量有着良好的保护作用，并且可以减少亚硫酸的毒性对人体的危害。

为了改善抗坏血酸的不稳定性，根据FRANCESCA等[42]，将抗坏血酸和GSH组合一起使用，能起到更好的抗氧化性作用。当GSH与抗坏血酸(500 mg/L)的比例较高(1∶1)时，GSH可以延迟抗坏血酸的降解，并且还能抑制由抗坏血酸降解产物形成的色素前体的产生。亚硫酸(二氧化硫)与抗坏血酸也可以联合使用，阻止抗坏血酸氧化，对抗坏血酸进行保护，但仍需要进一步研究。本文整理了不同抗氧化剂对不同时期香气物质的影响，研究表明，GSH和亚硫酸以及它们混合使用时的抗氧化性能最佳，其次是抗坏血酸和GSH混合使用。抗坏血酸单独使用时容易分解，导致抗氧化效果不佳[43]，因而很少单独使用。

4 结论与展望

NFC苹果汁较大程度地保留了果汁原有的风味和口感，符合人们对健康、天然、安全食品的追求。但加工过程中压榨、灭菌等工艺及贮藏都会对NFC果汁品质产生不良影响，其中发生的氧化褐变反应是引起苹果汁香气质量变化的关键因素之一。添加抗氧化剂来提高苹果汁品质有着见效快、成本低、能耗低且种类丰富的优点。目前常见的抗氧化剂有亚硫酸、抗坏血酸和GSH，其中亚硫酸对人体健康有不好的影响，而应当选择别的抗氧化剂进行替代使用，抗坏血酸是一种天然抗氧化剂，但其作用效果短暂，需加大使用剂量才能有效抑制酶促褐变，但是大量的抗坏血酸会对苹果汁的气味产生负面影响，生产中应该适量使用抗坏血酸。GSH具有良好的抗氧化性能，可以有效防止NFC苹果汁褐变，保留苹果汁的香气物质。在长期贮藏后，GSH还可以能够提升苹果汁的香气质量，是目前研究控制NFC苹果汁褐变的抗氧化剂的热点。此外，抗氧化剂之间的复配使用在显著降低使用量的同时可以更有效地抑制褐变：GSH可以与亚硫酸混合使用对NFC苹果汁贮藏期间的香气质量进行保护，以避免高剂量亚硫酸对人体的危害；GSH和亚硫酸都可以与抗坏血酸同时使用，延缓抗坏血酸的降解速度以更有效地抑制褐变，但两者复配使用的方法仍需进一步研究探索。基于目前的研究现况，新型抗氧化剂的创制以及抗氧化剂的复配使用将是食品贮藏与保鲜科学研究的重要研究方向，更加天然健康的添加剂以及新型抗氧化剂的协同作用对NFC苹果汁香气质量的保持与调控仍需要进一步研究。此外，加快研发先进的加工和贮藏技术，生产品质更高、更天然、更稳定的新型果汁产品，是当前果蔬加工产业研究的迫切任务。