高壓脈沖電場在蘋果汁加工中的應用研究進展

蔣 寶

中國的蘋果產量現居世界第一，蘋果年產量占世界總產量的40%以上。其中蘋果濃縮汁是最主要的加工產品，也是僅次于橙汁的世界第二大果汁消費品。目前，中國90%以上的濃縮蘋果汁出口到國際市場，濃縮蘋果汁已成為中國重要的出口農產品之一。蘋果汁因富含糖類、VC、果膠及多酚等營養(yǎng)成分而受到消費者喜愛。通常在蘋果汁的工業(yè)化生產中，為了延長鮮榨蘋果汁的保質期和確保其安全性，通常選用熱處理來進行滅菌。傳統(tǒng)的熱殺菌方式能夠有效地殺滅蘋果汁中的各種腐敗微生物、病原菌并鈍化酶的活性，但對蘋果汁的品質影響較大。為了克服傳統(tǒng)熱殺菌技術存在的不足，近幾年出現了非熱殺菌技術。在諸多非熱殺菌技術中，高壓脈沖電場(pulsed electric field，PEF)殺菌技術因其較好的應用特性而被業(yè)內專家廣泛關注，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ臍⒕夹g之一。PEF處理不會造成原料溫度的升高，既可以確保食品中的微生物數量在安全標準之內，又能最大限度地降低熱殺菌技術對食品品質的不利影響，此外，還可以在一定程度上改善食品的品質，而且耗能低、處理時間短，在果汁深加工中表現出了獨有的優(yōu)勢。

近20年來，國內外學者將PEF技術在橙汁[1-4]、蘋果汁[5]38-49[6-7]、葡萄汁[8-9]、藍莓汁[10]52-57、西紅柿汁[11]和葡萄酒[12-13]等果蔬制品的加工中應用研究較多。影響PEF殺菌效果的因素包括處理參數(處理溫度、處理時間、電場強度、脈寬、單雙極性、頻率等)、介質條件(產品組分、pH值、電導率等)和微生物性質(微生物種類、濃度、生長期等)三大類[14-15]。本文在收集相關文獻報道的基礎上，著重就PEF技術在蘋果加工中的應用研究現狀進行綜述，以期為PEF技術更好地應用于蘋果加工產品提供研究依據。

1 PEF處理對蘋果微形態(tài)特征的影響

研究證明經適當的PEF處理能提高蘋果的出汁率，促進蘋果中多酚等生物活性物質的提取[16]，從而有助于降低加工過程中果實的浪費，提升蘋果汁的品質。為進一步揭開上述研究結果的作用機理，國內外學者圍繞著PEF處理對蘋果微形態(tài)特征的影響開展了相關的研究。Bazhal等[17]研究表明：PEF處理可導致蘋果果實細胞發(fā)生質壁分離，細胞膜通透性增加，細胞液外滲；PEF處理降低了蘋果果實細胞膜孔洞的直徑，增加了孔洞的密度。Lohani等[18]對發(fā)酵過程中蘋果渣進行PEF處理，并通過電鏡掃描發(fā)現：PEF處理后細胞的纖維結構發(fā)生斷裂，部分細胞器呈不規(guī)則形狀。馬理姣[19]33-38研究證實：隨著PEF處理強度的不斷增大，果肉細胞結構逐漸松散、排列變得無序，而且細胞壁出現明顯的破裂和卷曲。類似的研究結果在葡萄[20]、橙子[21]等水果上也有發(fā)現。

關于PEF處理對果實組織外在形態(tài)和內在結構影響的機理，目前以電穿孔理論為主。該理論認為外加電場可以影響細胞膜的正常結構和膜上孔洞的大小，改變細胞膜的通透性，導致小分子物質通過孔洞進入細胞，隨著小分子物質的逐漸增多，細胞體積不斷膨脹，膨脹至一定程度后，細胞膜就會破裂，導致細胞內物質外漏，最終表現為果實的出汁率和多酚等活性物質的浸提率均有所增加[10]58-59。

2 PEF處理對蘋果汁中微生物的影響

PEF殺菌試驗的指示微生物包括金黃色葡萄球菌(S.aureus)、大腸桿菌O(157)(E.coliO157:H7)、單核細胞增生李斯特氏菌(L.monocytogenes)和酵母菌等。目前，學者們已圍繞PEF對果蔬的殺菌效果進行了深入的研究，但以蘋果及其制品為研究對象的報道并不多。李靜等[22]利用PEF對接種于蘋果清汁中的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的鈍化的研究表明：隨著處理時間、電場強度和果汁電導率的增大，PEF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的鈍化效果增加，其中PEF處理對后者的鈍化效果更顯著；此外，選用PEF處理大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的臨界電場強度分別為16.4，15.9 kV/cm。但Damar等[23]報道金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的臨界處理電場強度分別為11.30～11.72，11.21～12.19 kV/cm；Grahl等[24]認為大腸桿菌的臨界處理電場強度應為11.9～14.2 kV/cm。造成上述研究結果差異的原因可能是微生物菌株和PEF處理條件的不同；鐘葵等[25]的研究表明：PEF處理可以降低蘋果汁中細菌、霉菌和酵母菌的數量，從而延長蘋果汁的貯藏期，但是PEF對微生物的殺滅效果有限，降低不到2個對數，主要原因是目前PEF系統(tǒng)所用電場參數還不夠大。故下一步需要進一步完善和優(yōu)化PEF處理果汁的技術參數。

PEF處理能夠殺滅微生物，在一定處理參數下這種破壞是不可逆的。目前關于PEF殺菌機理的假說主要有介電擊穿和電穿孔2種理論。介電擊穿理論認為，隨外加電場不斷增加，跨膜電位相應提高，膜內外不同電荷彼此吸引導致細胞膜的厚度降低，當電位差達到臨界崩解電位差Vc時，細胞膜就開始崩解，細胞膜上孔洞開始形成，當孔洞的面積占細胞膜的總面積很少時，細胞膜的崩解是可逆的。當細胞膜長時間受到超過臨界電場強度的作用時，就會使膜大面積崩解，由可逆變?yōu)椴豢赡妫罱K導致微生物死亡。電穿孔理論認為，微生物細胞在外加電場作用下蛋白質結構和細胞膜的雙磷脂層發(fā)生變化，隨著電場強度的增大，膜孔逐漸由疏水性變?yōu)橛H水性，即細胞膜通透性增加，各種小分子物質透過細胞膜滲入細胞內，隨著小分子物質的增多細胞體積膨脹，膨脹至一定程度細胞膜就會破裂，細胞內容物外滲，細胞死亡[1][5]59-69[10]32-40。

3 PEF對蘋果汁中酶的影響

蘋果汁易發(fā)生褐變反應，由誘人的金黃色變成棕褐色，色值下降，感官和營養(yǎng)品質降低。果汁的褐變主要是由酶促褐變引起的，而多酚氧化酶(PPO)是發(fā)生酶促褐變的主要酶，所以在蘋果汁加工過程中，如何最大程度地抑制PPO活性一直是國內外專家研究的重點問題。馬理嬌[19]11-15選用脈沖電壓為25 kV/cm、脈沖頻率為530 Hz、脈沖寬度為8 μs和停留時間為45 s的PEF參數處理蘋果汁，結果顯示PPO的抑制率達到51.86%。Bi等[26]研究了蘋果汁中PPO和過氧化物酶(POD)在PEF作用下的失活情況，結果表明，隨著PEF電場強度和處理時間的增加，鮮蘋果汁中的PPO和POD活性不斷降低，當脈沖電場強度為35 kV/cm、脈沖升時為2 μs時，蘋果汁中的PPO和POD幾乎被完全鈍化。Riener等[27]報道了經50 ℃熱水預處理后的蘋果汁在脈沖電場強度為40 kV/cm和處理時間為100 μs時，蘋果汁中的PPO和POD活性分別降低71%和68%。Sanchez-Vega等[28]采用類似的處理手段，也將蘋果汁中PPO的活性降低了70%。

目前，關于PEF對酶的鈍化機理尚不清楚。一種觀點認為PEF可以鈍化酶是因為酶的結構受到了不同程度的破壞。另外一種觀點認為PEF能影響酶的活性中心，導致酶發(fā)生部分或者完全失活[1][19]2-3。眾所周知，酶的活性部位是酶起作用的主要位置，PEF通過影響活性部位進而影響了酶的活性。到底是哪一種需進一步證實。

4 PEF對蘋果汁品質的影響

蘋果汁為熱敏性產品，采用傳統(tǒng)的熱力殺菌會降低蘋果汁品質，特別是新鮮度。為最大限度地保持蘋果汁的品質和新鮮度，國內外學者在開展PEF處理對蘋果汁殺菌鈍酶研究的基礎上，進一步對PEF處理后蘋果汁品質的變化進行了富有成效的研究。

4.1 PEF對蘋果汁理化品質的影響

理化品質是蘋果品質的重要組成部分，理化指標又是衡量蘋果理化品質的依據[29]。蘋果汁相關的理化指標主要包括出汁率、可溶性固形物、總酸、濁度和pH等。出汁率作為果汁重要的技術經濟指標，它的高低主要取決于原料自身的加工性狀和加工設備的壓榨性能。Turk等[30]研究表明，經PEF處理后蘋果出汁率由71.1%增加至76.3%，其他學者也選用不同品種的蘋果，采用不同的果實前處理方式和PEF處理參數獲得了類似的研究結果，不同之處就在于出汁率的增加程度有所不同[31-33]。果汁的pH與病原微生物繁殖密切相關。研究[5]87-89[19]45-46[34-35]表明，在對果汁分別進行巴氏和PEF處理前后，果汁的pH均無顯著性變化；而Sanchez-Vega等[28]的研究證實，與未處理鮮果汁相比，PEF和超高溫滅菌處理均在一定程度上增加了果汁的pH，但超高溫滅菌處理影響程度更顯著；此外，Charles-Rodrguez等[36]的研究還顯示，果汁pH的變化與加工處理溫度直接相關，當果汁處理溫度超過85 ℃時，果汁pH會增加，而較低的pH有利于抑制果汁中病原微生物的繁殖，所以相對于高溫滅菌，PEF處理有利于保持果汁的化學穩(wěn)定性。

含酸量與果汁的風味特點密切相關。有研究[28,35,37]表明，PEF處理前后，果汁的總酸含量無顯著變化，而超高溫滅菌和巴氏殺菌均顯著降低了果汁的總酸含量，所以PEF處理較好地保持了果汁的含酸量。經巴氏殺菌和超高溫滅菌處理后，果汁的可溶性固形物含量有不同程度的下降，尤其以超高溫滅菌處理下降最為顯著，而PEF處理前后果汁的可溶性固形物含量均無顯著變化[28,34]。所以PEF處理技術不僅有效提高了果汁的出汁率，而且較好地保持了處理前后果汁的pH、總酸和可溶性固形物含量。果汁濁度與果汁中顆粒的濃度直接相關，通常依據果汁濁度不同將蘋果汁分為清汁和濁汁。濁度主要受果汁中果膠含量及果膠相對分子質量、熱處理溫度、果汁pH值和原料的前處理方式等因素的影響[31,38]。Turk等[30]研究表明，與未經處理鮮果汁相比，經PEF處理后的果汁濁度有所降低；鐘葵等[25]研究表明，與未處理鮮榨果汁相比，PEF處理后的果汁濁度無顯著性變化，但巴氏處理后的果汁濁度顯著增加。所以與果汁的巴氏殺菌相比，PEF處理能有效控制加工過程中果汁的濁度；此外，Grimi等[31]的研究還表明，與先將蘋果切成薄片后再進行PEF處理(先切再PEF處理)相比，直接進行PEF處理(先PEF處理再切成薄片)可以顯著地降低果汁的濁度。至于2種處理方法所造成果汁濁度差異的原因目前尚不清楚，可能是由于2種處理方法下蘋果薄片的結構有所不同導致。Grimi等[31]和Araya-Farias[39]的研究結果均表明：經PEF處理后的蘋果比未經PEF處理的蘋果更容易切成薄片，所以經PEF處理后再進行切割能有效保護細胞壁的完整性，尤其是細胞壁中的果膠顆粒被較好地保留。

4.2 PEF對蘋果汁營養(yǎng)品質的影響

多酚類物質具有抗氧化活性，尤其是其所含的類黃酮類物質能夠預防心血管疾病和癌癥的發(fā)生[40-41]，所以能否增加果汁中酚類物質的含量以此來提高果汁的營養(yǎng)價值，也是評價果汁提取方法的重要依據。Grimi等[31]研究表明，經PEF處理后果汁的總酚含量和抗氧化能力(ABTS法)均顯著高于未處理果汁，Turk等[30]也獲得了類似的研究結果。Aguilar-Rosas等[35]研究表明，與未經處理鮮果汁相比，經PEF和高溫殺菌(即90 ℃、30 s)后果汁中總酚含量分別下降了14.49%和32.2%，即相對于傳統(tǒng)的巴氏殺菌，PEF殺菌能有效地降低殺菌過程中果汁中酚類物質含量的損失，Noci等[34]的研究也獲得了類似的研究結論。此外，Noci等[34]的研究還證實，經PEF處理后，果汁的抗氧化能力略低于未作任何處理的對照和低溫巴氏殺菌處理1(即72 ℃、26 s)的果汁，但顯著高于高溫巴氏殺菌2(即94 ℃、26 s)。綜上所述：① PEF處理前后果汁的總酚含量和抗氧化能力的變化與脈沖電場強度等PEF處理參數直接相關[26]；② 與PEF處理比較，隨著巴氏殺菌溫度的提高，果汁中總酚含量的下降幅度不斷增加；③ 與高溫巴氏殺菌相比，PEF處理對果汁中總酚的保護有明顯優(yōu)勢，但與低溫巴氏殺菌相比，PEF處理對果汁中總酚的保護又失去了優(yōu)勢。Gardner等[42]認為果汁在巴氏殺菌過程中總酚含量的下降主要與果汁受到高溫脅迫有關。Schilling等[32]利用HPLC-MS檢測出，PEF處理前后果汁中15種主要單體酚含量和果汁的抗氧化能力(TEAC法、FRAP 法和DPPH法)無顯著變化。

VC是蘋果汁中另一種重要的營養(yǎng)物質。馬理姣[19]46研究表明，經PEF處理后，果汁中VC含量有所下降，但差異并不顯著。究其原因可能是脈沖電場使還原型VC發(fā)生氧化所致。Bi等[26]選用不同PEF處理參數(電場強度為0～35 kV/cm、處理時間為2 μs和0.2 μs)對果汁中VC含量的變化進行研究，發(fā)現當電場強度在25～35 kV/cm，處理時間為2 μs和0.2 μs時，相對于未經PEF處理的果汁，處理后的果汁中VC含量顯著下降，當電場強度為30 kV/cm、處理時間為2 μs時，果汁中VC下降達到36.6%；但由于電場強度的不同所引起的VC含量的變化在彼此間并不顯著，類似的研究結果在西瓜汁和番茄汁中也有報道[43-44]。而Akdemir Evrendilek等[45]對復原蘋果汁進行PEF處理(30 kV/cm、94 μs)后，發(fā)現果汁中VC含量并無變化，可能是由于試驗樣品不同導致，因為復原果汁來源于濃縮果汁。Odriozola-Serrano等[46]對草莓汁的研究表明，PEF處理(35 kV/cm)對果汁中VC含量沒有任何影響，主要是由于草莓汁的pH比西瓜汁和蘋果汁要低，較強的酸性有助于VC的穩(wěn)定存在，Tannenbaum等[47]也獲得了類似的研究結果。

4.3 PEF對蘋果汁感官品質的影響

感官特性是評價蘋果汁品質的重要方法之一，包括風味、口感和色澤等方面，反映了人們的主觀喜好，是對蘋果汁理化品質分析的重要補充。

褐變可降低蘋果汁品質，導致果汁色澤下降，營養(yǎng)成分和風味流失。鮮榨果汁的褐變包括酶促褐變和非酶促褐變。Sanchez-Vega等[28]研究顯示，超高溫滅菌和PEF處理均能導致果汁色澤發(fā)生變化，但PEF處理前后果汁色澤變化幅度相對較小，廖小軍[5]89-90也獲得了類似的研究結果。馬理姣[19]44-48的研究表明，與未經PEF處理的對照相比，PEF處理能有效抑制果汁的酶促褐變，并增加果汁的色值；隨著PEF處理中脈沖電場強度的逐漸增加(5～30 kV/cm)，果汁在貯藏過程中(1～4 h)的褐變指數(BI)增加速率呈下降趨勢，色值的下降速率則呈上升的趨勢。Noci等[34]的研究顯示，與巴氏殺菌相反，PEF處理前后果汁的非酶褐變指數(NBI)沒有顯著性變化。所以果汁色澤很容易受到不同處理技術的影響，且影響程度與處理技術的參數密切相關。廖小軍[5]90-93研究表明，經PEF處理后果汁的風味與對照更為接近，而巴氏殺菌處理前后果汁風味差異較大，帶有明顯的蒸煮味；Turk等[30]認為，PEF處理增強了果汁的果香味，對果汁的風味質量有改善作用；Aguilar-Rosas等[35]進一步研究表明，蘋果汁中主要的8種香氣物質，除乙酸乙酯外，其他7種物質經巴氏殺菌處理后含量下降幅度均超過PEF處理的果汁，尤其是乙酸含量在經巴氏殺菌后含量變?yōu)?。所以PEF處理對果汁主要香氣物質的影響在定性定量方面均小于巴氏殺菌處理。

5 展望

相對于傳統(tǒng)的加熱殺菌技術，PEF殺菌技術在蘋果汁的殺菌鈍酶方面表現出一定的優(yōu)勢，能起到顯著改善果汁品質的作用。過去10多年，國內外學者就PEF處理對蘋果汁加工過程中的殺菌鈍酶效果和對其品質的影響進行了不同深度的研究，并取得了一定的進展，但是還存在一些有待研究的內容，主要集中在：① 需要通過研究明確PEF技術殺菌鈍酶的機理[48]；② 為了便于不同研究者彼此間比較研究結果和加強對于PEF處理后果汁品質的可追溯性，應該不斷優(yōu)化簡化操作程序，提高PEF處理技術的標準化程度，尤其需要與工廠化生產緊密結合；③ 通過研究闡明PEF技術對產品中功能性物質影響的動力學特點及該過程中功能性物質的轉化規(guī)律；④ 需進一步明確PEF處理對果汁產品安全性的影響及經PEF處理后產品在貨架期的品質變化情況。

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