超聲波對果蔬汁殺菌和品質(zhì)影響的研究進展

劉偉，宋弋，張潔，林瓊，吳杰，王鳳忠，王志東

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全收貯運管控重點實驗室，北京 100193）（2.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，國家果蔬加工工程技術研究中心，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點實驗室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京 100083）

隨著人們生活水平日益提高，天然、健康的飲食理念逐漸形成，飲料的消費已逐漸由嗜好性飲料向營養(yǎng)性飲料轉(zhuǎn)變，果蔬汁產(chǎn)品的消費市場日益擴大。而且，無防腐劑、香精、色素添加，少加工，具有抗氧化和促消化等功能性的果蔬汁產(chǎn)品越來越受到消費者的青睞。目前，食品工業(yè)中普遍采用水或水蒸氣直接或間接殺菌、鈍酶，但是營養(yǎng)成分和呈味物質(zhì)經(jīng)過高溫處理容易發(fā)生轉(zhuǎn)化或降解，導致品質(zhì)降低。而非熱加工技術通過超高壓、電場、磁場、短波紫外線、超聲波等手段，既可以殺滅果蔬汁中的微生物，又能較好地保持產(chǎn)品固有的營養(yǎng)成分、色澤、香氣、新鮮度、延長貨架期，逐漸受到生產(chǎn)者和消費者的重視[1]。

近年來，超聲波作為一種非熱技術廣泛的應用于不同果蔬汁加工，如：蘋果汁、芒果汁、草莓汁、黑莓汁、藍莓汁、西瓜汁、甜瓜汁、番石榴汁、橙汁、梨汁、菠蘿汁、葡萄汁、蔓越橘汁、紅毛榴蓮汁、番茄汁、胡蘿卜汁、葫蘆汁和刺梨汁等[2～28]。超聲波在一定條件下可以殺滅果蔬汁中絕大多數(shù)微生物，滿足美國食品藥品監(jiān)督管理局（U.S. Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）對于使用“加熱蒸發(fā)濃縮”形式加工的濃縮果蔬汁灌裝前微生物（如：果汁中的大腸桿菌）減少5個對數(shù)值（5 log）的要求[29]。而且，超聲波結(jié)合其他殺菌技術（如：溫和熱處理、高壓、抑菌劑、臭氧、微波、激光、電場、高靜壓和紫外線等）可以提高殺菌和鈍酶的效果，降低能耗[4,7,9,11～13,16,21,22,25,30～35]。本文介紹了超聲波的作用機制和相關設備，并綜述了超聲波對于果蔬汁殺菌、降解農(nóng)藥殘留，對果蔬汁營養(yǎng)成分、顏色、香氣、穩(wěn)定性和濁度等品質(zhì)的研究現(xiàn)狀和該技術在果蔬汁加工產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展趨勢進行了分析。

1 超聲波介紹

1.1 超聲波簡介

超聲波是以機械振動的形式在媒介中傳播的聲波，其頻率高于20 kHz，超出了人耳聽力的范圍。超聲波主要有3種發(fā)生方式：通過機械裝置產(chǎn)生諧振（頻率為20～30 kHz）；利用剛磁性材料磁致伸縮現(xiàn)象的電—聲轉(zhuǎn)換器發(fā)出超聲波（頻率可以達到上百kHz）；利用壓電或電致伸縮效應的材料，加上高頻電壓產(chǎn)生諧振（頻率可達到GHz量級）[36]。按照頻率（赫茲Hz）不同，超聲波分為低頻超聲（20 kHz＜ν＜1 MHz）和高頻超聲（ν＞1 MHz）；按照功率不同（聲功率 W、聲強W/m2或聲能量密度Ws/m3），超聲波也分為低功率（或低能量）超聲和高功率（或高能量）超聲[37]。低功率超聲的頻率高于1 MHz，能量低于1 W/cm2，因此，超聲波通過物料時不會引起物理或化學變化。低功率超聲也被稱為檢測超聲，在食品工業(yè)中主要應用于食品理化性質(zhì)如：食品組成、質(zhì)構(gòu)、糖分、酸度和流變性質(zhì)等分析檢測[38]。1970年，超聲波技術首次在食品領域應用，用于檢測雞蛋蛋白質(zhì)量[39]。高功率超聲也稱為功率超聲，頻率為 20～100 kHz，功率為10～1000 W/cm2。超聲波通過空化作用產(chǎn)生強大壓力、剪切力和高溫，引起物料發(fā)生物理、化學或生物活性改變[40]。高功率超聲適用于食品加工，主要應用的領域包括：殺菌、脫氣、滲透、乳化、冷凍、干燥、過濾、提取、切割、解凍和清洗等，與傳統(tǒng)的食品加工技術相比較，具有高效、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點[38]。

1.2 超聲波作用機制

超聲波通過一系列壓縮波和稀疏波在媒質(zhì)中傳播，分別對應形成正負壓，并產(chǎn)生正壓和負壓交替變化的周期，對媒質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用。當聲波能量足夠高時，稀疏波對應產(chǎn)生足夠大的負壓，如果負壓對氣體分子的作用力超過液體分子對氣體分子的作用力，原先存在于液體中的氣核從液體中脫離，形成空穴氣泡。隨著超聲波的傳播，空穴氣泡的體積迅速增加上千倍，達到臨界半徑后發(fā)生猛烈的內(nèi)爆，然后立刻恢復至原來的狀態(tài)。空穴氣泡崩塌時釋放出巨大能量，導致局部溫度（5500 K）和壓力（1000 MPa）迅速升高，產(chǎn)生高達108N/m2的強大的剪切力，和大量高活性自由基[1]。當大量氣泡崩塌時，高壓和高溫協(xié)同效應產(chǎn)生強烈的沖擊波和400 km/h的微射流。另外，超聲波在媒質(zhì)中傳播過程中可使媒質(zhì)質(zhì)點進入振動狀態(tài)，加速溶液的質(zhì)量傳遞。超聲波振動能量被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷姑劫|(zhì)溫度升高，使媒質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)、形狀和組成發(fā)生改變[22]。

1.3 超聲波設備

目前，超聲波加工果蔬汁的研究主要采用超聲波清洗儀，超聲波探頭或連續(xù)超聲波探頭系統(tǒng)，其中超聲波清洗儀和超聲波探頭可進行分批式加工；連續(xù)超聲波探頭系統(tǒng)可進行連續(xù)式加工，其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1中（a）、（b）、（c）所示[41]。超聲波清洗儀主要由超聲發(fā)生器和清洗槽組成。清洗槽由彈性好、耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成。清洗槽底部安裝有超聲波發(fā)生器，超聲發(fā)生器將高頻電能轉(zhuǎn)換成機械能之后，產(chǎn)生振幅極小的高頻震動并傳播到清洗槽內(nèi)的溶液中發(fā)生空化作用。超聲清洗儀的工作頻率一般為40～60 kHz，功率和溫度可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。采用超聲清洗儀時，果蔬汁原料需要置于清洗槽中，使其受到均勻的超聲波作用。

圖1 超聲波設備示意圖

超聲波探頭系統(tǒng)又稱為超聲波萃取儀，或超聲波細胞破碎儀，主要由超聲發(fā)生器、超聲傳感器、超聲探頭、夾套容器組成。超聲波探頭通過浸沒在反應容器中釋放超聲波能量，產(chǎn)生空化作用。由于超聲波探頭末端表面積非常狹小，超聲波探頭可在短時間內(nèi)釋放大量能量，使液體媒質(zhì)快速升溫。超聲波細胞破碎儀的工作頻率為20～60 kHz，功率調(diào)節(jié)一般不得超過70%，否則會造成探頭損壞。另外，超聲波探頭需要浸沒在果蔬汁原料中，并置于反應容器底部以上一定的距離，通常是幾厘米。超聲波清洗儀和超聲波探頭系統(tǒng)僅能夠進行非連續(xù)的果蔬汁超聲加工，而連續(xù)探頭系統(tǒng)中超聲探頭內(nèi)嵌于封閉的腔體中，果蔬汁原料可進行連續(xù)化加工處理。

2 超聲波殺滅果蔬汁中微生物的研究

2.1 超聲波單獨作用殺滅果蔬汁中微生物的研究

1920年，Harvey等首次報道了超聲波抑制發(fā)光細菌的作用[42]。隨后，超聲波對于不同食品中的腐敗和致病微生物（如：李斯特單胞菌、沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、釀酒酵母和芽孢等）在模擬體系和食品體系中的抑制或殺滅作用的研究逐步展開[42]。

Ugarte-Romero等發(fā)現(xiàn)超聲波（20 kHz、0.46 W/mL、40 ℃、3 min）使Escherichia coliK12細胞表面發(fā)生凹陷[44]。超聲波通過空化作用在液體媒質(zhì)中產(chǎn)生大量微小氣泡，氣泡在運動過程中產(chǎn)生強剪切力，協(xié)同氣泡瞬間爆破產(chǎn)生局部高溫和高壓，破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)，導致細胞溶解[45]。

另外，超聲波空化作用使水分子分解產(chǎn)生 H和OH，并與氫原子重組形成過氧化氫，攻擊微生物細胞壁和細胞膜，造成生物膜變薄、滲透性增加[46]。而且，H可與泄露的DNA鏈的磷酸骨架反應并造成磷酸酯鏈斷裂，在分子水平抑制微生物分裂繁殖[47]。近二十年，隨著超聲波技術和設備的進步和革新，超聲波對果蔬汁殺菌的研究和應用得到進一步提升，表1匯總了部分超聲波單獨作用殺滅果蔬汁中微生物的研究。總的來說，超聲波的殺菌作用主要受到微生物種類、工作參數(shù)、物料環(huán)境等因素的影響。

表1 超聲波單獨作用殺滅果蔬汁中微生物的研究匯總Table 1 Summary of microorganism inactivation of fruit and vegetable juice by ultrasound individually

注：“--”表示未報道。

2.1.1 微生物種類對超聲波殺菌作用的影響

超聲波的殺菌作用與微生物的種類、形態(tài)相關。一般來說，芽孢對超聲波的抗性強于微生物營養(yǎng)體，真菌的抗性強于細菌，需氧微生物的抗性強于厭氧微生物，球狀細菌的抗性強于棒狀細菌[49,50]。目前，超聲波對于革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌的作用存在爭議。Monsen等比較了超聲波（40 kHz、350 W、35 ℃、5 min）對革蘭氏陰性細菌Escherichia coli大腸桿菌，Haemophilus influenzae流感嗜血桿菌，Pseudomonasaeruginosa綠膿桿菌和革蘭氏陽性細菌Staphylococcus aureus金黃色葡萄球菌，Enterococcus faecalis糞腸球菌，Staphylococcus epidermidis表皮葡萄球菌的作用，結(jié)果表明革蘭氏陽性細菌比革蘭氏陽性細菌對于超聲波的耐受性更強，可能與細胞壁的厚度有關[51]。革蘭氏陽性細菌的細胞壁由多層肽聚糖組成，厚度為20～80 nm，而革蘭氏陰性菌細胞壁肽聚糖層厚度僅為1～7 nm[52,53]。但是，也有研究表明超聲波對于兩類細菌的作用沒有顯著差異[54]。

2.1.2 工作參數(shù)對超聲波殺菌作用的影響

超聲波的殺菌作用與振幅、處理時間、功率密度、工作模式（連續(xù)或脈沖）、頻率、物料流速等工作參數(shù)也有關系。一般而言，隨著振幅、功率密度增加，處理時間延長，環(huán)境溫度升高，超聲波的殺菌作用逐漸增強。當環(huán)境溫度低于 50 ℃時，微生物數(shù)量的減少主要歸因于超聲波的空化作用，熱效應對于微生物的抑制作用可以忽略不計；當環(huán)境溫度大于 50 ℃時，熱效應與超聲波發(fā)生協(xié)同作用破壞微生物細胞壁，加速細胞溶解[14]。Wu等比較了不同功率密度（10、24和 39 W/cm2）對于微生物細胞壁和細胞膜的破壞作用，發(fā)現(xiàn)10 W/cm2作用下微生物細胞壁多糖比胞內(nèi)蛋白釋放速度快，而高強度24或39 W/cm2作用下趨勢相反，低功率密度超聲在一定程度上提高了微生物細胞膜的通透性，加速營養(yǎng)成分運輸，促進了細胞的新陳代謝[55,56]。

Yamamoto等比較了不同頻率（20、585、864和1146 kHz）對于藻類微生物Chlamydomonas concordia和Dunaliella salina的作用，發(fā)現(xiàn)高頻超聲波對于微生物的破壞作用顯著高于低頻超聲波，可能是頻率升高使變壓器傳輸能量增加，機械共振效率提升加劇了空化作用對于微生物的損傷[57]。Bermúdez-Aguirre等發(fā)現(xiàn)超聲波（400 W，24 kHz，120 μm）在初始溫度60 ℃條件下對菠蘿汁連續(xù)模式工作10 min，環(huán)境溫度達到62.5 ℃，Saccharomyces cerevisiae釀酒酵母數(shù)量減少6.5個對數(shù)值；而同樣條件下，采用脈沖模式（工作5 s，停止5 s）工作10 min，環(huán)境溫度為47.5 ℃，微生物減少5.2個對數(shù)值。脈沖模式延遲了超聲波的殺菌作用，連續(xù)模式更有利于空化氣泡在爆破過程中積累能量，導致媒質(zhì)溫度升高，從而提高殺菌效率[5]。

另外，在連續(xù)超聲波探頭系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)物料流速對于超聲波殺菌也有影響。Mohideen等比較了不同流速（24或93.5 mL/min）條件下連續(xù)超聲波（20 kHz，500 W，40%振幅）的殺菌作用，藍莓汁中殘留微生物的數(shù)量隨著流速增加顯著減少，可能是高流速使物料與超聲波探頭充分接觸，從而提高了微生物受到高強度超聲波作用的幾率[11]。

2.1.3 物料環(huán)境對超聲波殺菌作用的影響

超聲波的殺菌作用與果蔬汁的組分及環(huán)境因素也有關系。果蔬汁中的果肉顆粒和果膠等大分子組分對于微生物具有保護作用，可以不同程度降低空化作用和高溫對于微生物的破壞作用[5]。Valero等發(fā)現(xiàn)向橙汁中加入果肉增加了微生物對于超聲波的抗性，導致殺菌作用減弱[14]。pH對于超聲波殺菌作用的影響目前仍存在爭議，一些研究認為微生物在不同pH環(huán)境中對于超聲波的抗性沒有顯著變化，有的研究認為酸性pH使微生物對于超聲波的空化作用更加敏感，可以提高殺菌效率[58]。Guerrero等比較了超聲波（20 kHz，71.4 μm，45 ℃）在不同pH（3.0或5.6）條件下對于釀酒酵母的作用，發(fā)現(xiàn)在pH 3.0條件下超聲波的殺菌作用增加，可能是較低振幅作用下超聲波殺菌作用減弱，而 pH 3.0和環(huán)境溫度產(chǎn)生協(xié)同殺菌作用[58]。

另外，超聲波可以利用環(huán)境因素提高殺菌效率。Carmen等研究了低頻超聲（30 kHz，40±5 W，2 min）協(xié)同超臨界二氧化碳（350 bar，36 ℃）對釀酒酵母的殺滅作用，發(fā)現(xiàn)超聲波空化作用加速CO2溶解并破壞微生物細胞膜（磷脂雙分子層），致使胞膜的滲透性發(fā)生嚴重改變，酵母數(shù)量減少7個對數(shù)值，而對照組經(jīng)過140 min處理僅減少6.7個對數(shù)值[60]。

2.1.4 超聲波殺菌的模型擬合研究

超聲波殺菌過程不完全符合反應級數(shù)動力學方法，殺菌動力學往往呈現(xiàn)出非線性，存在“肩部”(shoulder)或“拖尾(tailing)”現(xiàn)象，Weibull 模型、Gompertz模型及Log-linear+shoulder模型等非線性的經(jīng)驗模型被用來分析超聲波的殺菌過程[5,43,61]。Gómez-López等研究了超聲波（20 kHz，89.25 μm）在10 ℃經(jīng)過10 min處理對橙汁的殺菌作用，以殘留微生物數(shù)量、處理時間為變量，采用GinaFIT軟件提供的 8種模型進行篩選，發(fā)現(xiàn) Weibull模型和Log-linear+shoulder模型對于需氧嗜溫菌和酵母的殺菌作用擬合效果最好，兩種模型的擬合度 R2均達到0.95以上。Weibull模型的形狀參數(shù)P＞1，表明曲線向下凹，兩種微生物的抑制速率指數(shù)Kmax(min-1)較為接近，表明超聲波對于細菌和酵母對于超聲波的抗性沒有顯著差異。在Log-linear+shoulder模型中，需氧嗜溫菌和酵母的對數(shù)曲線“肩部”分別處于 6.16和 5.30 min，表明微生物在該時間點以前未受到顯著的超聲波抑制作用，與Weibull模型的特征相一致[15]。

2.2 超聲波結(jié)合其他技術殺滅果蔬汁中微生物的研究

目前，超聲波技術單獨應用于果蔬汁中的腐敗菌和致病微生物難以達到完全致死效應[61]。而超聲波與其他殺菌技術同時或交替加工果蔬汁可以增強殺菌作用，如：溫和熱處理、高壓、抑菌劑、臭氧、微波、激光、電場、高靜壓和紫外線等[4,8,10,12,16,18,20,31～35]。表2匯總了部分超聲波協(xié)同其他技術殺滅果蔬汁中微生物的研究，其中超聲波與壓力、熱處理或者與兩者聯(lián)合應用的研究最為廣泛，分別稱為熱超聲波(thermo-ultrasonication)、壓力超聲波(manosonication)以及壓熱超聲波(manothermosonication)[62]，超聲波與熱處理、壓力產(chǎn)生協(xié)同作用，有效提高殺菌效率[12]。

芽孢是某些細菌在生長發(fā)育后期，在細胞內(nèi)部形成的圓形或橢圓形、厚壁、含水量低抗逆性強的休眠構(gòu)造，菌體芽孢對高溫、高滲透壓、極端pH、機械振動等許多理化因子有很強的抵抗力，如果不能有效的殺滅或控制芽孢，芽孢萌發(fā)后會導致食品腐敗[3～4]。Alicyclobacillus acidoterrestris嗜酸耐熱菌是導致果汁酸敗的主要菌種，其芽孢的抗熱性非常強，可以抵抗常規(guī)果汁加工工藝中巴氏滅菌的溫度。超聲波單獨處理A. acidoterrestris孢子的殺菌效果并不顯著[3,4,35]，Djas等發(fā)現(xiàn)濃縮蘋果汁經(jīng)過330 W處理10 min，A.acidoterrestris孢子僅減少0.12個對數(shù)值[3]。而超聲波結(jié)合短波紫外線、脈沖光等物理方法，可以有效提高殺滅孢子的效率[4,35]。蘋果汁連續(xù)經(jīng)過35 kHz、480 W超聲波處理25 min和短波紫外線（13.44 W/m2）處理5 min，A. acidoterrestris孢子減少4個對數(shù)值[35]；連續(xù)經(jīng)過20 kHz、600 W超聲波處理10 min和脈沖光（3 pulses/s，71.6 J/cm2）處理 1 min，蘋果汁中的A.acidoterrestris孢子減少5.8個對數(shù)值[4]。

表2 超聲波結(jié)合其他技術殺滅果蔬汁中微生物的研究匯總Table 2 Summary of microorganism inactivation of fruit and vegetable juice by ultrasound combined with other techniques

3 超聲波降解果蔬汁中農(nóng)藥殘留的研究

農(nóng)藥殘留是影響果蔬汁質(zhì)量水平的一個重要因素，為保障消費者的健康與安全，降低果蔬汁中的農(nóng)藥殘留顯得日益重要[69]。超聲波可以不同程度降解果蔬汁中的農(nóng)藥殘留，表3匯總了相關研究。

濃縮蘋果汁是我國果汁類產(chǎn)品國際貿(mào)易的主導項目，而農(nóng)藥殘留是制約蘋果汁國際化發(fā)展的關鍵問題之一。

惠衛(wèi)甲研究了超聲波降解蘋果汁中蟲菊酯類和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的作用，300 W、55 ℃處理45 min，蟲菊酯類農(nóng)藥氯菊酯、氟氯氰菊酯、氟氰戊菊酯、溴氰菊酯分別降解了96.42%、92.97%、91.76%、100.00%；240 W、50 ℃處理30 min氨基甲酸酯類農(nóng)藥滅多威、抗蚜威、克百威分別降解了66.74%、77.51%、75.84%。結(jié)果表明超聲波通過空化作用可以有效降低蘋果汁中的農(nóng)藥殘留，而且超聲波處理對蘋果汁品質(zhì)影響不大，對色值略有影響，對果汁的可溶性固形物含量、總糖含量、總酸含量和透光率幾乎沒有影響[68]。

表3 超聲波降解果蔬汁中農(nóng)藥的相關研究匯總Table 3 Summary of pesticide and mycotoxin degradation of fruit and vegetable juice by ultrasound

4 超聲波對果蔬汁中酶的作用

多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，PPO）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）、果膠甲基酯酶（Pectin Methylesterase，PME）和脂肪氧合酶（Lipoxygenase，LOX）等與果蔬汁的品質(zhì)密切相關，PPO、POD和APX是果蔬汁褐變的主要影響因素；PME可以降解果膠，破壞果蔬汁混濁體系；LOX可以催化果蔬汁中不飽和脂肪酸氧化形成共軛氫過氧化物，產(chǎn)生難聞的脂氧化氣味。超聲波通過空化作用改變果蔬汁中酶的活性、底物的組成和酶促反應速率，酶的鈍化作用可以降低果蔬汁在加工過程中營養(yǎng)成分和風味的損失，保持穩(wěn)定性，延長貨架期。表4列出了超聲波單獨或結(jié)合其他技術對于果蔬汁中酶活性的作用研究。Dias等研究了超聲波（19 kHz，500 W）對于紅毛榴蓮汁中PPO的影響，結(jié)果表明隨著振幅增加（20%～100%）、處理時間延長（2～10 min），超聲波對于酶鈍化作用逐漸增強，PPO殘余活性逐漸降低。超聲波可能通過空化作用破壞了多肽結(jié)構(gòu)中的范德華力和氫鍵，導致酶發(fā)生不可逆的抑制和破壞[24]。同樣，F(xiàn)onteles等發(fā)現(xiàn)超聲波（19 kHz，500 W，20%～60%，2～10 min）可以抑制甜瓜汁中PPO、POD、APX的活性[28]。但是，超聲波單獨作用對于果蔬汁中的酶鈍化作用有限，而超聲波結(jié)合其他技術如：熱處理、高靜壓、干冰處理等可以提高酶的鈍化作用[7,18～20,70]。Abid等發(fā)現(xiàn)超聲波（25 kHz，500 W，70%振幅）單獨處理60 min對于蘋果汁中POD、PME、PPO的活性無顯著影響；高靜壓（250 MPa）單獨處理10 min酶的活性顯著降低，殘留活性依次為 81.93%、75.46%、77.63%；超聲波與高靜壓依次處理蘋果汁使酶的活性進一步降低，殘留活性依次為 70.99%、63.87%、66.12%，表明超聲波與高靜壓對酶的鈍化產(chǎn)生協(xié)同作用[7]。

表4 超聲波單獨或結(jié)合其他技術對于果蔬汁中酶活性的作用的匯總Table 4 Summary of the effect of ultrasound used alone or combined with other techniques on the enzyme activity of fruit and vegetable juice

5 超聲波對果蔬汁品質(zhì)的作用

5.1 超聲波對果蔬汁營養(yǎng)成分的作用

果蔬汁富含膳食纖維、維生素、有機酸、糖和礦質(zhì)元素等營養(yǎng)成分，對人體健康具有重要意義。傳統(tǒng)熱加工造成果蔬汁營養(yǎng)損失導致品質(zhì)降低，超聲波作為一種非熱殺菌技術可以在加工和貯藏過程中能夠最大程度保留果蔬汁中糖、酸、維生素、多酚和胡蘿卜素等固有的營養(yǎng)成分，以及抗氧化水平[7,11,15,18,20,21,24,27,71～75]。

5.1.1 可溶固形物和可滴定酸

糖和酸是果蔬汁中的基本營養(yǎng)成分，糖酸比值與果蔬汁產(chǎn)品的口感和保質(zhì)期密切相關。部分研究表明超聲波對于果蔬汁pH、可滴定酸和可溶固形物含量沒有顯著影響[11,18,20,71]；也有研究得出相反的結(jié)論，超聲波可以顯著提高蘋果汁中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量[76]，以及刺梨汁中的可滴定酸的含量[17]。

5.1.2 維生素C

維生素C是人體必需的營養(yǎng)元素，在高溫和有氧條件下容易發(fā)生降解。Saeeduddin等發(fā)現(xiàn)超聲波（20 kHz，750 W，10 min）在45～65 ℃顯著降低了梨汁中維生素C的含量，在25 ℃顯著提高了維生素C的含量，可能與空化作用去除果汁中的溶解氧有關[18]。同樣，超聲波（20 kHz，400 W，50～58 ℃，2 min）可以顯著抑制胡蘿卜汁在貯藏過程中維生素 C發(fā)生降解，未經(jīng)過處理的胡蘿卜汁在4 ℃經(jīng)過10 d貯藏后維生素C降解了35%，而超聲波處理使維生素C的降解率控制在17%以內(nèi)[77]。

5.1.3 多酚

花青素、黃酮、黃烷醇和單寧酸等多酚類化合物參與形成食品中感官品質(zhì)形成，受到環(huán)境pH、溫度、光照、氧氣、多酚氧化酶和金屬離子等因素的影響，容易發(fā)生降解、生物活性降低。青檸汁經(jīng)過超聲波（25 kHz，700 W，20 ℃，30～60 min）處理后總酚、總黃酮和總黃酮醇的含量顯著增加[73]。一方面，可能是超聲波產(chǎn)生強剪切力導致細胞壁破壞，多酚類化合物從細胞內(nèi)釋放；另一方面，空化作用產(chǎn)生的羥基自由基加入到酚類化合物的芳香環(huán)的臨位或?qū)ξ簧?，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[71]。同樣，Saeeduddin等發(fā)現(xiàn)梨汁經(jīng)過超聲波（20 kHz，750 W，25 ℃，10 min）處理，總酚和總黃酮的含量顯著增加，而在45～65 ℃條件下多酚類化合物的含量顯著降低，表面溫度升高導致多酚發(fā)生降解[11,18]。

5.1.4 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是體內(nèi)維生素A的主要來源，還具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗癌和延緩衰老等功能。光、熱、金屬離子和酶等均會破壞類胡蘿卜素的穩(wěn)定性，導致氧化降解。Jabbar等發(fā)現(xiàn)超聲波（20 kHz，750 W，70%振幅，15 ℃，5 min）可以顯著增加胡蘿卜汁中總胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和番茄紅素的含量[20]。同樣，Rawson等發(fā)現(xiàn)不同的工藝參數(shù)（20 kHz，1500 W，24.1～60 μm，25～45 ℃，2～10 min）對于西瓜汁中的番茄紅素含量有顯著影響，隨著振幅、溫度增加，處理時間延長，番茄紅素發(fā)生降解[78]。

5.1.5 抗氧化水平

果蔬汁中的維生素C、多酚類化合物、類胡蘿卜素等活性成分具有抗氧化活性，能夠清除體內(nèi)有害自由基，從而服有害自由基帶來的氧化損傷。Saeeduddin等比較了巴氏殺菌（65 ℃，10 min或95 ℃，2 min）和超聲波（20 kHz，750 W，70%振幅，25～65 ℃，10 min）對梨汁抗氧化活性的影響，巴氏殺菌處理顯著降低了梨汁的抗氧化活性，而超聲波殺菌顯著增加了梨汁的抗氧化活性，25 ℃處理時活性最高，結(jié)果表明抗氧化活性與梨汁中維生素C和多酚類化合物的含量相關[18]。

5.2 超聲波對果蔬汁顏色的作用

顏色是消費者評價果蔬汁產(chǎn)品品質(zhì)的主要指標，也是果蔬汁在加工和貯藏過程中的重要的質(zhì)量控制參數(shù)。果蔬汁中富含花青素、胡蘿卜素、葉綠素和番茄紅素等天然色素，但是在熱加工過程中天然色素容易發(fā)生熱降解或異構(gòu)化，在果蔬汁貯藏過程中容易發(fā)生酶促褐變。

表5 超聲波單獨或結(jié)合其他技術對于果蔬汁顏色的作用的匯總Table 5 Summary of the effect of ultrasound used alone or combined with other techniques on the colour of fruit and vegetable juice

表5匯總了超聲波單獨或結(jié)合其他技術對于果蔬汁顏色的作用。Tiwari等研究了超聲波（20 kHz，0.30～0.81 W/mL，24.4～61 μm，25～39.9 ℃，0～10 min）對于橙汁、草莓汁、葡萄和黑莓汁的作用，結(jié)果表明顏色參數(shù)（L*（lightness，0=黑色，100=白色）、a*（-a*=綠色，+a*=紅色）和 b*（-b*=藍色，+b*=黃色））呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[79～83]。隨著振幅水平增加、處理時間延長，橙汁和草莓汁a*、b*逐漸降低，L*、褐變指數(shù)和總色差逐漸增加。但是，經(jīng)過超聲波處理的葡萄汁 a*、L*顯著增加，而 b*顯著減少。隨著處理時間延長，黑莓汁a*和總色差逐漸增加，而振幅水平對于a*和總色差沒有顯著影響。而且，超聲波處理時間對于黑莓汁的L*沒有顯著影響，但是當振幅增加時，L*逐漸增加。顏色參數(shù)L*主要與褐變色素的含量相關，5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）是主要的組成成分；a*主要與花青素的降解和美拉德反應產(chǎn)物的含量相關。同樣，Cheng等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲波（35 kHz，20 ℃，30 min）處理的番石榴汁a*和b*顯著增加，L*顯著減少[19]。而超聲波（28 kHz，20 ℃，30～90 min）使葡萄柚汁的L*、a*和b*均減少，但是通過肉眼觀察難以發(fā)現(xiàn)果汁的顏色發(fā)生了改變[72]。

經(jīng)過超聲波處理與未經(jīng)處理的果蔬汁的顏色差異的量級可以通過總色差(ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2)來表示，根據(jù)肉眼對于顏色差異的感知可以分為：不可感知（0～0.5），稍微感知（0.5～1.5），顯而易見（1.5～3.0），可以感知（3.0～6.0），極大感知（6.0～12.0）[84]。Rawson 等[62]研究了超聲波（20 kHz，24.4～61 μm，25～45 ℃，0～10 min）對西瓜汁顏色的影響，當溫度和振幅分別為25 ℃和24.1 μm時，西瓜汁的L*較低；當處理時間和振幅分別增加至10 min和61 μm時，L*值增加。而且，L*和a*值隨著溫度的增加而增加。在最高的振幅和最長的處理時間作用下，可以通過肉眼辨別顏色的差異，總色差 ΔE＞3[78]。Adekunte等研究了超聲波（20 kHz，1500 W）對于番茄汁顏色的影響，發(fā)現(xiàn)隨著振幅增加（24.4～61.0 μm）和處理時間延長（2～10 min），L*、a*和b*逐漸減少，總色差從0增加到6[23]?？偟膩碚f，超聲波通過空化作用鈍化果蔬汁中多酚氧化酶、去除溶解氧，抑制酶促褐變；同時，超聲波在一定程度上破壞細胞壁、釋放天然色素化合物，使果蔬汁在加工及貯藏過程中保持較好的顏色水平。

5.3 超聲波對果蔬汁香氣的作用

香氣品質(zhì)是判斷和評價果蔬汁產(chǎn)品的關鍵指標之一。香氣成分保留得較好意味著產(chǎn)品的新鮮度、感官質(zhì)量較好。傳統(tǒng)的熱殺菌對果蔬汁香氣成分影響較大，容易導致熱敏性香氣成分分解以及不良風味物質(zhì)的產(chǎn)生，果蔬汁的品質(zhì)降低。林雯雯等發(fā)現(xiàn)橙汁經(jīng)過超聲波（20～25 kHz，900 W，10%～50%振幅，15 ℃，10 min）處理后產(chǎn)生兩種新的物質(zhì)（芹子烯、古蕓烯），同時有些原有香氣物質(zhì)（如壬醛、香茅醛）消失，大部分香氣物質(zhì)種類不變，而其含量發(fā)生變化。超聲波處理使橙汁中的醇類、醛類等更好地轉(zhuǎn)化為酯類物質(zhì)，使得香氣更加突出。但是，橙汁中香芹酮等不良組分的含量有所增加[86]。同樣，Jambrak等發(fā)現(xiàn)蔓越莓果汁和飲料（含30%果汁）經(jīng)過超聲波（20 kHz，600 W，60～90 μm，20～60 ℃，10 min）處理后產(chǎn)生了癸醛、月桂酸異丙酯、2-乙基己酸-2-乙基己基酯等新的化合物，同時超聲波處理使樣品中D-檸檬烯、萜品烯、苯甲酸等芳香族化合物含量顯著減少。隨著功率密度增加（33.94～63.9 W/cm2），果汁香氣物質(zhì)組成受到的影響逐漸增加。超聲波空化作用產(chǎn)生的極端物理環(huán)境（溫度5500 K、壓力1000 MPa）和自由基的形成是芳香族香氣成分發(fā)生一系列解聚和聚合反應的主要原因。另外，羥基自由基可能參與芳香族化合物降解、酯化、開環(huán)、查爾酮合成的過程。通過感官評價表明果汁的香氣品質(zhì)經(jīng)過超聲波處理后略有降低，但是在消費者可接受范圍內(nèi)[87]。

5.4 超聲波對果蔬汁濁度和穩(wěn)定性作用

果蔬汁在貯藏的過程中懸浮顆粒受到重力作用發(fā)生沉降導致固液相分離，破壞產(chǎn)品的穩(wěn)定性，濁度降低。根據(jù)Stockes定律，果肉的沉降速度與顆粒直徑、顆粒密度與流體密度之差成正比，與流體粘度成反比。栗星發(fā)現(xiàn)橙汁的粒徑經(jīng)過超聲波（20 kHz，750 W，70%，5～20 min）處理時間延長，分布范圍逐漸變窄。橙汁經(jīng)過 20 min超聲波處理，粒徑分布范圍由150～600 μm 降低至 100～400 μm。可能是超聲波通過空化作用使聚合粒子發(fā)生機械振動，進而導致解聚、粒徑變小[88]。同樣，Ertugay等發(fā)現(xiàn)隨著振幅（50～100 μm）和溫度（40～60 ℃）增加，超聲波（24 kHz，400 W，5～10 min）可以顯著提高蘋果汁的濁度和穩(wěn)定性，可能是高溫有利于空化氣泡發(fā)生內(nèi)爆使聚合粒子發(fā)生分解[89]。桃汁經(jīng)過超聲波（20 kHz，1000 W，22±3 ℃，6～15 min）處理濁度和穩(wěn)定性顯著提高，產(chǎn)品在貯藏期不發(fā)生沉降。桃汁經(jīng)過超聲波處理表觀粘度減小，可能與果膠分子降解有關[90]?？偟膩碚f，超聲波處理對于果蔬汁具有均質(zhì)作用，對于提高果蔬汁的濁度和穩(wěn)定性具有積極的作用。

6 展望

近年來，超聲波作為一種非熱加工技術廣泛的應用于果蔬汁加工，研究表明超聲波可以在一定程度上抑制或殺滅果蔬汁中的腐敗和致病微生物，但是還不能達到完全致死的殺菌效果。為此，許多研究者將超聲波與其他技術有機結(jié)合，進一步提升超聲波的殺菌效率?？偟膩碚f，超聲波單獨或協(xié)同其他技術能夠較好的保持果蔬汁的營養(yǎng)品質(zhì)，改善理化特性，降解農(nóng)藥殘留。但是，目前超聲波對果蔬汁的加工技術還不成熟，從實驗室走向商業(yè)化應用面臨很多挑戰(zhàn)。首先，超聲波的殺菌作用很大程度取決于果蔬汁基質(zhì)的組成和性質(zhì)，需要針對不同品種的果蔬汁開發(fā)相應的加工工藝和技術參數(shù)；其次，提升超聲波設備的殺菌效率和加工能力，開發(fā)工業(yè)化規(guī)模的連續(xù)化、自動化生產(chǎn)設備；最后，將超聲波技術與現(xiàn)有的成熟技術協(xié)同使用，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

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