5種高新技術在果蔬加工中的應用與研究現狀及發展前景

楊文晶，宋莎莎，董福，董萍,3，許泰百，段懿菲，馮敘橋*

1(渤海大學 食品科學與工程學院，遼寧 錦州，121013) 2(沈陽農業大學 食品學院，遼寧 沈陽，110866) 3(遼寧新大地食品飲料有限公司，遼寧 沈陽，110168)

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5種高新技術在果蔬加工中的應用與研究現狀及發展前景

楊文晶1，宋莎莎1，董福2，董萍2,3，許泰百1，段懿菲1，馮敘橋1*

1(渤海大學 食品科學與工程學院，遼寧 錦州，121013) 2(沈陽農業大學 食品學院，遼寧 沈陽，110866) 3(遼寧新大地食品飲料有限公司，遼寧 沈陽，110168)

摘要果蔬中含有大量水分、碳水化合物及其他營養成分，還含有很多活性物質，因此不耐貯藏，容易腐敗，且加工時部分營養物質及活性物質容易損失。隨著人們對果蔬加工品品質要求的提高，傳統加工技術已不能滿足對果蔬加工的要求。能最大限度保持果蔬品質和營養成分的高新技術的探索與應用已成為果蔬加工業發展的大趨勢。文中闡述了超微粉碎技術、超聲波技術、微波加工技術、膜分離技術、超臨界萃取技術5種高新技術的作用原理及其在果蔬加工中的應用現狀，分析了高新技術在果蔬加工中的發展前景。

關鍵詞高新技術；果蔬加工；應用

隨著科技的進步和工業水平的提高，食品工業高新技術的開發應用已成為其發展的一個必然趨勢。利用高新技術加工食品不僅可以有效提高食品原料的利用率，提高加工深度，而且可進一步改善食品品質，開發出新型、高附加值產品，實現食品工業的可持續發展，從而不斷滿足人民群眾對食品品質的高要求[1]。

果蔬產品含水量高，易腐敗變質，而且傳統的腌制、干制、罐裝等加工方式易造成營養物質及活性成分的損失，已經不能滿足人們對果蔬加工品品質的要求。利用高新技術改造傳統產業并實現產業升級，使果蔬加工技術水平更上一層樓，是我國果蔬加工發展的必由之路。高新技術在果蔬加工業中的應用已相當廣泛，如微膠囊技術(microencapsule technology，MT)、分子蒸餾技術(molecular distillation technology，MDT)及發酵工程技術(fermentation engineering technology，FET)等[2-5]。本文概述了超微粉碎技術(superfine grinding technology，SGT)、微波加工技術(microwave processing technology，MPT)、超聲波技術(ultrasonic technology，UT)、膜分離技術(membrane separation technology，MST)和超臨界萃取技術(supercritical fluid extraction，SCFE)5種高新技術在果蔬加工中的應用現狀及其發展前景。

1SGT

所謂SGT，就是將物料顆粒粉碎到粒徑在10 μm以下的粉碎技術[6]。SGT已廣泛應用于生物技術、食品、化工、醫藥、化妝品、農藥等領域[7]。在果蔬加工中，這種技術主要用于果蔬加工副產物的加工及果蔬粉的粉碎處理。

1.1加工果蔬粉

許多發達國家已經成功應用SGT開發了許多新型食品產品，如美國、日本等市售的凍干水果粉、海帶粉、花粉、超低溫速凍龜鱉粉等均經過SGT加工[8]。采用SGT加工果蔬粉，可改善其特性，使口感更佳爽滑，有效保持果蔬本身的營養特性(表1)。王萍[9]等以真空冷凍-變溫壓差膨化干燥聯合干燥后的菠蘿蜜為原料制備粗粉，采用超微粉碎機進行不同時間的超微粉碎，研究了超微粉碎時間對菠蘿蜜超微全粉品質的影響。研究表明，超微粉碎時間對菠蘿蜜粒徑的影響較小，經5 min 粉碎后即可達到超微粉的要求；菠蘿蜜粉的溶解性指數和持水力隨超微粉碎時間呈上升趨勢，類胡蘿卜素和VC含量與超微粉碎時間呈反比，當粉碎時間分別為5 min與10 min時，類胡蘿卜素分別為1.74、1.58 mg/100 g，VC分別為12.32、10.61 mg/100 g。此外，不同的超微粉碎方式對產品的粒度等理化性質也有一定影響。如杜云英[10]等分別用干法粉碎與濕法粉碎處理木薯，結果表明2種方法單獨使用都有缺陷，濕法粉碎顆粒粒徑比干法粉碎更小，顆粒表面光滑；但干法粉碎樣品的溶解度和透明度優于濕法，而膨脹度低于濕法。這些研究表明，在應用SGT加工果蔬粉時，要根據果蔬的具體情況以及所需產品的特性，選擇不同的粉碎方法和設置不同的超微參數，這樣才能減少營養成分的損失，達到最好的效果。

表1　超微粉碎技術在果蔬粉加工中的應用

1.2在果蔬副產物加工中的應用

在果蔬加工過程中往往會產生許多副產物，如果皮、果核、果籽、根、莖、葉等，這些副產物如果不能利用，不僅造成浪費，還會對環境造成影響。果蔬加工副產物中含有很多營養物質，如蛋白質、膳食纖維、維生素、果膠等，這些物質的開發利用成為果蔬加工研究的重點。對這些副產物進行超微粉碎，可以滿足人們對膳食纖維、礦物質等營養的需求，如水果的皮、核等丟棄物經超微粉碎制成產品，可進一步提高其中營養物質的有效利用。表2列舉了蘋果皮渣、葡萄籽、苦瓜渣經超微粉碎后的應用效果。

表2　SGT在果蔬副產物加工中的應用

1.3SGT的發展前景

促進食品工業的深加工，提高產品附加值已成為社會和企業的共識。SGT作為一種高新技術，目前已廣泛應用于各行各業中，尤其應用在在保健食品和功能性食品中，可進一步提高其保健和功能作用，因此該技術也被國際食品業公認為21世紀十大食品科學技術之一[18]。隨著食品加工企業實力的不斷增強和市場需求的擴大，SGT在食品加工中將有廣闊的應用前景。另一方面，SGT雖然有很多優點，但存在能耗大、能量損失嚴重的問題，如機械粉碎有95%～99%的粉碎能變成熱量，故物料升溫不可避免，熱敏食品易因此而發生變質、熔解、黏糊，同時機器粉碎能力也會降低[19]，這些問題使SGT的應用受到一定限制。今后不僅要研究如何充分利用粒度的降低而帶來的優勢，還要對最適粒度范圍進行研究，以達到優勢最大化的目的[20]?，F階段的首要任務是優化設備，制造出更加精良、高效、節能的設備；同時研究將多種粉碎方式結合應用以滿足更多物料的粉碎要求等。

2MPT

微波是指波長范圍在1 mm～1 m，頻率在300 MHz～300 GHz之間的高頻電磁波[21]。MPT已廣泛應用于食品工業中的加工、干燥、殺菌、解凍等方面[22]，在果蔬加工中也有廣泛應用(表3)。果蔬的主要成分是水分、碳水化合物，屬于電介質，是吸收微波的最好介質。這些極性分子從原來的隨機分布狀態，轉變為依照電場的極性排列取向，這一過程促使分子高速運動和相互摩擦，從而產生熱量，起到加熱的作用[23]。

2.1加熱與殺菌

MPT在食品工業中的應用目前主要是在加熱和殺菌2個方面。微波能夠深入到物料內部而不靠物體本身的熱傳導進行加熱，通過微波能與物料直接相互作用進行表面與內部一起加熱，溫度升高快，加熱所需時間短，能夠較好地保持物料中原有的色、香、味和營養物質含量[24]，表3列舉了4種果蔬加工品采用微波加熱的效果。

表3　微波加熱在果蔬加工中的應用

MPT除加熱作用外，可以在較低溫度和更短時間內破壞微生物，可用于酸奶、飲料等的殺菌。如李卓思[29]等利用微波對鹽含量為2.5 g/100 mL、糖含量2.5 g/100 mL番茄汁進行殺菌處理，功率為1 000 W時的殺菌效率最高，但功率越高，消耗的能源越大，因此選擇功率為550 W，溫度達到95 ℃，可取得預計的殺菌效果，番茄汁處理后的色差變化較小，且番茄紅素和抗壞血酸的含量高于功率1 000 W的處理。

2.2其他應用

除加熱與殺菌外， MPT還可應用于果蔬中有效物質的提取、果蔬膨化及食品檢測中；也可利用MPT對谷物、馬鈴薯、蘋果進行去殼去皮。如李昌文[30]等采用MPT輔助提取芹菜渣水溶性膳食纖維，浸泡時間50 min，微波時間3 min, 微波功率600 W, 料液比1∶30 (g∶mL)。此條件下,芹菜渣水溶性膳食纖維的得率達到13.13%。王衛東[31]等研究了微波膨化獼猴桃脆片的最佳工藝：獼猴桃片的水分含量為20%、 切片厚度4 mm、微波時間62 s，在此優化條件下得到的獼猴桃脆片膨化率為73.8%，膨化后獼猴桃脆片的水分含量為5.4%，因此會有較酥脆的口感和貯藏穩定性。楊浣漪[32]等根據微波能加熱原理，通過正交試驗，確定了一種板栗微波同步脫殼去皮的新方法當微波功率為800 W， 板栗微波脫殼去皮的最佳工藝分別為：大板栗，加入量300 g，第一次微波25 s，冷卻7 min，第二次微波15 s；中板栗，加入量250 g，第一次微波15 s，冷卻6 min，第二次微波20 s；小板栗，加入量250 g，第一次微波15 s，冷卻6 min，第二次微波10 s。經驗證，在最優組合條件下，大、中、小板栗的脫殼率均可達到80%以上，破仁率和熟化度則小于15%，在快速、高效去除板栗外殼和內皮的同時，最大程度保持了栗仁原有的色澤、風味和營養。

2.3MPT的發展前景

MPT應用于食品加工中，具有節省生產時間、提高生產效率、改善產品質量等優勢，有很好的應用前景[33]。但是，MPT投資大，耗電量大，設備待于進一步優化；作用機理以及是否產生危害物質的研究也有待進一步深入，如 MPT微波的熱效應與非熱效應的相互關系，微波的加熱效應會不會使加熱食品生成丙烯酰胺等有害物質等。

3UT

超聲波為頻率高于20 000 Hz以上、有彈性的機械振蕩，由于超出人的聽覺上限，故稱為超聲波[34]。UT處理作為一種物理手段[35]，在食品工業中可用于脫氣、均質、乳化等，還可應用于果蔬制品生產檢測及安全檢測中，其檢測原理是通過測定超聲波脈沖信號經過介質時的聲速及振幅衰減等參數來達到檢測的目的[36]。

3.1輔助提取果蔬有效成分

目前UT在果蔬加工中的最廣泛應用是對果蔬中的活性物質進行輔助提取，如多糖、多酚、黃酮類、天然色素、廢渣中油脂的提取等(表4)。

與傳統提取方法相比，UT輔助提取可明顯提高提取率。蔡文[37]等比較了超聲波輔助酸法及傳統酸法提取柚子皮中果膠的效果，確定了UT輔助提取的最佳工藝參數為：超聲波功率175 W、超聲波處理時間7 min、液料比5∶1(mL∶g)、pH值為1.20、浸提溫度85 ℃、浸提時間75 min，在此條件下柚子皮果膠得率為23.97%，比傳統酸提取法提高了32.58%。CORRALES[38]等在溫度70 ℃、提取時間1 h、超聲功率35 KHz條件下，從葡萄的副產品中提取總酚物質，提取率約為375 μmol GAE/g，為普通提取法的2倍。

表4　超聲波技術在輔助提取果蔬中有效成分中的應用

3.2殺菌處理

UT不僅可用于植物中有機化合物的提取[43]，還可用于殺菌，如用超聲波處理新鮮櫻桃番茄10 min，可使櫻桃番茄表面初始菌落總數降低0.96 lg CFU/g，霉菌和酵母總數降低了0.68 lg CFU/g[44]，對櫻桃番茄起到了保鮮作用；林永艷[45]等比較了不同清洗方法對鮮切雞毛菜的清洗效果，結果表明采用超聲波清洗的鮮切雞毛菜細菌總數最少，為103.485CFU/g，臭氧水次之，為103.6CFU/g，對照組菌落數為104.92CFU/g；用超聲波清洗的鮮切雞毛菜貯藏14 d還能為消費者所接受，而對照組僅貯藏8 d已不能食用。栗星[46]等分別利用超聲波殺菌與傳統熱殺菌對橙汁進行殺菌，2種殺菌方式的D值分別為，傳統熱殺菌6.2 min，超聲波4.0 min。超聲波的D值較小，說明殺滅相同數量的微生物，超聲波所用的時間較短。通過對溫度的監測，發現達到相同的殺菌效果時，超聲波的最終溫度為65 ℃，而熱力殺菌的最終溫度為92 ℃，即超聲波的熱效應較低，可減少由于熱效應對橙汁帶來營養損失以及品質的不良改變。

3.3果蔬制品生產檢測及安全檢測

低能量超聲波不會對物料的物化特性產生改變，因此被作為一種聲學特性分析法，運用于食品的無損檢測領域。CHENG[47]等用超聲波檢測馬鈴薯空心，馬鈴薯空心會導致超聲波被多次反射，根據接收到的信號強弱和波動時間的長短，就可以將空心與實心馬鈴薯區分開來。此外還可以用于農藥殘留的檢測。超聲波在食品安全分析方面主要是用于強化提取過程。李軍生[48]等采用超聲波法處理羅漢果提高羅漢果甜苷的提取率,使用頻率為50 kHz, 輸出功率為80 W；頻率為28 kHz，輸出功率為200、400 W的超聲波，通過檢測羅漢果甜苷的含量變化來檢測超聲波的作用效果。結果表明， 超聲波處理可以提高羅漢果甜苷的提取率。隨著超聲波輸出功率的提高，羅漢果甜苷的提取率也得到提高。

3.4UT的發展前景

UT是以聲化學為基礎的應用技術，聲化學是一門新興的交叉學科，在果蔬加工業中的應用以及機理尚需深入的研究，必須針對不同果蔬的特性，正確地把握聲能與物質間獨特的相互作用形式[49]。目前聲化學的研究正處于蓬勃發展階段，UT要廣泛應用于果蔬加工業需要解決的主要問題是提高聲能的利用效率，提高超聲強化和作用的速率和程度，避免有毒中間產物和對生產不利物質的產生。如果這些問題能很好解決，UT技術與傳統加工技術相結合，將會為果蔬加工業帶來新的活力。

4MST

MST是利用天然或人工合成的、具有選擇透過性的薄膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純或和濃縮的技術[50]。MST是典型的物理分離過程，無化學變化，分離條件溫和，對于性質相似組分的分離很有優勢，而且選擇性好，使用范圍廣，易于實現自動化操作[51]。

4.1應用于果蔬汁澄清、分離與濃縮

MST目前在果蔬加工中主要應用于果蔬汁的澄清以及分離純化果蔬中的有效物質[52]。其澄清過濾作用的主要特點在于：MST可以在分子范圍內對物質進行分離；膜具有選擇透過性，它可以使流體相中的一種或幾種物質透過，而不允許其他物質透過。已經研究和開發的膜分離技術有微濾(micro-filtration，MF)、超濾(ultra-filtration，UF)、納濾 (nano-filtration，NF)、反滲透(reverse-osmosis，RO)、滲析(dialysis，D)、電滲析(electro-dialysis，ED)和滲透蒸發(per-vaporation，PV)等，它們的原理及傳質推動力的主要差異見表5，這些分離技術已在果蔬汁加工有不同程度的應用。

濃縮是濃縮型果汁加工中的最主要工序，傳統的果汁濃縮多采用蒸發技術，在高溫下果汁中的熱敏性物質以及營養物質容易受到高溫損害，且能耗與生產成本較高。近年來，MST在果蔬汁的過濾及澄清濃縮和有效成分的提取、純化等方面的應用獲得了顯著效果。經MST澄清濃縮后的果蔬汁，品質更加良好，果蔬汁中的色素(番茄紅素、辣椒紅素等)流失率也相對減少，口感更好，營養物質更加容易吸收，應用例見表6。

表5　主要膜分離方法特征、原理[53]

表6　MST在果蔬汁澄清濃縮的應用舉例

4.2MST的發展趨勢

MST是建立在高分子材料學基礎上的新興邊緣學科的高新技術, 被譽為是20世紀末至21 世紀中期最有發展前途、甚至會導致一次工業革命的重大生產技術。MST雖然很早就開始了研究開發，但是至今仍有很多問題沒有解決，如當分離膜的表面帶有可離解基團時，容易與被分離溶劑的溶劑分子相互作用，使分離膜受到污染[59]，分離效果大大降低，同時造成浪費。今后研究的主要方向是加強對新型膜材料和膜結構、新型的膜分離過程、具有吸附和催化功能膜結構的開發、膜過程與生物、物理、化學過程的結合等[60]。

5SCFE

SCFE技術是利用超臨界條件下的流體作萃取劑，從液體或固體中萃取出某些成分并進行分離的技術[61]，其萃取劑稱為超臨界流體。超臨界流體是指物質的一種特殊流體狀態，是熱力學狀態處于臨界點之上的流體，臨界點是氣、液界面剛剛消失的狀態點[62]。SCFE是一種獨特，高效，清潔的新型提取、分離手段，在食品工業中已經得到了一定應用[63]。CO2是SCFE常用的超臨界流體，具有適合萃取熱不穩定的化合物、安全性好、容易獲得、適合萃取低極性和非極性的化合物等優勢，因此果蔬加工中常用CO2作為萃取劑。

5.1提取果蔬活性成分

SCFE可對果蔬中的特定成分(如沙棘果中的沙棘油、咖啡豆中的咖啡因等、果皮中的精油、果蔬汁中的芳香成分等)和天然色素(如辣椒素、花青素等)[64]進行萃取。具有提取時間短、提取效率高等優勢。

Blanka[65]等分別采用SCFE及索氏提取法提取日本虎杖(polygonumcuspidatum)中的白藜蘆醇(resveratrol)、白藜蘆醇苷(polydatin)及大黃素(emodin)，對提取效果進行了比較。提取條件為臨界壓力40 MPa、臨界溫度100 ℃、提取時間45 min；索氏提取法的提取時間為4 h。結果顯示索氏提取法的提取時間比SCFE多5倍，SCFE活性物質的提取量是索氏提取的2.5倍。為了提高葡萄皮中活性物質的提取率，GHAFOOR[66]等運用響應面法得出了SCFE的最佳提取工藝條件：臨界溫度45～46 ℃和臨界壓力16.3～16.8 7 MPa，在此工藝條件下葡萄皮中幾種活性成分的提取量分別為：總酚含量2.156 mg GAE/100 mL(以沒食子酸表示)、抗氧化物質1.628 mg/mL、總花青素1.176 mg/mL。CLUDIA[67]等采用SCFE萃取葡萄籽中的油脂，研究了不同壓力(18、20、22 MPa)、溫度(313.15、323.15 K)條件下提取率的變化，得出了隨著溫度和壓力的升高，提取率升高的結論。這些研究表明，在應用SCFE進行果蔬活性成分提取時，要根據提取物的不同特點來選擇合適的條件，以盡可能提高提取率。

5.2SCFE的發展前景

目前我國對SCFE研究的重點主要是天然資源的深加工方面，尚未能在較多食品企業大規模的生產加工中應用，主要問題在于萃取過程基本熱力學模型缺乏、物質在超臨界流體中的溶解度和相平衡基礎數據不足、設備不完善、投資和運行成本較高等[68]，因此仍有待于進一步研究與完善。盡管如此，SCFE具有的純凈、安全、穩定以及能夠很大限度地保持分離物質的生物活性、提取率高等優點，使其成為代表著高新提取分離技術的發展方向。

6小結

隨著食品工業的快速發展，上述高新技術表現出前所未有的優勢，但是要產業化應用這些高新技術還不同程度存在著一些目前尚未能解決的難題，還需要不斷探索。表7總結了上述5種高新技術的利弊及可能的解決辦法。

表7　五種高新技術的利弊及研究改進方向

現代食品工業為滿足人們的營養和消費需求，在追求安全、方便的同時，更加注重營養成分的完整保存。傳統食品加工技術難以適應現代食品加工業的發展，不能滿足開發新產品的需求。因此，依靠先進的高新技術將是食品工業發展的必然趨勢，高新技術已展現出的廣闊應用前景和食品工業的可持續發展方向，相信高新技術一定能在果蔬加工領域展現出前所未有的優勢，成為促進食品工業不斷向前發展的動力之一。

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Application and developmental prospect of high and new technologies for fruit and vegetable processing

YANG Wen-jing1, SONG Sha-sha1, DONG Fu2,DONG Ping2,3, XU Tai-bai1, DUAN Yi-fei1, FENG Xu-qiao1*

1(College of Food Science and Technology,Bohai University, Jinzhou 121013, China) 2(College of Food Science.Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China) 3(Food & Beverage Co, Ltd, Shenyang 110168, China)

ABSTRACTFruits and vegetables contain a lot of moisture, carbohydrates and other nutrients with many active ingredients as well. This characteristic renders them hard to be stored and easy to corrupt. Nutrients and active ingredients in fruits and vegetables are prone to loss when they are processed. With the increased quality requirements for processed fruits and vegetables, traditional processing technologies are not satisfied. The exploration and application of high and new technologies in fruits and vegetables processing industry have become an efficient solution to resolve quality related problems. This mini-review paper expounds the principle of the superfine grinding technology, ultrasonic technology, microwave processing technology, membrane separation technology, and supercritical fluid extraction technology and introduces the status quo of their application in fruits and vegetables processing. Meanwhile, their developmental prospect for fruits and vegetables processing are envisioned so that references can be provided for new product exploration and new technology application in fruits and vegetables processing.

Key wordshigh and new technology; fruits and vegetables processing; application

收稿日期：2015-06-26，改回日期：2015-10-14

基金項目：遼寧省科技廳農業攻關及成果產業化項目(2011205001)；渤海大學人才引進基金項目(BHU20120301)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604046 10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604047

第一作者：碩士研究生(馮敘橋教授為通訊作者，E-mail：feng_xq@hotmail.com)。