果蔬汁飲料新型非熱滅菌技術研究及應用進展

張俊超， 張獻忠，沈金金，朱玉燕，張 靜

（德清秋水果汁有限公司，浙江湖州 313200）

果蔬汁是以水果、蔬菜為原料經過物理方法（如壓榨、離心、萃取等） 得到的汁液產品，一般是指純果蔬汁、100%果蔬汁和復合果蔬汁等[1]。果蔬汁含有豐富的對人體有益的功能組分，如膳食纖維、維生素、礦物質、花色苷、類胡蘿卜素、多酚、黃酮類等[2-5]。果蔬汁因其原料多樣、口感豐富、香氣獨特及健康屬性，已成為飲料市場傳統的 “三大品類” 之一。隨著經濟發展及消費者健康意識的覺醒，綠色、原生態的食材越來越受到推崇，世界飲料市場已經向天然、健康、便捷的方向發展，消費者對果蔬汁飲料提出了更高的要求，更長的貨架期、更安全的產品、更新鮮的風味和更營養的特性成為果蔬汁飲料未來發展趨勢。

傳統的果蔬汁飲料加工滅菌方式多應用高溫巴氏殺菌和超高溫瞬時滅菌等技術[6]，研究證實果蔬汁貨架期跟原材料的生物酶滅活和微生物消殺密切相關[7]，目前的高溫滅菌方式使得果蔬汁中的熱敏性營養組分、功能性成分和與貢獻新鮮口感的揮發性組分產生熱裂解、氧化還原等多種化學反應，導致果蔬汁飲料綜合品質下降，口感香氣新鮮度等均無法滿足消費者需求[8-9]。這就使得果蔬汁飲料加工業在積極研究和探索傳統滅菌技術的替代方案，非熱滅菌技術成為近年來研究的熱點[10-13]。 非熱滅菌（Non-thermal sterilization） 是一類技術的統稱，共同特點是采用非熱的方式對食品進行滅菌處理，且過程中溫度無劇烈變化，達到殺菌、除菌或抑菌的目的，從而保留產品品質和延長貨架期[14]。

1 影響果蔬汁貨架期的主要因素

果蔬汁工業滅菌的主要目的是保證食品安全和延長貨架期，而影響果蔬汁貨架期的主要因素就是微生物和酶。

在果蔬汁加工過程中，殺滅微生物至關重要，因為果蔬汁體系中含有豐富的碳水化合物等富營養源支持微生物的生長[15]。引起果蔬汁變質的微生物主要有細菌、酵母菌和霉菌等3 類。微生物污染不僅使果蔬汁產品失去或降低原有的營養價值、組織狀態等，更為嚴重的是，某些微生物能夠分泌毒素，危害人體健康[16]。美國聯邦果汁危害性分析關鍵控制點規定，果汁加工企業在生產過程中必須進行處理，將所含微生物減少99.999%或5 log CFU/mL[17]。

而果蔬原料中所含的生物酶活性也是影響果蔬汁貨架期及品質的另一個重要因素。果蔬原料中含有多酚氧化酶（Polyphenoloxidase，PPO）、果膠甲基酯酶（Pectin methyl esterase，PME） 等，其中PPO在氧氣存在的條件下，可以把酚類物質氧化成醌類物質，導致果蔬汁發生褐變進而影響品質[18]。而PME 則可以通過降解果膠而破壞果蔬汁的混濁體系，最終影響產品感官品質[19]。因此，加工中鈍化PPO和PME 等酶是保持果蔬汁穩定性、延長產品貨架期的必要條件之一。

2 新型非熱滅菌技術

2.1 超高壓滅菌技術

超高壓滅菌又稱為高壓加工（High Pressure Processing， HPP） 或高靜 水 壓（High Hydrostatic Pressure，HHP），屬于食品行業后殺菌的非熱加工技術，自1990 年以來逐漸應用于食品工業，應用壓力范圍一般為100～800 MPa[20-21]。獨立包裝或未包裝的果蔬汁置于超高壓設備加壓室中，通過泵將靜水壓均勻加壓于產品，以達到殺菌目的[22]。超高壓設備可通過調節壓力、加壓時間（1 ms～20 min） 和初始處理溫度等參數以適應不同的產品[23]。

2.1.1 超高壓技術滅菌機制

HPP 對微生物滅活的主要機理為超高壓能夠破壞蛋白質、多糖、脂質、核酸等生物大分子的非共價鍵，使微生物細胞形態發生改變，抑制酶的活性和DNA 等遺傳物質的復制等，從而達到消滅微生物的作用[24]。其中，HPP 破壞細胞膜，使蛋白質變性和降低細胞內pH 值的作用僅對草蘭氏陽性菌而言，目前HPP 對孢子影響機制并沒有研究清楚。有研究顯示，即使是同一種細菌的孢子，對于高壓的敏感度也是不一樣的[25]。已有研究顯示，在高壓處理之后再輔以一定溫度的處理，可以對芽孢桿菌的孢子有效消殺，細菌孢子可以在一定的壓力條件下生長，且孢子種類不同則適合生長的壓力條件也不盡相同，但是這些孢子可以通過高溫處理消殺[26]。

2.1.2 超高壓滅菌在果蔬汁中的應用

由于超高壓在有效滅菌的同時能夠保留果蔬汁產品的風味和營養品質，使其在果蔬汁滅菌的研究中廣泛應用。目前，許多研究已經在證實HPP 在蘋果汁、橙汁、石榴汁、草莓汁、芒果汁、胡蘿卜汁等果蔬汁的加工中起到良好的滅菌作用[27]。

目前，世界主要的高壓滅菌設備制造商有美國的Avure、西班牙的Hiperbaric 和德國的Multivac 等，其中Hiperbaric 的市場份額已經超過了50%。隨著技術的發展，超高壓滅菌設備技術逐漸成熟，國內的制造商已經具備研發生產食品工業用高壓設備的能力，主要的制造商有包頭科發高壓科技有限責任公司等，已經形成了超高壓裝備的研究開發、設計、生產及推廣的成熟鏈條。且一些品牌的NFC 果蔬汁產品已經開始應用HPP 進行滅菌，并作為產品主要的亮點進行宣傳，如Hey Juice 品牌果汁、Fruity 品牌果汁和KellyOne 品牌果蔬汁產品等。

當然，超高壓滅菌技術目前還存在一些缺點，如超高壓在酶滅活方面沒有高溫殺菌效果好，同時會產生一些亞致死微生物，對產品貯藏條件要求較高[28]。因此，可以考慮將超高壓滅菌與其他滅菌方式相結合，以提升滅菌效果，提高產品品質。同時，超高壓的應用成本高、不能像飲料生產線一樣連續生產等問題也限制了其在果蔬汁工業中的大規模推廣，以上問題均是超高壓裝備制造行業未來需要重點解決的。

2.2 超聲波滅菌技術

超聲波處理是近年來在食品工業興起的一種新技術，已經廣泛應用于加工、保存和提取工藝當中。超聲波不僅能夠避免產品損耗，還能降低果蔬汁中微生物數量、提高產品的營養等，具有加工時間短、能耗低、環保等優點[29]。

2.2.1 超聲波技術滅菌機制

（2）微量物質示蹤劑具有安全環保、成分穩定、成本低、檢測精度高等優點，將成為油田示蹤劑未來的主要研發和應用方向。

超聲波滅菌應用的頻率范圍一般為20～100 kHz，其對微生物的滅活主要是超聲波引起的空穴效應，果蔬汁經超聲波處理可以破壞微生物細胞壁和產生自由基，進而達到滅菌的效果。超聲波可以使處理的液體介質持續不斷地產生微小氣泡，氣泡在介質中移動到距聲波源一定距離時，會因為能量消失而快速破裂，而氣泡破裂產生的沖擊波會在短時間內（100 ns） 產生瞬時高溫高壓區域，可以破壞微生物細胞，進而在這一區域內將微生物消滅，但這一效果僅限定于氣泡破裂時的瞬時沖擊波區域，且這一區域瞬時的高溫高壓在一定時間內并不會影響介質本身的宏觀溫度。超聲波產生的空穴效應還會改變胞內微觀動力，擾亂胞內組分，進而對細胞中的酶抑制或滅活[30]。

2.2.2 超聲波滅菌在果蔬汁中的應用

超聲波技術在應用過程中會產生劇烈的機械運動，已經在果蔬產業得到廣泛應用，但工業化應用的主要是清洗原料，超聲波殺菌的應用在果蔬汁行業還處于研究階段，已有研究表明超聲波可以將果蔬汁中的致病菌降低至5 log 以下，如在500 kHz、240 W 情況下處理柑橘汁15 min；在25 kHz、600 W情況下處理90 min；在20 kHz、750 W 條件下處理胡蘿卜汁2 min 均可有效對果蔬汁中的微生物進行殺滅[31]。超聲波滅菌技術應用研究已經開展多年，但在果蔬汁行業尚未有真正的工業化應用，而現有研究對超聲波對果蔬汁中微生物的影響及其潛在的安全性問題尚不夠深入，因此對于超聲波殺菌的大規模工業化應用還有很遠的距離。同時，超聲波單獨滅菌不夠徹底，影響因素較多，但與其他滅菌方法聯合應用具有很大的潛力，目前已有對超聲波聯合臭氧、納米二氧化鈦、微波、激光、紫外線、超高壓等協同技術的研究，但均處于實驗室階段[32]。

2.3 脈沖電場滅菌技術

脈沖電場（Pulsed Electric Field，PEF） 滅菌技術是一種新型的非熱食品滅菌技術，PEF 主要是以較高的電場強度（10～50 kV/cm）、較短的脈沖寬度（0～100 μs） 和較高的脈沖頻率（0～2 000 Hz） 對液體、半固體食品進行處理，并且可以組成連續殺菌和無菌灌裝的生產線。PEF 可以作為傳統熱滅菌技術的替代者得到廣泛認可，其滅菌效果跟技術參數（電場強度、功率、處理時間） 及微生物本身（類型、生長曲線、形狀） 有很大關系[33]。

2.3.1 脈沖電場技術滅菌機制

目前，關于PEF 對微生物的殺滅機制尚不完全清楚，普遍認為PEF 的滅菌作用主要靠電流對微生物細胞膜和細胞器的電穿孔作用。當電場強度超過細胞膜所能承受的閾值時，電流即可穿過微生物細胞形成不可逆損傷，進而導致微生物細胞液滲漏和胞溶作用，達到滅菌的效果。微生物細胞與外界環境進行著活躍的物質交換，細胞膜的完整性對保證細胞生命活動的正常進行極其重要。PEF 的滅菌效果跟微生物的種類密切相關，研究證實相比革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌對PEF 的處理更敏感，而酵母菌最不敏感，即PEF 對酵母菌的殺滅效果不佳[34-35]。

PEF 作為一種新型的食品非熱殺菌技術，一直受到美國、德國、加拿大、法國等發達國家企業和研究單位的重視。PEF 能耗小、效率高、對食品品質幾乎沒有影響，能夠滿足果蔬汁熱敏性加工的需求。PEF 在果汁中應用能夠增強大腸桿菌等細菌的殺滅效果，并且對果汁本身品質及營養成分幾乎沒有影響。但是，PEF 相較于傳統熱殺菌技術，其設備投資成本高，進而限制了其在果蔬汁行業的工業化應用[36]。

目前，在PEF 設備的研究和制造領域美國俄亥俄州立大學處于國際領先地位，其已建成一條處理能力2 000 L/h 的準工業化生產線，進行了橙汁、蘋果汁等果汁的殺菌研究，并取得了良好效果。而美國Genesis Juice 公司利用PEF 技術生產的蘋果汁、草莓汁等產品已經通過食品藥品管理局的認證并在市場上銷售，其產品所用設備的處理能力為200 L/h，貨架期為4 周[37]。而國內關于PET 滅菌技術在果蔬汁中的應用仍處于實驗室階段，相關裝備研發制造及工業化應用尚需時日。

2.4 紫外照射滅菌技術

紫外照射（Ultraviolet Irradiation，UI） 滅菌技術是近年來應用廣泛的一種非熱滅菌技術，主要是利用紫外燈對相關產品進行照射殺滅微生物，以達到滅菌目的。紫外照射設備簡單且容易操作，對于特定微生物來說紫外照射對其是致命的，且紫外照射處理溫度及濕度均較低。一般應用于食品滅菌的紫外線波長為UV-A （320～400 nm）、 UV-B （280～320 nm） 和UV-C （200～280 nm），其中UV-C 應用于果蔬汁加工滅菌效果良好[38]。

2.4.1 紫外照射技術滅菌機制

UV-C 波段的紫外照射可以殺滅果汁中的致病菌微生物，作為一種物理處理過程，UI 不會給果汁產品帶來化學殘留。UI 處理的滅菌機制已經得到廣泛研究和認可，其最主要的作用是破壞微生物細胞的DNA。DNA 暴露于紫外線照射下，堿基對之間會形成共價鍵，同時生成環丁烷嘧啶二聚體。這些具聚體的生成會導致DNA 螺旋結構的扭曲，進而影響DNA 合成，最終抑制微生物的生長。紫外線還可以使微生物細胞產生氧自由基并與其DNA 和蛋白質反應，進而破壞生長[39]。影響紫外照射滅菌效率的參數有紫外光的透過率、功率、波長及紫外源和照射路徑的物理排列長度等，菌株、生長階段、微生物密度、生長介質及果蔬汁的種類和成分等特征也同樣影響著紫外照射殺菌的效果[40]。

2.4.2 紫外照射滅菌在果蔬汁中的應用

紫外照射技術已經廣泛應用于食品工業，包括延長貨架期、滅菌、滅殺寄生蟲和昆蟲繁殖、延遲果實成熟、滅殺真菌和病毒或將其降至安全水平等。而在果蔬汁行業，已有研究表明通過UV-C 波段的紫外照射可以有效消滅或抑制蘋果汁、楊桃汁和柑橘汁中的微生物；同時，果蔬汁通過UV-C 處理殺菌時，還可以最大程度地保持其生物活性組分多酚和黃酮等的活性[41-43]。

目前，在果蔬汁飲料行業紫外照射滅菌主要應用在供水、糖漿、清潔水、廢水、過濾系統及包裝表面的消毒等[44]，真正應用于產品本身的消毒尚未工業化應用，且隨著果蔬汁飲料衛生標準日益嚴格，生產過程中有效的滅菌處理顯得更為重要，紫外照射滅菌相較于其他技術，具有滅菌環境溫和、不產生毒素或殘余物、不改變被滅菌目標的化學組分、風味和pH 值等優點，且系統安裝更換簡單、維護成本低，對工廠現有設施稍微改造即可實現。因此，在果蔬汁飲料加工制造中有著良好的應用前景。

2.5 其他新型非熱滅菌技術

高壓二氧化碳（High Pressure Carbon Dioxide，HPCD） 滅菌技術是果蔬汁飲料加工中的一種新型滅局技術，CO2是一種無毒氣體，且具有一定的殺菌效果。已有研究表明，HPCD 應用于果蔬汁殺菌可以有效滅活致病微生物和酶，同時能夠保留果蔬汁中生物組分的活性、色澤和風味品質等。雖然稱之為高壓，但較之超高壓滅菌HPCD 技術中CO2的壓力小于40 MPa，且處理溫度在20～60 ℃，可以防止熱敏組分分解。將果蔬汁暴露于CO2中增加了微生物停滯期和萌發時間，若采用CO2和巴氏殺菌協同處理，在一定時間內氣體可以滲透至微生物細胞中，隨后發生爆破性減壓，導致細胞內氣體迅速膨脹，進而導致微生物細胞破裂，最終達到滅菌目的[45]。

冷等離子體（Cold Plasma，CP） 滅菌技術一般由高壓電場下的氣體介質放電所誘發，利用誘發的電子、離子、原子、UV 光量子和帶電粒子等混合體滅殺微生物?，F有研究表明，CP 技術能有效殺滅橙汁、柑橘汁等果蔬汁中的大腸桿菌和沙門氏菌[46-47]；CP 技術處理時間短、對樣品的影響不明顯（如橙汁中的維生素C），且能耗遠低于熱過程和其他非熱過程的能耗率，說明CP 技術在果蔬汁滅菌中有非常大的潛力，但該技術仍處于實驗室研究階段，工業化應用還需深入研究。

3 結語

與傳統的熱加工滅菌相比，新型非熱滅菌技術已經在果蔬汁飲料中顯現出一些獨特優勢。其中，冷等離子體滅菌技術已證實能對密封包裝食物中微生物進行有效殺滅，通過后續深入研究與應用，可能成為熱滅菌的真正替代技術。而超高壓、超聲波、脈沖電場、紫外線照射等新型滅菌技術雖然單獨應用效果不太理想，但是其與熱處理滅菌相結合進行應用已顯示出巨大的滅菌潛力，將是今后技術與裝備發展的一個重要趨勢。新型滅菌技術與熱滅菌聯合應用于果蔬汁飲料加工中，能夠減少處理時間和降低處理溫度，提高現有技術滅菌效果，同時將熱滅菌技術引起的產品品質損失降至最低，還有降低能耗等效果。這些新型非熱滅菌技術在最小化投資和工藝優化的前提下，將會擁有較大的市場價值。但是，為了確保新型非熱滅菌技術能夠真正達到微生物滅活效果和延長果蔬汁貨架期，并確保細菌和芽孢在產品儲存過程中不會萌發，仍需要深入研究。