高压二氧化碳技术对鲜榨胡萝卜汁品质影响1

精品论文高压二氧化碳技术对鲜榨胡萝卜汁品质影响1周林燕，张燕，吴继红，廖小军，胡小松 中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室， 果蔬加工教育部工程研究中心，北京（100083）E-mail: liaoxjun摘要：本文研究了高压二氧化碳技术（high pressure carbon dioxide, HPCD）对鲜榨胡萝卜汁的品质影响，HPCD 处理条件为温度 25，压力 30 MPa，时间 15 min、30 min 、45 min 和 60 min。结果表明，HPCD 处理后胡萝卜汁 pH 值降低、可滴定酸增加，但对其可溶性固性物、类胡萝卜素没有影响，同时有效抑制胡萝卜汁褐变和显著增加胡萝卜汁浊度；HPCD 处理后胡萝卜汁颜色*显著增加、b*值没有变化，15 min 和 30 min 后 a*值没有变化，但 45 min 和 60 min后 a*值显著提高；15 min、30 min 和 45min 后胡萝卜汁颗粒粒径中值和平均值显著增大，60 min后显著减小。 关键词：高压二氧化碳技术；胡萝卜汁；品质1. 引 言食品加工的目的不仅要保证食品的安全，还要保持食品原有的品质。热力杀菌作为一种 比较剧烈的杀菌方式，对食品特别是热敏性食品的色、香、味、功能性及营养成分等有破坏 作用，经过热杀菌后食品失去了其原有的新鲜度，甚至还产生异味，影响产品的质量1。高 压二氧化碳技术是一项最新的非热力杀菌技术。Fraser 在 Nature 上发表文章，首次发现高压 二氧化碳（HPCD）能够钝化细菌细胞2，此后更多的学者就致力于 HPCD 杀菌技术的研究。 研究表明，HPCD 在一定的压力下（3-70MPa），较低的处理温度就能对食品中微生物具有 杀灭效果，同时使酶部分失活3-4，能够最大限度保持其原有的品质。胡萝卜汁是一种较受消费者欢迎的果蔬汁，富含利于人体健康的天然 -胡萝卜素和 - 胡萝卜素5。它也是作为提供维 A 前体和 -胡萝卜素类饮料 (ATBC-饮料) 的天然来源，需 要较高的理化稳定性6。胡萝卜汁属于低酸性食品，需要的杀菌温度高，而热力杀菌常可以 导致胡萝卜汁品质的严重破坏7。利用 HPCD 对胡萝卜汁进行非热杀菌可能是提高胡萝卜品 质的重要技术之一，本文研究了 HPCD 对胡萝卜汁品质的影响，为 HPCD 技术应用于果蔬 汁加工提供理论依据和前期研究。2. 材料与方法2.1 实验材料2.1.1 原料桔红 I 号，中国农科院蔬菜所昌平种植基地选育。2006 年 10 月收获。新鲜的胡萝卜收 获后装入聚丙烯编制袋，由卡车运送至实验室，然后在温度为 41和相对湿度为 85-95 的冷库中贮藏。2.1.2 二氧化碳纯度为 99.9，北京分析仪器公司。通过长为 1m、直径为 2 cm 的活性碳过滤柱过滤待 用。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060019016）的资助。- 11 -2.1.3 其他实验试剂氯仿、甲醇、硫酸钠、氢氧化钠均为分析纯，北京化学试剂公司。2.1.4 胡萝卜汁制备胡萝卜清洗去皮，用刮丝板刮成厚度为 12 mm 的细丝，用榨汁机进行榨汁（胡萝卜 丝蒸馏水（w/w）11）。果浆用四层纱布手动过滤，然后常温下以 3000 r/min 离心 5 min（TDL-5-A，上海安亭科学医学仪器厂），取上清液于 04冷库中冷藏备用。2.2 HPCD 处理装置本实验所用的间歇式高密度二氧化碳杀菌机为中国农业大学专利产品（专利号 ZL200520132590.X），见图1，整个HPCD处理系统是由高压二氧化碳发生装置、升降压系统、 处理釜、水浴加热、物料输出和输入部分五个部分组成。图 1 HPCD处理装置1 CO2气瓶；2 CO2过滤器； 3 压力表； 4 低温冷却槽； 5 高压调频泵； 6 压力传感器；7 无菌操作台；8 处理釜； 9 电热偶温度计； 10 处理釜恒温水浴槽； 11 真空泵； 12 显示板Fig 1 Diagram of dense phase carbon dioxide processing equipment1 CO2 cylinder; 2 CO2 filter; 3 Pressure gauge; 4 Cooling unit; 5 Plunger pump; 6 Pressure transducer; 7Biohazard containment unit for aseptic operation; 8 High pressure vessel; 9 Thermocouples; 10 Thermostatic bath;11 Vacuum pump; 12 Displaying panel2.3 热处理与 HPCD 处理胡萝卜汁参数HPCD 处理温度 25 ，处理压强 30 MPa，处理时间梯度为 15、30、45、60 min。常压 下(0.1 MPa)，温度为 90 ，保温 1 min。2.4 测定指标及方法2.4.1 HPCD 处理胡萝卜汁操作流程将 HPCD 高压处理釜加热保温至设定温度 25 ，通过真空泵进行抽真空，之后打开高 压处理釜上的进样阀，200 mL 胡萝卜汁通过真空方式自动吸入到高压处理釜。待胡萝卜汁 温度平衡至 25 ，打开高压处理釜上的 CO2 进口阀，然后通过高压调频泵进行增压，经 510 min 的升压过程达到设定压强，后进行保压处理，保压后打开高压处理釜上的卸压阀，卸压结束后开启高压处理釜上的出样阀，在常温下进行各项指标测定。2.4.2 热处理胡萝卜汁操作过程将装有 200 mL 胡萝卜汁的钢制烧杯置于沸水浴中，使中心温度迅速升到 90，保温 1 min 后取出，冰浴冷却至常温，进行各项指标测定。2.4.3 色泽全自动色差仪（SC-80C，北京康光仪器厂）用白板和黑板调零后，将样品摇匀取 5 mL置于比色杯中，在反射模式下测定 L*、a*、b*值。本实验中总色差计算公式为 E(L*afterL*before)2(a*aftera*before)2(b*afterb*before)2。 其中 L*before、a*before、b*before 是鲜榨汁最初测定值；L*after、a*after、b*after 是 HPCD 处理后的 测定值；E 是总色差。L*、a*、b*是测定食品颜色变化的常用参数。L*称为明度指数，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色。在 L*、a*、b*的坐标系中，a*方向颜色接近红色，a*方向颜色接近绿色；b* 方向颜色接近黄色，b*方向颜色接近蓝色；E 为两点之间的变化值8。2.4.4 褐变度（BD）紫外分光光度计（Cary-50，美国瓦里安公司）测定样品处理后 420 nm 下的吸光值作为 褐变指数。胡萝卜汁在 4下 8,000g 离心 20 min，上清夜用 0.45 m 的微孔滤膜过滤，过 滤液用分光光度计在 420 nm 波长下测吸光度值9。2.4.5 浊度散射式浊度仪（WGZ-200，上海珊科仪器厂）测定，将样品用蒸馏水稀释 25 倍后用浊 度仪测定。以 10 档调零后调节浊度仪的测量档换到 200 档，以蒸馏水作为空白溶液，用 10 cm 的比色皿测定。2.4.6 颗粒大小 激光粒度分析仪（Ls230，美国贝克曼库特公司）测定胡萝卜汁的粒径大小。Ls v3.29软件操作的 Ls230 激光粒度仪选小粒径模式测定。系统通过波长为 750 nm 的激光衍射后，通过对颗粒散射光强度及散射角大小的测量来计算粒径为 0.4 m 到 2000 m 的颗粒大小及 分布。此实验测量背景是蒸馏水，测量之前先用蒸馏水清洗内部光学仪器，等洗净后浆蒸馏水 注满样品池后仪器开始进行自动调参过程，包括：measuring offset、Auto Align、Measuring Background、 Measuring Loading，调参结束后将样品加入样品池直到显示浓度为 8左右， 系统提示可以开始进行测量。测量时样品会通入到一个充满液体的闭合环路，由转速约为8L/min 的环流泵控制。胡萝卜汁的粒径用体积平均粒径（mean diameter）和体积中位径（median diameter）表 示。其中：平均粒径 nc dlc/ nc dlc= 4 3其中 dlc 是颗粒粒径，nc 是此粒径下的颗粒所占比例；体积中位径是粒径分布中间值直 径。2.4.7 pH 值和可滴定酸采用 pH 计（868 型，美国奥立龙）测定 pH 值。用标准缓冲液将 pH 计的测量范围调 为 4.0 到 7.0，取 10 mL 样品放入 50 mL 的小烧杯中。测定 pH 值后将烧杯置于磁力搅拌器上，放入 pH 计的探头，调节适当的搅拌速度，用 0.02 mol/L 的 NaOH 溶液滴定至 pH8.110。 可滴定酸按公式计算 1000 mL 胡萝卜汁中所含可滴定酸含量：C N 折算系数M = V V 1-可滴定酸含量（mL），V-样品总体积（1000mL）； C-消耗的 NaOH 标准液（mL）；N-NaOH 标准液的摩尔浓度；V1-滴定所用的样品体积（mL）。折算系数-以柠檬酸计（0.064）。2.4.8 可溶性固性物数字阿贝折光仪（WAY-2S，上海精密科学仪器公司）测定。测量用一次性塑料滴管取样品， 滴 2 滴样品于棱镜上进行测量。每次测量后都用蒸馏水清洗。2.4.9 类胡萝卜素按国标 GB12291-90 方法，采用 UV762 型分光光度计，检测波长 450 nm，萃取液氯 仿/甲醇2/1(v/v)。取 2 mL 样品，移入分液漏斗，加入 10 mL 的萃取液震荡后静止分层， 下层经过加有 5 g 无水硫酸钠的砂芯漏斗过滤，反复提取至上层液无色，收集过滤液并定容 至 50 mL, 测定在 450 nm 下的吸光值。总类胡萝卜素的计算：类胡萝卜素(mg/100mL) = A 20VA 为吸光值，V 为样品体积（mL）。2.4.10 光谱扫描用紫外可见分光光度计（Cary-50，美国瓦里安公司）测定。胡萝卜汁在 4下 10,000g 离心 20 min，上清液用 0.45 m 的微孔滤膜过滤，过滤液用扫描仪在 200800 nm 波长 下测吸光度值。3. 结果与分析3.1 HPCD 处理后胡萝卜汁 pH 值、可滴定酸和可溶性固性物的变化图 2 为 HPCD 处理前后胡萝卜汁 pH 值变化。HPCD 处理后胡萝卜汁 pH 值显著下降（p0.05），不同 HPCD 处理时间对胡萝卜汁 pH 值并没有显著性影响。HPCD 处理过程中 CO2 溶于胡萝卜汁形成碳酸，碳酸可进一步解离出 H+，使胡萝卜汁 pH 值降低。橙汁在 31 MPa HPCD 处理后，pH 值会降低 0.7 个单位，但是样品释放压强和脱气后 pH 值会上升并达到鲜 榨汁的 pH 值11，表明了胡萝卜汁中 pH 值的降低是由 CO2 溶解中造成的。同样，胡萝卜汁 的可滴定酸显著性升高（p0.05）。热处理对胡萝卜汁 pH 值和总酸没有明显影响。如图 3 所示，HPCD 处理后胡萝卜汁可溶性固性物的没有显著变化。b7abbab654pH值3210鲜榨汁DPCD15 minDPCD30 minDPCD45 minDPCD60 min热处理图 2 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁 pH 值的影响Fig 2 Effect of HPCD (25、30 MPa) on the pH of carrot juice6a a a a a a5可溶性固性物( 癇rix)43210鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 3 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁可溶性固性物的影响Fig 3 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the total soluble solids of carrot juice3.2 HPCD 处理后胡萝卜汁的色泽变化图 4 为 HPCD 处理前后胡萝卜汁颜色*、a*、b*值的变化。HPCD 处理后胡萝卜汁的*显著增加（p0.05），但不同处理时间 15 min、30 min 和 45 min 之间胡萝卜汁 L*没有显著差异（p0.05），处理 60 min 后胡萝卜汁 L*显著高于其他处理时间（p0.05）。HPCD 处理 15 min 和 30 min 后胡萝卜汁的 a*值没有显著性变化（p0.05），但处理 45 min 和 60 min 后胡萝卜汁 的 a*值显著提高（p0.05）。HPCD 处理后胡萝卜汁 b*值没有显著变化，说明 HPCD 处理对胡萝卜汁的 b*值没有影响。热处理后胡萝卜汁的 L*值、b*值显著降低（p0.05），而 a*值并没有显著性变化。Kincal 等人利用 HPCD 在 38 MPa、室温、10 min 处理橙汁，发现样品亮度和红 度（L*值和 a*值）有较小的升高，b*值有所降低12。Park 等人利用 HPCD 和超高压联合处理 胡萝卜汁，处理后样品*值有不显著的增加 13。3230a*b*L*b28a cb b26a a24222018L*.a*.b*1614aaadbab a ab12b b ab1086420鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 4 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁 L*、a*、b*的影响Fig 4 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the color of carrot juice图 5 为 HPCD 处理后胡萝卜汁总色差变化。HPCD 处理后胡萝卜汁的总色差显著提高（p0.05），表明 HPCD 处理使胡萝卜汁的颜色发生显著性变化，主要是由于 HPCD 导致胡萝卜 汁*、a*增加引起的。随着处理时间的增加，颜色变化越大。热处理后胡萝卜汁的 E 值最大， 为 2.610.04， 是热处理后胡萝卜汁*、a*减小引起的。3.02.5ab a2.0 bcE1.5cd1.0 d0.50.0DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 5 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁总色差的影响Fig 5 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the E of carrot juice3.3 HPCD 处理对胡萝卜汁褐变度的影响鲜榨汁； 15min； 30min；45min； 60min； 热处理图 6 为胡萝卜汁经过 HPCD 处理后的光谱扫描图，对照胡萝卜汁光谱扫描曲线明显高于 HPCD 处理和热处理的鲜榨胡萝卜汁的光谱扫描曲线。因此，进一步研究了不同处理时间对褐 变度的影响（见图 7）。与对照相比，HPCD 处理和热处理后胡萝卜汁的褐变度显著降低，但 HPCD 处理和热处理之间没有区别，褐变度变化结果与光谱扫描得到的结果一致，表明 HPCD 处理和热处理能有效抑制褐变。多酚氧化酶（PPO）是引起果蔬汁酶促褐变的主要原因，HPCD 处理和热处理可能钝化或部分钝化了胡萝卜汁中的多酚氧化酶，从而有效抑制了褐变。Gui 等 报道 HPCD 对苹果浊汁中的 PPO 有较好的钝化作用，处理后 PPO 酶活最大下降了约 6014， Park 等人也发现HPCD 处理后胡萝卜汁中PPO 的残存酶活为3915。因此，为了更好解释HPCD 对褐变抑制机理，需要深入研究 HPCD 对胡萝卜汁中 PPO 酶的钝化效果。2.52.01.5Abs1.00.50.0250 300 350 400 450 500 550 600 650700波长（nm）图 6 HPCD（25、30 MPa）处理后胡萝卜汁的光谱扫描图Fig 6 the UV-visible spectroscopy of carrot juice after HPCD (25, 30 MPa)a0.50.4Abs0.30.2b b b b b0.10.0鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 7 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁褐变度的影响Fig 7 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the browning degree of carrot juice3.4 HPCD 处理后胡萝卜汁中粒度大小变化50中位径平均粒径4540353025粒径 m20151050鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 8 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁颗粒分布的影响Fig 8 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the particle size distribution of carrot juice从图 8 看出，HPCD 处理 15 min、30 min 和 45min 后，胡萝卜浊汁颗粒的粒径平均值和中位径显著增大，表明胡萝卜汁中的颗粒粒径增大。但是处理时间 60min 后，粒径平均值和中位 径又显著减小，表明此时胡萝卜汁颗粒粒径减小。因此，HPCD 处理时间对胡萝卜汁颗粒粒径 有不同的影响，这可能是两个方面的原因造成的：一方面，在 HPCD 处理的过程中，由于 CO2 溶于胡萝卜汁，胡萝卜汁 pH 值降低，导致胡萝卜汁中的蛋白质变性、凝聚，蛋白质的凝聚作 用会使颗粒粒径增大；另一方面，长时间的 HPCD 高压作用以及卸压过程具有均质效果，使颗 粒粒径又会随时间延长而减小。3.5 HPCD 处理后胡萝卜汁的浊度变化浊度与粒径大小和粒度分布有关，小粒径颗粒是形成混浊稳定性的主要因素。由图 9 可以 看出，HPCD 显著提高了胡萝卜汁的浊度（p0.05），而且随着处理时间延长，浊度显著提高（p0.05），处理 60 min 后浊度提高了 25.9。Kincal16等人和 Arreolla17等人的研究表明， HPCD 处理仍然能够提高橙汁的浊度，这可能是 HPCD 处理降压时对橙汁的均质作用造成的。 但热处理后浊度降低了 23.8，从外观上看有大颗粒的沉降，严重破坏了胡萝卜汁的稳定性，这是热处理导致胡萝卜汁中的蛋白质变性引起的。100a bc80d f60h浊度40200鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 9 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁浊度的影响Fig 9 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the turbidity of carrot juice3.6 HPCD 处理后胡萝卜汁中类胡萝卜素含量的变化类胡萝卜素的含量是胡萝卜汁的一个重要品质指标。图 10 所示，热处理后胡萝卜汁中 类胡萝卜素呈现下降趋势，但不显著，因为类胡萝卜素对热较为稳定。HPCD 处理后胡萝卜 汁中类胡萝卜素含量没有发生变化，主要 HPCD 处理过程中胡萝卜汁处于一个相对厌氧环 境中，类胡萝卜素没有氧化破坏。因此，HPCD 处理过程中类胡萝卜素比较稳定。0.14aa0.12a a a a类胡萝卜素(mg/100mL)0.100.080.060.040.020.00鲜榨汁DPCD15minDPCD30minDPCD45minDPCD60min热处理图 10 HPCD（25、30 MPa）处理对胡萝卜汁类胡萝卜素的影响Fig 10 Effect of HPCD (25, 30 MPa) on the carotenoids of carrot juice4. 结论HPCD 技术能提高胡萝卜汁品质。经过 HPCD 处理后胡萝卜汁颜色*值和浊度增加，对胡 萝卜汁类胡萝卜素*和颜色 b*值没有变化影响，胡萝卜汁的褐变被有效抑制。但胡萝卜汁颜 色 a*值和颗粒粒径变化与 HPCD 处理时间有关。参考文献1 廖小军. 果蔬汁非热力加工技术进展J.饮料工业,2002,5(5):4-7.2 Fraser D. 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The treatment temperature was 25, the pressure was 30 MPa, the treatment times were 15, 30, 45 and 60min. Following HPCD, juice pH showed a reduction and titratable acidity an increase, total soluble solid and carotenoids no alteration. The browning in carrot juice was effectively inhibited and the juiceturbidity increased. The color* of the juice increased and the b* didnt alter. The change of the colora* and juice particle size was related to the treatment time. The color a* significantly increased for 45 and 60 min. The median and the mean of the particle size exhibited a significant increase for 15, 30 and45 min, and reduced for 60 min.Key words: High Pressure Carbon Dioxide (HPCD); carrot juice; quality作者简介：周林燕，女，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向是食品非热力加工技术与 理论研究。