两种杀菌条件下蓝莓汁储藏品质变化及动力学研究

高学玲， 刘 佳， 周 巍， 胡 勇， 岳鹏翔*

（1.安徽农业大学 茶与食品科技学院，安徽 合肥 230036；2.安徽省农业科学院 农产品加工研究所，安徽 合肥230031）

蓝莓是杜鹃花科越橘属多年生落叶或常绿灌木，又称越橘[1]。蓝莓中富含花青素、多酚、黄酮、VC、超氧化物歧化酶（SOD）等多种抗氧化物，是具有很强的抗氧化作用的水果之一[2-3]。研究表明：蓝莓花色苷具有抗氧化、清除自由基、提高人体免疫力、延缓衰老、抗癌、抗炎症等多种药理活性[4]。目前，高花青素含量的蓝莓已成为国内外生物、食品、医学、园艺等学科的研究热点，其研究多集中于蓝莓的抗氧化作用及活性成分的代谢机理、蓝莓种植技术、活性成分的影响因子及抗氧化作用、活性成分的提取分离纯化等几个方面[5-9]。

热杀菌和微波杀菌是目前较为常见的两种果汁杀菌技术[10]。其中微波杀菌与传统的热杀菌相比，具有缩短加工时间，加热均匀，能有效保护食品中热敏性营养物质，减少食品色、香、味的损失等优点[11]。目前果汁微波杀菌技术的研究主要集中在杀菌过程本身对果汁热敏性成分的保护等方面[12]，而关于微波杀菌对果汁储藏期间品质变化方面的研究，尤其是经热杀菌和微波杀菌的果汁在储藏期间品质变化方面的对比研究，尚未见文献报道。

反应动力学模型研究在对食品货架期[13]，营养物质损失[14]等方面均已做出了较好的预测。作者采用化学反应动力学方程及Arrhenius方程，分别对经热杀菌和微波杀菌后蓝莓汁中菌落总数、花青素含量及色泽在储藏期间的变化规律进行研究，并建立反应动力学方程。利用化学反应动力学研究热杀菌和微波杀菌对储藏期间蓝莓汁品质变化的影响，可为进一步深入研究品质指标变化的机理及工艺参数的合理选取提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

兔眼蓝莓：安徽省怀宁蓝莓种植基地提供，采后-20℃冻藏；果胶酶；购于法国LAFFORT公司；无水乙酸钠、氯化钾、浓盐酸、无水乙醇：均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

L-550型离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司产品；DK-8B型水浴锅：上海精密实验设备有限公司产品；WD750ASL23型微波炉：广东格兰仕集团有限公司产品；CM 3500D型色差仪：日本Konica Minolta公司产品；BS110S电子天平：北京赛多利斯天平有限公司产品；PHS-3C型pH计：上海精密科学仪器有限公司产品；UV759S型分光光度计：上海精密科学仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 蓝莓汁制备工艺 蓝莓冻果在室温避光条件下解冻后打浆，制得的果浆经果胶酶酶解后，以5 000 r/min离心10 min，分离制得蓝莓汁，pH为（3.2±0.1）。将50 mL蓝莓汁灌装后分别经80℃、20 min热杀菌处理和750 W、30 s微波杀菌处理后，制得两种蓝莓汁样品。为保证试验样品的一致性，蓝莓汁样品为一次性制备。

1.2.2 蓝莓汁储藏试验 经热杀菌和微波杀菌的蓝莓汁样品，分别用锡纸包裹容器避光置于不同温度（4、16、25、37 ℃）恒温系统中，分别经不同时期（0～75 d）的储藏，分析蓝莓汁中菌落总数、花青素质量浓度及色泽等品质参数的变化。

1.2.3 蓝莓汁品质指标测定方法

1）菌落总数 根据国家标准GB4789.2—2010[15]测定。

2）花青素质量浓度 采用pH示差法[16-17]检测蓝莓汁中花青素的质量浓度。总花青素质量浓度（Total anthocyanins，TAcy）的计算公式如下（按矢车菊色素-3-葡萄糖苷计）：

式中：A为稀释样品吸光度；449.2为矢车菊色素-3-葡萄糖苷的摩尔分子质量 （g/mol）；n为体积稀释倍数；26 900为矢车菊色素-3-葡萄糖糖苷的摩尔消光系数 （L/mol/cm），A510nm为510 nm下样品吸光度；A700nm为700 nm下样品吸光度。

3）色度 蓝莓汁的颜色变化用色差（△E）来表示，色度使用CM 3500D型色差仪检测。

式中：a为样品红度；b为样品黄度；L为样品亮度；△E 为样品与对照组之间的色差；a0、b0、L0为对照组相应值。

1.2.4 动力学理论

1）动力学方程 食品贮藏和加工中的品质变化动力学模型中大多数符合一级反应动力学模型[18]，即：

式中，t为反应时间；C为t时刻的品质指标值；C0为初始品质指标值；k为反应速度常数。

2）Arrhenius方程 储藏过程中储藏温度对反应速率常数的影响采用Arrhenius经验方程[19]，即：

式中，A为频率因子；Ea为反应的活化能（kJ/mol）；R 为气体常数 （8.314 5 J/mol/K）；T 为绝对温度（K）。

对于指定反应，频率因子是与反应温度（或微波频率）、反应物浓度和反应时间都无关系的常数。活化能的大小反映了反应温度和微波功率对反应速率常数的影响程度，也可表示反应的难易程度[19]。

2 结果与分析

2.1 储藏期间蓝莓汁菌落总数的变化

储藏期间热杀菌和微波杀菌的蓝莓汁中菌落总数的变化如图1所示。如图1（a），随着储藏时间的延长，不同储藏温度下热杀菌蓝莓汁中菌落总数均呈显著增加趋势。随着储藏温度的增大，蓝莓汁菌落总数的增长速度也迅速增大。如图1（b），微波杀菌蓝莓汁中菌落总数随着储藏时间的增长均呈显著增大趋势，并且随着储藏温度的升高，菌落总数的增大速率也逐渐加快。由图1可见，微波杀菌相比热杀菌，虽然能在很短的时间内达到与长时间热杀菌相同的杀菌效果，但在储藏期间，相同储藏条件下，微波杀菌的蓝莓汁中菌落总数的增长速度要明显快于热杀菌。

图1 储藏期间蓝莓汁中菌落总数的变化Fig.1 Changes in total bacterial count of sterilization treated blueberry juice during storage

试验结果由式（3）计算所得蓝莓汁菌落总数增长速率及R2见表1。热杀菌蓝莓汁的R2均大于0.92，微波杀菌蓝莓汁的R2均大于0.96，回归方程的拟合精度较高，表明菌落总数的变化符合一级反应动力学模型。由表1可见，热杀菌和微波杀菌的菌落总数增长速率随着储藏温度升高逐渐增大，而同温度下微波杀菌的增长速率则明显高于热杀菌。

2.2 储藏期间蓝莓汁花青素质量浓度的变化

储藏期间热杀菌和微波杀菌的蓝莓汁花青素含量的变化如图2所示。如图2（a），随着储藏时间的延长，不同储藏温度下热杀菌蓝莓汁中花青素含量均呈显著下降趋势。随着储藏温度的增大，蓝莓汁花青素的损失速率也迅速增大。如图2（b），不同储藏温度下微波杀菌的蓝莓汁中花青素含量随着储藏时间的增长均呈显著降低趋势，并且随着储藏温度增大，花青素的损失也逐渐加快。根据图2，虽然热杀菌和微波杀菌的蓝莓汁中花青素含量杀菌结束后相差不大，但是热杀菌的蓝莓汁在储藏过程中损失得较快，而微波杀菌的蓝莓汁在储藏过程中花青素的损失速率则较小。

表1 储藏期间热杀菌和微波杀菌所得蓝莓汁品质变化的速率常数Table 1 Quality change rates of sterilization treated blueberry juice during storage

图2 储藏期间蓝莓汁花青素质量浓度的变化Fig.2 Changes in total anthocyanins content of sterilization treated blueberry juice during storage

由式（3）计算所得蓝莓汁花青素损失速率及R2的实验结果见表1。由表1可知，储藏期间热杀菌蓝莓汁花青素损失速率的R2均大于0.97，储藏期间微波杀菌蓝莓汁花青素损失速率R2均大于0.95，回归方程的拟合精度较高，表明花青素含量的变化符合一级反应动力学模型。热杀菌和微波杀菌的花青素损失速率随着储藏温度升高均逐渐增大，而微波杀菌的损失速率增加趋势明显慢于热杀菌，与图2的描述一致。

2.3 储藏期间蓝莓汁色泽的变化

储藏期间蓝莓汁的色泽变化用色差（△E）来表示，对照组为杀菌前的蓝莓汁，△E越大，蓝莓汁的色泽变化越严重。储藏期间蓝莓汁色泽随储藏时间的变化如图3所示。由图3，随着储藏时间的延长，不同储藏温度下的热杀菌和微波杀菌蓝莓汁的色差均呈显著增大趋势。随着储藏温度的升高，蓝莓汁色差的变化速率也迅速增大根据图3，热杀菌的蓝莓汁色差在杀菌结束后已经达到8.575，并且在储藏期间变化较快；而微波杀菌的蓝莓汁在刚刚杀菌后仅为2.022，并且在储藏期间变化也较慢。

由式（3）计算所得蓝莓汁色泽变化速率及R2的实验结果见表1。储藏期间由表1可知，热杀菌蓝莓汁色泽变化速率的R2均大于0.92，而储藏期间微波杀菌蓝莓汁色泽变化速率R2均大于0.90，回归方程的拟合精度较高，表明色泽的变化符合一级反应动力学模型。热杀菌和微波杀菌的色泽变化速率随着储藏温度升高均逐渐增大，而微波杀菌的变化速率增大趋势也明显慢于热杀菌，这与图3的描述完全符合。

图3 储藏期间蓝莓汁色泽的变化Fig.3 Colour changes of sterilization treated blueberry juice during storage

2.4 储藏期间蓝莓汁品质指标的动力学模型及模型验证

将Arrhenius方程式（4）取对数得：

根据上式，将储藏过程中热杀菌与微波杀菌的蓝莓汁菌落总数、花青素质量浓度、色差的-lnk对热力学温度倒数1/T作回归直线，如图4所示。由回归直线的斜率和截距求出活化能Ea和频率因子A，结果如表2所示。

图4 储藏期间蓝莓汁品质指标变化的Arrhenius关系曲线Fig.4 Arrhenius curves of quality changes of sterilization treated blueberry juice during storage

表2 储藏期间蓝莓汁品质变化的活化能和频率因子Table 2 Pre-exponential factor and activation energy of sterilization treated blueberry juice during storage

由表2可知，所有Arrhenius方程的拟合精度都很高（R2>0.98）。3种品质指标中，热杀菌与微波杀菌的蓝莓汁花青素含量的活化能均最高，说明储藏期间中3个指标中花青素含量的变化较难发生。而与热杀菌相比，微波杀菌3种品质指标的活化能均较低，说明储藏温度对微波杀菌所得蓝莓汁的品质影响不大。 由参数代入式（3）、（4），即可得到热处理和微波处理下蓝莓汁品质3个指标的一级反应动力学模型。

为了验证已经建立的动力学模型的准确性，将热杀菌和微波杀菌的蓝莓汁分别在20℃下储藏8 d、15℃下储藏10 d，进行验证试验。验证结果如表3所示，所有验证试验的模型预测值与实验值之间的相对误差均不超过2%，表明本研究建立的储藏期间动力学模型的预测准确性高。

表3 动力学模型的验证结果Table 3 Verified results of the reaction kinetics model equation

3 结语

利用一级反应动力学模型和Arrhenius方程对储藏期间热杀菌和微波杀菌所得蓝莓汁的品质变化进行了研究。研究表明：在储藏期间热杀菌和微波杀菌蓝莓汁中菌落总数、花青素质量浓度和色差均有显著的变化，其变化均符合一级反应动力学模型（R2>0.9），且储藏温度对菌落总数、花青素质量浓度和色差的变化速率常数均有显著影响。储藏温度升高，菌落总数、花青素和色度的变化速率也随之增大。在较低的储藏温度，蓝莓汁的菌落总数增长缓慢，花青素和色泽的损失较小，蓝莓汁能够长时间保持较好的品质。微波杀菌的蓝莓汁相比热杀菌，虽菌落总数增长的速率更快，但能较好的抑制花青素、色泽及抗氧化能力的损失。

花青素是蓝莓汁最主要的抗氧化成分之一。花青素性质不稳定，容易受到光、热、氧气等因素的影响而损失。而花青素含量的变化也会影响到蓝莓汁色泽的变化。作者研究中所得的反应动力学方程中，相比热杀菌，微波杀菌所得蓝莓汁的花青素含量、色泽的活化能均较低。这表明微波杀菌所得蓝莓汁在储藏期间，其花青素质量浓度和色泽的变化速率受储藏温度不如热杀菌所得蓝莓汁大，而造成这一现象的原因，尚有待于进一步研究。

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