超临界二氧化碳(SC-CO2)在果蔬汁中溶解度的建模研究及其巴氏杀菌应用价值

为解决传统热杀菌技术对果蔬汁品质的破坏问题，意大利帕多瓦大学团队通过半因子实验设计，建立SC-CO2在模拟果汁中的溶解度预测模型（R2=0.897），证实葡萄糖和氯化钠显著降低CO2溶解度，为优化非热杀菌工艺提供关键参数。

　　

在追求健康饮食的浪潮中，果蔬汁因富含生物活性成分备受青睐，但传统热巴氏灭菌技术(HTST/UHT)在确保微生物安全的同时，往往导致热敏感营养素降解和风味劣变。这一矛盾催生了以超临界二氧化碳(SC-CO₂)为代表的非热杀菌技术，其利用31.1°C/7.38 MPa临界点以上的CO₂独特性质，在35-55°C温和条件下实现5 log以上的微生物灭活，同时更好保留"清洁标签"产品特性。然而，SC-CO₂杀菌效率的核心制约因素——CO₂在复杂果汁基质中的溶解度规律尚未明确，特别是糖、盐、酸等成分的交互影响机制亟待解析。

意大利帕多瓦大学工业工程系的研究团队在《Food and Bioproducts Processing》发表的研究，通过创新性地结合半因子实验设计与实际果汁验证，首次建立了同时涵盖工艺参数（压力10-14 MPa、温度35-45°C）和基质成分（葡萄糖0-15 g/100 mL、氯化钠0-3 g/100 mL、柠檬酸0-6 g/100 mL）的CO₂溶解度预测模型。研究采用高压HPLC泵与50 mL不锈钢反应釜系统，通过真空膨胀法精确测定21种模拟果汁的CO₂溶解度（3.832-5.730 g/100 g），并选取8种市售果汁（橙汁、苹果汁、葡萄汁等）进行模型验证。

关键方法学：1）建立包含温度、压力、葡萄糖、氯化钠和柠檬酸五因素的半因子实验设计；2）采用经Dodds数据验证的高压平衡系统（精度±0.01 MPa）测定溶解度；3）以°Brix和灰分含量分别替代葡萄糖与盐浓度，实现实际果汁的模型外推。

溶解度模型构建：通过反向逐步回归得到线性方程CO₂sol.=6.122-0.0267T+0.00282P-0.06772葡萄糖-0.2107NaCl（RMSE=0.148 g/100 g）。标准化帕累托图显示葡萄糖影响最显著（降低溶解度0.068 g/100 g·(g葡萄糖)^-1），其次是氯化钠（0.211 g/100 g·(g NaCl)^-1），而柠檬酸无统计学意义。这与Ferrentino等早前在苹果汁模型中的发现一致，但首次量化了多组分协同效应。

实际果汁验证：在10 MPa/35°C条件下，番茄汁（°Brix 3.5°）展现最高溶解度5.378 g/100 g，葡萄汁（°Brix 18.4°）最低4.420 g/100 g，证实°Brix与溶解度的强负相关（r=-0.93）。模型预测与实测值的平均绝对误差仅0.141 g/100 g（R²=0.85），显示优异的外推能力，即使对高酸柠檬汁（含6.3%柠檬酸）仍保持4.814 g/100 g的准确预测。

结论与意义：该研究突破性地揭示果汁成分对SC-CO₂杀菌效率的潜在调控机制——高糖/盐含量通过降低CO₂溶解度可能减弱微生物灭活效果。这为工艺优化提供明确方向：对高°Brix果汁需适当提高压力或延长处理时间以补偿溶解度损失。所建立的简易预测模型仅需°Brix和灰分数据即可估算CO₂溶解度，极大提升了工业应用的便利性。未来研究可拓展至脂质基质，并探索溶解度与特定微生物（如E. coli O157:H7）灭活动力学的定量关系，进一步完善SC-CO₂技术在食品工业中的精准调控体系。