高强度超声（HPU）与脉冲电场（PEF）协同处理草莓汁的品质、色泽与花青素稳定性：基于化学计量学的优化研究

《Foods》：Processing of Strawberry Juice Using High-Power Ultra-Sound (HPU) and Pulsed Electric Field (PEF): Synergistic Effects on Quality, Color and Anthocyanins Revealed by Chemometrics

　　

摘要专业翻译 最小化加工的非热技术日益广泛地应用于保持果汁品质与安全性，同时延长其货架期。本研究评估了高强度超声（HPU；振幅25%，脉冲50%，2.5–7.5 min）与脉冲电场（PEF；30 kV cm?1，100 Hz，1.5–4.5 min）以HPU → PEF顺序联合应用，作为草莓汁在4 °C下储存7天的栅栏策略。研究旨在评估其对花青素含量、色泽及理化性质（电导率、褐变指数、溶解氧、羟甲基糠醛）的影响，并借助化学计量学方法确定最优加工条件。储存对所有参数均有显著影响（p ≤ 0.01），表现为电导率、褐变指数和总色差升高，而花青素、溶解氧和羟甲基糠醛（HMF）水平降低。在HPU–PEF组合中，最温和的处理（HPU 2.5 min + PEF）保留了最高的花青素含量（19.48 ± 0.05 mg 100 mL?1），同时具有最低的电导率、褐变指数和HMF；而更剧烈的处理则导致渐进性降解。优化结果表明，HPU 2.5 min + PEF 1.5 min（未经储存）可实现花青素保留最大化（20.07 mg 100 mL?1），而HMF最小化（4.29 mg L?1）则需要HPU 3.5 min + PEF 1.5 min。因此，短时HPU–PEF组合构成了一种有效的温和强度栅栏策略，有助于维持草莓汁的新鲜样品质。

论文解读

一、研究背景与问题提出

随着消费者对 minimally processed（最小化加工）、无添加剂且兼具安全性与功能特性的食品需求日益增长，果汁加工行业面临双重挑战：既要确保微生物安全与货架期稳定，又要最大限度保留营养与感官品质。传统巴氏杀菌虽为标准方法，但热处理会引发褐变、羟甲基糠醛（HMF）生成、色泽劣变及生物活性物质损失等问题。花青素作为草莓汁特征红色及重要营养价值的来源，对pH、温度、光照、溶解氧及多酚氧化酶等高度敏感，极易在热加工和储存过程中降解。此外，果汁在生产和储存期间仍易受微生物和酶促腐败影响。为兼顾安全与品质，栅栏技术（hurdle technology）应运而生，通过多种加工方法的策略性组合，在更温和条件下实现协同增效。高强度超声（HPU）与脉冲电场（PEF）均为可连续化、成本相对较低的非热技术，分别通过空化效应和电穿孔作用破坏细胞结构、促进花青素释放并灭活微生物和酶。然而，二者在草莓汁中的联合应用此前鲜有系统研究。研究人员的先前工作已建立了PEF → HPU顺序的效果，但无法回答顺序反转是否改变协同程度——因为空化引起的结构变化可能以不同方式影响后续电穿孔效率。因此，本研究旨在通过匹配的对照设计，系统评估HPU → PEF顺序对草莓汁花青素保留、色泽稳定性及理化品质的影响，并针对该顺序独立进行参数优化，以与反向顺序的结果进行直接比较。

二、研究内容与主要结论

研究人员以‘Albion’品种草莓为原料制备冷压草莓汁，采用全因子随机实验设计，设置HPU处理时间（2.5、5.0、7.5 min）与PEF处理时间（1.5、3.0、4.5 min）共18种组合，每种组合两个独立实验重复（n = 36），另设未经处理的对照组。所有样品在4 °C下储存，分别于0天和7天进行品质分析。主要结论如下：储存对所有参数均有显著影响（p ≤ 0.01），导致花青素、溶解氧和HMF含量下降，电导率、褐变指数和总色差（ΔE_ab）升高。与对照组相比，HPU + PEF处理显著提高了电导率和ΔE_ab，而对照组保留了更高的a、b和C*值。在所有组合中，最温和处理（HPU 2.5 min + PEF 1.5 min）保留了最高花青素含量（19.80 ± 0.05 mg 100 mL^?1），较最强组合（HPU 7.5 min + PEF 4.5 min）高11.4%，同时具有最低的电导率、褐变指数和HMF。模型优化进一步确认HPU 2.5 min + PEF 1.5 min（不储存）为花青素保留最大化（20.07 mg 100 mL^?1）、电导率最小化（2089.1 μS cm^?1）和褐变指数最小化（1.58）的条件；HMF最小化（4.29 mg L^?1）则需HPU 3.5 min + PEF 1.5 min。该推荐条件对应的总处理时间仅4.0 min，较最强组合缩短三倍，且温度增幅很小（HPU期间平均从15.66 °C升至19.00 °C，PEF期间从17.40 °C升至17.90 °C），无需额外冷却即可应用。研究还指出，该条件与先前PEF → HPU顺序研究中的最优条件相比，HPU → PEF在更短处理时间内即可达到相当或更优的品质结果，体现了空化优先处理在工艺效率上的优势。研究同时提醒，微生物灭活和残余酶活性未在本研究中测定，推荐条件主要针对品质保留优化，商业化前需验证其微生物安全性；7天储存期以外的长期稳定性也需进一步确认。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）高强度超声（HPU）处理，使用Hielscher UP400St超声处理器（400 W，24 Hz），振幅25%、脉冲50%，处理时间2.5–7.5 min，样品置于冰水浴中以控制温升；（2）脉冲电场（PEF）处理，使用HVG60/1设备（Impel d.o.o.，克罗地亚），电场强度30 kV cm^?1、脉冲频率100 Hz、脉宽1 μs，处理时间1.5–4.5 min；（3）品质指标测定，包括单体花青素（pH示差法，以pelargonidin-3-glucoside当量表示）、电导率、溶解氧、褐变指数（420 nm吸光度）、HMF（硫代巴比妥酸反应）、CIELab色泽参数（L、a、b、C、H*、ΔE_ab）；（4）化学计量学分析，包括多元方差分析（MANOVA）、Kruskal–Wallis非参数检验、Pearson相关分析、Ward层次聚类分析，以及基于响应曲面法（RSM）和期望函数法的多目标优化，使用IBM SPSS Statistics（v.24）和Statgraphics Centurion^?软件。样本来源为克罗地亚Zagreb County的Jagodar-HB d.o.o.公司提供的‘Albion’品种草莓。

四、研究结果

3.1 化学计量学评估加工效应（与对照比较）

通过Ward层次聚类分析，研究人员发现0天新鲜对照组与7天储存对照组聚类较近，表明仅冷藏储存（7天、4 °C）本身造成的品质退化有限。温和处理样品（HPU 2.5 min + PEF 1.5–3.0 min）与对照组聚类最近，反映其最好地保留了果汁原有的花青素、色泽和理化特征；而更剧烈处理样品形成远离对照的独立亚簇，主要驱动因素为电导率、褐变指数和ΔE_ab升高。Kruskal–Wallis检验显示，处理样品与对照的显著差异主要体现在电导率和部分CIELab色泽参数（L、a、b、C、ΔE_ab）上，而花青素、褐变指数和HMF无显著差异，表明HPU + PEF处理引起的是选择性而非广泛的品质改变。

3.2 HPU联合PEF对储存期间理化性质的影响

储存显著影响所有理化参数（p ≤ 0.01）。电导率在7天储存后升高，归因于非热处理诱导的细胞膜损伤促进了细胞内离子和可溶物的持续释放。HPU单独处理在2.5至5 min期间显著提高电导率后趋于平台；PEF在3 min后不再显著增加。联合处理中，较短组合（如HPU 2.5 min + PEF 3.0 min）即可达到与更强组合相当的电导率。溶解氧在储存中显著降低，HPU具有脱气效应（至5 min），而PEF对氧含量无显著影响。褐变指数在储存后升高，与花青素降解呈负相关；多数处理对褐变指数无显著影响，仅HPU 2.5 min + PEF 4.5 min组合显著升高。HMF在储存中降低，与PEF → HPU顺序（储存升高）相反，提示加工顺序影响HMF稳定性；HPU单独处理随时长增加HMF，PEF无显著影响；联合处理中最低HMF出现在最温和条件。

3.3 HPU联合PEF对花青素和色泽稳定性的影响

储存7天显著降低花青素含量（p ≤ 0.01），伴随褐变指数升高。处理强度增加普遍导致花青素含量下降，HPU → PEF顺序呈现持续下降趋势（与PEF → HPU的抛物线趋势不同）。最高花青素含量（19.48 ± 0.05 mg 100 mL^?1）出现在最温和组合（HPU 2.5 min + PEF）。色泽参数方面，储存显著降低L（变暗）；HPU单独处理随时间延长使所有色泽参数（L、a、b、C、H）渐进下降，PEF则呈抛物线效应（至3 min改善、延长后下降）。联合处理中，温和条件下适度延长PEF至3 min可改善色泽参数，进一步延长则下降。ΔE_ab在储存后显著升高，最高均值（3.96 ± 0.09）出现在最强处理条件，但所有ΔE_ab值均低于6，表明色泽变化在消费者可接受范围内。

3.4 HPU和PEF加工参数优化

基于响应曲面法和期望函数优化，研究人员确定了各响应变量的最优条件：花青素最大化（20.07 mg 100 mL^?1）、电导率最小化（2089.1 μS cm^?1）和褐变指数最小化（1.58）均收敛于HPU 2.5 min + PEF 1.5 min（不储存）；HMF最小化（4.29 mg L^?1）需HPU 3.5 min + PEF 1.5 min；色泽最优（ΔE_ab ≈ 0）需HPU 3.5 min + PEF 2.0 min（储存1天）。五个最优中四个落在狭窄加工窗口内，三个完全重合于最低因子水平，因此推荐HPU 2.5 min + PEF 1.5 min为单一最优条件。该条件与最强组合相比，花青素多保留2.26 mg 100 mL^?1（12.9%），褐变指数、HMF和ΔE_ab分别低0.14、0.46 mg L^?1和1.01个单位，总处理时间缩短三倍。在放大生产方面，该条件对应最低能量输入和最短批次时间；PEF转移至连续处理腔时应保持脉冲数（9000个脉冲，累计导通时间9 ms）而非批次时间恒定，HPU则应以声能密度为转移基准。储存本身在7天内使花青素降低7.3%、溶解氧降低40.8%、电导率升高12.1%，因此工艺优化的实际价值主要在于果汁进入储存时的初始品质——推荐条件提供了最大的品质余量。

五、讨论与结论

讨论部分指出，HPU → PEF顺序在温和条件下即可达到与PEF → HPU相当甚至更优的品质结果，且所需HPU时间（2.5–3.5 min）显著短于反向顺序（可达7.5 min），体现了空化优先破坏细胞结构后促进电穿孔和传质的协同增效机制。研究同时强调了两项工业化前需解决的约束：一是微生物灭活和残余酶活性未测定，若温和条件不足以满足商业安全要求，应优先延长PEF而非HPU（因延长HPU一致性地降低花青素并增加ΔE_ab）；二是7天储存期以外的长期稳定性尚待验证。

结论部分总结：储存显著影响所有测量参数（p ≤ 0.01），降低花青素、溶解氧和HMF，同时升高电导率、褐变指数和ΔE_ab。HPU + PEF处理显著提高电导率和总色差，而未处理样品保留了更高的a、b和C*值。最温和组合（HPU 2.5 min + PEF 1.5 min）最好地保留了果汁品质，花青素含量较最强组合高11.4%，同时具有最低的电导率、褐变指数和HMF。模型优化确认该条件为花青素保留最大化、电导率和褐变指数最小化的最优条件。总体而言，短时HPU–PEF组合以HPU → PEF顺序应用，构成了一种有效的温和强度栅栏策略，可在保持生物活性化合物含量、色泽稳定性和低热降解标志物水平的同时，延长草莓汁的冷藏货架期，符合‘新鲜样’产品的定位。