高压处理对硒砂瓜汁贮藏品质、生物活性化合物及风味特征的影响

《Foods》：Effect of High-Pressure Processing on Storage Quality, Bioactive Compounds, and Flavor Profile of Selenium-Sand Melon Juice

　　

摘要专业翻译 本研究系统评估了高压处理（high-pressure processing, HPP，500 MPa，10 min）对硒砂瓜汁（selenium-sand melon juice, SSJ）在4 °C冷藏35天贮藏期间综合品质的影响。为模拟极端污染场景，样品接种了大肠杆菌（Escherichia coli，6.886 log10 CFU/mL）和黑曲霉（Aspergillus sclerotioniger，5.011 log10 spores/mL）。研究设立五个处理组，包括HPP处理组（接种与未接种）和低温长时间（low-temperature long-time, LTLT，65 °C，30 min）巴氏杀菌组（接种与未接种）。HPP处理完全灭活了接种的微生物，且在贮藏期间未检测到再生长，而LTLT组在第7天后观察到微生物再生。HPP处理样品表现出优异的颜色稳定性（ΔE ≤ 1.58）和化合物保留能力，并在贮藏结束时维持了更高的最终pH值（5.76 vs. LTLT组的5.39），与LTLT处理样品相比，HPP组显著更好地保留了番茄红素和总酚类化合物。挥发性化合物的正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）显示，HPP-M组仅有4种判别性化合物（VIP ≥ 1），均为特征性C9醛类和醇类，而LTLT-M组则出现显著的乙酸积累，可能归因于残留微生物的代谢活动。研究表明，在确保微生物安全性、保持营养品质以及维持SSJ冷藏贮藏期间特征风味方面，HPP优于LTLT巴氏杀菌。

论文解读

一、研究背景与意义

硒砂瓜（Citrullus lanatus），又称“戈壁西瓜”，是中国宁夏回族自治区的特色农产品，以其独特的压砂栽培系统和卓越的营养特性而著称。该品种富含类胡萝卜素（尤其是番茄红素）、维生素、必需氨基酸以及硒等微量元素，具有显著的健康促进作用。然而，硒砂瓜固有的高水分含量和显著的热敏感性使其在采后易受微生物腐败和理化品质劣变的影响，给贮藏、运输和货架期延长带来了重大挑战。将新鲜硒砂瓜加工成果汁是减少采后损失并创造具有更高经济和商业潜力的增值产品的可行策略。

传统的热巴氏杀菌技术，包括低温长时间（LTLT，65 °C，30 min）和高温短时（high-temperature short-time, HTST，85 °C，15 s）处理，仍是确保果汁微生物安全性的主要工业方法。尽管这些热工艺能有效灭活致病微生物，但不可避免地会导致热敏性营养素的降解、不良颜色变化以及挥发性香气化合物的加速损失，最终损害感官和营养品质。番茄红素作为赋予硒砂瓜汁特征红色和强抗氧化能力的主要类胡萝卜素，尤其容易发生热诱导异构化和氧化降解。同时，赋予新鲜果香特征的关键香气活性化合物，包括醛类（如壬醛和己醛）和醇类，在热处理过程中显著减少。这些局限性促使研究人员积极探索能够在确保微生物安全性的同时维持果汁内在品质属性的替代保鲜技术。

近年来，新兴的非热加工技术作为传统热处理的有前景替代方案受到广泛关注。其中，高压处理（HPP）已被广泛用作生产高品质即饮果汁的商业可行技术。HPP涉及施加100至1000 MPa的静态压力，通过细胞膜破坏、蛋白质变性和酶失活等机制实现微生物灭活，同时在很大程度上保留低分子量化合物（维生素、色素和风味成分）。大量研究表明，与热加工果汁相比，HPP处理果汁在颜色、生物活性化合物、抗氧化活性和感官特性方面表现出更优异的保留效果。然而，此前关于HPP对西瓜汁影响的研究大多集中于有限的品质属性，且贮藏周期较短，尚未有研究将35天多参数品质评估、刻意污染挑战试验和化学计量学风味分析整合于单一实验设计中。此外，HPP在极端污染场景下的有效性——这对工业应用中原料可能携带高初始微生物负载的关键考量——仍未得到充分探索。

基于上述背景，本研究旨在系统评估HPP处理（500 MPa，10 min）对硒砂瓜汁在4 °C冷藏35天期间综合品质的影响，采用未接种和接种大肠杆菌D25015及黑曲霉的样品模拟极端污染条件，以传统LTLT巴氏杀菌（65 °C，30 min）作为基准对照，为HPP技术在硒砂瓜汁工业应用提供理论和实验基础。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了多项关键技术手段开展研究。样品处理方面，使用5 L HPP灭菌系统（BY600-5L）在室温约25 °C条件下施加500 MPa压力处理10 min，以水作为压力传递介质；LTLT巴氏杀菌在水浴中进行（65 °C，30 min）。微生物计数采用平板涂布法，分别使用脑心浸液琼脂（BHI）、马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）和 plate count agar（PCA）进行大肠杆菌、黑曲霉和总需氧菌计数。颜色参数使用DS-400分光光度计在反射模式下测定CIELAB色度值。番茄红素含量采用正己烷-丙酮-无水乙醇（2:1:1，v/v/v）萃取后于503 nm分光光度法测定；总酚含量采用福林-酚比色法于765 nm测定；抗氧化活性分别采用DPPH自由基清除法和ABTS自由基清除法评估。挥发性有机化合物采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术分析，使用DB-5MS毛细管柱分离，质谱采用电子轰击电离模式，化合物鉴定通过NIST 20谱库比对（相似度≥80%）及保留指数计算。多元统计分析采用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），使用SIMCA 14.1软件进行。

三、研究结果

3.1 不同处理对SSJ贮藏期间微生物安全性的影响

接种SSJ样品的初始微生物负载为大肠杆菌6.886 log₁₀ CFU/mL和黑曲霉5.011 log₁₀ spores/mL。HPP处理（500 MPa，10 min）将两种病原体均有效降至不可检测水平，且在35天贮藏期间未接种HPP组未检出任何菌落。相比之下，LTLT处理虽在初始阶段消除了可检测病原体，但LTLT-M组在冷藏7天后出现再生长，大肠杆菌回升至2.875 log₁₀ CFU/mL，黑曲霉回升至0.867 log₁₀ spores/mL。未处理对照组（CK）微生物快速增殖，第21天达到7.976 log₁₀ CFU/mL。HPP不可逆地破坏微生物细胞膜，损害通透性和离子交换功能，同时使复制必需蛋白变性并灭活关键酶，从而阻断亚致死损伤细胞可利用的修复途径。LTLT处理样品中观察到的再生长表明亚致死损伤细胞可在冷藏期间修复并恢复增殖。HPP处理样品35天内无再生长，证实其以致死性（而非亚致死性）作用机制为主。

3.2 不同处理对SSJ贮藏期间颜色的影响

所有处理组的L值（亮度）均下降，但HPP处理样品下降幅度显著较小——HPP组仅下降1.23个单位（至36.33），HPP-M组下降1.40个单位（至36.07）。a值（红度）在所有组中均下降，反映番茄红素降解，HPP和HPP-M组下降显著较小，在整个贮藏期间维持较高红度。b*值（黄蓝度）在HPP处理样品中波动极小，表明颜色稳定性优异。HPP组（最大1.37）和HPP-M组（最大1.58）的总色差ΔE在整个贮藏期间保持在2以下，而CK、LTLT和LTLT-M组超过该阈值，表明出现肉眼可感知的颜色变化。HPP的保色效果主要源于对色素共价键的干扰最小化，防止高温诱导的非酶褐变和色素异构化，同时有效灭活多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）。

3.3 不同处理对SSJ贮藏期间关键参数的影响

所有组的pH值在贮藏期间均下降，HPP组下降幅度最小，pH稳定性最佳，最终pH为5.76；LTLT和LTLT-M组持续下降并在第21天后加速，第35天分别降至5.39和5.43，显著低于HPP组，表明微生物灭活不完全及后续产酸增殖。总可溶性固形物（TSS）在HPP处理后相对于CK增加，而LTLT处理降低了TSS，这可能反映了压力诱导的细胞壁破坏释放了结合态可溶性固形物。番茄红素含量总体上在所有组中均下降，HPP组损失最小，其次为HPP-M组；CK和LTLT组出现显著降解。可滴定酸度（TA）在所有组中均增加，HPP通过微生物和酶灭活显著限制了这一增加。总糖和还原糖均下降，HPP组保留率最高，显著超过CK。总体而言，HPP在pH稳定性、TSS保留、番茄红素保存、TA控制和糖分保护方面均优于LTLT，通过同时灭活微生物和内源酶，从源头抑制品质劣变。

3.4 不同处理对SSJ贮藏期间抗氧化活性的影响

总酚含量（TPC）持续下降，HPP组保留率最高，其次为LTLT组，CK组最低。ABTS和DPPH自由基清除活性与TPC趋势一致，证实酚类化合物是硒砂瓜汁的主要抗氧化贡献者。HPP在整个贮藏期间维持了显著更高的自由基清除活性。HPP的抗氧化保留效果可能反映了天然抗氧化剂的综合保存以及压力增强的酚类可萃取性。值得注意的是，HPP单独处理无需外源添加剂即可达到与抗氧化剂联合UV-C处理相当的结果，这得益于其同时灭活氧化酶、保留热敏性抗氧化剂以及通过细胞壁破坏增强酚类可萃取性的多重机制。

3.5 不同处理对SSJ贮藏期间挥发性化合物的影响

GC-MS分析在SSJ中鉴定出56种挥发性有机化合物（VOCs），包括20种醛类、17种醇类、8种酮类、5种烷烃/烯烃类、5种酸类、3种酯类和2种呋喃类。特征性的新鲜青草香调——主要来自C6/C9醛类（己醛、壬醛）和醇类——在HPP处理组中显著优于LTLT组得到保留。CK组中新鲜特征化合物（3-壬烯-1-醇、3,6-壬二烯-1-醇、6-壬烯-1-醇、1-壬醇）急剧下降，第35天保留率仅为23%至25%，同时氧化标志物显著积累：6-甲基-5-庚烯-2-酮增加112%，β-环柠檬醛增加204%。HPP和HPP-M组显著保留了更高水平的特征性C9醛类和醇类，2-壬烯醛在第35天保留率达96%（CK为49%），3-壬烯-1-醇含量比CK高1.5倍。LTLT和LTLT-M组出现显著的乙酸积累，可能来自残留或亚致死损伤微生物恢复代谢，这是热加工果汁中微生物腐败的公认标志。

OPLS-DA建模进一步表征了这些差异，所有五个模型的置换检验均显示负Q2截距和R2Y截距低于0.3，表明模型有效且无过拟合。VIP分析（≥1）结合单因素方差分析和倍数变化筛选，鉴定出3-壬烯-1-醇和3,6-壬二烯-1-醇为所有组中的关键区分化合物。CK组VIP ≥ 1化合物最多（8种），包括C6和C9物种，证实显著的风味劣变。HPP组保留7种VIP ≥ 1化合物，以C9醛类为主。值得注意的是，HPP-M组仅有4种VIP ≥ 1化合物，全部为C9物种，无C6化合物达到阈值（己醛VIP = 0.99），证明HPP有效灭活了接种微生物，将风味演变限制在自然的C9下降而非微生物腐败。LTLT组显示5种VIP ≥ 1化合物，包括1-己醇（VIP = 1.86）和6-甲基-5-庚烯-2-酮（VIP = 1.48），表明C6醇积累；乙酸接近阈值VIP（0.87）提示微生物活动。主成分位移在LTLT和LTLT-M组显著大于HPP组，证实热处理下更严重的风味劣变。LTLT处理样品未出现显著的呋喃和呋喃酮积累，这可能与较温和的LTLT条件（65 °C，30 min）有关，表明呋喃形成主要由温度强度而非处理时间驱动。

四、结论与展望

本研究系统比较了HPP（500 MPa，10 min）和传统LTLT巴氏杀菌（65 °C，30 min）对硒砂瓜汁贮藏品质和风味的影响。HPP处理确保了稳健的微生物安全性，在35天冷藏贮藏期间防止了大肠杆菌和黑曲霉的再生长，而LTLT处理样品在第7天后出现再生长，表明HPP有效抑制了亚致死损伤细胞的代谢恢复。此外，HPP在保持理化和营养品质方面显著优于LTLT，表现为优异的颜色稳定性（ΔE ≤ 1.58）、pH维持以及番茄红素、总酚和抗氧化活性的保留。GC-MS和OPLS-DA挥发性谱分析显示，HPP有效保留了特征性C9醛类和醇类，同时防止异味化合物积累，而LTLT处理样品出现氧化和微生物降解迹象，尤其是乙酸积累。

这些发现确立了HPP作为硒砂瓜汁的优越加工技术，与LTLT巴氏杀菌相比，提供了更有效的微生物安全和品质保存。研究表明非热技术为瓜类产品保鲜提供了多功能且有效的解决方案，HPP尤其适用于光学技术受限的不透明果汁基质。然而，由于本研究未包含正式感官评价，HPP对硒砂瓜汁感知器官感觉品质的影响有待进一步研究以充分验证其商业应用。未来研究应关注工业规模验证、延长贮藏试验、消费者感官评价和成本效益分析以促进商业采用。此外，将HPP与其他保鲜栅栏技术（如天然抗菌剂或抗氧化剂）整合可能提供进一步品质提升，基于研究人员此前已证明的UV-C与抗氧化剂组合的协同效应。