柑橘加工品加工技术的研究进展

柑橘加工品加工技术的研究进展

柑橘是世界上最常见的果树之一。柑橘类果实的营养价值很高,以其为原料的柑橘汁中含有丰富的矿物质和维生素,特别是钾和类胡萝卜素、维生素C,它们在预防某些疾病、维持心肌功能以及降低血压等方面有重要的作用,柑橘汁已经成为世界上最受欢迎的果汁。目前,我国柑橘种植面积居世界首位,年产量约1500万吨,居世界第三位。根据联台国粮农组织(FAO)预测,2010年我国柑橘加工品的需求量将达到181.5万吨。我国柑橘鲜果采后商品化处理率仅为5%,而发达主产国家高达90%以上,我国柑橘加工比例远低于35%的世界平均水平,更低于巴西的80%和美国的70%这一水平。此种情况一方面造成柑橘果汁主要依赖进口,柑橘加工企业日渐疲软,无力应对入世后的竞争;另一方面造成资源浪费,我国每年均有大量“过剩”鲜柑橘因无用武之地而腐烂掉。造成这种局面的原因除了种植模式、柑橘品种之外,还与我国柑橘加工技术有关。据调查,我国生产的柑橘汁一般有较明显的苦味,这在一定程度上影响了柑橘汁的品质。因此,积极开展柑橘加工技术的研究是十分必要的,尤其是柑橘果汁的脱苦技术。1柑橘品种及含量对柑橘果实的影响现已知道柑橘果汁苦味的形成主要是由两大类化合物造成。一类化合物是类黄酮化合物(Flavonoids),其主要苦味物是柚皮苷(Naringin)、新橙皮苷(Neohesperidin)、枸桔苷(Poncirin)等,其中以柚皮苷(学名为4,5,7-三羟基黄烷酮-7-鼠李糖葡萄糖苷)为主,其结构式如图1所示。它在水中的苦味阈值为20mg/L,在果汁中约为30mg/L,易溶于热乙醇中,在热水和热乙酸中可溶,冷水和冷乙醇中微溶,乙醚、氯仿、苯中不溶。柚皮苷在柑橘中的含量因品种、果实部位和采摘季节不同各有差异。湖南轻工业研究所对国内柚子测得结果:湖南大柚干燥白皮层含柚皮苷3.2%,广西小柚含3.9%,衡阳酸柚含4.9%。柚皮苷在柑橘果实中总体含量的高低趋势为:白皮层>外果皮>内果皮>种子>果汁,没有成熟的柑橘果实中的柚皮苷含量最多。柚皮苷主要存在于柚子、葡萄柚、酸橙及其变种的果皮及果实中。在食品工业中柚皮苷可作为天然色素、风味改良剂和苦味剂等用于食品和饮料的生产。近年来的研究表明,柚皮苷具有抗氧化、抗突变、抗癌等多种生物活性,在医药工业上可用于生产防治心脑血管等疾病的各种药物。另一类化合物是类柠檬苦素(Limonoids),是一组三萜系衍生物,是植物次生代谢的产物,主要存在于芸香科和楝科的多种植物中,迄今已分离出大约300多种类柠檬苦素化合物。类柠檬苦素常以两种形式存在,一种为类柠檬苦素配基化合物(苷元),已分离鉴定出37种,另一种为类柠檬苦素葡萄糖苷化合物(即配糖体,又称苷),已分离鉴定出21种。柠檬苦素类似物的苷元又可分为中性和酸性(柠檬苦素A环内酯和D环内酯)两种类型。据研究,虽然在柑橘果实中柠檬苦素(亦称柠碱,如图2)的含量极少,但由于在柑橘果实中含有大量的柠碱前体———柠檬苦素A环内酯(简称LARL),榨汁时LARL从果实中溶出,此物质在酸性条件或加热条件下会很快地转变成柠碱(图3),此反应因柑橘中存在柠檬苦素D环内酯水解酶而得以加速,这就是榨汁前不苦的柑橘果汁榨汁后慢慢变苦的原因,这种现象被称为“后苦味”(delayedbitterness)。具有强烈苦味的类柠檬苦素有柠碱(Limonin)、诺米林(Nomilin)、宜昌素(Ichangin)和诺米林酸(Nominicacid)四种,在柑橘类果汁中,通常情况下柠碱是最重要的苦味源,诺米林次之,而宜昌素和诺米林酸因其含量较低而作用不明显。柠碱在水溶液中的苦味阈值为1.0mg/L,比柚皮苷要苦约20倍,在橙汁中的苦味阈值为3.4mg/L,水中溶解度为4mg/L,如果其含量超过15mg/L,那么此种柑橘已不适合用于饮食业中。柠檬苦素类似物的配糖体(LG)是一类无苦味的柠檬苦素类似物,并不构成柑橘果实的苦味。它是由柠檬苦素类似物苷元分子D环开环后在C-17的位置上以糖苷键的形式结合一个五碳糖而构成的,是在植物体内经过相当复杂的生化过程合成的。柠檬苦素类化合物在柑橘果实中的总含量与种类比例因品种、发育阶段等的不同而存在差异;同时,不同柑橘组织中柠檬苦素类化合物种类比例亦有较大差异。通常情况下,在柑橘成熟果实中,柠檬苦素类化合物含量多以种子最高,其次为果皮,最低为果肉。2过工品种的质量在柑橘制品中,特别是柑橘果汁中含有一定的苦味是保持产品特有风味必不可少的,但苦味过强就会影响产品的质量和销售。柑橘果汁的脱苦工艺是柑橘深加工的关键技术,针对脱除柑橘类苦味物质的问题,许多学者作了广泛的研究并提出了许多方法。2.1吸附剂对柑橘中主苦的提取吸附法是采用吸附剂有选择地吸附除去柑橘类果汁中的苦味成分而达到脱苦的目的。寻找各种有效的吸附剂除去柑橘中的苦味一直都是一个研究的热点。目前采用的吸附剂主要有活性炭、活化硅酸镁、硅胶、醋酸纤维、木质吸附剂、吸附树脂等。2.1.1其它氧化物h值的变化五十年代,Mclolioch发现活性炭对脐橙汁中的柠碱和有机酸有一定的吸附作用,但由于处理后的果汁pH值上升,引起了一些化学反应,从而使产品产生出了硫化物的气味。万萍等将带有苦味的柑橘汁经过澄清,用0.3%的活性炭,在室温下脱苦再通过离心或过滤法分离活性炭可将包括极苦的橙子二次榨汁等柑橘汁中的苦味基本脱除。与此同时维生素C损失量为7%～9%,总酸损失量3%～4%左右,可溶性固形物的损失量为2%左右。2.1.2低表面活性剂添加量对葡萄柚果汁品质的影响Barmore用活化硅酸镁(Florisil),在20℃间歇搅拌1min条件下,可同时降低葡萄柚果汁中的苦味和酸味物质(见表1)。且处理后果汁中Vc和可溶性固形物的含量未发生变化,也没出现异味。2.1.3做吸附剂脱除柠碱七十年代后期,Chandler等人研究凝胶型的醋酸纤维素酯(CA)和醋酸-丁酸纤维素酯(CAB)作吸附剂,脱除果汁中的柠碱并已开始工业应用。凝胶型纤维素酯可以内涂或内衬在果汁贮罐内,也可以做成胶粒进行使用。Chandler使用含15%CA的凝胶珠粒浸泡在橙汁中处理45min,结果见表2。2.1.4脱苦处理柑橘汁自上世纪70年代起,澳大利亚、美国、以色列、日本等国相继开展了用树脂脱去柑橘果汁中柠碱和柚皮苷等苦味物质的研究。到80年代后期,澳大利亚、阿根廷、希腊、以色列、意大利、日本、西班牙和美国已在生产上用树脂脱苦。近年来,欧洲开发出新工艺,采用苯乙烯/二乙烯基苯共聚体、酚/福尔马林浓缩物、聚丙烯酸酯为基础的颗粒状或球状粒子,这种吸附剂开始广泛地应用于柑橘汁脱苦。吸附法脱苦发展至今,性能日益优异的树脂相继出炉。Chandler及Johnsce对20余种商品化树脂进行了筛选研究,结果表明,吸附树脂XAD-7可去除果汁中88%的柠碱;S861的吸附效果最佳,能吸附果汁中100%的柠碱;而S866对柠碱更具有选择性,但吸附效果不如S861。此类吸附树脂对果汁中其他营养成分有一定的影响。离子交换树脂S-861(USA专利4439458)在不影响柑橘果汁中营养成分的前提下,果汁中苦味明显降低;其中可使脱酸葡萄柚汁中的柚皮苷和柠碱的脱除率分别达80%和90%,脐橙汁、柠檬汁中柠碱的脱除率分别达85%和94%。Adami和Carlini等采用AmberliteXAD216树脂去除柑橘汁中的苦味物质,效果非常明显,对柠碱的吸附率大于90%,对柚皮苷的吸附率经Lee和Kim研究检测为78%。Maria等采用AmberliteXAD24、XAD27和XAD216三种苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物(SVDB)对柑橘汁进行脱苦,发现三种树脂对柑橘汁中各成分吸附能力顺序依次为:柠碱﹥﹥柚皮苷﹥类胡萝卜素≈还原糖。树脂吸附柠碱的能力远远超过柚皮苷,主要是因为前者具有更强的疏水性。研究还发现仅XAD27吸附脱苦最符合Langmuir和Freundlich两种模型,对柠碱的脱除率最高,并且对其它营养成分影响最少。在国内,利用吸附法去除柑橘汁中苦味物质进行的研究旨在挑选优良的国产树脂。肖润林等采用国产树脂对酸橙汁中苦味物质进行处理,处理后柚皮苷和柠碱的脱除率可达80%。程绍南等采用HB801吸附树脂(加入量10%,搅拌10min)对高橙、槾文、椪柑、柳橙进行脱苦,该树脂对上述柑橘类果肉原汁的柚皮苷和柠碱的脱除率分别达61.6%～100%和80.3%～98.9%,对全果原汁的脱除率分别达71.5%～90.9%和78.9%～100%。前田久夫(1985)和Johnson(1983)曾以苯乙烯-乙二烯苯系树脂为吸附剂,采用分批混合法分别对八朔蜜柑汁和葡萄柚汁的柚皮苷进行了吸附脱除试验,得到了脱除率分别为51%和56%～61%的结果,该树脂对柠碱的脱除率可达75%～91%。相比较而言,HB801吸附树脂对柚皮苷的吸附效果似乎更显著些,但在柑橘汁的脱苦处理中,若采用HB801吸附树脂,尚需进一步研究防止Vc损耗的措施。高彦祥等研究了8种大孔吸附树脂对橙汁中柚皮苷、柠碱的吸附作用,其中Y7吸附树脂对上述两种苦味物质的静态饱和吸附率达均达到100%,吸附平衡时间4h,对其它营养成分无明显影响;对柚皮苷和柠碱的吸附等温线分别服从Langmuir和Freundlich吸附等温模式;然而,由于加工工艺、加工设备不完善等,使得树脂破损度很大,大大缩短了树脂的使用寿命,致使吸附率明显降低。柑橘果汁与吸附剂接触的方式主要有:固定化床技术、流化床技术和笼式接触技术,其中笼式接触技术能使苦味物质与吸附剂更好地接触,其最大的特点是可以处理带有悬浮颗粒的果汁。根据吸附剂对苦味物质的吸附特点,优良的吸附剂需具备以下几点:大的比表面积;与苦味物质分子具有较强的亲和力;吸附剂表面孔径的大小必须适合其颗粒表面具有多孔性的结构;此外,吸附剂对苦味物质的吸附必须迅速。2.2生物技术法的浪费2.2.1脱苦酶系统成分和吸附剂一次可以把柠碱和柚皮苷除去不同,酶法脱苦主要是利用不同的酶分别作用于柠碱和柚皮苷,使之生成不含苦味的物质。脱苦酶按作用对象可分为黄烷酮糖苷类化合物脱苦酶和柠檬苦素(柠碱)类化合物脱苦酶。作用于黄烷酮糖苷类化合物的脱苦酶主要是柚皮苷酶,它是由α-L-鼠李糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶组成。柚皮苷酶最早是Hall于1938年从芹菜种子中分离得到的,目前国外已有商品柚苷酶供应。柚皮苷在此酶的作用下最终生成没有苦味的桔皮素和葡萄糖。王鸿飞等利用柚皮苷酶对柑橘类果汁进行脱苦研究,结果表明,柚皮苷酶最小用量为0.5g/L、果汁温度为45～70℃、果汁pH为3～5、作用最短时间达60min,脱苦率达到85%以上;在优化后的工艺条件下,用柚皮苷酶对柑橘类果汁进行脱苦具有良好的效果,脱苦率达90.55%。作用于柠檬苦素类化合物的脱苦酶主要有柠酸A-环内酯脱氢酶、柠檬苦素环氧酶、柠檬苦素醇脱氢酶、反式消除酶、乙酰基裂解酶等。利用节杆菌属和不动杆菌属的去柠檬苦素酶使柠碱酸盐D-环内酯开环产生无苦味的柠碱衍生物的方法,只是一种权宜之法,因为在果汁天然的酸性环境中(pH3.0～3.5),D环可以重新关闭。但若使用柠碱酸盐脱氢酶打开D环,则可以使柠碱酸盐D-环内酯转化为无苦味的17-脱氢柠碱酸盐A-环内酯,这是一种有效的脱苦方法,但此法还未用于生产,且对此研究也很少。柠碱前体的脱氢酶研究较多的有两种:一种是Arthrobacterglobiformis菌株所产生的胞内酶,简称LD-Ag;另一种由Pseudomonasspecis321-18菌株产生,简称LD-Ps,后者性能优于前者,并已获得美国专利权;以上两种酶均需特定的辅酶配合才能发挥作用。2.2.2生物反应器内的柚子汁酶固定化酶具有比自然酶更广泛的pH值和温度适应范围,且能多次使用。固定化柚苷酶用于脱苦已有许多报道。Puri等用海藻酸盐包埋柚苷酶用于果汁脱苦;One等通过离子键将柚苷酶固定在DEAE-Sephandexs上;Ellenrieder等用丝绸和羊毛固定青霉来源的柚苷酶;Tsen等发明用三醋酸纤维素固定柚苷酶,果汁在生物反应器中与酶接触,可同时去除柚苷和柠碱。Olson等采用固定在中空纤维中的柚苷酶脱除葡萄柚汁中的柚苷苦味,处理后果汁的苦味已达到可以接受的程度。柠檬苦素类脱苦酶最适宜的pH值都偏向碱性,直接将其用于脱苦时需调节柑橘汁的pH,这会影响柑橘汁的品质,而柚皮苷酶的最适宜pH值与柑橘汁的自然pH值相接近,因此,在用固定化酶对柑橘汁进行脱苦时使用最多的是柚皮苷酶。2.2.3固定化生物反应器ro利用细胞固定化技术,不仅可省去复杂的酶分离提纯步骤,保持酶的天然状态,而且使用失效后的固定化细胞经培养再生后,还可重复利用。汪钊等人用黑曲霉变异株ZG86进行柚苷酶固体发酵,利用此酶对柑桔果汁脱苦,脱除率达90%,苦味基本消失。柠檬苦素脱苦酶受pH的影响,在固定化酶脱苦应用中受到限制,但可以将产生这些酶的细菌细胞固定化,以用于柑橘果汁的脱苦。常用菌有球形节杆菌、球形节杆菌Ⅱ、假单胞菌、束红球菌等,利用此法脱苦的菌可多次使用。固定化材料的选择尤为重要,Iborra等人将Rhodoccusfacians的细胞固定在κ-角叉藻聚糖上,可脱除大约60%的柠碱;Hasegawa等人将Corynebacteriumfacians固定在丙烯酰胺上,使含20～50mg/kg诺米林的柑橘汁一次通过,便可完全脱除,该系统连续用15次后依然有效。Vaks和Lifshitz从土壤中分离出AcinetobaterSP菌,将该菌装入渗透性囊袋,置于高柠碱果汁中2小时,柠碱含量即降低50%,果汁中其他营养成分没有受到损失。罗自生等将醋酸杆菌于固定化细胞生物反应器中,在流速2mL/min处理柑橘汁后,柠碱脱苦率达58.3%,pH值从3.8下降至3.7,Vc损失8%,可溶性固形物损失7%,该反应器每次处理柑橘汁120mL,可连续使用11次,脱苦率仍可达51.08%。从目前的发展趋势来看,酶法脱苦具有专一性强,对柑橘果汁风味和营养成分破坏少、效果好、成本低等特点,可能将是今后柑橘类果汁脱苦的主要方法。2.3隔离法消除痛苦2.3.1-环糊精处理柑橘类果汁β-环糊精是由7个葡萄糖分子通过α-1,4-糖苷键组成的环状结构,其疏水中心空腔能够结合某些分子,形成包合络合物,作为增溶剂、乳化剂在食品工业上具有较大的应用潜力。添加剂量因柑橘汁种类而异,一般在0.3%～0.5%之间,不超过1%,以免苦味成分重新析出。Konno等通过试验发现在柑橘汁中加入0.5%β-环糊精可使柑橘汁的苦味降低50%,而对糖类、Vc和其它营养成分没有太大影响。徐仲伟等研究表明,添加0.5%β-环糊精时柠碱、柚皮苷的脱除率分别为49.1%和47.8%。徐国胜等实验发现,β-环糊精对柑橘类果汁脱苦工艺的最适参数:果汁温度为45℃,作用时间90min,β-环糊精添加量为0.5g/100mL。在优化的工艺条件下,柠檬苦素脱苦率为86.53%,柚皮苷脱苦率为24.17%,Vc损失率为4.68%。2.3.2水的人才合成法新地奥明(Nediosmin)具有脱氢新橙皮苷的特点,本身没有苦味,它能通过化学的或物理的作用而和味感器官发生缔合,使得苦味物质的苦味阈值增大,从而降低物质的苦味。在水溶液中,10mg/kg的新地奥明可以使柚皮苷的苦味阈值从20mg/kg增加到65mg/kg,使柠碱的苦味阈值从1mg/kg增加到4mg/kg,其推荐剂量50～150mg/kg。60mg/kg的新地奥明可使柑橘汁中柠碱的阈值由3.4mg/kg增至6.8mg/kg,并不会影响柑橘汁本身的风味。Guadagni发表了下列关系式:式中:TN为柚皮苷在水中的苦味阈值(mg/kg);TL为柠碱在橙汁中的苦味阈值(mg/kg)。2.3.3其他甜味剂添加一定剂量的甜味剂蔗糖亦可增大苦味物质在溶液中的阈值,如表3所示:除蔗糖外,其他甜味剂如新橙皮苷双氢查耳酮(NeohesperidinDihydrochalcone)、橙皮素双氢查耳酮葡萄糖苷(HesperidinDihydrochalconeGlucoside)等也能使柚皮苷和柠碱的苦味阈值有较大的增加。2.4乙烯气体种类对猕猴桃脱除的影响Maier发展了代谢脱苦法,它与柑橘柠碱的代谢密切相关。徐仲伟等将整果置于20mg/kg的乙烯气体中1h,然后于室温下在空气中放置5天,可使果汁中柠碱苦味降低44.9%,但此法对柚皮苷脱除的影响很小,见表4。此外,用乙烯利浸果若浓度控制不当,会有烂果现象发生。2.5柚子汁的固沙处理膜分离技术是近几十年发展起来的高新技术,这些年发展尤为迅速。按照分离原理不同可分为:滤膜和溶解-扩散膜两种类型。滤膜分离物质的原理是根据分子量的大小。溶解-扩散膜对物质的分离是根据溶质分子在膜中的溶解性和扩散性,因此,与滤膜相比,它能将浓度极化现象降至最低,且具有很强的抗污染能力。据报道,在25℃时,溶解-扩散膜能将溶液中的柠碱从55mg/kg降至11mg/kg或从40mg/kg降至8mg/kg,营养成分的损失不超过5%。杜吉涛等采用截留分子量为5万、8万和10万道尔顿的国产中空纤维超滤膜对柚子汁进行脱苦处理,经10万道尔顿超滤膜澄清的柚子汁其苦味得以适度去除,合理的工艺参数为:操作压力0.1～0.11MPa,温度为36～38℃,主流液流速为100L/h,但原汁的营养成分受到一定程度的影响。膜技术脱苦具有分离效率高,操作温度低的特点,目前由于膜性能方面的原因仅在实验室使用。2.6其他疼痛法2.6.1柠碱脱除率的变化Kimall探讨了用超临界CO2流体来脱除柑橘汁中的柠碱的条件。在压力21～41MPa,温度30～60℃之间处理1h,柠碱脱除率平均达25%,处理4h能使柠碱含量由17.5mg/L降至7mg/L,而对果汁中的其他营养成分没有影响。超临界CO2脱苦效果较明显,但需要超临界高压装置,操作较复杂,相对投资较高,高温高压是否会带来一定程度的营养损失尚需进一步的研究。2.6.2活性化合物的合成采用三乙胺的衍生物处理柑橘树体或完整果实能明显降低果实及叶片中柠碱的含量。据报道,2-(4-乙苯氧基)三乙胺和2-(3,4-二甲苯氧基)三乙胺能明显抑制幼龄柠檬叶中柠碱酸盐A-环内酯的生物合成,从而限制了柠碱的生成。实验证明,用250mg/kg的2-(4-乙苯氧基)三乙胺和250mg/kg的2-(3,4-二甲苯氧基)三乙胺喷洒脐橙树林,可使果实中柠碱酸盐A-环内酯的含量减少50%。2.6.3果汁脱苦处理柚皮苷极能溶于水,通过加热处理,使其溶出,洗脱即可。但此法不是很适宜于果汁,因果汁加热后会增加苦味,因此在用此法对果汁脱苦时应尽量控制加热温度。对柑橘进行脱苦时,将刺碎的果肉在60～65℃处理8min,使90%的柚皮苷转化成可溶性。同样将果皮在稀盐液中加热,重复2～3次,苦味就明显减少了。2.6.4抗基因