電子束輻照和超高壓處理對紅棗濃漿風味的影響

陳美玲，簡 磊，原秋艷，賈明月，貴香茹，徐懷德

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

紅棗（Ziziphus jujubaMill.）為鼠李科棗屬植物，原產于中國，具有4 000多年的栽培歷史[1]。我國紅棗資源豐富、產量高，占全球總產量的97%以上。紅棗富含有機酸、多酚、三萜酸、環磷酸腺苷和多糖等多種營養物質[2]，極具加工潛力。紅棗濃漿為棗制品之一，可作為食品配料添加到面包、餅干、蛋糕、牛奶和咖啡等食品中，提高食品營養和風味的同時，亦可豐富食品種類，能夠較好滿足消費者的營養需求[3]。

但是由于紅棗濃漿水分低、黏度高，傳統熱處理方式不僅能耗高，還會導致紅棗濃漿食用品質受損，出現不良風味[4]。電子束（electron beam，EB）輻照技術和超高壓（ultra-high pressure，HP）技術作為新型非熱加工技術，與傳統熱處理相比，不僅殺菌效果好，時間短、耗能少；而且在處理過程中引起食品內部溫度變化極小，能夠很好地保持食品原有的色、香、味及功能活性成分[5]。目前電子束輻照在果蔬貯藏與保鮮中應用較多，Ramakrishnan等[6]用3 種電子束劑量（0、0.4、1 kGy）對葡萄柚和檸檬進行處理，結果發現1 kGy的電子束輻照可以延長葡萄柚和檸檬的保質期，并維持較好的感官品質。Culleré等[7]發現1.5 kGy的電子束輻照劑量可以提高黑松露中大多數芳香化合物含量。超高壓技術在果蔬汁殺菌滅酶和傳質提取等方面應用廣泛，胡秦佳寶等[8]研究發現超高壓技術對果汁中大部分營養成分影響較小，可以較好地保持果汁特征香氣。Zhu Danshi等[9]也發現相比于巴氏殺菌和微波殺菌，超高壓殺菌能更有效地保留果汁中的風味和營養品質。鄭楚瑤等[5]的實驗結果表明超高壓技術能有效保持百香果鮮果漿的色澤和風味。上述研究表明電子束輻照處理和超高壓處理均是有效提升產品品質的冷殺菌方式。

紅棗濃漿的食用品質主要在于風味品質，其風味受還原糖、有機酸和揮發性芳香物質含量影響[10]。一般將甜味、鮮味、質地和香味作為評價紅棗濃漿食用品質的指標。甜味取決于紅棗濃漿中的葡萄糖、果糖等物質含量，質地和黏度主要受多糖和蛋白質等物質的影響，香味取決于揮發性成分[11]。研究表明，電子鼻和電子舌具有良好的靈敏度和重現性，可以模擬人類的嗅覺和味覺感知，客觀地檢測和分析不同樣品香氣和滋味的細微變化，在食品生產、食品監督和日常生活中發揮著重要作用[12-13]。電子鼻采用了一種感官陣列設置，模擬哺乳動物的鼻子，對揮發性物質的氣味變化產生反應，將傳感器探測到的氣味物質強度轉換成數據，再結合化學計量學等方法和模型，最終形成能夠反映樣品總體氣味輪廓的圖譜從而區分樣品[13-14]。電子舌通過人工膜脂表面可以吸附樣品中的呈味物質，導致呈味物質之間產生靜電作用或者疏水性相互作用，從而引起膜電勢變化，并將膜電勢變化作為輸出信號傳輸到“大腦”進行分析，從而識別樣品味覺強度及味覺特征[15]。這兩種技術被廣泛應用于葡萄酒、啤酒和黃米酒的質量評價中，具有良好的檢測與識別效果[16]。

然而，目前關于輻照處理和超高壓處理對紅棗濃漿風味的影響研究較少，故本實驗采用電子束輻照和超高壓技術處理紅棗濃漿，以巴氏殺菌和未處理紅棗濃漿樣品為對照，通過高效液相色譜法、電子鼻、電子舌和感官評價等方式分析不同處理對紅棗濃漿品質（游離氨基酸、還原糖、氣味和滋味）的影響，同時結合主成分分析（principal component analysis，PCA）對不同處理的紅棗濃漿品質進行差異性分析，以期為改善紅棗濃漿的風味、促進紅棗多值化利用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陜北木棗購于陜西省榆林市清澗縣，果實質量（6.3±0.5）g，含水量為（18±2）%。

甲醇、乙腈（均為色譜級），氨水、仲辛醇（均為分析級），果膠酶（酶活力為50 000 U/g）、纖維素酶（酶活力為5 000 U/g），果糖、葡萄糖標準品 北京索萊寶生物科技有限公司；17 種氨基酸標樣混合標樣美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 儀器與設備

ESS-010-03電子束輻照設備 楊凌核盛輻照有限公司；SHPP-10L超高壓設備 山西三水河科技股份公司；R-100旋轉蒸發儀 瑞士布奇公司；PEN3型電子鼻德國Airsense公司；萃取頭（二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/PDMS）50/30 μm）美國Supelco公司；LC-2030 Plus高效液相色譜儀 日本島津公司；1100高效液相色譜儀 美國安捷倫公司；α-ASTREE電子舌系統 法國Alpha MOS公司。

1.3 方法

1.3.1 紅棗濃漿處理

挑選無破損、無病蟲害且外觀品質較好的木棗清洗后與純凈水按1∶3的質量體積比混合，經過軟化、去皮去核、打漿、過濾、酶解、均質、濃縮等處理后，將得到的紅棗濃漿樣品充分混勻后裝入食品級聚乙烯塑封袋中，每10 g為一袋，然后進行以下處理：

對照組（CK組）：不做處理，并與處理組置于相同環境下；巴氏殺菌組（PS組）：將紅棗濃漿置于80 ℃水浴鍋中處理30 min后使用流動水快速冷卻至室溫；電子束輻照殺菌組：采用ESS-010-03電子加速器對紅棗濃漿進行處理，其能級為10 MeV，功率水平為20 kW，平均劑量率為98 kGy/min，輻照時間小于2 s。輻照劑量分別為3、5 kGy和7 kGy，實際劑量均在目標劑量±0.3 kGy以內（用EB-3、EB-5和EB-7代表電子束輻照樣品）；超高壓處理：將紅棗濃漿置于高壓增壓裝置中，高壓裝置升壓速率約為7.5 MPa/s，卸壓時間小于30 s，溫度約為30 ℃。以蒸餾水為傳壓介質，進行400、500、600 MPa，6 min超高壓處理（用HP-400、HP-500和HP-600代表不同超高壓處理樣品）。

1.3.2 微生物指標測定

參考GB 4789.2—2016《食品微生物學檢驗 菌落總數測定》測定菌落總數，結果以對數表示。

1.3.3 游離氨基酸含量測定

參照張家旭等[17]的檢測方法，精確稱取樣品約1.00 g溶解于1%磺基水楊酸（50 mL）中，用0.45 μm濾膜過濾后使用1100高效液相色譜儀進行檢測。色譜條件：色譜柱為hypersil ODS C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫：40 ℃，流速：1.0 mL/min，紫外檢測器：254 nm，流動相A為甲醇，流動相B為80%乙腈溶液，流動相C為0.05 mol/L乙酸鈉-乙酸緩沖液（pH 6.5），采用外標法測得樣品中17 種氨基酸含量。

1.3.4 還原糖含量測定

參照Bouhlali等[18]的研究方法稍作修改。準確稱取1.00 g樣品充分溶解于超純水并定容至50 mL，經0.45 μm孔徑濾膜過濾后進入LC-2030 Plus高效液相色譜系統進行分析。色譜條件：色譜柱為Bridge Amide色譜柱（4.6 mm×250 mm，3.5 μm），流動相A：0.02%氨水溶液，流動相B：75%乙腈溶液，流速：0.60 mL/min，進樣量：10 μL，柱溫：35 ℃。采用外標法測得樣品中葡萄糖和果糖的含量。

1.3.5 電子鼻分析

參考王永倫等[19]的方法進行電子鼻分析。準確稱取各紅棗濃漿樣品1.00 g，分別置于40 mL頂空瓶中加蓋密封，靜置120 min，通過頂空進樣的方式檢測。采樣完成后，經活性炭過濾后的潔凈空氣被泵入電子鼻，對傳感器進行清洗并使其恢復到初始狀態。每個樣品做5 個平行。程序設置：樣品準備時間5 s，測試時間60 s，傳感器清洗時間240 s，進樣流量400 mL/min。傳感信號在40 s后基本穩定，選定信號采集時間為45～50 s。

1.3.6 電子舌分析

采用α-ASTREE電子舌系統，該電子舌配有ZZ、JE、BB、CA、GA、HA和JB共7 個傳感器，每個傳感器對酸、咸、甜、苦和鮮味敏感，但程度不一。實驗開始前，對電子舌儀器的味覺傳感器系統進行活化、校正、診斷，待傳感器通過檢驗后開始實驗。參考程茜等[12]的測定方法，將紅棗濃漿稀釋50 倍后進行抽濾，取澄清液85 mL于電子舌專用燒杯，放入傳感器進行檢測。單次信號采集時間為120 s，每次分析時間為3 min。每檢測一個樣品對所使用的傳感器用純凈水進行一次徹底清洗，清洗時間為10 s，每個樣品進行3 次平行測定。

1.3.7 感官評價

參考易宇文等[20]的方法，召集年齡階段在20～25、26～30、31～35、36～40 歲和41～50 歲男女各2 人對紅棗濃漿滋味、香味、色澤、形態和沖調性進行評價打分（0～15 分），5 個感官屬性樣品被隨機編號，以減少偏差。感官評分標準如表1所示。

表1 紅棗濃漿感官評分標準Table 1 Sensory evaluation criteria for jujube pulp

1.4 數據統計分析

2 結果與分析

2.1 不同處理對紅棗濃漿中菌落總數的影響

由圖1 可知，未處理的紅棗濃漿菌落總數達2.32（lg（CFU/g））。經過EB-3、HP-400、HP-400和HP-600處理后，樣品中菌落總數分別下降為1.30、1.54、1.30、1.15（lg（CFU/g）），而于EB-5和EB-7樣品中未檢測到微生物。結果表明，PS、EB和HP處理均符合GB 7101—2015《飲料》的要求，且EB處理殺菌效果最佳。這可能是因為EB處理可導致生物分子如DNA、RNA和蛋白質的解體，從而抑制微生物生長繁殖[21]。然而，經HP處理后樣品中仍有少數微生物存在，這可能是由于紅棗濃漿中高糖溶液對微生物具有保護作用[22]。

圖1 不同處理方式對紅棗濃漿菌落總數的影響Fig.1 Effect of different treatments on total bacterial count in jujube pulp

2.2 不同處理對紅棗濃漿中游離氨基酸含量的影響

游離氨基酸是食物中重要的風味物質和香氣前體物質，在食品的味覺特征中發揮著非常重要的作用[16,23]。氨基酸標準品分離色譜圖見圖2，不同處理對紅棗濃漿中游離氨基酸含量的影響如表2 所示，8 組樣品中均檢測到17 種游離氨基酸，其總含量為353.97～370.79 mg/100 g。其中甜味氨基酸含量最高，占總游離氨基酸含量82.17%～82.94%。而脯氨酸是甜味氨基酸中最主要的氨基酸，占其總含量的76.70%～79.09%。不同處理對紅棗濃漿中游離氨基酸含量影響不同，PS處理組樣品中總游離氨基酸含量顯著低于其他處理組，這可能是由于在溫度較高的情況下，紅棗濃漿中的多糖與氨基酸發生美拉德反應，從而導致游離氨基酸含量有所降低[24]。EB處理后，部分氨基酸含量增加，但是游離氨基酸總量顯著下降，這與石夢琦等[25]的研究結果一致。

圖2 氨基酸標準品分離色譜圖Fig.2 Chromatograms of amino acid standards

表2 不同處理對紅棗濃漿游離氨基酸含量的影響Table 2 Effects of different treatments on free amino acid contents of jujube pulp mg/100 g

姜雪等[26]研究發現棗果苦味差異與苦味氨基酸組成密切相關。相比于CK處理組，PS、EB和HP處理后，苦味和芳香味氨基酸含量顯著上升；PS處理組甜味和鮮味氨基酸含量顯著降低；EB組的甜味氨基酸含量有所升高，但隨著輻照劑量增大，鮮味氨基酸含量有所降低；HP處理后甜味氨基酸（以脯氨酸為主）含量增加程度最大，這與Bao Chenligen等[27]的研究結果一致，通過分析超高壓協同酶解對紅黃芪風味的影響，發現與對照組相比，超高壓處理可顯著提升甜味氨基酸（絲氨酸、甘氨酸、脯氨酸和丙氨酸）的含量。上述結果可說明PS處理不利于紅棗濃漿中游離氨基酸良好風味的呈現，而EB和HP處理可促進甜味氨基酸含量上升，從而促進紅棗濃漿甜味增加。

進一步分析不同處理對紅棗濃漿中游離氨基酸含量的影響（圖3），可以發現HP處理顯著提高了紅棗濃漿中脯氨酸、酪氨酸、絲氨酸、異亮氨酸、天冬氨酸、甲硫氨酸的含量。EB-3處理顯著增加了天冬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸含量，而對其他氨基酸影響不明顯，這可能是輻照劑量較低，從而產生的影響較小。

圖3 不同處理方式下紅棗濃漿中游離氨基酸熱圖Fig.3 Heatmap of free amino acids in jujube pulp with different treatments

相比于CK組，EB-5和EB-7均顯著提高了半胱氨酸、精氨酸、纈氨酸、亮氨酸的含量。此外，EB處理顯著降低了甲硫氨酸含量，Nam等[28]的實驗結果表明輻照可以使肉類食品中含硫氨基酸發生降解反應，從而導致含硫水溶性化合物產生。而PS處理主要提升了精氨酸、纈氨酸和亮氨酸等多種苦味氨基酸的含量，降低了苯丙氨酸和谷氨酸含量。有研究表明，熱處理會導致食物中的游離氨基酸、多肽和蛋白質降低，并導致苦味化合物的增加，說明PS處理可能會導致紅棗濃漿呈現苦澀味[29]。

2.3 不同處理對紅棗濃漿中還原糖含量的影響

常見還原糖一般包括葡萄糖、果糖、半乳糖和乳糖等。紅棗濃漿中葡萄糖、果糖含量豐富，可提供愉悅的口感[30]。如圖4所示，不同處理得到的紅棗濃漿中最豐富的為果糖，其含量為4.5～6.1 mg/g，其次為葡萄糖（2.9～3.8 mg/g）。與CK組相比，PS處理樣品中果糖含量降低，葡萄糖含量無顯著變化；EB處理顯著提高了紅棗濃漿中果糖和葡萄糖含量，不同輻照劑量對果糖和葡萄糖含量無顯著影響。有研究表明電離輻射處理可以提高生物質中還原糖含量，張玥等[31]通過電子加速器對新鮮板栗進行不同劑量（0、150、300、450、600、750、900 Gy）輻照處理，發現輻照處理有利于板栗中還原糖的生成。Ribeiro等[32]通過電子束輻照處理甘蔗渣，發現30 kGy的輻照劑量改變了甘蔗渣的結構和組成，使得纖維素和半纖維素裂解形成低聚糖、葡萄糖和阿拉伯糖。Kapoor等[33]的研究結果表明由于輻照破壞了甘蔗渣的纖維素細胞壁，從而使其總還原糖產量提高了3 倍。HP處理后紅棗濃漿果糖含量與壓力呈正相關（4.6、5.0、6.1 mg/g），這可能是HP處理促進了果膠分子結構的斷裂和多糖的水解所致。

圖4 不同處理對紅棗濃漿中還原糖含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on reducing sugar contents in jujube pulp

2.4 電子鼻分析

電子鼻可以通過一系列模擬人類嗅覺系統的化學傳感器識別和區分復雜的揮發物。圖5為電子鼻中10 個傳感器對紅棗濃漿樣品揮發性成分的響應值。

如圖5a所示，不同處理方式下紅棗濃漿樣品雷達指紋圖輪廓相似，但傳感器響應值存在顯著差異。傳感器W1W（硫化物）、W1S（碳氫化合物）、W5S（氮氧化合物）和W2S（醇和部分芳香族化合物）的響應值較其他傳感器更高。說明不同處理紅棗濃漿樣品中主要風味物質為無機硫化物、萜烯類物質、碳氫化合物、醇類、酮類和脂肪酸類等物質。就WS5（氮氧化合物）和W1W（硫化物、萜烯類物質）探頭而言，EB處理樣品的響應值顯著高于其他處理，且輻照劑量越大，響應值越高，說明輻照處理后紅棗濃漿樣品中氮氧化合物和硫化物濃度顯著高于其他處理，且呈劑量依賴型增加。氮氧化合物濃度增加可能是輻照引起的蛋白質的氧化、蛋白質骨架的破壞、二級結構的損傷及氨基酸水解所致；除此之外，輻照還會導致含硫氨基酸降解，從而使硫化物含量增加[34-35]。廖濤等[34]通過測定輻照后豬肉的揮發性氣味發現輻照后揮發性物質含量增多，并且產生了二甲基硫等含硫化合物。王甜等[35]使用0～8 kGy的輻照劑量對臘肉進行處理，發現輻照后的臘肉品在傳感器W1W（硫化物）的響應值最高，這與本研究結果一致。HP處理組樣品在W2S傳感器（醇類、醛類、酮類）和W1S（碳氫化合物）傳感器處的響應值略高于其他處理，說明超高壓處理對提升醇、醛、酮類風味物質的效果最顯著。而其余6 個傳感器的響應值幾乎重疊，說明這6 個傳感器不能對8 種不同處理樣品做出明顯區分。

采用PCA法分析了10 個傳感器的響應值，以確定不同處理之間的風味差異（圖5b）。PC1和PC2的貢獻率分別為51.6%和24.2%，總體貢獻率為75.8%，說明PC1和PC2可反映紅棗濃漿風味成分的完整數據。平行樣品之間的距離較近或有重疊，說明樣品的重復性較好。同時，樣品間的距離表明，PCA可較好地區分不同樣品的香氣成分[36]。

2.5 電子舌分析

如圖6a所示，不同殺菌方式下紅棗濃漿樣品滋味雷達指紋圖輪廓相似，但傳感器響應值存在顯著差異?？傮w來看，不同處理的樣品在HA和JE傳感器處響應值差距最大，其次是JB、CA、BB傳感器，而在ZZ傳感器處無明顯差異。EB處理組在HA傳感器下響應值顯著低于其他處理組；HP處理樣品在JE傳感器下響應值顯著低于其他處理組，在BB傳感器下響應值顯著高于其他處理；PS和CK處理組響應值差異最小。

圖6 不同處理方式下紅棗濃漿樣品電子舌評價Fig.6 Electronic tongue analysis of jujube pulp samples with different treatments

采用PCA對不同處理的紅棗濃漿滋味差異進行分析，由圖6b可知，PC1占比62.5%，PC2占比35.9%，前2 個PC總貢獻率超過98.4%，說明PC1和PC2已經包含主要信息。不同區域代表不同處理紅棗濃漿樣品的整體味覺特性分布，數據采集點之間的分散程度越大，各組的差異越明顯[37]。PS處理組和對照組樣品分布在同一區域，而EB處理組和HP處理組樣品分別在另外兩區域，說明EB、HP處理組的紅棗濃漿滋味與對照組的滋味特征存在明顯差異，而PS處理組與對照組樣品滋味特征相近。

2.6 感官評價

為評價不同處理后紅棗濃漿的食用品質，本研究從5 個方面對樣品進行了分析。如表3所示，HP和EB樣品感官平均分高于PS樣品，尤其是在滋味、形態和色澤方面。這可能是由于PS處理導致美拉德反應產物類黑精的產生，從而產生顏色黑化，導致色澤評分較低且形態更為黏稠[38]。而EB和HP處理為冷殺菌技術，與熱加工比較，對其天然的風味以及顏色的褐變影響程度較小。

表3 紅棗濃漿食用品質評分Table 3 Sensory evaluation scores of jujube pulp

其中，不同處理得分差距最明顯的是沖調性，沖調性是決定紅棗濃漿食用品質的重要標準之一[39]。由圖7可知，由CK和PS處理樣品配制而成的溶液中含有少量塊狀，這可能是由于紅棗濃漿的多糖含量十分豐富，導致紅棗濃漿黏度大且溶解性較低。此外，HP處理樣品在水溶液中呈明顯塊狀，溶解程度顯著低于其他處理，這可能是由于超高壓處理對分子具有改性作用，可對蛋白質的二、三、四級結構產生影響，從而使蛋白質肽鏈折疊，分子結構發生變化，蛋白質溶解性下降[40]。相比之下，EB處理樣品沖調性最佳，樣品在水中的分散較好，其溶解程度與輻照劑量呈正相關，造成上述現象的原因可能是EB處理可以提高多糖的溶解性，從而降低樣品黏度，使樣品能夠快速溶解在水中[41-42]。

圖7 不同處理對紅棗濃漿沖調性的影響Fig.7 Effects of different treatments on reconstitutability of jujube pulp

綜上所述，感官評價結果顯示，相比于PS和CK處理，HP和EB處理樣品具有更理想的外觀、色澤和滋味；相比于其他處理，EB處理可改善紅棗濃漿樣品的沖調性，使其能夠快速溶解。

3 結論

經過EB和HP處理后，紅棗濃漿中微生物數量均符合國家標準；HP處理后游離氨基酸含量（以甜味氨基酸為主）顯著高于其他處理；與對照組相比，EB和HP處理均可顯著提升紅棗濃漿樣品中還原糖含量；EB處理后紅棗濃漿樣品中揮發性物質含量增多，氮氧化合物和硫化物濃度顯著高于其他處理；由感官評價結果可知，HP和EB處理樣品獲得的感官屬性評分高于CK和PS處理。其中，EB處理樣品沖調性最佳。綜上所述，與PS處理相比，EB和HP處理能夠更好地提升紅棗濃漿口感，改善紅棗濃漿的風味品質，故兩種處理均可作為紅棗濃漿的新型冷加工方式。