黑胡萝卜（Daucus carota L.），其根部呈紫黑色，原产于土耳其、阿富汗等国家，距今已有3 000多年的种植历史[1]。黑胡萝卜富含多种维生素、矿物质、纤维素、类胡萝卜素、酚类、花青素等营养物质与生物活性物质，尤其是花青素含量高达1 750 mg/kg鲜重[2-3]，是膳食花青素的良好来源[4]。黑胡萝卜中含量较高的花青素对其各项生理活性做出了极大贡献，其抗氧化活性是其他颜色品种胡萝卜的10倍以上[5]。研究表明，花青素除了具有较强的抗氧化作用，还具有防紫外线[6]、抗癌、抗感染、改善肝功能损伤、预防糖尿病和保护视力等功效[7]。同时，黑胡萝卜中的花青素多为酰化花青素[8]，而酰基基团的存在使花青素在光、热以及中性与弱酸性基质等不利条件下的稳定性大幅增强且具有更高显色性[9-10]。
黑胡萝卜是一种营养丰富并且极具保健功能的蔬菜，然而，黑胡萝卜中较高含量的萜烯类化合物使其萜烯味、药腥味浓重[11]，不容易被消费者接受，因此，黑胡萝卜通常在加工或烹饪后食用。目前对果蔬制品而言，制汁是最常见的且深受消费者青睐的深加工方式之一，胡萝卜汁也是各类胡萝卜深加工中的常见产品类型。杀菌是果蔬汁生产中重要的单元加工操作，不同的杀菌方式会影响果蔬汁的理化指标、功能性物质及感官品质[12-13]。目前，传统热杀菌仍然是果蔬汁加工中应用最广泛、最经济有效的杀菌钝酶方式。然而，高温处理会使果蔬汁风味劣变[14]，热敏性营养物质和功能物质损耗[15]，明显降低果蔬汁产品的功能特性和感官品质。近年来，随着消费者对安全、营养、感官品质优良的果蔬汁产品需求的日益增长，众多新型杀菌技术应运而生。
超声波（ultrasonication，US）处理是一种绿色高效的物理杀菌技术，近年来在液体食品的杀菌中受到了广泛关注。声热杀菌（thermosonication，TS）技术是将超声波与温和热处理（＜60℃）相结合，通过超声的空化效应联合温和热效应从而加速微生物和酶失活的新型杀菌方式[16]。研究表明，TS处理可以较好地保持果蔬汁的理化、功能性物质和感官属性，并且适宜的声热处理参数可以明显提升果蔬汁中营养、功能物质的含量[17]。目前，TS处理在猕猴桃汁[18]、苹果汁[19]和杨梅汁[20]等中均有应用。本文选取传统热杀菌中的应用较为广泛的高温短时杀菌（high-temperature short-time sterilization，HTST）和新型的TS技术对黑胡萝卜汁进行杀菌处理，探究两种杀菌方式对黑胡萝卜汁理化特性、功能性物质含量及感官品质的影响，研究结果以期为生产高品质的黑胡萝卜汁提供理论依据和技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新鲜黑胡萝卜（品种选用“Purple 68”）：市售，选用外表无机械损伤、无病虫害的新鲜成熟黑胡萝卜。
没食子酸标准品、儿茶酚标准品、6-羟基-2，5，7，8-四甲基色烷-2-羧酸（Trolox）标准品、福林酚、2，4，6-三吡啶基三嗪[2，4，6-Tris（2-pyridyl）-1，3，5-triazine，TPTZ]、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2，2-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐[2，2'-azinobis-（3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonicacid），ABTS]：美国 Sigma 公司；所用标准品均为色谱纯，其余试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
手持糖度仪（PAL-1）：日本ATAGO公司；pH计（雷磁PHS-3E）：上海仪电科学仪器股份有限公司；电子鼻（PEN 3）：德国Airsense公司；色度仪（Ci7600）：爱色丽（上海）色彩科技有限公司；紫外分光光度计（UV2800）：上海尤尼柯仪器有限公司；旋转黏度仪（NDJ-5S）：上海平轩科技仪器有限公司；超高温瞬时灭菌系统（FT74X）：英国Armfield公司；低温冷冻离心机（GL-10MD）：湖南湘仪仪器有限公司；超声波处理器（ATPIO-1000D）、恒温器（XODC-0515-II）：中国江苏南京先欧有限公司。
1.3 黑胡萝卜汁样品处理
将新鲜黑胡萝卜清洗晾干去皮后切成厚度约为1 cm的薄片，于90℃、0.2%维生素C水溶液中热烫5 min，随后添加黑胡萝卜总质量50%的热烫水混合打浆，200目纱布过滤后将黑胡萝卜汁在温度4℃、7 000×g条件下离心20 min后得到上清液，于4℃下保存在食品级无菌瓶中备用。
以制备好的黑胡萝卜汁为对照组（check，CK），分别对黑胡萝卜汁进行HTST和TS处理。HTST处理采用超高温瞬时灭菌系统，处理温度与时间为110℃、8.6 s，TS处理采用内置探头的超声波处理器处理，处理过程中将容器连接到恒温器内使温度稳定在55℃，处理时间10 min、超声功率700 W、超声频率25 kHz、脉冲持续时间2 s，停止3 s。处理结束后，迅速将黑胡萝卜汁在无菌条件下转入聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate，PET）瓶中。杀菌处理结束后，立即取部分黑胡萝卜汁进行微生物指标测定，其余黑胡萝卜汁置于4℃保存，于24 h内完成其他指标的测定。
1.4 指标测定
1.4.1 微生物指标测定
微生物指标检测依据GB 4789.2—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》、GB 4789.3—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》和GB 4789.15—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验霉菌和酵母计数》进行菌落总数、大肠杆菌、霉菌和酵母的检测，结果以CFU/mL和MPN/mL表示。
1.4.2 理化指标测定
黑胡萝卜汁的黏度采用NDJ-5S旋转黏度仪进行测定，测定结果用mPa·s表示。pH值采用PHS-3E pH计进行测定。褐变指数值（browning index，BI）采用UV2800紫外分光光度计测定[21]。总可溶性固形物值（total soluble solid，TSS）采用PAL-1手持糖度仪测定，结果用°Brix表示。
1.4.3 功能性指标测定
黑胡萝卜汁中的总酚含量（total polyphenol content，TPC）采用福林酚法进行测定[22]，结果用mg没食子酸当量（gallic acid equivalent，GAE）/L 表示。总黄酮含量（total flavonoid content，TFC）采用 AlCl3比色法进行测定[23]，结果用 mg 儿茶酚当量（catechin equivalents，CAE）/L表示。参考Sun等[24]的方法，黑胡萝卜汁中的总花色苷含量（total anthocyanin content，TAC）采用双波长pH示差法进行测定，结果用mg花青素-3-葡萄糖苷（cyanoside-3-glycoside，C3GE）/L表示。总类胡萝卜素含量（total carotenoid content，TCC）参考 De Carvalho等[25]的方法，采用萃取-比色法进行测定，结果以mg β-胡萝卜素/L表示。
1.4.4 抗氧化活性测定
参考Ozgen等[26]的方法并结合实际情况进行修改，采用3种不同的方法来对黑胡萝卜汁的抗氧化活性进行测定，包括DPPH自由基清除能力、ABTS+自由基清除能力和铁离子还原能力（ferric ion reducing antioxidant power，FRAP）的测定，结果以 mmol Trolox/L表示。
1.4.5 颜色特征检测
黑胡萝卜汁的颜色特征通过Ci 7600色度仪进行测定，采用全透射观察模式[22]，以CK为对照，每组样品平行测定3次。所测参数包括亮度L*、红绿度a*与黄蓝度b*。总色差ΔE、色相角h和饱和度C*由色度仪自带的软件计算得出。
1.4.6 电子鼻检测
采用含有10个金属氧化物半导体的PEN 3电子鼻对黑胡萝卜汁的整体气味特征进行评估，根据Lan等[22]的研究方法稍作修改。将10 mL黑胡萝卜汁放入20 mL的顶空瓶中，在25℃下平衡10 min后开始检测，每组样品重复测定8次。具体检测参数：载气流速300 mL/min、检测时间 60 s、清洗时间 30 s。
1.4.7 感官品质评价
由30名经过训练的西北农林科技大学食品学院师生（15男，15女，年龄20周岁～50周岁）组成感官品评小组，感官品评员独立品尝样品后，对感官品评标准表进行讨论并调整，最终确定感官品评标准见表1。之后将25℃下随机3位数编码后的样品置于50 mL透明玻璃瓶中，提供给感官品评员进行正式感官品评。
表1 黑胡萝卜汁感官品评标准
Table 1 Sensory evaluation criteria of black carrot juice
分数 色泽 组织状态 香气 滋味 总体可接受性16～20 暗紫色、光泽好澄清，透明，无沉淀，不分层香气浓郁，无蒸煮味等不良气味口感甘甜圆润，酸甜可口，无涩、苦等不良味道非常乐意接受11～15 紫色较深或较淡，有光泽微浑浊，略有沉淀、分层现象香气一般，无不良气味口感宜人，有略微涩味、无苦味、无异味基本能接受6～10 褐色或几乎无色、光泽差较混浊，有少量沉淀或轻微分层香气较淡，带有轻微不良气味口感单薄，有略微涩味、无苦味、略带异味基本不能接受1～5 褐色或无色、无光泽严重浑浊或沉淀较多，有分层现象基本没有香气，带有明显的蒸煮味等不良气味口感单薄，有较重涩味、苦味及异味完全不能接受
1.5 数据统计分析
本试验使用Origin 2022软件进行数据处理并分析制作图片，除特殊说明外，本次试验数据结果以3次平行测定结果的平均值±标准差表示。采用SPSS20统计分析软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）、邓肯多变量测试（p＜0.05）、显著性分析以及生成电子鼻线性判别（linear discriminant analysis，LDA）图谱。以p＜0.05表示差异显著。
2 结果与分析
2.1 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的杀菌效果
HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的杀菌效果见表2。
表2 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的杀菌效果
Table 2 Germicidal effect of HTST and TS on black carrot juice
注：nd表示未检出。同列不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
组别 菌落总数/（CFU/mL）霉菌和酵母/（CFU/mL）CK 275.00±14.14a 0.64±0.40 1.17±1.18 HTST 4.50±5.89b nd nd TS 7.95±2.89b nd nd大肠菌群/（MPN/mL）
由表2可知，与CK相比，两种杀菌方式均能显著降低黑胡萝卜汁中的菌落总数（p＜0.05），并且杀菌处理后大肠菌群、酵母和霉菌均未检出。两种杀菌处理后黑胡萝卜汁中的菌落总数、大肠杆菌、霉菌和酵母均可达到GB 7101—2015《食品安全国家标准饮料》中所规定的商业无菌条件，可以安全饮用。因此，HTST和TS处理均可确保黑胡萝卜汁的微生物安全性。
2.2 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的理化指标影响
HTST和TS处理黑胡萝卜汁的理化指标测定结果如表3所示。
表3 HTST和TS处理黑胡萝卜汁的理化指标测定结果
Table 3 Physicochemical indexes of black carrot juice treated by HTST and TS
注：同列不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
组别TSS/°BrixpH值黏度/（mPa·s）BI值CK 5.07±0.06a 5.98±0.00a 2.73±0.01a 3.10±0.03a HTST 5.00±0.00a 5.93±0.01b 3.17±0.39a 2.32±0.02b TS 2.60±0.00b 5.81±0.01c 1.57±0.15b 3.09±0.02a
由表3可知，CK中黑胡萝卜汁的pH值为5.98，两种杀菌处理均造成了黑胡萝卜汁pH值的显著下降（p＜0.05），且TS处理相较于HTST处理后的黑胡萝卜汁的pH值下降更为显著（p＜0.05）。有研究在橙色胡萝卜汁中也发现了这一现象，这有可能是杀菌导致果蔬汁中酸分子中的氢离子被释放到环境中最终使pH值下降[27]。与CK相比，HTST处理后的黑胡萝卜汁中TSS未发生显著变化（p＞0.05），而TS处理后黑胡萝卜汁的TSS显著下降（p＜0.05）。同样，黏度的测定结果发现TS处理后黑胡萝卜汁黏度显著下降（p＜0.05）。Ma等[28]在TS处理的葡萄汁中也得出了类似结论。
此外，由表3可知，TS处理后黑胡萝卜汁的BI值与CK相比未发生显著变化（p＞0.05），而HTST处理后BI值与CK相比显著下降（p＜0.05），这表明HTST处理有效地抑制了黑胡萝卜汁的褐变。在热杀菌处理的葡萄汁[28]、苹果汁[29]中也观察到了相同的结果，这主要是由于高温杀菌过程中多酚氧化酶、过氧化物酶等与酶促褐变密切相关的内源酶被灭活[30]。
2.3 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的功能性物质和抗氧化能力的影响
不同杀菌方式处理的黑胡萝卜汁的功能性物质的测定结果如图1所示。
图1 HTST和TS处理黑胡萝卜汁的功能性物质测定结果
Fig.1 Functional substance and antioxidant indexes of black carrot juice treated by HTST and TS
同一指标不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图1（A）可知，CK 的 TAC 为 114.87 mg、TFC 为145.52 mg CAE/L，与CK相比，HTST处理造成了黑胡萝卜汁中TAC含量和TFC含量显著下降（p＜0.05），两者分别下降了33.92%和35.63%。这是由于花色苷和黄酮对温度敏感，HTST处理中110℃的高温导致其含量明显下降[31-32]。相反，TS处理分别使TAC和TFC的含量显著提升了9.28%和15.02%。由图1（B）可知，3组黑胡萝卜汁中TPC差异显著（p＜0.05），但HTST和TS处理后TPC依然保持在2 531 mg GAE/L以上，这说明杀菌处理后黑胡萝卜汁中总酚水平仍然较高。这可能是由于稳定的酰化花青素是黑胡萝卜汁中总酚的重要组成部分，因此，黑胡萝卜汁中TPC较为稳定[33]。此外，由图1（B）可知，TS处理并未造成黑胡萝卜汁中的TCC的显著变化（p＞0.05），然而，HTST处理后 TCC显著下降（p＜0.05），这可能是由于高温处理导致了类胡萝卜素的氧化降解[34]。以上结果表明，在本试验的操作条件下，TS处理明显提升或高度保留了黑胡萝卜汁中的功能性物质含量，这可能是因为TS处理的空化效应破坏了植物细胞壁，促进了其中功能性成分的释放[15]。
在抗氧化活性方面，采用DPPH、FRAP、ABTS这3种常用的抗氧化能力测定方法对黑胡萝卜汁抗氧化能力进行测定，测定结果见图2。
图2 HTST和TS处理黑胡萝卜汁的抗氧化指标测定结果
Fig.2 Antioxidant indexes of black carrot juice treated by HTST and TS
（A）DPPH 自由基清除能力；（B）FRAP；（C）ABTS+自由基清除能力。不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图2（A）可知，与CK相比，TS处理使DPPH自由基清除能力提升了4.82%，而HTST导致其显著下降了 20.48%（p＜0.05）。由图2（B）可知，CK 的FRAP 为10.63 mmol Trolox/L，与CK相比，HTST和TS均会导致FRAP 显著下降（p＜0.05），然而，HTST处理较 TS处理后显著下降 42.34%（p＜0.05），这表明高温处理对FRAP影响更大。由图2（C）可知，CK的ABTS+自由基清除能力为11.00 mmol Trolox/L，TS处理后未发生明显变化，而HTST处理后显著下降（p＜0.05）。
图1和图2的结果表明，TS处理对黑胡萝卜汁中功能成分、抗氧化能力的保留或提升具有非常积极的促进作用，功能性物质含量和抗氧化能力的提升是黑胡萝卜汁营养价值的重要体现。因此，TS可作为一种有潜力的黑胡萝卜汁营养高值化加工方法。
2.4 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁的感官品质影响
2.4.1 色泽特性分析
色泽是果蔬汁最重要的感官属性之一，直接影响消费者对食物的偏好、接受度及最终选择。通过色度仪对黑胡萝卜汁色泽参数进行分析，结果见图3。
图3 HTST和TS处理对黑胡萝卜汁色泽参数的影响
Fig.3 Effect of HTST and TS on color parameters of black carrot juice
（A）色度分布图；（B）a*、b*、L*、C*、h和 ΔE 值。不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图3可知，CK的a*值为12.79、b*值为 3.10、L* 值为 1.80、C* 值为 13.16、h 值为 13.63°，两种杀菌处理均使胡萝卜汁的a*、b*、L*、C*值和h值得到显著提升（p＜0.05）。这表明两种杀菌处理后黑胡萝卜汁的红度、黄度、亮度与色彩饱和度明显提高，且相较于TS组，HTST组在各个色泽参数上显著提升（p＜0.05）。HTST和TS组的ΔE值分别为20.78和3.61，均大于3，即可通过肉眼分辨出色彩差异[35]，且HTST组颜色差异更大。以上结果表明，两种杀菌处理均会使黑胡萝卜汁色泽发生明显改变，使整体颜色特征向着更受消费者喜爱的方向变化，且HTST处理相较于TS处理对黑胡萝卜汁色泽影响更佳。
2.4.2 电子鼻分析
LDA被认为是最基本和最广泛使用的监督学习算法之一，LDA是一个变量线性组合，用于根据fisher线性判别式检索和分离不同研究对象的特征[36]。本研究采用LDA线性判别法分析了电子鼻传感器在50 s～55 s稳定信号的平均值，并使用电子鼻不同传感器对黑胡萝卜汁中气味物质形成响应雷达图，结果见图4。
图4 不同杀菌方式的黑胡萝卜汁的气味LDA分析图及气味雷达图
Fig.4 Odour LDA analysis diagram and aroma radar diagram of black carrot juice with different sterilization methods
由图4（A）可知，两个判别函数可以解释整个方差的100.0%，其中LD1解释了89.0%，LD2解释了11.0%。即利用LDA线性判别模型可以很好解释电子鼻数据结果。不同杀菌处理后黑胡萝卜汁的气味特征可以被明显区分。其中CK和TS组较为接近，说明TS处理后与CK气味特征接近，HTST组和CK及TS组距离较远，说明HTST处理对黑胡萝卜汁气味特征影响较大。
如图4（B）所示，3种黑胡萝卜汁样品对传感器W5S（氮氧化物）、W1S（甲基化合物）、W2S（醇类物质与醛酮类物质）和W1W（硫化物与萜烯类物质）的响应较高。相较于CK，HTST处理后黑胡萝卜汁对这4个传感器的响应值降低，TS组对这4个传感器的响应值升高，这可能是因为超声处理促进了黑胡萝卜汁中结合态香气物质的释放[37]。
2.4.3 感官品质评价分析
对收集的黑胡萝卜汁样品的感官品评结果进行分析，结果见图5。
图5 不同杀菌方式处理黑胡萝卜汁的感官品评结果
Fig.5 Sensory evaluation of black carrot juice treated by different sterilization methods
（A）感官评分；（B）感官评价雷达图。不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图5（A）可知，HTST和TS处理后黑胡萝卜汁的感官总分并未发生显著变化（p＞0.05），这表明两种杀菌处理均未对黑胡萝卜汁样品的感官品质造成显著影响。图5（B）为感官品评的单项评分，结果表明，两种杀菌处理同样未对黑胡萝卜汁的单个属性得分造成显著影响（p＞0.05），但HTST处理后黑胡萝卜汁的色泽得分高于其他两组，这与色度仪测量结果一致。而TS处理后的黑胡萝卜汁的滋味得分高于HTST组。
3 结论
本文对比研究了HTST和TS两种杀菌处理对黑胡萝卜汁的理化指标、功能特性和感官品质的影响。结果表明，在理化指标方面，HTST较好保持了黑胡萝卜汁的理化特性，然而，TS处理导致黑胡萝卜汁的TSS和黏度显著下降（p＜0.05）。就功能性指标和抗氧化活性而言，HTST处理导致了黑胡萝卜汁中4种功能性成分含量和抗氧化活性显著下降（p＜0.05），而TS处理较好保留或明显提升了黑胡萝卜汁中的功能性物质含量和抗氧化能力。因此，TS可作为一种有潜力的黑胡萝卜汁营养高值化加工方法。就感官品质方面，3组黑胡萝卜汁样品的感官总分并无明显差异，即两种杀菌处理均未使黑胡萝卜汁的感官品质发生明显变化。但通过色度与人体感官评价结果可以发现，HTST处理后黑胡萝卜汁色泽表现明显优于CK和TS组。因此，不同杀菌方式对黑胡萝卜汁品质属性的影响较大，加工时应根据产品需求合理选择杀菌方式，从而获得高品质的黑胡萝卜汁产品。
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