我国是世界果蔬生产和消费的第一大国，果蔬为种植业中仅次于粮食的第二大农作物。据统计，几乎一半的果蔬产品在进入消费阶段之前就已经发生品质劣变，最常见的是贮运过程中水分流失、腐败变质、风味和营养流失等问题[1]。因此，人们对果蔬加工的关注度在不断增加，而加工过程中常用的加热或热处理虽然可以杀灭果蔬中的微生物，起到延长食品货架期的效果，但其也会造成产品的营养损失、风味劣变和食物基质的减少[2]。
为了最大程度保证果蔬产品的营养和感官品质，近些年来食品非热加工技术倍受业界关注。非热加工技术是一种不同于传统热加工技术的新兴技术，目前国内外对超高压、电离辐射、脉冲磁场、高密度二氧化碳等非热技术的研究最为广泛和深入，通过非热加工技术的处理能够有效起到杀灭食品微生物的效果，并改善热加工过程中果蔬产品营养成分的损失和品质的劣变。超高压处理技术始于19 世纪末，1991 年第一批经超高压处理的产品在日本上市，随后在西班牙、英国、美国等国家得到深入研究并开始工业化应用。我国的超高压技术在食品中的研究应用可追溯到20 世纪90 年代，中国农业大学国家果蔬加工工程技术研究中心于1998 年提出了“最少加工”概念，由此开始了超高压技术的相关研究并取得突破性的进展。我国超高压技术的应用在果蔬加工领域最广，占总研究比例的25.2%[3]。超高压技术作为物理加工过程不会破环共价键且对食品的品质感官特性影响小[4]，并且由于瞬间起作用，超高压处理与时间和物体质量无关，在超高压处理时食品中大分子高级结构会发生改变使得组织变性，更容易获得新品种，有利于丰富食品种类。同时超高压技术具有能耗低、绿色环保等特点，具有广泛的应用前景。
本文结合超高压技术在果蔬加工中的应用研究介绍了超高压技术杀灭微生物的原理及其对果蔬产品感官和营养品质的影响研究进展，并对其发展趋势与前景进行了展望，以期为超高压技术在果蔬加工中的应用和推广提供理论参考。
1 超高压技术的原理
超高压（ultra-high pressure，UHP）技术，又称高静压（high hydrostatic pressure，HHP）技术或高压处理（high pressure processing，HPP）技术，是指在室温或温和加热条件下利用100～1 000 MPa 的压力（相当于104～105 m 水柱压力）对软性预包装食品进行处理，以达到杀菌、钝酶和加工食品的目的。大多数超高压设备以液体作为介质，其基本原理基于勒夏特勒原理与帕斯卡原理[5]。勒夏特勒原理即如果改变影响平衡的因素之一，例如温度、压力等，平衡会向着减弱这种影响的方向进行[6]。超高压处理过程中，压力的增加会使原本的平衡条件被破坏，为了重新达到平衡，反应会朝着减小外界压力影响的方向进行，即朝着体积减小的方向进行，因此分子的结构、化学平衡等都会随之改变[7]。基于帕斯卡原理，超高压产生的压力可以由各个方向平等的传递到物体上，使被加工的食品受力均匀。基于两种原理，被超高压处理的食品非共价键被破环，但共价键不受影响，分子的三级结构与四级结构在200 MPa 以上时才会被破坏[8]，使食品中的微生物菌体发生破坏、死亡、酶失活、蛋白质变性、淀粉糊化等变化，从而达到保存的目的[9]。
1.1 超高压对酶的影响
酶作为一种特殊的蛋白质，当蛋白质结构或活性位点改变时酶的活性也受影响。当酶受到超高压作用时，维持其空间结构的非共价键被破坏，肽键分子延伸成不规则的线性多肽，酶因其空间结构的破坏而失活[10]。果蔬原料中最常见的酶是多酚氧化酶、过氧化物酶、果胶酶等。多酚氧化酶是耐压性较高的酶，其会在有氧条件下催化果蔬多酚生成邻二酚和邻醌，从而导致果蔬产品褐变[11]。姜莉等[12]在100～500 MPa、50 ℃、30 min 条件下对马铃薯进行处理，100～200 MPa时多酚氧化酶的活性被激活，当压力超过200 MPa 时酶的活性才有所降低。Cheng 等[13]将1.5 mL 多酚氧化酶溶液真空密封后，采用高压装置对试样进行处理，当压力低于200 MPa 时，多酚氧化酶的活性不变，当压力达到300 MPa 时，多酚氧化酶的活性比未处理的酶活性提高了14%。
过氧化物酶也是对高压稳定的酶类，且过氧化物酶的抗压性要强于多酚氧化酶。Chaikham 等[14]研究100～600 MPa/25 ℃/20 min 处理对荔枝果肉多酚氧化酶和过氧化物酶的影响，结果表明经过300 MPa 压力处理后多酚氧化酶活性变化不大，而过氧化物酶活性下降到新鲜果肉的55%。经400、500、600 MPa 处理多酚氧化酶的剩余活性为79%、64% 和52%，而过氧化物酶的剩余活性分别为47%、35% 和26%。Szczepańska 等[15]将胡萝卜汁分别在300、450、600 MPa 下处理，在600 MPa 时多酚氧化酶的剩余活性为70%，过氧化物酶的剩余活性为69%，再次证明多酚氧化酶的抗压性要强于过氧化物酶。
果胶甲酯酶广泛地存在于高等植物中，果胶甲酯酶会使果蔬产品中果胶降解而使产品发生分层沉淀、吸水结块等品质劣变[16]。对果蔬制品保存的关键是使果胶甲酯酶失活，一般的热加工方法例如高温巴氏杀菌可以使果胶甲酯酶失活。 Benito-Román 等[17]研究发现通过300 MPa、20 ℃超高压处理，橙汁中的果胶甲酯酶活性降低了47%。Torres 等[18]将橙汁在30 ℃、250～500 MPa 下保压1～30 min，当压力为250 MPa 时，果胶甲酯酶的活性降低12.84%，将压力升至400 MPa，果胶甲酯酶的活性降低75.97%，当压力为500 MPa 时果胶甲酯酶的失活率更高。Nienaber 等[19]通过试验发现果胶甲酯酶失活遵循第一动力学模型，在600 MPa/50 ℃和400 MPa/25 ℃下，使果胶甲酯酶活性降低90%所需时间（D 值）分别为4.6 min 和117.5 min。当压力超过500 MPa 时酶的失活速率会更高。目前，果胶甲酯酶的高压失活动力学已被广泛应用橙子、香蕉、桃子等水果中[20]。
1.2 超高压对蛋白质的影响
蛋白质是生物体的重要组成部分，在许多生命过程中起着关键作用。超高压处理可以对蛋白质的高级结构和功能活性产生显著的影响。Briones-Labarca等[21]研究发现300 MPa 以上的高压可以通过形成额外的蛋白质相互作用来促进组织体积减小，导致纤维压缩和结缔组织重排。超高压不会对蛋白质的肽键造成影响，因此蛋白质的一级结构不受压力的影响，但其可以破坏分子间氢键，从而使氨基酸侧链的疏水基团暴露，从而促进α-螺旋转变为松散的β-折叠[22]。Shi等[23]通过对小龙虾肌原纤维蛋白在100～500 MPa 的压力下进行超高压处理，也证明了超高压处理破坏了蛋白质的二级结构。在高压条件下时，由肽键形成的三级结构以及由非共价键组成的四级结构均会受高压影响[24]。Roobab 等[25]认为超高压通过改变各种蛋白质的结构、促进聚集、形成蛋白质三维网络，改善各种蛋白的凝胶特性，而且β-乳球蛋白对压力的敏感性要大于α-乳白蛋白和牛血清白蛋白。
1.3 超高压对微生物的影响
新鲜水果蔬菜的变质与各种各样的微生物有关，例如蜡样芽孢杆菌广泛存在于黄瓜芽、大豆芽中；肉毒杆菌广泛存在于卷心菜、蘑菇、辣椒中。其中，乳酸菌广泛存在于水果和蔬菜中[26]。
超高压处理可以使食品内源性微生物受到挤压作用，导致细胞壁的通透性和脆性发生变化、细胞内外压力失衡、膜结构变形甚至破裂失活、蛋白质和DNA 等构象和空间结构改变、抑制酶活性和遗传物质复制等，从而引起细胞膜、细胞壁、核糖体等细胞器的功能改变或损失而破坏微生物的代谢和生理活动。HPP 杀菌效果受到超高压工艺参数（处理压力、保压时间、保压温度、加压方式）、食品基质性质（成分、酸碱度、水分活度）、微生物特征（种类和形态、细胞结构、浓度、生长阶段）等影响。一般来说，腐败和病原体微生物营养细胞在400～600 MPa 的压力范围下容易失活，而革兰氏阳性细菌具有较强的抗性[27]。根据HPP 处理后微生物的损伤程度，可将其分为3 种不同的生理状态，即死亡细胞、正常细胞和亚致死细胞[28]。
1.3.1 超高压对孢子的影响
孢子在自然界中分布十分广泛，并且对压力、化学物质、辐射等应激因素具有极强的抵抗力[29]。某些种类的细菌会在不利条件下产生孢子，孢子由内孢子和外孢子构成，内孢子由一个核心、一个蛋白质外壳以及肽聚糖层组成[30]。由于细菌孢子对压力、高温等有极强的抵抗力，因此其能够在传统的热杀菌中存活，例如，巴氏灭菌的饮料中存在着嗜热嗜酸的脂环酸芽孢杆菌[31]。对于压力，细菌孢子的本质属于休眠状态的分化细胞，因此其受压力的影响较小，有些细菌孢子在1 000 MPa 下仍能存活。超高压杀死孢子的主要原因是超高压处理会通过触发营养萌发受体启动孢子萌发，此外高压处理激活了皮质分解酶，使皮质降解，吡啶-2，6-二甲酸与Ca2+螯合物迅速释放，降低了孢子的抗性[32]。高压下孢子的失活至少需要两步，目前研究主要集中于第一步，即释放吡啶二羧酸，同时耐热性丧失，第二步才是孢子的灭活[33]。
1.3.2 超高压对细菌的影响
蔬菜汁是果蔬汁中最易受生物性污染的产品，初始微生物数量可达105～107 CFU/mL。2001 年美国联邦果汁危害分析关键控制点建立，该规定明确规定处理后的果蔬汁相关微生物减少99.999%或5 lg （CFU/mL）[34]。Nayak 等[35]通过测定苹果汁、蓝莓汁、橙汁在经超高压处理后的杀菌效果得出以下结论：在600 MPa、35 ℃下处理5 min，苹果汁中的菌落数由原来的4.24 lg （CFU/mL）降至小于1.00 lg （CFU/mL）；王莉梅等[36]将石榴果汁在25 ℃、600 MPa 下保压5 min，菌落总数从杀菌前的1.46×103 CFU/mL 降至（3.00±1.02） CFU/mL；柳青等[37]将草莓汁在600 MPa 下处理20 min，细菌数从4.36×104 CFU/mL 降至5 CFU/mL。以上案例说明超高压在对细菌的控制方面效果显著。
1.3.3 超高压对真菌的影响
真菌孢子分为有性生殖与变形两种。在有性生殖中，耐热耐压的子囊孢子主要在子囊菌中形成；变形又称为无性生长，分生孢子在分生囊结构中产生，其中子囊孢子比分生孢子更耐压。超高压处理有撕裂膜的能力，导致细胞渗漏，对于真菌，超高压可以破坏子囊孢子的冠状装饰，且可以破坏子囊孢子之间的静电吸引力，从而起到杀菌的作用[38]。
真菌在发酵蔬菜制品中发挥着重要的作用，例如乳酸菌在泡菜的发酵中发挥着重要的作用，但随着泡菜的变质乳酸菌的数量减少，引起变质的真菌中毕赤亚菌与念珠菌的数量最多[39]。将培养所得的白色念珠菌收集后，分别在300、400、500 MPa 下处理10、20、30 min，当处理压力为300 MPa 时，白色念珠菌的灭活率达到了56.69%，在400 MPa 时灭活效率不随时间的增加而增加，始终稳定在75% 左右，500 MPa 时灭活率也未增加，这些结果表明，超高压虽然能够有效灭活白色念珠菌，但并不能完全杀灭[40]。
2 超高压在果蔬产品中的最新应用研究
我国果蔬汁饮料产业经过几十年的发展，已经经历了从果味水果饮料、果汁饮料、浓缩还原果蔬汁、非浓缩还原果蔬汁到现在非浓缩还原超高压果蔬汁的发展历程，呈现出多品类果汁饮料并存的现状以满足不同消费者需求。
在产品品类发生变化的同时，果蔬产品加工方式也发生着变化，传统的热加工处理会对果蔬产品造成营养成分的流失、热敏性物质的损失以及改变产品的新鲜度等影响。而超高压作为一种非热加工技术对保护果蔬品质有着显著优势，表1 展示了不同杀菌技术的工艺及产品特点，可以看出超高压技术以常温下杀灭微生物对产品品质影响小而具有明显优势。
表1 热杀菌技术与超高压杀菌技术的工艺特点
Table 1 Process characteristics of thermal and HPP sterilization technology
杀菌类型巴氏杀菌高温短时杀菌超高温瞬时灭菌超高压灭菌加热温度68～70 ℃121 ℃135～150 ℃全程低温加热时间30 min 15～20 min 2～8 s几秒～几分钟加热特点部分耐热细菌无法被完全杀灭，对食品的营养成分有较大影响对食品的风味与营养物质有较大的影响杀菌温度更高、时间更短、对食品外观以及营养价值和风味会产生不良影响既可以有效杀灭致病微生物又可以保留食品原本的风味以及营养成分保质期低温7～28 d常温3～6 月常温6～12 月低温1～4 月
目前，食品超高压处理技术在果蔬产品加工中应用广泛，例如通过动态超高压技术对果蔬汁进行处理，从而达到延长果蔬汁保质期的目的[41]。表2 展示了不同果蔬产品超高压处理参数、杀菌效果及对理化性质的影响。
表2 不同果蔬产品超高压处理参数和效果
Table 2 Parameters and effects of HPP for different fruit and vegetable products
注：/表示未涉及此项。
产品类型果蔬汁果蔬浆果蔬冻干发酵果蔬产品名称梨汁草莓汁石榴汁甜菜根泥草莓冻干荠菜泡菜超高压参数200 MPa、80 ℃600 MPa、20 min 600 MPa、5 min、25 ℃100 MPa、5 min、90 ℃100 MPa、5 min 600 MPa、5 min杀菌效果酵母菌数从原始的3.03 lg （CFU/mL）降至1.30 lg （CFU/mL）以下细菌数从4.36×104 CFU/mL 降至5 CFU/mL菌落总数降至3.00±1.02 CFU/mL好氧厌氧微生物均少于1 lg （CFU/g）/大肠杆菌数量减少到1 lg （CFU/g）理化性质a*值显著升高，b*值显著下降，清除DPPH 自由基能力下降L*值、a*值、b*值均呈下降趋势总酚的保留率高于巴氏杀菌；DPPH自由基清除能力明显变化L*值较未处理之前升高；甜菜青素、甜菜黄素含量下降L*值较普通干燥降低；DPPH 自由基清除能力比普通干燥增加12.81%/参考文献[42][37][36][43][44][45]
2.1 超高压对果蔬质地的影响
质地是水果和蔬菜的重要特性，也是影响人们对食物喜恶的主要因素。经过超高压处理的果蔬整体的外观与经如焯水、漂烫等温和热处理后的外观相近。Hu 等[46]将南瓜样品在100～600 MPa 压力下处理2 min，处理后的南瓜硬度分别降低了17.98%、34.81%、41.09%、42.88%、40.78%和42.67%，而经热处理后的南瓜硬度降低为原硬度的88.67%。一般来说在200～1 000 MPa的加压过程中，果胶就会受到影响[47]。Yang 等[48]通过试验证明超高压对质地的影响不同于热处理，热处理会导致果蔬结构严重失水和微观结构的破坏，而高压破坏了细胞壁果胶。果胶可分为水溶性果胶（watersoluble pectin，WSP）、螯合性果胶（chelator soluble pectin，CSP）、碱溶性果胶（sodium carbonate soluble pectin，NSP）[49]。陈丹等[50]对竹笋鲜样进行处理，经超高压处理后，CSP 下降，NSP 升高，WSP 没有显著变化，而经热处理后CSP 与NSP 的含量显著下降，相对于热处理，超高压处理对果蔬质地的影响更小。此外，有试验证明超高压处理对果蔬质地仍会造成的影响，例如将红甘蓝在150MPa 以上、35～55 ℃处理5～20 min，其组织完整性会受到影响[47]；将新鲜的羽衣甘蓝在200、400、600 MPa、20 ℃下保压3 min，羽衣甘蓝叶片的叶脉、边缘和表面会受到不规则的挤压损伤，叶片变平，表面形成微孔[51]。
2.2 超高压对果蔬风味的影响
超高压处理对果蔬风味的影响相对于热杀菌小，能够有效避免热杀菌带来的果蔬风味的劣变。果蔬风味物质可分为醛类、酮类、酯类、醇类、含硫化合物、苯酚及其相关化合物、芳香族、脂肪族类等。经超高压处理后的茭白汁中正丁醛、乙酸乙酯等挥发性风味物质的含量明显升高，2-辛酮和正丁醛含量随着压力和时间的升高而升高，乙酸乙酯的含量随着压力和时间的升高而降低[52]。将鲜榨梨汁在400 MPa 下保压15 min得到超高压处理梨汁，同时将对照组梨汁进行巴氏杀菌处理，采用顶空固相微萃取法测得梨汁中的挥发性物质，结果表明巴氏杀菌使梨汁中的醇和烯烃的含量从6.44 mg/L 和2.55 mg/L 降至0.94 mg/L 和1.72 mg/L，相比之下超高压处理的梨汁中醇含量下降了不到16%，烯烃的含量几乎无变化，超高压处理对于果蔬制品的风味影响要明显小于传统的热杀菌技术。
2.3 超高压对果蔬色泽的影响
果蔬的色泽主要受到三大要素的影响，即可见光、物体微观结构与色素组成，这些要素共同决定了果蔬色彩的视觉呈现，果蔬色泽越鲜艳表明其所含天然色素越多。马鹏利等[53]将混合果蔬汁在不同压力下进行处理，在200 MPa 时样品的ΔE 值为1.78，而经过热处理的样品ΔE 值为4.38；当压力为500 MPa、保压时间5 min 时表示红色的a*值和表示黄色的b*值变化不明显且色差最小。经550 MPa、5 min 超高压处理的苦笋复合果汁，L*值显著降低（P＜0.05），a*值、b*值无显著变化（P＞0.05），ΔE 值为5.62；经90 ℃、保温2 min 热处理的苦笋复合果蔬汁L*值、a*值均显著减少（P＜0.05），ΔE 值为6.11[54]。
花青素几乎存在于所有果蔬之中，花青素是水溶性色素，对温度、压力、光等环境因素敏感[55]。Liu 等[56]利用超高压技术对野生蓝靛果浆果进行处理（类似于活性成分提取和商业灭菌的条件），结果表明花青素和总酚含量分别增加6.84% 和14.35%。这也充分说明了超高压处理能够有效保护食品色泽。
2.4 超高压对果蔬中维生素的影响
维生素作为人体重要的营养素，对人体健康发挥着重要作用，相较于传统的热加工技术，超高压处理对维生素、挥发性香气成分等物质的影响较小，尤其是对热敏性维生素C 具有很好的保护作用。Yi 等[57]发现超高压对绿猕猴桃和金猕猴桃维生素C 的含量没有显著影响，保留率分别达到95% 和98%。Velázquez-Estrada 等[58]在100～200 MPa 下处理橙汁，新鲜橙汁中的α-胡萝卜素和β-胡萝卜素含量均下降了20%左右，维生素A 的含量从7.15 µg/100 mL 降低到5.66 µg/100 mL 和6.53 µg/100 mL。Schmidt 等[59]研究发现经600 MPa、保压5～40 min 处理的羽衣甘蓝相较于未处理的羽衣甘蓝，经储存后维生素E 的剩余量是未处理组的1.4 倍。
3 超高压技术发展趋势和应用前景
超高压技术作为一种不同于热处理的新型非热加工技术，能够有效地延长保质期、极大限度保留果蔬制品中的营养物质，满足消费者的消费需求。随着食品超高压技术的发展、设备的工业化以及超高压果蔬制品加工工艺相关技术的不断成熟，除了果蔬加工方面应用以外，超高压技术还广泛应用于其他食品领域，比如肉制品、乳制品、水产品、预制菜、天然产物提取等领域，主要起到抑制和杀灭微生物、抑制酶活、最大程度地保留食品的营养和功能成分、提取分离等作用。研究表明超高压技术可使乳制品中凝乳酶凝固，使奶酪产生更连续或均匀的蛋白质基质，改善奶酪的结构；可以最大程度保持肉制品中天然的色、香、味和营养成分等。
超高压技术满足了消费者对营养、安全和健康的要求，近些年，我国的超高压技术不断取得新突破，出现了越来越多的超高压设备制造企业，超高压技术在食品领域的应用也越来越广泛。
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