GB 7101—2022《食品安全国家标准 饮料》将饮料定义为用一种或几种食用原料,添加或不添加辅料、食品添加剂、食品营养强化剂,经加工制成定量包装的、供直接饮用或冲调饮用、乙醇含量不超过0.5%质量分数的制品,包括包装饮用水、果蔬汁类及其饮料、蛋白饮料、碳酸饮料(汽水)、特殊用途饮料、风味饮料、茶(类)饮料、咖啡(类)饮料、植物饮料、固体饮料和其他饮料11类。其中植物饮料是指以植物或植物提取物为原料,添加或不添加其他食品原辅料和(或)食品添加剂,经加工或发酵制成的液体饮料,如可可饮料、谷物类饮料、草本(本草)饮料、食用菌饮料、藻类饮料、其他植物饮料,不包括果蔬汁及其饮料、茶(类)饮料和咖啡(类)饮料。
随着经济的发展和生活水平的提高,人们对于饮料的要求不再只是限于解暑生津,更期待其具有抗疲劳、提高免疫力、促进肠道蠕动和调节血脂等功能。植物性饮料因其营养性和功能性受到许多消费者的欢迎,目前已经形成较为成熟的制备工艺,但在加工过程中采用不同的加工技术对产品的影响也不同。此外,因受到微生物、非微生物因素的影响,饮料在加工或者贮藏过程中容易出现浑浊或沉淀的现象,会影响澄清型饮料的商业价值。其中微生物引起的浑浊主要是在生产过程中杀菌的时间和温度控制不当或是饮料受到二次污染所造成的,可以在加工过程中严格按照要求进行生产从而避免微生物的污染。非微生物浑浊主要是因为饮料中存在蛋白质、淀粉、多酚、果胶等物质[1-2],蛋白质首先通过疏水作用与多酚在表面结合,然后在蛋白质间形成交联导致沉淀发生;淀粉加热后会变为胶溶状态,如未能将其完全去除在后期会重新出现,导致饮料出现混浊;多酚物质经过一定的时间发生聚合反应导致饮料褐变的同时出现混浊;果胶则因电荷中和作用或热处理的影响易产生凝集作用。在一般的情况下由非微生物性引起的浑浊对饮料的安全性是没有影响的,但会影响产品的感官品质和商业价值,所以在生产过程中需要对饮料进行澄清处理。本文从植物性饮料的关键加工步骤及常用的澄清方法进行综述,以期为研究者对植物性饮料的加工和澄清方法研究与创新提供一定的参考。
1 植物性饮料关键加工步骤
我国植物的种类丰富多样,研究发现天然植物中大多含有多糖[3]、黄酮类化合物[4]、生物碱[5]等活性物质,具有抗氧化[6]、降血压[7-8]、抗炎[9]、调节免疫功能[10]等功效。因此,许多研究者以植物或植物提取物为原料来研制饮料,其主要加工步骤包括原料的清洗、浸提、澄清、均质、杀菌等[11]。虽然我国植物性饮料已具备较为成熟的制备工艺[12-14](图1),但仍存在有效成分提取率低、风味单一、成品稳定性差等问题,因此在生产时必须要根据原料的特性来选择合适的加工技术以减少原料的浪费和生产所需的成本。
图1 植物性饮料加工工艺流程图
Fig.1 Process flow diagram for processing plant-based beverages
1.1 浸提
在制备植物饮料时,由于某些原料含水量少,不能直接通过压榨取汁的方法对其进行利用,需要利用浸提工艺来获取其中有效物质。浸提是植物饮料生产中一道关键的工序,选择合适的浸提方法,不仅能提高原料的实际使用率,还有利于增强饮料的口感风味。因此,选择合适的浸提方式以及最优的浸提工艺是饮料生产的关键。常用的浸提方式有热水提取、超声波提取、微波辅助提取、酶解提取等。张会均等[15]探究超声波辅助浸提制备牡丹花茶饮料的最佳浸提工艺,发现在料水比为1∶20 (g∶mL),超声波浸提功率180 W,浸提时间30 min,浸提温度70 ℃的条件下,浸提液中茶多酚含量最高为4.43%。将牡丹花茶浸提液与木糖醇、酸味剂等辅料调配后制得的牡丹花茶饮料风味独特、品质稳定。周芳等[16]采用热水浸提制备木姜叶柯及玫瑰茄浸提液,所得木姜叶柯及玫瑰茄浸提液的多酚质量浓度分别为1 595、1 765 mg/L,将制得的浸提液与其他辅料调配后制得具有木姜叶柯和玫瑰茄特有风味的本草饮料,该饮料的澄清度为73.62%,可溶性固形物含量0.16%,总多酚质量浓度107.42 mg/L。王婷婷等[17]分别利用超声提取和热水浸提制备杜仲叶浸提液和枸杞提取液,并以这2种提取液为主要原料与蜂蜜、枸橼酸等辅料进行复配制得杜仲叶和枸杞风味协调、酸甜爽口的杜仲枸杞保健复合饮料,且该饮料具有一定的抗氧化活性,对DPPH自由基的最大清除率为92.55%。
1.2 澄清
随着世界各地饮料的消费量日益增加,消费者对饮料的需求也变得多样化,澄清型饮料可以为产品提供理想、清晰的视觉外观,提高消费者对产品的感官接受度,受到许多消费者的青睐。因此澄清处理对于防止饮料浑浊、沉淀形成以及褐变的发生是十分关键的,被认为是饮料生产中的关键步骤,目前常用到的澄清方法[18-21]如图2所示。
图2 植物性饮料常用的澄清方法
Fig.2 Common clarification methods for plant-based beverages
1.3 均质
均质是通过适当的机械处理使悬浮液(乳化液)体系中的分散物微粒化、均匀化,使它们呈更小的微粒均匀一致地分布在体系的过程[22]。它能够解决在生产过程中由于材料本身的特点及物理特性出现分布不均匀的现象,不同的均质方式及均质条件对饮料品质的影响也不同。张倩等[23]比较不同均质处理对饮料品质的影响,发现高压均质虽能提高饮料的稳定性,但均质后色泽过于暗沉,而采用高速剪切进行均质,不仅提高了饮料的稳定性,而且饮料的颜色为鲜艳明亮的橙色。CUI等[24]发现均质化后栗子百合饮料的粒径小了38%,在一定的转速下对样品进行均质化处理还可以降低饮料的沉淀指标和浊度值。晏飞利等[25]研究表明均质处理能够提高天冬饮料的稳定性,饮料的平均粒径由1 560.2 nm减小到509.3 nm,多分散指数由0.348减小到0.109,均质处理能够保持饮料的口感,提高饮料的品质。
1.4 杀菌
饮料杀菌的目的是要杀死饮料中所污染的致病菌、腐败菌,并破坏其中的酶使其在特定的环境下具有一定保存期的同时还应要求杀菌后尽可能地保留饮料中营养成分和风味。饮料常用的杀菌技术分为热杀菌和非热杀菌2种[26],如图3所示,常规的热杀菌因其温度高会破坏热敏成分进而会对产品的风味及品质产生不良影响,非热杀菌技术的杀菌原理是借助外部因素作用使食品中致病菌、腐败菌等微生物功能结构发生改变,以达到杀菌、钝化酶活性的目的,没有热能的消耗使其对食品的营养成分和品质影响较小,比常规的热杀菌技术更具优势[27]。因此,非热杀菌技术在饮料杀菌中有广泛的研究。王小媛等[28]比较热杀菌与低温等离子体杀菌对杜仲籽油-苹果汁复合饮料的影响,发现这2种杀菌方式都能达到杀菌的效果,但等离子体处理对果汁中黄酮含量的影响较小,而热处理使黄酮含量最大降低6.34%。WANG等[29]比较高静压技术和热处理对桑汁生物活性化合物的影响,发现与对照组相比,经过高压处理的桑葚汁中总黄酮和总酚含量分别下降了12.97%、7.97%,而热处理后桑葚汁中的总黄酮和总酚含量下降了32.41%和32.11%。
图3 植物性饮料常用的杀菌技术
Fig.3 Common sterilization techniques for plant-based beverages
2 植物性饮料澄清方法
澄清是指利用物理方法、化学方法或是机械处理将饮料中引起浑浊、沉淀的物质除去的操作过程[30]。目前用于饮料的澄清方法有自然沉淀澄清法、冷冻澄清法、絮凝沉淀澄清法、酶解澄清法、离心澄清法、膜分离澄清等,上述方法虽然都可用于饮料的澄清,但由于澄清原理、处理时间及操作工艺的不同,其澄清效果、澄清效率存在一定的差异,不同澄清方法的优点与不足见表1,其中絮凝沉淀澄清、酶解澄清及膜分离澄清由于具有较好的澄清效果,对其有较为广泛的研究。
表1 不同澄清方法的优点与不足
Table 1 Advantages and disadvantages of different clarification methods
澄清方法优点不足自然澄清法能耗少、生产成本低、操作简单澄清效果及稳定性较差、操作时间长、产品容易变质冷冻澄清法对产品品质如色泽、风味影响小工艺繁琐、需要消耗大量的电能,生产成本高絮凝沉淀澄清法来源广泛、价格便宜、操作工艺简单单一澄清剂效果较差、澄清时间长离心澄清法操作简单方便、营养成分损失少技巧性不够,澄清效果不好、能耗大、实际生产条件要求高酶解澄清法出汁率高、澄清效果较好酶解条件较难控制、游离酶成本较高且不能重复利用膜分离澄清法处理温度温和,适宜热敏性成分、澄清效果好膜表面容易受到污染、操作工艺复杂、膜价格较高
2.1 自然澄清法
自然澄清是将饮料放置在密闭容器中进行长时间的静置,随着时间的延长饮料中的大分子物质沉降在容器底部,饮料的上层则呈现出澄清透亮的效果。梁彦[31]利用自然澄清法对马齿苋功能饮料进行澄清,发现饮料的透光率随着静置时间的延长而增加,但饮料自然澄清9 d后,由于汁液变质透光率反而下降,使用该法澄清饮料,透光率最高为80.3%,而使用壳聚糖水浴澄清2 h,透光率可达97.9%。吴琴[32]比较自然澄清、酶解澄清和离心澄清对姜汁饮料的澄清效果,结果发现3种方法的澄清效果相差不大,但是这3种方法的处理时间存在较大的差异,酶解澄清和离心澄清的处理时间分别为1 h和15 min,而自然澄清的处理时间为24 h,无形中增加了时间成本。虽然自然澄清操作简单,但其耗时长且容易受到污染使产品变质,因此该方法较少使用。
2.2 冷冻澄清法
冷冻澄清是将溶液在低温中贮藏一定的时间使胶体变性,解冻后再进行过滤除去溶液中悬浮颗粒从而能达到澄清效果,该方法在饮料的应用中报道较少,主要应用在果汁和果酒的澄清中。谢小花等[33]通过对比冷冻澄清(-2 ℃)和3种澄清剂(皂土、明胶、果胶酶)对桑葚果酒澄清效果的差异,发现桑葚果酒在低温处理时,透光率会随着时间的延长而逐渐增加,但在30 d之后果酒的透光率变化不明显,且该法最高透光率为60%左右,而使用1.25 g/L明胶澄清,果酒的透光率可达71%。但与明胶澄清相比,低温澄清能够较好保持果酒原有的色泽和酒香。赵玉红等[34]研究冷冻澄清、酶解澄清、热凝聚澄清、自然澄清这4种澄清方式对果汁物理化学特性的影响,发现相比于其他澄清方法,冷冻澄清处理对果汁的色泽影响比较小,且总酚的含量下降不明显。在冷冻澄清条件下(-4～-5 ℃,4 h)果汁的L*值和a*值最高分别为43.4和59.6,而b*值最低为29.1。此外,自然澄清、热凝聚澄清和酶解澄清过后果汁总酚含量变化较为显著(P<0.05),由原来70.65 mg/L分别减少到47.46、53.75、68.55 mg/L,其原因是低温能够降低酶的活性,抑制褐变的发生,使总酚的含量下降不明显。冷冻澄清虽然在一定程度上能够使产品的透光率增加,但使用该方法时需要控制好温度。
2.3 絮凝沉淀澄清法
絮凝沉淀澄清是向饮料中加入絮凝剂(吸附澄清剂)进行处理从而达到澄清的目的。在饮料澄清工艺中常用的絮凝剂有壳聚糖、明胶和交联聚乙烯吡咯烷酮等,壳聚糖因其吸附性强、澄清效果好、安全性高、操作简单等优点[35]在饮料澄清工艺中应用广泛。向宇[36]研究不同澄清方式对枸杞澄清饮料营养素保存率的影响,发现壳聚糖澄清对枸杞多糖的保存率与酶法澄清相比效果略低,但壳聚糖澄清对维生素C的保存率为82.7%,酶法澄清为70.5%。壳聚糖的澄清原理是在低pH值中由于质子化而带正电,从而能够吸附饮料中带负电成分(如单宁、蛋白质、果胶)达到澄清的效果[37]。但高pH值则会影响壳聚糖分子中游离氨基的量及果胶等阴性成分的电荷量,使澄清效果降低[35,38]。因此,使用壳聚糖作为澄清剂时需要考虑饮料本身的pH值,再加上壳聚糖溶液的黏性较大,使用时需要注意其用量。由于引起饮料浑浊的因素是多样的,单一的澄清剂可能达不到理想的澄清效果,因此复合澄清剂在饮料的澄清中被广泛地应用[39-41]。此外,新的澄清剂也被开发利用在饮料的澄清工艺中。ZHANG等[42]制备了胶原蛋白水解物澄清剂(collagen hydrolysate clarifier,CHC)并探究其对菊花饮料澄清效果的影响,发现经CHC处理后,饮料的透光率由55.4%提高到96.2%,且饮料中蛋白质、多酚、糖类和黄酮类物质的保留率达到80%以上,贮藏时间也由原先的1 d延长至12 d。
2.4 离心澄清法
离心澄清法是通过在一定时间下高速运转使饮料的悬浮物快速沉淀,是一种快速便捷的澄清方式。王娟[43]研究发现,杜仲红枣复合饮料在3 000 r/min、10 min的离心条件下,离心效果最好,饮料的澄清度为94%,离心澄清的澄清效果与澄清剂澄清的效果相差不大,且离心澄清花费的时间更少。张雅利[44]研究不同澄清方式对红枣澄清汁质量的影响,发现离心澄清对红枣汁中的芦丁、总糖、可溶性固形物和总酸含量的影响比较小,其中芦丁的保存率可达100.98%,明显高于交联聚乙烯吡咯烷酮和明胶复配联用的保存率56.37%。此外,离心澄清法在药用口服液的澄清中也有所涉及[45-46]。李娟娟等[47]比较醇沉法、壳聚糖絮凝法、离心法3种澄清工艺对铁皮石斛口服液稳定性的影响,发现在5 000 r/min、35 min的离心条件下口服液的多糖含量最高30.47%,贮藏90 d后离心法的多糖变化率最低为0.20%,可见离心澄清有利于保留饮料中的某些有效成分。但该法在使用过程中仍存在一定的局限性,例如过大的离心转速以及过长的操作时间对实际生产条件要求较高,能耗大,使生产的成本增加。因此,利用离心法澄清时需要根据实际情况来选择合适的离心条件。
2.5 酶解澄清法
酶解澄清是通过加入酶制剂使果胶质水解,从而导致饮料中的胶体失去果胶的保护作用而共聚沉淀达到澄清目的。任旭桐等[48]将果胶酶添加到枸杞汁中,在50 ℃下酶解90 min,其果汁透光率可达88.7%。王杰等[49]探究黄精复合饮料的最佳澄清工艺,发现当纤维素酶与果胶酶的比例为5∶1、处理温度和时间分别为47 ℃、43 min,此条件下黄精复合饮料能达到最好的澄清效果,透光率可达到89.4%。但游离酶因其操作性不稳定、可重复使用性较差、成本较高的缺点,阻碍其在饮料大规模生产中的应用。因此,具备加工性能好、可反复使用等优点的固定化酶在许多果汁的澄清工艺过程中表现出巨大的优势[50-51]。KHARAZMI等[52]将木聚糖酶和果胶酶固定在纳米颗粒上制成双酶纳米生物催化剂用于果汁澄清,发现经其处理2 h后菠萝汁的浊度降低了53%,重复使用9次后,酶的初始活性仍保留在64%以上。OZYILMAZ等[53]将淀粉酶、果胶酶和纤维素酶固定化后对苹果、葡萄和梨汁进行澄清,发现几种酶固定化后可以分解引起果汁浑浊的多糖大分子,使果汁的澄清度提高。固定化酶也被广泛地应用于其他产品的澄清工艺中,例如食醋[54]、乳制品[55]以及茶叶[56]等。酶法澄清在制备工艺中起到澄清作用的同时还能提高果汁的出汁率,但当酶解温度较高时会对产品中的热敏性成分产生一定的影响。
2.6 膜分离澄清法
膜分离技术是利用不同粒径的物质通过膜的能力不同使影响饮料澄清的物质达到分离,相比于其他澄清技术,膜分离澄清不仅能够提高饮料的澄清度,还能保持原料原有的风味。张颖豪[57]利用聚偏氟乙烯管式膜对红参植物饮料进行澄清,发现处理后的饮料不仅离心沉淀率低,透光率高,而且还有利于保留红参原有的风味以及饮料中有效的功能成分皂苷。罗通彪等[58]利用20 nm陶瓷膜对桑果、桑叶、金银花复合澄清饮料进行处理,发现该法对多糖的截留率为22.99%,对蛋白质的截留率为98.41%,此膜可用于生产去蛋白留多糖的饮料。此外,膜分离澄清不仅能够提高产品的澄清度,还能够在一定的程度上提高产品抗氧化性。MORITTU等[59]利用聚偏二氟乙烯膜澄清果汁,发现膜澄清后的果汁改善了氧化状态,显示活性氧代谢物减少了32%,生物抗氧化潜力增加了23%,而未经膜澄清的果汁则没有出现类似的效果,表明澄清膜可以使果汁表现出较强的抗氧化活性。LI等[30]研究复合纳米纤维膜对苹果汁的澄清效果,发现复合纳米纤维膜处理后的苹果汁浑浊度降低,果汁的L*值明显增加,褐变指数C值则明显下降,表明复合纳米纤维膜处理果汁可以提高果汁的亮度,还能够在一定程度上降低果汁的褐变程度并提高果汁的抗氧化性能。膜分离技术虽能提高饮料的澄清度,但在操作过程中膜表面或膜孔中容易形成沉积物,导致膜过滤效率下降和成本增加。
2.7 其他澄清方法
引起饮料浑浊的因素是多方面的,单一的澄清方法可能达不到良好的澄清效果,因此需要多种澄清方法结合使用。黄硕等[60]通过响应面法对超声辅助凹土-壳聚糖澄清姜汁进行工艺优化,发现采用最佳工艺条件处理后姜汁的透光率可达96.78%,该法所得的姜汁不仅透光率高,而且姜辣素含量最高可达1.746 mg/g,与其他澄清方法差异显著。此外,多种澄清方法联合使用在果汁的澄清中也具有良好效果。金丽梅等[61]研究超声辅助果胶酶澄清柠檬果汁的效果,发现该法处理后柠檬汁的透光率为76.9%,略低于果胶酶处理后的透光率77.8%,但其果汁中果胶的含量为2.2%,明显低于原汁的3.8%和酶处理的2.9%,表明超声辅助果胶酶澄清能够进一步降低果汁中的果胶含量从而达到澄清的效果。陈晓娜[62]以透光率为评价指标,通过单一澄清及复合澄清实验得出了黑果腺肋花楸复合果汁最佳的澄清条件为先添加2%壳聚糖澄清1 h,再添加0.4%果胶酶澄清2 h,复合澄清后果汁的透光率为61.39%;在复合澄清的基础上进行膜处理澄清,经过膜处理后得到果汁最终的透光率为77.82%。
3 结论与展望
植物性饮料因其原料中含有对人体有益的多糖、黄酮、生物碱等活性成分深受消费者的青睐,但其面临的浑浊问题也是不可忽视的,澄清是生产过程中的一个重要环节,澄清可以使饮料透明、稳定,提高产品的商业价值,因此探索饮料的澄清工艺具有一定的研究价值。由于引起饮料浑浊的原因是复杂的,单一的方法还不能彻底解决饮料的浑浊问题,通常需要多种方法联用才能达到澄清的目的。但目前的方法还存在澄清效果差、成本高、操作时间长等缺点,后续可以研究新的澄清方法或是将几种澄清方式联用,在提高饮料澄清度的同时使生产成本降到最低,从而为其在工业化生产中的使用奠定一定的基础。
饮料市场是食品行业发展最快的市场之一,植物性饮料更因其天然、绿色、健康等特点成为饮料行业新的发展趋势。然而我国植物性饮料仍存在一些问题,主要包括:a)植物性饮料行业的标准还不够完善;b)在环境污染严重的背景下,植物性饮料的原料来源及处理过程中存在一定的安全问题;c)高新技术在植物性饮料中的研究工作及产品加工的应用不足;d)原料在加工过程中的变化机理以及加工方式对饮料风味的影响还有待进一步深入的研究;e)因消费者对植物性饮料的功能不了解、效果被夸大、味道不佳等原因导致其接受度不高;f)市面上植物性饮料的种类还不够丰富,大多数研发产品还只是停留在实验室阶段等。因此,加大对植物性饮料加工特性的研究,对于促进植物性饮料在市场上的竞争力具有重要意义。
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