響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面細(xì)菌的殺菌工藝

王 勃，劉 昕，馬 濤,*，劉 賀，何余堂，惠麗娟

（1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品 學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面細(xì)菌的殺菌工藝

王 勃1，劉 昕2，馬 濤1,*，劉 賀1，何余堂1，惠麗娟1

（1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品 學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

采用響應(yīng)面法分析優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面殺菌的工藝參數(shù)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取閃照次數(shù)、閃照距離、閃照能量為影響因素，殺菌率為響應(yīng)值，應(yīng)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明：優(yōu)化條件為閃照次數(shù)30 次、閃照距離9 cm、閃照能量400 J，此時(shí)脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面的細(xì)菌殺菌率可達(dá)到99.99%，檢測(cè)面包表面的細(xì)菌殘留量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 500 CFU/g，符合國(guó)標(biāo)有關(guān)規(guī)定，因此該模型可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

脈沖強(qiáng)光；面包；菌落總數(shù)；殺菌率

脈沖強(qiáng)光殺菌是一種新興的非熱型殺菌技術(shù)，它利用瞬時(shí)、高強(qiáng)度、廣波譜的脈沖光能量來(lái)殺滅食品中的微生物，具有殺菌均勻、操作安全、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。高強(qiáng)度的脈沖強(qiáng)光可以迅速有效地滅活微生物[2]。脈沖強(qiáng)光是可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)協(xié)同作用于微生物，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，使細(xì)胞液蒸發(fā)，徹底破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致死亡。

該技術(shù)由于只處理食品的表面，從而對(duì)食品的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分影響很小，可用于延長(zhǎng)以透明物料包裝的食品及新鮮食品的貨架期，很有發(fā)展前途[3]。目前，國(guó)外對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)研究較多：Funes等[4]的研究認(rèn)為脈沖強(qiáng)光殺菌是減少污染在蘋(píng)果中的棒曲霉素的一種潛在殺菌方法。Aguiló-Aguayo等[5]的研究表明脈沖強(qiáng)光可以有效減少新鮮西紅柿的微生物污染而不損害其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。國(guó)內(nèi)近幾年才出現(xiàn)關(guān)于脈沖強(qiáng)光殺滅微生物的相關(guān)研究報(bào)道，但大部分都應(yīng)用于流體[6-8]，有關(guān)于焙烤制品目前尚無(wú)報(bào)道。

面包豐富的營(yíng)養(yǎng)成分適宜微生物生長(zhǎng)繁殖，制作過(guò)程中滅菌不徹底及包裝貯藏不當(dāng)都可造成微生物超標(biāo)[9]，影響面包食用安全，縮短貨架期。面包生產(chǎn)普遍依靠添加防腐劑或者利用不同包裝形式來(lái)延長(zhǎng)其保質(zhì)期[10-11]，在這個(gè)談防腐劑色變的社會(huì)，選擇一種安全、高效、低成本的殺菌方式勢(shì)在必行。本實(shí)驗(yàn)采用脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)，以閃照次數(shù)、閃照距離和閃照能量為參數(shù)，利用響應(yīng)面法對(duì)面包表面細(xì)菌的殺菌條件進(jìn)行優(yōu)化，為降低面包表面初始菌量、延長(zhǎng)其貨架期及提高其食用安全性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面包（配料為小麥粉、酵母、雞蛋、食用鹽、白砂糖） 遼寧省沈陽(yáng)桃李食品股份有限公司；均質(zhì)袋（25 cm×17 cm） 廣州市鴻呈科貿(mào)易有限公司；平板計(jì)數(shù)培養(yǎng)基（BR） 北京奧博星生物計(jì)數(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

ZWB-I-01（LA50-800H）脈沖強(qiáng)光殺菌器 寧波中物光電殺菌技術(shù)有限公司；GMSX-280手提式壓力蒸汽滅菌器 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；AR224CN電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市鑫鑫試驗(yàn)儀器廠；MiniMix400W拍打均質(zhì)器 法國(guó)Interscience公司；LRH-150生化培養(yǎng)箱上海一恒科技有限公司；EC2菌落計(jì)數(shù)儀 法國(guó)梅里埃生物公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

在無(wú)菌操作臺(tái)中使用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)量25.0 g面包樣品（規(guī)格約為8 cm×8 cm，厚度為1 cm）。按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行脈沖強(qiáng)光單燈處理，而后放入盛有225 mL無(wú)菌生理鹽水的均質(zhì)袋中，用拍擊式均質(zhì)機(jī)拍打2 min，制成1∶10的樣品勻液，搖勻液進(jìn)行活菌平板計(jì)數(shù)。之后按照GB 4789.2-2010《食品微生物檢測(cè)：菌落總數(shù)的測(cè)定》進(jìn)行樣品稀釋、菌落培養(yǎng)及總數(shù)的測(cè)定[12]。

取同等質(zhì)量的面包不做任何處理，培養(yǎng)2 d后得到的活菌數(shù)即為對(duì)照樣品平均菌落數(shù)。脈沖強(qiáng)光的殺菌效果依據(jù)微生物的殺菌率來(lái)評(píng)價(jià)，殺菌率的計(jì)算公式如下：

式中：A0為對(duì)照樣品平均菌落數(shù)，A為被試樣品平均菌落數(shù)。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

選取閃照次數(shù)、閃照距離、閃照能量為試驗(yàn)影響因素，閃照頻次為2 次/s。固定其中兩個(gè)因素條件，分別對(duì)另外一個(gè)影響因素進(jìn)行試驗(yàn)[13-14]。每個(gè)影響因素做3 次平行試驗(yàn)。

固定閃照次數(shù)30 次、閃照能量400 J，研究閃照距離為9、10、11、12、13 cm對(duì)面包殺菌效果的影響。固定閃照距離10 cm、閃照能量400 J，研究閃照次數(shù)為10、15、20、25、30 次對(duì)面包殺菌效果的影響。固定閃照次數(shù)30 次、閃照距離10 cm，研究閃照能量100、200、300、400、500 J對(duì)面包殺菌效果的影響。

1.3.3 響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面殺菌效果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以閃照次數(shù)（X1）、閃照距離（X2）、閃照能量（X3）3 個(gè)因素為自變量，在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)定試驗(yàn)因素和水平值，以菌落的殺菌率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)[15-17]。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[18]，通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)脈沖強(qiáng)光殺菌的最佳工藝條件。各因素及水平編碼如表1所示。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 閃照次數(shù)對(duì)面包表面細(xì)菌殺菌效果的影響

圖1 閃照次數(shù)對(duì)殺菌效果的影響Fig.1 Effect of flash time on sterilization efficiency

由圖1可以看出，隨著閃照次數(shù)的增大，殺菌率呈增加趨勢(shì)。在閃照次數(shù)為10～20 次時(shí)，殺菌率提升的較為顯著，在20～30 次時(shí)，殺菌率提高趨緩。閃照次數(shù)為25 次時(shí)，其殺菌率為99.59%，所殘留的微生物菌落總數(shù)符合國(guó)標(biāo)規(guī)定?？紤]到節(jié)約能源，盡量使機(jī)器照射時(shí)間縮短，閃照次數(shù)在25 次時(shí)即可達(dá)到最佳的殺菌效果。

2.1.2 閃照距離對(duì)面包表面細(xì)菌殺菌效果的影響

圖2 閃照距離對(duì)殺菌效果的影響Fig.2 Effect of flash distance on sterilization efficiency

由圖2可以看出，隨著閃照距離的增大，殺菌率呈減少趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著脈沖強(qiáng)光與面包的距離越遠(yuǎn)，其

殺菌效果越弱[19]。根據(jù)殺菌率的變化可以看出在閃照距離為9～10 cm時(shí)，殺菌效果幾乎相同，距離增加會(huì)擴(kuò)大殺菌面積，從而在實(shí)際應(yīng)用中提高殺菌效率，因此閃照距離為10 cm時(shí)殺菌效果最好。

2.1.3 閃照能量對(duì)面包表面細(xì)菌殺菌效果的影響

圖3 閃照能量對(duì)殺菌效果的影響Fig.3 Effect of flash energy on sterilization efficiency

由圖3可以看出，隨著閃照能量的增加，殺菌率呈增加趨勢(shì)。在閃照能量為200～300 J時(shí)，殺菌率明顯提高，而在400～500 J時(shí)，殺菌效果相差甚微，殺菌率提升的也不顯著。在保證殺菌效果的前提下，降低功率可以節(jié)約能源及儀器損耗，因此當(dāng)閃照能量為400 J時(shí)殺菌效果最佳[20]。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒓帮@著性檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以閃照次數(shù)、閃照距離、閃照能量為因素，以微生物殺菌率為響應(yīng)值（Y），進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design with experimental results for sterilization efficiency

根據(jù)表2結(jié)果，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸擬合，得到以殺菌率（Y）為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程模型為：

對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，以檢驗(yàn)方程的有效性和各因子的偏回歸系數(shù)?；貧w模型進(jìn)行方差分析及可信度分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted mathematical model

根據(jù)表3可知，模型P＜0.000 1，表示模型極顯著，說(shuō)明該模型成立，本試驗(yàn)方法可靠。失擬項(xiàng)不顯著（P=0.959 3＞0.05），表明回歸方程無(wú)失擬因素存在，回歸方程擬合較好。進(jìn)一步說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)可以用來(lái)解釋和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一次項(xiàng)X1、X2、X3的影響都是極顯著（P＜0.000 1）；交互項(xiàng)X1X3（P=0.002 8＜0.01）對(duì)殺菌率的影響極顯著；交互項(xiàng)X1X2（P=0.091 2＞0.05）、X2X3（P=0.967 6＞0.05）對(duì)殺菌率的影響不顯著。綜上所述，影響因素的主次順序?yàn)椋篨1（閃照次數(shù)）＞X3（閃照能量）＞X2（閃照距離）。模型的校正決定系數(shù)（R2Adj）為0.988 6，說(shuō)明該模型能解釋98.86%的響應(yīng)值的變化，該方程與實(shí)際擬合的較好，能有效反應(yīng)脈沖強(qiáng)光殺菌率與閃照次數(shù)、閃照距離和閃照能量之間的關(guān)系，因此所得的方程能預(yù)測(cè)響應(yīng)值隨各參數(shù)的變化規(guī)律[21-24]。閃照距離、閃照次數(shù)、閃照能量之間交互作用對(duì)殺菌率的影響見(jiàn)圖4。

根據(jù)編碼公式求出自變量X1、X2、X3的編碼值為x1=1，x2=0.579，x3=0.745，對(duì)應(yīng)的真實(shí)值為X1=30、X2=9.42、X3=374.52，即閃照次數(shù)30 次、閃照距離9.42 cm、閃照能量374.52 J，考慮到實(shí)際操作，將最佳條件修正為閃照次數(shù)30 次、閃照距離9 cm、閃照能量400 J，為檢驗(yàn)響應(yīng)面的可靠性，在最佳殺菌條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，3 次平行實(shí)驗(yàn)取平均值，脈沖強(qiáng)光殺菌率

為99.99%，檢測(cè)到面包樣品表面的細(xì)菌殘留量幾乎為0 CFU/g，遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的1 500 CFU/g[25]。與對(duì)照樣品相比，其 菌落總數(shù)降低差異較為顯著，結(jié)果接近預(yù)測(cè)值，說(shuō)明回歸方程能比較真實(shí)地模擬各因素對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌率的影響，證明該模型合理有效，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖4 各因素交互作用對(duì)殺菌率影響的響應(yīng)面Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of three operating parameters on sterilization efficiency

3 結(jié) 論

采用脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)可以有效殺滅面包表面污染的細(xì)菌，試驗(yàn)因素對(duì)殺菌效果影響主次順序?yàn)椋篨1（閃照次數(shù)）＞X3（閃照能量）＞X2（閃照距離）。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法對(duì)脈沖強(qiáng)光在面包的殺菌條件進(jìn)行優(yōu)化，建立了閃照次數(shù)、閃照距離、閃照能量3 個(gè)因素對(duì)殺菌率的二次回歸方程模型。經(jīng)檢驗(yàn)，模型準(zhǔn)確率有效，可以用該模型分析預(yù)測(cè)各因素對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌率的影響。通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化模型確定脈沖強(qiáng)光殺菌的最佳條件為閃照次數(shù)30 次、閃照距離9 cm、閃照能量400 J，此條件下脈沖強(qiáng)光對(duì)面包表面細(xì)菌殺菌率可達(dá)到99.99%，檢測(cè)面包表面的細(xì)菌殘留量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 500 CFU/g，符合國(guó)標(biāo)有關(guān)規(guī)定，因此該模型可為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

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Optimization of Pulsed Light Parameters for Enhanced Sterilization of Bacteria on Bread Surface by Using Response Surface Methodology

WANG Bo1, LIU Xin2, MA Tao1,*, LIU He1, HE Yu-tang1, HUI Li-juan1
(1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China; 2. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

The pulsed light parameters for sterilizing the surface of bread were optimized by response surface methodology (RSM). The impacts of flash number, distance and energy on sterilization efficiency were investigated. The corresponding mathematical model was established by using Box-Behnken design. Results showed that the optimal pulsed light parameters were determined as 30, 9 cm and 400 J for flash number, distance and energy, respectively. Under the optimized conditions, the total number of bacterial colonies on bread was reduced by 99.99%. The number of residual bacterial colonies on the surface of bread was far less than 1 500 CFU/g, meeting the relevant national standards. Therefore, this method can be used in industrial practice.

pulsed light; bread; aerobic plate count; sterilization efficiency

TS201.3

A

1002-6630（2014）18-0074-04

10.7506/spkx1002-6630-201418014

2013-12-02

王勃（1986—），男，實(shí)驗(yàn)員，碩士，研究方向?yàn)榧Z油工程。E-mail：bohai2000@163.com

*通信作者：馬濤（1962—），男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z油工程。E-mail：matao-09@163.com