脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮牛奶細(xì)菌殺菌效果的研究

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

隨著人們生活水平的提高,人們對(duì)食品的營養(yǎng)和安全品質(zhì)、新鮮度、色澤以及口感都有了越來越高的要求,傳統(tǒng)的殺菌技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人對(duì)食品的需要。脈沖強(qiáng)光技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型物理非熱殺菌技術(shù)[1]。它利用瞬時(shí)、高強(qiáng)度的脈沖光能量殺滅食品中的各類微生物,避免了傳統(tǒng)熱殺菌對(duì)熱敏性物質(zhì)的破壞和化學(xué)殺菌帶來的食品安全隱患[2-4]。

牛奶不僅含有優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)而且含有人體所需的多種維生素及礦物質(zhì)以及多種免疫活性因子,被譽(yù)為白色血液[5]。但是,在牛奶加工及儲(chǔ)藏過程中由于細(xì)菌的污染而導(dǎo)致牛奶貨架期短、奶制品品質(zhì)下降等問題的存在,嚴(yán)重影響了人們對(duì)攝取牛奶營養(yǎng)的要求。本實(shí)驗(yàn)研究脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮牛奶細(xì)菌滅菌的效果,為能有效控制鮮牛奶加工及儲(chǔ)藏過程中細(xì)菌污染的程度,同時(shí)延長貨架期,并為生產(chǎn)高品質(zhì)鮮奶制品奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮牛奶 錦州市某自營牧場(實(shí)驗(yàn)測得:脂肪:3.21g/100g、蛋白質(zhì):3.08/100g、非脂乳固體:8.62g/100g);平板計(jì)數(shù)瓊脂 北京奧博星生物技術(shù)有限公司。

LA50-800H脈沖強(qiáng)光表面殺菌實(shí)驗(yàn)柜 寧波中物光電殺菌技術(shù)有限公司;LRH-150恒溫生化培養(yǎng)箱、DHG-9055A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;SW-CJ-2FD潔凈工作臺(tái) 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;EC2菌落計(jì)數(shù)分析儀 法國生物梅里埃集團(tuán);HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市鑫鑫實(shí)驗(yàn)儀器廠;AR224CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司PHS-3CW pH計(jì) 上海般特儀器制造有限公司;YXQ-LS-75S11立式全自動(dòng)壓力滅菌鍋 北京科創(chuàng)百萬科技發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鮮牛奶的處理 在超凈工作臺(tái)上用移液槍分別吸取5、10、15、20、25mL的鮮牛奶于無菌培養(yǎng)皿中。

1.2.2 脈沖強(qiáng)光處理 打開脈沖強(qiáng)光實(shí)驗(yàn)柜,先自行運(yùn)行10min讓儀器穩(wěn)定后啟動(dòng),將盛有鮮牛奶的培養(yǎng)皿放入實(shí)驗(yàn)柜的中央,關(guān)上柜門,設(shè)定實(shí)驗(yàn)柜的不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)用脈沖強(qiáng)光對(duì)牛奶樣品進(jìn)行閃照處理,每隔5min處理一次。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定 在閃照距離13cm、閃照能量300J、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照頻率為:10、20、30、40、50Hz;在閃照頻率30Hz、閃照能量300J、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照距離為:12、13、14、15、16cm;在閃照頻率30Hz、閃照距離13cm、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照能量為:100、200、300、400、500J;在閃照頻率30Hz、閃照距離13cm、閃照能量300J的相同條件下,樣液厚度為:1、2、3、4、5mm。

1.2.4 菌落計(jì)數(shù) 將處理后的不同鮮牛奶樣品,采用平板計(jì)數(shù)法和傾倒法測定[6],并用菌落計(jì)數(shù)分析儀對(duì)細(xì)菌菌落計(jì)數(shù),每次實(shí)驗(yàn)做3次平行,結(jié)果取平均值。

1.2.5 滅菌率的計(jì)算 滅菌率的計(jì)算公式如下:

滅菌率(%)=[(初始菌落數(shù)-處理菌落數(shù))/初始菌落數(shù)]×100

1.2.6 單因素實(shí)驗(yàn) 以閃照頻率(Hz)、閃照距離(cm)、閃照能量(J)和樣液厚度(mm)四個(gè)因素為自變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮牛奶中細(xì)菌殺滅效果的影響[7-9]。

1.2.7 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理[10-11]在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以閃照頻率、閃照距離、閃照能量以及樣液厚度四個(gè)因素為自變量,細(xì)菌總數(shù)的滅菌率為響應(yīng)值,作四因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn),響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表如表1所示。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

2 結(jié)果與分析

2.1 閃照頻率對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響

脈沖強(qiáng)光照射頻率對(duì)鮮牛奶細(xì)菌的滅菌效果如圖1所示。

圖1 閃照頻率對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響 Fig.1 Effect of flash frequency on disinfection rate of bacterium

由圖1可看出,脈沖強(qiáng)光的閃照頻率與細(xì)菌的滅菌率成正相關(guān),閃照頻率在0～30Hz階段,滅菌效果增加較為明顯,在30～50Hz范圍內(nèi),隨著閃照頻率的增加,細(xì)菌的滅菌率增長得不明顯,因此閃照頻率為30Hz時(shí)具有最佳的殺菌效果。

2.2 閃照距離對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響

脈沖強(qiáng)光照射距離對(duì)鮮牛奶細(xì)菌的滅菌效果如圖2所示。

圖2 閃照距離對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響 Fig.2 Effect of flash distance on disinfection rate of bacterium

由圖2可看出,細(xì)菌的滅菌率隨著閃照距離的增加總體上有逐漸下降的趨勢(shì),閃照距離在12～13cm之間,細(xì)菌的滅菌率只增加了0.58%,這說明在這個(gè)范圍內(nèi),脈沖強(qiáng)光對(duì)牛奶細(xì)菌的滅菌效果基本相同;在13～16cm范圍內(nèi),脈沖燈光與處理樣品越近,達(dá)到的滅菌效果也越明顯,可得出在13cm處達(dá)到了最佳的滅菌效果。

2.3 閃照能量對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響

脈沖強(qiáng)光照射能量對(duì)鮮牛奶細(xì)菌的滅菌效果如圖3所示。

圖3 閃照能量對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響 Fig.3 Effect of flash energy on disinfection rate of bacterium

由圖3可看出,在圖中的5個(gè)能量點(diǎn)中,脈沖強(qiáng)光在300、400、500J三個(gè)能量值達(dá)到了較高滅菌率,在100J和200J的能量值時(shí)都處于上升階段,這就說明脈沖強(qiáng)光對(duì)細(xì)菌的滅菌率會(huì)隨著能量的增強(qiáng)而升高,但到了300J時(shí),滅菌率升高的程度很緩慢,并結(jié)合對(duì)能量消耗的考慮,得出閃照能量300J時(shí)滅菌效果最佳。

2.4 樣液厚度對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響

鮮牛奶的樣液厚度對(duì)脈沖強(qiáng)光的滅菌效果影響如圖4所示。

圖4 樣液厚度對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響 Fig.4 Effect of thickness of the liquid sample on disinfection rate of bacterium

由圖4可看出,脈沖強(qiáng)光的滅菌率隨著樣液厚度的增加逐漸降低,是因?yàn)槊}沖強(qiáng)光作為一種紫外線至近紅外線區(qū)域的光線,其穿透力具有一定的限度,綜合實(shí)驗(yàn)的條件和實(shí)際情況可以得出樣液的厚度2mm時(shí)的滅菌效果最好。

2.5 脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮牛奶細(xì)菌滅菌條件的優(yōu)化

依據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[12-13],擬合后得到關(guān)于閃照頻率(A)、閃照距離(B)、閃照能量(C)和樣液厚度(D)的二次多項(xiàng)回歸方程:

Y=99.48+0.58A-1.58B+2.99C-1.70D+0.16AB-2.46AC-3.14AD-2.19BC-0.83BD+0.36CD-9.42A2-3.13B2-5.62C2-6.49D2

表2 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案及結(jié)果Table 2 Optimization project design and experimental results of Box-Behnken design

對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析,其結(jié)果可見表4。由表4可知,回歸模型極顯著(p<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(p=0.0764>0.05),表明失擬項(xiàng)相對(duì)于絕對(duì)誤差不顯著,說明該模型在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義并擬合性良好;相關(guān)系數(shù)R2=0.9709,說明該回歸模型的各個(gè)因素和響應(yīng)值之間有良好的線性關(guān)系,能夠篩選出最佳的工藝條件[14]。

表3 細(xì)菌滅菌率方差分析Table 3 Variance analysis of bacterial sterilization rate

在表3中,p值(0.01

在表4中,閃照頻率A的影響不顯著(p=0.0635>0.05),閃照距離B、閃照能量C和樣液厚度D的影響極顯著(p<0.0001);交互項(xiàng)AC(p<0.01)、AD(p<0.01)和BC(p<0.01)的交互作用對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響極顯著,BD(p<0.05)的影響顯著;交互項(xiàng)AB(p=0.2482)和CD(p=0.4822)交互作用的影響不顯著。綜合上述分析得知,各個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度為:C(閃照能量)>D(樣液厚度)>B(閃照距離)>A(閃照頻率)。

2.6 響應(yīng)面圖分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)回歸方程構(gòu)建響應(yīng)面分析圖。由圖5～圖8中的最高穩(wěn)定點(diǎn)及等高線面可以看出,交互項(xiàng)閃照頻率A和樣液厚度D、閃照頻率A和閃照能量C、閃照距離B和閃照能量C的交互作用極顯著,交互項(xiàng)閃照距離B和樣液厚度D的交互作用顯著,交互項(xiàng)閃照能量C和樣液厚度D的交互作用不顯著。由圖5可知,在一定的范圍內(nèi),細(xì)菌的滅菌率隨著閃照頻率及閃照能量的增加而增加。根據(jù)二次多項(xiàng)式的回歸方程,結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析,對(duì)回歸方程進(jìn)行一階偏導(dǎo)等于零,可得到響應(yīng)曲面的最大值點(diǎn)[16-17],整理可得出最佳條件參數(shù) A=28.5,B=12.68,C=344,D=1.98,即脈沖強(qiáng)光殺滅細(xì)菌的最佳條件為脈沖強(qiáng)光的閃照頻率為28.5Hz,閃照距離為12.68cm,閃照能量為344J,樣液厚度為1.98mm,并且考慮到脈沖強(qiáng)光設(shè)備、生產(chǎn)實(shí)際條件和生乳食品安全國家標(biāo)準(zhǔn),將脈沖強(qiáng)光的最佳閃照條件調(diào)整為:閃照頻率29Hz,閃照距離12.8cm,閃照能量300J,樣液厚度2mm。在此最佳參數(shù)條件下進(jìn)行了3次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),細(xì)菌滅菌率平均值達(dá)到99.996%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值吻合,該回歸模型可用于脈沖強(qiáng)光殺滅鮮牛奶細(xì)菌的條件優(yōu)化。

表4 回歸方程統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of regression equation

圖5 Y-f(A,C)響應(yīng)面圖 Fig.5 Response surface of the effects of A and C on the disinfection rate

圖6 Y-f(A,D)響應(yīng)面圖 Fig.6 Response surface of the effects of A and D on the disinfection rate

圖7 Y-f(B,C)響應(yīng)面圖 Fig.7 Response surface of the effects of B and C on the on the disinfection rate

圖8 Y-f(B,D)響應(yīng)面圖 Fig.8 Response surface of the effects of B and D on the on the disinfection rate

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了閃照頻率、閃照距離、閃照能量和樣液厚度四個(gè)因素與脈沖強(qiáng)光對(duì)鮮牛奶細(xì)菌殺滅效果的影響,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面分析優(yōu)化,建立實(shí)驗(yàn)回歸模型,得到了脈沖強(qiáng)光滅菌的最佳工藝條件為閃照頻率29Hz,閃照距離12.8cm,閃照能量300J和樣液厚度2mm,細(xì)菌的滅菌率達(dá)到99.996%。

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