不同鹽類對(duì)固體培養(yǎng)基水分活度的影響

王滿生 曾新安 孫大文，2

(1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州 510640;2.愛(ài)爾蘭國(guó)立都柏林大學(xué)食品冷凍與計(jì)算機(jī)化食品技術(shù)研究所，愛(ài)爾蘭都柏林 4區(qū))

水分活度(water activity，aw)被定義為同溫下液體蒸汽壓與純水蒸汽壓的比值［1］。與水分含量(m/m)有所不同，水分活度體現(xiàn)的是樣品中自由水的體積和可用性，評(píng)價(jià)范圍通常是0～1。水分活度在食品保藏中有著重要的意義，其概念早在20世紀(jì)70年代就為食品界普遍所接受［2］。由于逐漸認(rèn)識(shí)到水分活度與食品儲(chǔ)藏穩(wěn)定之間的密切關(guān)系［3］，故近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多有關(guān)食品與水分活度的課題研究［4－9］。

但是，只有當(dāng)某組分能活躍地與環(huán)境間進(jìn)行水分交換，且有可能形成微生物生長(zhǎng)繁殖的合適培養(yǎng)基，它才能影響微生物生長(zhǎng)的穩(wěn)定性，從而影響食品的儲(chǔ)藏性和貨架期。一般來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)基是微生物生長(zhǎng)繁殖的必需場(chǎng)所，也是其賴以生存的環(huán)境。因此，為充分利用或抑制微生物，往往可以通過(guò)對(duì)該微生物培養(yǎng)基的成分進(jìn)行調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這也就成了微生物學(xué)專家們［10，11］研究微生物的重要手段之一。無(wú)機(jī)鹽類是組成微生物培養(yǎng)基的六大營(yíng)養(yǎng)要素之一［12］，因此在微生物培養(yǎng)基優(yōu)化調(diào)控方面發(fā)揮著重要作用［13－16］。一般認(rèn)為，在溶液或膠體中，無(wú)機(jī)鹽類可以很有效地調(diào)節(jié)該溶液的滲透壓［17］，從而對(duì)維持微生物細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡有著重要作用［18］。另有研究［19］表明，體系中鹽類的添加可以很好地調(diào)節(jié)該體系的水分活度，所以鹽類往往又被用作體系中水分活度調(diào)節(jié)劑［4，20］。但目前還沒(méi)有學(xué)者專門(mén)研究不同鹽類對(duì)體系水分活度的影響，而且目前對(duì)鹽類調(diào)節(jié)體系水分活度的內(nèi)在機(jī)理也尚不清楚。鑒于此，本研究擬以固體營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基為研究體系，通過(guò)不同價(jià)態(tài)鹽的添加，調(diào)節(jié)該體系的水分活度，探討不同鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響，為鹽類作為水分活度調(diào)節(jié)劑在食品體系中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

水分活度儀:LabMASTER-aw型，大昌華嘉商業(yè)(中國(guó))有限公司;

麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基:廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;

六水合三氯化鐵、無(wú)水三氯化鉻、無(wú)水氯化鎂、無(wú)水氯化銅、氯化鈉和氯化鉀等:分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 固體培養(yǎng)基制備

(1)按培養(yǎng)基產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求配制一定量的麥芽汁營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，備用;

(2)不同鹽類培養(yǎng)基的制備:麥芽汁營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基加熱熔化，待冷卻至45～50℃時(shí)，向其中加入已定量好的鹽類固體，充分溶解后室溫下凝固，最終得到一系列含不同鹽濃度(m/V)的固體培養(yǎng)基，待用;

(3)用刀片從不同鹽類不同濃度的上述固體培養(yǎng)基上切下3塊大小基本一致的瓊脂培養(yǎng)基小塊(其大小為長(zhǎng)3.0 cm×寬3.0 cm×厚1.0 cm)，用于水分活度的測(cè)定，以保證不同鹽類的每個(gè)濃度下培養(yǎng)基的水分活度測(cè)量為3次平行測(cè)定。

1.3 固體培養(yǎng)基水分活度的測(cè)定

在相同條件下用水分活度儀測(cè)定每一塊已切好的瓊脂塊的水分活度，并做好數(shù)據(jù)記錄。

1.4 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)

通過(guò)OriginPro 8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并擬合分析所有測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 一價(jià)鹽類的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響

在微生物實(shí)驗(yàn)室，氯化鈉和氯化鉀是培養(yǎng)基配制中常用的無(wú)機(jī)鹽類。圖1顯示了麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基中額外添加氯化鈉和氯化鉀后，該培養(yǎng)基水分活度與所加鹽類的濃度的曲線關(guān)系。由圖1可知:培養(yǎng)基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而顯著下降。經(jīng)非線性擬合后發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基的水分活度值與該培養(yǎng)基中額外添加的鹽的濃度之間符合劑量模型，而且模型相關(guān)性非常好。

2.2 二價(jià)鹽類的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響

氯化銅和氯化鎂也是微生物實(shí)驗(yàn)室常用于培養(yǎng)基配制的無(wú)機(jī)鹽類，可以提供微生物所需的微量元素銅和鎂。圖2顯示了麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基中額外添加氯化銅和氯化鎂后，該培養(yǎng)基水分活度與所加鹽類的濃度的關(guān)系。由圖2可知，培養(yǎng)基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而較顯著下降。經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基的水分活度值與培養(yǎng)基中額外添加的鹽的濃度存在良好的線性關(guān)系。

圖1 一價(jià)鹽的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響Figure 1 The effect of different univalent salt concentration on the water activity in medium

圖2 二價(jià)鹽的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響Figure 2 The effect of different bivalent salt concentration on the water activity in medium

2.3 三價(jià)鹽類的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響

在環(huán)境工程領(lǐng)域里，常用鉻離子和三價(jià)鐵離子等來(lái)研究和考察環(huán)境微生物對(duì)重金屬離子代謝的吸收能力［21］。本試驗(yàn)選用三氯化鉻和三氯化鐵作為三價(jià)鹽的主要代表無(wú)機(jī)物，分析其對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知:培養(yǎng)基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而較顯著下降。經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基的水分活度值與培養(yǎng)基中額外添加的鹽的濃度也存在著良好的線性關(guān)系。此外，從擬合曲線可看出，三氯化鉻和三氯化鐵這兩種鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度有著極為相似的影響，這可能是因?yàn)殂t元素和鐵元素的當(dāng)量值非常接近，所以同濃度下培養(yǎng)基中所含離子的摩爾濃度也接近，根據(jù)水溶液中“依數(shù)特性”，產(chǎn)生的蒸汽壓下降也接近［22］。

2.4 不同鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響評(píng)價(jià)

在前面的討論中，分別考察了同一價(jià)態(tài)下不同鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一價(jià)態(tài)下，不同的鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度有著非常相似的影響，而且如果鹽類的相對(duì)分子質(zhì)量越接近，則其對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響也越相似。

為了深入探究不同價(jià)態(tài)的鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的內(nèi)在影響規(guī)律，本研究對(duì)不同價(jià)態(tài)鹽類與培養(yǎng)基水分活度的關(guān)系擬合曲線進(jìn)行了一階求導(dǎo)，得到了各擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線，見(jiàn)圖4。

由圖4可知:不同價(jià)態(tài)的鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響程度有很大的差異，即使是同一價(jià)態(tài)的鹽類，其對(duì)培養(yǎng)基中水分活度的影響程度也有一定的差異。究其原因，這主要是因?yàn)椴煌脑仄洚?dāng)量值(又稱為化合量)不同，見(jiàn)圖5。因?yàn)閷?duì)于等質(zhì)量的鹽類而言，元素的當(dāng)量值較小的鹽類，它在體系中就擁有較多數(shù)量的鹽類分子，根據(jù)Henry定律［22］可知，該種鹽類就會(huì)產(chǎn)生較大的蒸汽壓降，從而對(duì)培養(yǎng)基水分活度產(chǎn)生較大程度的影響。

圖3 三價(jià)鹽的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響Figure3 The effect of different trivalent salt concentration on the water activity in medium

圖4 不同鹽類的濃度對(duì)培養(yǎng)基水分活度擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)Figure 4 The first derivative of fitted curve of different salt concentration on the water activity in medium

圖5 不同元素的當(dāng)量值對(duì)比Figure 5 The comparison of equivalentweight for different elementals

此外，高價(jià)態(tài)鹽類如二價(jià)和三價(jià)的鹽類，其對(duì)培養(yǎng)基的水分活度的影響程度不會(huì)隨著鹽類濃度的增加而改變。但是，相對(duì)于高價(jià)態(tài)鹽類，低價(jià)態(tài)鹽類如氯化鈉和氯化鉀等對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響程度更大些，而且與其濃度的變化有很大的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)鹽濃度在1.5% ～5.0%時(shí)，其對(duì)培養(yǎng)基水分活度的影響程度很大，尤其是在3.0% ～4.0%時(shí)最為突出。因此，在實(shí)際食品應(yīng)用中，低價(jià)態(tài)鹽類常被用作各種體系的水分活度降低劑［4，7］。

3 結(jié)論

本研究著重?cái)M合分析了不同鹽類中陽(yáng)離子對(duì)培養(yǎng)基水分活度的內(nèi)在關(guān)系，并通過(guò)對(duì)擬合曲線進(jìn)行一階求導(dǎo)，從而較清晰地揭示了不同鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度影響的內(nèi)在機(jī)理，為在實(shí)際食品工業(yè)應(yīng)用中更準(zhǔn)確高效地選擇水分活度降低劑提供了良好的理論依據(jù)。此外，為深入闡明鹽類對(duì)培養(yǎng)基水分活度的整體效應(yīng)，在今后的研究中將就鹽類中陰離子種類也開(kāi)展類似研究，以期獲得更加詳細(xì)而有說(shuō)服力的理論數(shù)據(jù)。

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