響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌條件的研究

王 勃 趙 旭 朱力杰 惠麗娟 馬 濤 王鑫垚

（渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院1，錦州 121013）

（遼寧省糧食科學(xué)研究所2，沈陽(yáng) 110032）

響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌條件的研究

王 勃1趙 旭2朱力杰1惠麗娟1馬 濤1王鑫垚1

（渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院1，錦州 121013）

（遼寧省糧食科學(xué)研究所2，沈陽(yáng) 110032）

采用響應(yīng)面法對(duì)影響脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌效果的因素進(jìn)行研究，得出影響滅菌率的大小順序?yàn)椋赫丈渚嚯x＞脈沖強(qiáng)光能量＞照射時(shí)間；最佳滅菌條件為：脈沖強(qiáng)光能量400 J，照射距離10 cm，照射時(shí)間15 s，此條件下的滅菌率可達(dá)98.83%。經(jīng)過脈沖強(qiáng)光照射的干豆腐其感官品質(zhì)與未處理樣品相差甚微。

干豆腐 脈沖強(qiáng)光 細(xì)菌 滅菌 條件優(yōu)化

中國(guó)傳統(tǒng)豆制品具有獨(dú)特的口感、風(fēng)味，營(yíng)養(yǎng)豐富且易于消化吸收［1］。在眾多豆制品中，干豆腐味美價(jià)廉且深受人們喜愛。當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的大部分干豆腐多為家庭手工作坊式生產(chǎn)［2］，為了延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期而添加國(guó)標(biāo)中明令禁止的防腐劑。目前部分生產(chǎn)企業(yè)用于豆制品的保鮮技術(shù)主要有物理保鮮、化學(xué)保鮮和生物保鮮［3-5］。但這些殺菌保鮮技術(shù)各有弊端，亟需一種安全、高效的殺菌技術(shù)來(lái)使傳統(tǒng)豆制品達(dá)到保鮮的目的。

脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)是利用瞬時(shí)、高強(qiáng)度的脈沖光能量進(jìn)行快速滅菌的一種物理殺菌新技術(shù)［6-8］，它利用惰性氣體燈發(fā)出與太陽(yáng)光譜相近、波譜范圍由紫外線至紅外線區(qū)域的強(qiáng)烈脈沖閃光來(lái)殺滅固體表面、氣體和透明液體中的微生物［6-9］。利用脈沖強(qiáng)光處理樣品基本不產(chǎn)生殘留物，也不涉及有害化學(xué)物質(zhì)［10］。使用脈沖強(qiáng)光技術(shù)對(duì)食品殺菌，能保持食品原有的色、香、味，這對(duì)風(fēng)味食品以及不適于高溫滅菌的食品尤為重要。

本研究以細(xì)菌滅菌率為指標(biāo)，脈沖強(qiáng)光能量、照射距離和照射時(shí)間為影響因素，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析優(yōu)化脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌的條件，以期為脈沖強(qiáng)光技術(shù)在豆制品滅菌中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干豆腐：水分 61.43 g／100 g、脂肪5.71 g／100 g、蛋白質(zhì)16.28 g／100 g；平板計(jì)數(shù)瓊脂培養(yǎng)基（PCA）：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

LA50-800A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生化培養(yǎng)箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；TA.XTplus2物性測(cè)定儀：英國(guó)Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

設(shè)計(jì)照射距離為10 cm，照射時(shí)間為15 s，脈沖強(qiáng)光能量取 100、200、300、400和 500 J，頻次為 2次／s，對(duì)干豆腐進(jìn)行照射處理，未做處理的干豆腐作為空白對(duì)照，分別取樣并制備菌懸液，選擇3個(gè)稀釋度的菌懸液各吸取1 mL至培養(yǎng)皿與培養(yǎng)基混合均勻后在36℃進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，48 h后測(cè)定菌落總數(shù)。

1.3.2 照射距離對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

設(shè)計(jì)脈沖強(qiáng)光能量為300 J，照射時(shí)間為15 s，照射距離取 8、9、10、11和 12 cm，頻次為 2次／s，參照1.3.1中提到的方法對(duì)干豆腐進(jìn)行處理并測(cè)定菌落總數(shù)

1.3.3 照射時(shí)間對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

設(shè)計(jì)脈沖強(qiáng)光能量為300 J，照射距離為10 cm，照射時(shí)間取5、15、25、35和45 s，頻次為 2次／s，參照1.3.1中提到的方法對(duì)干豆腐進(jìn)行處理并測(cè)定菌落總數(shù)。

1.3.4 菌落總數(shù)測(cè)定

根據(jù)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.2—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)：菌落總數(shù)測(cè)定》進(jìn)行菌落總數(shù)的測(cè)定。

1.3.5 滅菌率的計(jì)算

殺菌效果用滅菌率表示，計(jì)算公式［11］為：

滅菌率 ＝［（N-N0）／N］×100%

式中：N為滅菌前的菌落總數(shù)；N0為滅菌后的菌落總數(shù)。

1.3.6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇影響干豆腐細(xì)菌滅菌率（Y）的3個(gè)因素：脈沖強(qiáng)光能量（A）、照射距離（B）、照射時(shí)間（C）進(jìn)行組合，以 -1、0、1分別代表自變量的低、中、高水平，進(jìn)行三因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，5個(gè)中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)［12］。

表1 試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

1.3.7 模型的驗(yàn)證

通過響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌的滅菌條件。在優(yōu)化條件下進(jìn)行試驗(yàn)，通過比較預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值驗(yàn)證模型的有效性［13］。

1.3.8 脈沖強(qiáng)光參數(shù)對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)的影響

參照1.3.1，1.3.2，1.3.3中的參數(shù)條件，對(duì)上述15組經(jīng)過脈沖強(qiáng)光照射的干豆腐進(jìn)行質(zhì)構(gòu)的測(cè)定，未做處理的干豆腐作為空白對(duì)照。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

圖1可見，能量過低不利于較好地殺滅干豆腐表面的細(xì)菌。當(dāng)試驗(yàn)所用的脈沖強(qiáng)光能量在100～300 J范圍內(nèi)，細(xì)菌的滅菌率呈迅速上升的趨勢(shì)。在能量為400 J時(shí)滅菌率達(dá)到98.14%，隨著能量繼續(xù)增大至500 J，滅菌率增加的并不明顯。因此，選擇脈沖強(qiáng)光能量400 J為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心試驗(yàn)點(diǎn)。

圖1 脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

2.1.2 照射距離對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

如圖2所示，照射距離為10 cm時(shí)，細(xì)菌滅菌率最大。當(dāng)照射距離在10～12 cm之間時(shí)，滅菌率迅速降低。因此，脈沖強(qiáng)光遠(yuǎn)距離照射時(shí)，干豆腐細(xì)菌滅菌效果不好。根據(jù)滅菌率，選擇照射距離10 cm為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心試驗(yàn)點(diǎn)。

圖2 照射距離對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

2.1.3 照射時(shí)間對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

如圖3所示，當(dāng)照射時(shí)間在5～15 s時(shí)，細(xì)菌的滅菌率迅速增加，在時(shí)間為15 s時(shí)達(dá)到96.39%。接下來(lái)隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)滅菌率變化的并不明顯。于是選擇照射時(shí)間15 s為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心試驗(yàn)點(diǎn)。

圖3 照射時(shí)間對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光滅菌條件

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。響應(yīng)面法以最經(jīng)濟(jì)的方式，較少的試驗(yàn)次數(shù)和較短的時(shí)間對(duì)所選的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行全面研究［14］。利用 Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得響應(yīng)值細(xì)菌滅菌率（Y）對(duì)自變量脈沖強(qiáng)光能量（A）、照射距離（B）和照射時(shí)間（C）的二次多項(xiàng)式回歸模型方程：

Y＝97．92-1．29A-3．25B-0．12C-0．40AB+3．63AC-1．42BC-5．18A2-5．81B2-7．68C2

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。從表3中可以看出模型是極顯著的（P＜0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著，回歸模型的決定系數(shù)R2＝0.995 3，說明該模型能夠解釋99.53%的響應(yīng)值變化，僅有總變異的0.47%不能用該模型解釋，模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小。因此，可用此模型分析和預(yù)測(cè)經(jīng)脈沖強(qiáng)光照射處理后干豆腐細(xì)菌的滅菌率。由表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，模型一次項(xiàng)B、交互項(xiàng)AC、二次項(xiàng) A2、B2、C2極顯著；一次項(xiàng) A、交互項(xiàng) BC顯著；一次項(xiàng)C、交互項(xiàng)AB不顯著。由P值顯著性的大小可以看出試驗(yàn)因素的影響大小為：照射距離（B）＞脈沖強(qiáng)光能量（A）＞照射時(shí)間（C）。

表3 回歸模型方差分析

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

2.2.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

回歸模型方程的響應(yīng)面分別見圖4～圖6。對(duì)響應(yīng)面及等高線圖進(jìn)行分析，可以直觀地看出優(yōu)化區(qū)域和不同因素之間相互作用的程度［15］。此外，橢圓形等高線圖表示兩兩之間的交互作用比較顯著。

圖4 脈沖強(qiáng)光能量、照射距離及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的響應(yīng)面

圖5 脈沖強(qiáng)光能量、照射時(shí)間及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的響應(yīng)面

圖6 照射距離、照射時(shí)間及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的響應(yīng)面

圖4表示的是將照射時(shí)間控制在0水平，脈沖強(qiáng)光能量、照射距離及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響。脈沖強(qiáng)光能量和照射距離的交互作用對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響不顯著。圖5響應(yīng)面顯示的是當(dāng)照射距離在0水平時(shí)，脈沖強(qiáng)光能量、照射時(shí)間及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響。脈沖強(qiáng)光能量和照射時(shí)間的交互作用對(duì)細(xì)菌滅菌率的影響極顯著。圖6顯示的是脈沖能量在0水平時(shí)，照射距離、照射時(shí)間及其交互作用對(duì)干豆腐細(xì)菌滅菌率的影響。應(yīng)用Design Expert 8.0.6軟件獲得干豆腐細(xì)菌的脈沖強(qiáng)光滅菌最優(yōu)條件為：脈沖強(qiáng)光能量388 J、照射距離9.7 cm、照射時(shí)間14.9 s，此條件下預(yù)測(cè)的細(xì)菌滅菌率為98.44%?？紤]到脈沖強(qiáng)光設(shè)備及實(shí)際操作方便，將工藝參數(shù)調(diào)整為脈沖強(qiáng)光能量400 J、照射距離10 cm、照射時(shí)間15 s。

2.2.3 回歸模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的有效性，采用調(diào)整后的條件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果得到的滅菌率為98.83%。試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相差很小，表明該模型可以較好地反映出脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌的滅菌效果，從而也證明了應(yīng)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光殺滅干豆腐細(xì)菌的滅菌工藝條件的可行性。

2.2.4 脈沖強(qiáng)光參數(shù)對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)的影響

2.2.4.1 脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)的影響

從表5可以看出，試驗(yàn)選取的脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性的影響不顯著（P＞0.05），這說明脈沖強(qiáng)光能量不是干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響因素。其中，硬度隨脈沖強(qiáng)光能量的增大而略微減小，但變化并不明顯，人的感官是感覺不出來(lái)的。其他指標(biāo)數(shù)值沒有隨照射能量的增加而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，造成這一結(jié)果的原因可能是干豆腐本身組織結(jié)構(gòu)的不完全均一性，每片干豆腐之間也會(huì)存在差異。總的來(lái)看，這些差異并未對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)造成顯著影響（P＞0.05）。

2.2.4.2 脈沖強(qiáng)光照射距離對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)的影響

從表6中可以看出，干豆腐硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性在試驗(yàn)選取的脈沖強(qiáng)光照射距離范圍內(nèi)變化不明顯（P＞0.05），并且各個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均在沒有規(guī)律性的上下波動(dòng)。這可能與干豆腐本身的差異有關(guān)，因此，脈沖強(qiáng)光照射距離對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響不顯著（P＞0.05）。

2.2.4.3 脈沖強(qiáng)光照射時(shí)間對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)的影響

從表7可以看出脈沖強(qiáng)光照射時(shí)間對(duì)干豆腐的硬度和咀嚼度有顯著影響（P＜0.05），對(duì)彈性、黏聚性、膠著度和回復(fù)性的影響不顯著（P＞0.05）。干豆腐經(jīng)脈沖強(qiáng)光照射30 s時(shí)，硬度和咀嚼度與空白對(duì)照組的相比差異顯著（P＜0.05）。隨著照射時(shí)間的增加，干豆腐的硬度和咀嚼度逐漸增大。這可能是由于脈沖強(qiáng)光設(shè)備自帶的風(fēng)扇（操作過程中需要打開，作用是使操作室內(nèi)溫度不至于過高而耗損設(shè)備）不斷將干豆腐表面水分帶走甚至吹干其表面，從而影響到干豆腐的某些質(zhì)構(gòu)指標(biāo)。盡管如此，能夠看出脈沖強(qiáng)光短時(shí)間照射對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)方面的性質(zhì)影響不大。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，可以適當(dāng)降低操作環(huán)境的溫度，避免使用風(fēng)機(jī)或者使風(fēng)的方向?qū)χ}沖強(qiáng)光發(fā)生裝置而不是產(chǎn)品，盡量保持產(chǎn)品原來(lái)狀態(tài)防止水分揮發(fā)而影響口感和質(zhì)量。

表5 脈沖強(qiáng)光能量對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響

表6 脈沖強(qiáng)光照射距離對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響

表6 （續(xù)）

表7 脈沖強(qiáng)光照射時(shí)間對(duì)干豆腐質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響

3 結(jié)論

利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件 Design Expert 8.0.6，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立脈沖強(qiáng)光技術(shù)對(duì)干豆腐細(xì)菌進(jìn)行滅菌的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化出滅菌參數(shù)。試驗(yàn)得出影響滅菌率的大小順序?yàn)椋赫丈渚嚯x＞脈沖強(qiáng)光能量＞照射時(shí)間；脈沖強(qiáng)光能量400 J、照射距離10 cm、照射時(shí)間15 s。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的細(xì)菌滅菌率為98.83%。

脈沖強(qiáng)光能量和照射距離對(duì)干豆腐的硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性沒有顯著影響（P＞0.05），而脈沖強(qiáng)光照射時(shí)間只對(duì)干豆腐的硬度和咀嚼度有顯著影響（P＜0.05），對(duì)其他質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響不顯著（P＞0.05）。脈沖強(qiáng)光照射時(shí)間為30 s時(shí)，干豆腐的硬度和咀嚼度與空白組的相比差異顯著。說明脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)可在不影響干豆腐的感官品質(zhì)情況下達(dá)到滅菌保鮮的目的。

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Optimization of Pulsed Light Sterilization Conditions of Bacterium from Dry Bean Curd Using Response Surface Method

Wang Bo1Zhao Xu2Zhu Lijie1Hui Lijuan1Ma Tao1Wang Xinyao1
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety Bohai Unversity1，Jinzhou 121013）
（Grain Science Research Institute of Liaoning Province2，Shenyang 110032）

Response surface method was used to study factors which influence the effect of bacterium sterilization using pulsed light on dry bean curd.The order of factors which will influence the disinfection rate：irradiation distance＞pulsed light energy＞irradiation time；The optimum conditions obtained were as follows：pulsed light energy 400 J，irradiation distance 10 cm and irradiation time 15 s.The sterilization rate could reach to 98.83%under these conditions.The pulsed light has no significant effect on the sensory quality with untreated dry bean curd.

dry bean curd，pulsed light，bacteria，sterilization，optimization of conditions

TS201.1

A

1003-0174（2015）02-0092-06

2013-10-29

王勃，男，1986年出生，實(shí)驗(yàn)員，糧食科學(xué)

馬濤，男，1962年出生，教授，糧食科學(xué)