微波殺滅玉米霉菌的工藝優(yōu)化及品質(zhì)分析

■彭 凱 吳 薇 李 麗 靳志強 王順喜

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

玉米是重要的糧食作物、食品工業(yè)原料及飼料來源，現(xiàn)如今已成為我國第一大糧食作物品種。玉米在收獲、儲存和加工過程中容易發(fā)霉，主要原因是受霉菌的污染。霉菌對玉米的危害嚴重，不僅使其產(chǎn)量和品質(zhì)下降，而且會產(chǎn)生多種霉菌毒素危害畜禽和人體健康，從而引起社會的廣泛關(guān)注。

在工業(yè)生產(chǎn)中，玉米的滅菌方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法包括剔除、水洗、晾曬、脫胚去毒、熱處理、輻射、吸附等；化學(xué)法包含藥物熏蒸、添加防霉劑或氧化劑、堿液浸泡、補充營養(yǎng)素（如葉酸、硒、蛋白質(zhì)）；生物法主要利用一些生物因子去除細菌和霉菌等有害微生物，但其作用緩慢，而且滅菌不徹底，實際應(yīng)用中存在一定的局限性，因此難以推廣。早在1998年，歐盟委員會就通過審議，禁止使用化學(xué)方法處理霉變的糧食，因為化學(xué)處理過程中所使用的藥物可能會對環(huán)境造成污染并通過食物鏈危害動物和人類健康，而將發(fā)霉的玉米與儲存良好的玉米進行混合也是被禁止的。物理法滅菌在工業(yè)生產(chǎn)中最為常見，但由于傳統(tǒng)工藝和設(shè)備條件落后，導(dǎo)致滅菌效果不佳，且物理方法如機械分揀、熱處理等容易破壞玉米顆粒的組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分，使玉米蛋白質(zhì)變性、營養(yǎng)物質(zhì)損失、纖維力學(xué)性能下降。

微波輻射滅菌作為一種新興的工業(yè)技術(shù)，在食品行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，它具有快速、均勻、高效、環(huán)保等特點，不僅設(shè)備簡單、工藝先進、便于控制，而且能夠保留更多的營養(yǎng)成分，在玉米的滅菌處理上具有潛在的應(yīng)用價值。Khalil等研究表明，微波輻射比傳統(tǒng)滅菌方法具有更強的殺傷力。相關(guān)學(xué)者已研究證明微波輻射對人參、錐栗、香菇和五花茶等食品的殺菌有良好效果。本文就微波輻射對玉米的滅菌工藝及品質(zhì)影響進行研究，旨在為微波殺滅玉米霉菌的工業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑曲霉（由本試驗室自霉變玉米中分離得到）。

玉米顆粒（由國家玉米改良中心提供），無霉變顆粒，顏色、氣味均正常，水分含量為12.6%。

高鹽察氏培養(yǎng)基、濃硫酸、鹽酸、硼酸、氫氧化鈉、乙醚、吐溫80及其他試劑均為分析純（購于北京藍弋化學(xué)試劑有限公司）。

HIL2590-EGCS微電腦式微波爐(海爾集團)；BSA224S-CW萬分之一天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；HWS-280恒溫恒濕培養(yǎng)箱(上海一恒科技有限公司)；BBS-SDS超凈工作臺(濟南鑫貝西生物技術(shù)有限公司)；YX-280高壓滅菌鍋(上海一恒科技有限公司)；HWS-26恒溫水浴鍋(北京市科華華瑞儀器有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 黑曲霉孢子懸浮液的制備

將黑曲霉菌絲接種在平板上，置于25℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3～4 d，然后加入一定量體積分數(shù)為0.1%的吐溫80洗脫液，將孢子洗脫下來，用無菌紗布過濾除去菌絲體，再加入無菌水，調(diào)制成孢子懸浮液，搖勻，備用。

1.2.2 玉米染菌

取玉米顆粒，浸泡于孢子懸浮液中2 min，然后平鋪于無菌濾紙上，置于超凈工作臺內(nèi)1 h，備用。測定玉米樣品水分含量為16.3%。

1.2.3 菌落計數(shù)方法

玉米霉菌菌落數(shù)的計數(shù)方法按照GB/T 13092-2006測定。

1.2.4 試驗指標

滅菌率Y（%）=N/N0×100

式中：N為微波處理后殘存的菌落數(shù)（CFU/g）；N0為初始菌落數(shù)（CFU/g）。

玉米粗蛋白含量的測定方法參考GB/T 6432-94測定；粗脂肪含量的測定方法參考GB/T 6433-2006測定；玉米淀粉含量的測定方法依據(jù)魯浩等方法測定，測定結(jié)果取平均值；玉米裂紋率參考白巖等方法測定。

1.3 單因素試驗設(shè)計

1.3.1 微波功率對微波滅菌率的影響

稱取150 g玉米樣品，平鋪于無菌濾紙上，然后置于微波爐內(nèi)，分別以微波功率170、340、510、680 W和850 W輻射處理60 s。

1.3.2 輻射時間對微波滅菌率的影響

稱取150 g玉米樣品，平鋪于無菌濾紙上，然后置于微波爐內(nèi)，以微波功率510 W分別處理30、45、60、75、90、105、120、135 s。

1.3.3 玉米裝載量對微波滅菌率的影響

稱取50、100、150、200、250 g玉米樣品，平鋪于無菌濾紙上，然后置于微波爐內(nèi)，以微波功率510 W輻射處理60 s。

1.3.4 水分含量對微波滅菌率的影響

稱取150 g玉米樣品，平鋪于無菌培養(yǎng)皿中，然后置于超凈工作臺中進行通風(fēng)、晾干，使樣品的平衡含水量分別降低到14%和11%左右。然后稱取150 g玉米樣品，添加無菌水進行調(diào)制，使水分平衡，將樣品的水分含量分別提高到17%和20%左右。將以上樣品在微波功率510 W下輻射處理60 s。

1.4 響應(yīng)面分析

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計原理，采用4因素5水平的響應(yīng)面分析試驗，以滅菌率（Y）為響應(yīng)值，運用響應(yīng)面分析法對數(shù)據(jù)進行回歸分析及顯著性檢驗，通過Design-Expert軟件優(yōu)化工藝參數(shù)，以確定最佳工藝條件。每個試驗重復(fù)3次，取平均值。試驗因素水平編碼見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 微波功率對微波滅菌率的影響

由圖1可知，微波功率從170～850 W，滅菌率不斷升高，當(dāng)微波功率超過680 W，滅菌率逐漸接近100%，當(dāng)微波功率為850 W時，滅菌率達到100%。微波功率介于在680～850 W時，部分玉米樣品出現(xiàn)裂紋，考慮到殺菌效果及玉米品質(zhì)，選取微波功率170～850 W。

表1 試驗自變量因素編碼及水平

圖1 微波功率對微波滅菌率的影響

2.1.2 輻射時間對微波滅菌率的影響

圖2 輻射時間對微波滅菌率的影響

由圖2可知，當(dāng)微波功率為510 W時，隨著時間的延長，霉變玉米的滅菌率先升高后降低再升高，直至達到100%。30～50 s內(nèi)滅菌率出現(xiàn)負增長，原因是由于微波促進了霉菌孢子的萌發(fā)，加快了霉菌孢子囊釋放孢子，導(dǎo)致大量霉菌孢子滋生，這與朱金國等研究結(jié)果相似。微波時間超過90 s，玉米開始出現(xiàn)裂紋，且顏色發(fā)生褐變。因此，微波時間選取為50～90 s。

2.1.3 裝載量對微波滅菌率的影響

由圖3可知，隨著玉米裝載量的增加，滅菌率逐漸下降，說明裝載量的增加使霉菌的致死效果降低，原因可能是裝載量的增加導(dǎo)致玉米裝載厚度增加，從而使微波的穿透能力和滅菌效果下降。因此裝載量不宜過多，所以選擇玉米裝載量為50～250 g。

圖3 裝載量對微波滅菌率的影響

2.1.4 水分含量對微波滅菌率的影響

圖4 水分含量對微波滅菌率的影響

由圖4可知，玉米水分含量影響微波的滅菌效果。隨著玉米水分含量的升高，微波滅菌率先上升后下降，中等水分含量的玉米微波殺菌效果比低水分含量和高水分含量的玉米殺菌效果好，原因可能是由于水分子的雙重作用，一方面水分子可以提高微波殺菌的效果，極性水分子隨著微波電磁場的變化而做極性運動，分子間頻繁碰撞而產(chǎn)生大量的摩擦熱，并以熱的形式在物料內(nèi)表現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致玉米顆粒在短時間內(nèi)溫度迅速升高，達到殺菌效果；另一方面，水分過高會使玉米顆粒溫度不能快速上升到殺菌溫度以至于影響滅菌效果。因此，微波滅菌過程中，玉米水分應(yīng)該保持在一定范圍內(nèi)，所以玉米水分含量選擇為12%～20%。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化與分析

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計原理，以微波滅菌率作為響應(yīng)值進行響應(yīng)面分析，響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果

2.2.2 回歸模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert 8.05軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到微波滅菌率（Y）與編碼變量間的方程：

回歸模型的方差分析結(jié)果如表3所示，回歸模型（Y）達到極顯著，失擬性在0.05水平以上不顯著，表明該模型能夠?qū)τ衩孜⒉ㄝ椛涞拿咕ЧM行預(yù)測和分析。根據(jù)回歸模型的檢驗和擬合偏差檢驗，回歸模型的F檢驗結(jié)果在0.01水平上顯著，擬合偏差的F檢驗結(jié)果在0.01水平上不顯著，說明模型的擬合程度較好，因此，該回歸模型成立，可以用來確定微波滅菌的工藝條件。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知，影響微波滅菌效果的因素均達到極顯著水平，按照主次順序排列為Z2＞Z4＞Z3＞Z1，其中玉米水分含量（Z1）與微波功率（Z2）間存在交互作用，水分含量（Z1）與輻射時間（Z4）存在交互作用，微波功率（Z2）與裝載量（Z3）存在交互作用，微波功率（Z2）和輻射時間（Z4）存在交互作用，交互作用主次順序是Z2Z4＞Z2Z3＞Z1Z2＞Z1Z4。

2.2.3 響應(yīng)面分析

微波輻射殺滅玉米霉菌工藝條件中水分含量（Z1）、微波功率（Z2）、裝載量（Z3）、輻射時間（Z4）之間的交互作用對滅菌率的影響如圖5～圖8所示。

圖5 水分含量與微波功率對滅菌率的交互影響

圖6 水分含量與輻射時間對滅菌率的交互影響

圖7 微波功率與裝載量對滅菌率的交互影響

由圖5可知，在相同水分含量下，隨著功率的增加，滅菌率逐漸升高。在相同功率下，隨著水分含量的增加，滅菌率先升高后降低。這說明滅菌率的提高不能只考慮提高微波功率，還要考慮水分含量的因素，兩者都有增效作用。由等高線圖可知，微波功率方向上的等值線較水分含量方向上密集，表明微波功率對滅菌率的影響效果更明顯。

由圖6可知，水分含量和輻射時間存在一定的交互作用。在相同水分含量下，隨著功率的增加，滅菌率逐漸升高。在相同功率下，隨著水分含量的增加，滅菌率先升高后降低。從等高線圖可以看出，輻射時間方向上的等值線較水分含量方向上密集，表明輻射時間對滅菌率的影響效果更明顯。

由圖7可知，在相同的裝載量下，隨著微波功率的增加，滅菌率逐漸升高。在相同微波功率下，隨著裝載量的增加，滅菌率無明顯變化，說明滅菌率對玉米裝載量并不敏感。由等高線圖可知，微波功率方向上的等值線比較密集，表明微波功率對滅菌率的影響比裝載量大。

圖8 微波功率與輻射時間對滅菌率的交互影響

由圖8可知，在相同功率下，隨著輻射時間的增加，滅菌率逐漸升高。在相同輻射時間下，隨著微波功率的增加，滅菌率逐漸升高。這說明，同時增加微波功率和輻射時間可增加滅菌率，但考慮到玉米品質(zhì)的影響，要將二者控制在較為合適的范圍內(nèi)。由等高線圖的密集程度可知，微波功率和輻射時間對滅菌率的影響均較大。

2.2.4 微波滅菌工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過Design-Expert軟件對回歸模型Y進行模擬和預(yù)測，得到回歸模型Y的最大值點是：水分含量12.96%、微波功率680 W、玉米裝載量200.69 g、滅菌時間64 s，在此條件下，理論上滅菌率達到99.68%。為了驗證回歸方程的可靠性，綜合考慮實際操作的方便，將工藝參數(shù)修正為：水分含量13%、微波功率680 W、玉米裝載量200 g、滅菌時間64 s，此工藝參數(shù)為微波滅菌工藝參數(shù)的最佳組合。按照此工藝參數(shù)做了4次平行試驗，滅菌率的平均值為99.98%，與模擬預(yù)測值99.68%相比，相對誤差為0.3%，證明了回歸方程的可靠性和響應(yīng)面分析法的有效性，具有實用價值。

2.3 優(yōu)化條件下玉米品質(zhì)的分析

在最佳工藝參數(shù)下，玉米經(jīng)微波輻射處理后，水分含量為11.82%，低于玉米貯藏的相對安全水平限，符合入庫標準。在64 s內(nèi)，玉米未檢出任何裂紋，即裂紋率為0，因此不會對玉米的外觀品質(zhì)造成影響。玉米顆粒的平均溫度為81.3℃，而霉菌一般在70℃下即可殺死，因而達到了理想的滅菌溫度。微波輻射對玉米營養(yǎng)指標的影響如表4所示，玉米粗蛋白、淀粉和粗脂肪的變異系數(shù)分別為0.86、2.26、0.21，說明在最佳工藝條件下，微波輻射對玉米營養(yǎng)指標基本無影響。

表4 微波輻射對玉米營養(yǎng)指標的影響

3 結(jié)論

采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，結(jié)合響應(yīng)面分析確定了微波輻射殺滅玉米霉菌的最佳工藝條件為：水分含量13%、微波功率680 W、玉米裝載量200 g、滅菌時間64 s，各因素影響的主次順序為：微波功率＞輻射時間＞裝載量＞水分含量。在此條件下，微波輻射的平均滅菌率為99.68%，玉米裂紋率為0，粗蛋白、淀粉及粗脂肪的變異系數(shù)分別為0.86、2.26和0.21。綜上所述，優(yōu)化的微波輻射滅菌工藝對玉米霉菌具有良好的殺滅效果，且對玉米的品質(zhì)無不良影響。

（參考文獻16篇，刊略，需者可函索）