中短波紅外線對冬棗粉殺菌效果及品質(zhì)的影響

畢延娣，陳芹芹，畢金峰，顏廷才，趙悅

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽，110866)　2(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100193)

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中短波紅外線對冬棗粉殺菌效果及品質(zhì)的影響

畢延娣1,2，陳芹芹2，畢金峰1,2，顏廷才1*，趙悅1,2

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽，110866)2(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100193)

摘要研究了不同條件中短波紅外線處理對冬棗粉菌落總數(shù)、霉菌酵母的殺菌效果，對水分、色澤的影響，并應(yīng)用Weibull模型對不同處理?xiàng)l件下冬棗粉的殺菌效果進(jìn)行擬合。結(jié)果表明：隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，殺菌效果增強(qiáng)，水分含量降低，色差值變大；110℃處理5 min 和120℃處理1 min時(shí)可全部殺死霉菌和酵母。Weibull模型動(dòng)力學(xué)曲線的決定系數(shù)R2均大于0.98，χ2、RMSE的值分別小于0.020 0和0.070 0，擬合效果較好。中短波紅外線對冬棗粉殺菌處理的最佳工藝條件為120℃、1 min。

關(guān)鍵詞中短波紅外線；冬棗粉；殺菌；水分；色澤；Weibull模型

冬棗，又名凍棗、雁來紅、蘋果棗、冰糖棗[1]，屬于鼠李科棗屬植物，棗肉甜中帶酸，具有濃郁的棗香味。其具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，含有豐富的碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂肪，粗纖維，礦物質(zhì)及功能成分，而VC是冬棗中的代表性營養(yǎng)成分，具有重要的生理功能[2-3]。新鮮冬棗水分含量高，通過干燥加工后制成冬棗粉，使冬棗的用途更加廣泛[4]。冬棗粉是一種新型的棗制品，通過去核、切分、干燥、粉碎等處理而得，可作為速溶飲料、咀嚼片等產(chǎn)品的原料[5-6]。目前，冬棗粉的主要?dú)⒕绞绞菬犸L(fēng)高溫殺菌和輻照殺菌。熱風(fēng)高溫殺菌設(shè)備龐大，且殺菌效果不理想。輻照殺菌需要專門設(shè)備來生產(chǎn)輻射線(輻射源)，投資較大，并且存在安全問題，歐洲很多國家嚴(yán)格限制進(jìn)口經(jīng)過輻照處理的食品原料[7-10]。朱佳廷等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，輻照殺菌會顯著降低紅棗中的Vc含量。

紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，波長范圍為0.76～1 000 μm，根據(jù)波長長短分為短波(近)紅外(0.76～2 μm)、中波紅外(2～4 μm)和長波(遠(yuǎn))紅外(4～1 000 μm)。中短波紅外線技術(shù)起源于美國的航天工業(yè)，20世紀(jì)90年代被引進(jìn)中國，后逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。中短波紅外線具有很強(qiáng)的穿透力，可直接穿透物料表面對內(nèi)部進(jìn)行殺菌，不會對物料的表面性狀產(chǎn)生影響，并具有處理時(shí)間短、殺菌高效、環(huán)保、節(jié)能、無殘留等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有潛力的新型殺菌技術(shù)。此外，中短波紅外線殺菌設(shè)備小、易操作、使用方便，有利于推廣和使用[12-15]。

目前國內(nèi)有利用遠(yuǎn)紅外線加熱對液體食品醬油湯殺菌的報(bào)道[16]，而利用中短波紅外線殺菌未見報(bào)道。本研究以冬棗粉為實(shí)驗(yàn)材料，探討不同條件中短波紅外線處理對冬棗粉的殺菌效果，分析其殺菌動(dòng)力學(xué)，同時(shí)探討其對冬棗粉水分含量和色澤的影響。

1材料與方法

1.1材料與試劑

冬棗，于2014年9月15日購于北京市海淀區(qū)幸福超市；營養(yǎng)瓊脂、孟加拉紅培養(yǎng)基，北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司；NaCl，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；一次性使用塑料培養(yǎng)皿，浙江柏美特醫(yī)用塑料有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

QDPH10-1變溫壓差果蔬膨化干燥機(jī)，天津勤德新材料科技有限公司；FW100 高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；中短波紅外線干燥機(jī)，STC圣泰科紅外科技有限公司；LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；SW-CJ-1F潔凈工作臺，蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；SHP-250 生化培養(yǎng)箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；DHG-9023A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；D-25L色差計(jì)，美國Hunter Lab公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1棗粉的制備

取無傷病的新鮮冬棗，用流動(dòng)水清洗，去核后切片，厚度約為6 mm。采用變溫壓差膨化方法干燥棗片，膨化溫度100℃、停滯時(shí)間10 min、膨化壓力0.2 MPa，抽空溫度65℃，抽空時(shí)間2.5 h。干燥后冬棗片放入高速萬能粉碎機(jī)中制粉，每次打粉時(shí)間10 s，打粉間隔2 min，共打粉3次。

1.3.2中短波紅外線殺菌方法

功率1125W，設(shè)定溫度參數(shù)分別為100、110、120℃，時(shí)間參數(shù)分別為1、2、3、4、5 min。

1.3.3微生物的測定

菌落總數(shù)的檢測根據(jù)GB 4789.2—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測定》[17]，培養(yǎng)基采用營養(yǎng)瓊脂，平板(36±1)℃條件下培養(yǎng)(48±2)h；霉菌和酵母菌計(jì)數(shù)根據(jù)GB 4789.15—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)霉菌和酵母計(jì)數(shù)》[18]，采用孟加拉紅培養(yǎng)基，平板在(28±1)℃條件下培養(yǎng) 5 d。殺菌效果以細(xì)菌存活率對數(shù)值 lg(N/N0)表示，其中N為中短波紅外線殺菌后樣品的菌數(shù)，CFU/g；N0為中短波紅外線殺菌前樣品的菌數(shù)，CFU/g。每個(gè)樣品2個(gè)重復(fù)，2個(gè)平行。

1.3.4動(dòng)力學(xué)分析

參照ALBERT等[19]、VAN BOEKEL等[20]、CHEN等[21]的方法，滅菌效果用Weibull 模型分析。

ln(N/N0)=-αtβ

式中：N0為中短波紅外線處理前樣品中初始菌落總數(shù)，CFU/g；N為中短波紅外線處理后樣品中菌落總數(shù)，CFU/g；α和β分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；t為處理時(shí)間。當(dāng)β< 1時(shí) Weibull 分布為一個(gè)凹面向上的曲線，β> 1時(shí)曲線凹面向下，β= 1時(shí)為一條直線。

1.3.5水分含量的測定

按照GB 5009.3—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》[22]中規(guī)定的直接干燥法測定，結(jié)果以干基含水率表示。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測3組平行取其平均值。

1.3.6色澤的測定[23]

采用色彩色差計(jì)測定冬棗粉的色澤。用CIELAB 表色系統(tǒng)測定冬棗粉的L、a和b值，其中L代表明度指數(shù)，從黑暗到明亮的變化；a代表顏色從綠色到紅色的變化；b代表顏色從藍(lán)色到黃色的變化。色差值△E代表冬棗粉殺菌后的色澤(L、a、b)與殺菌前的色澤(L*、a*、b*)的色差值。△E計(jì)算方法如下:

每組試驗(yàn) 3 次平行，結(jié)果取平均值。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel和origin8.0進(jìn)行繪圖及Weibull模型分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉微生物的影響

2.1.1對菌落總數(shù)的影響

圖1 為在溫度100、110、120℃的條件下，中短波紅外線處理1、2、3、4、5 min對冬棗粉菌落總數(shù)的殺菌效果。由圖1可知，隨著殺菌溫度的提高，菌落總數(shù)呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。殺菌時(shí)間1 min時(shí)，110℃比100℃降低了0.21個(gè)對數(shù)，120℃比110℃降低了0.36個(gè)對數(shù)；在殺菌溫度100℃下，隨著殺菌時(shí)間從1min增加到5 min，菌落總數(shù)的減少值從2.11個(gè)對數(shù)到2.27個(gè)對數(shù)，降低了0.16個(gè)對數(shù)，說明隨著殺菌時(shí)間的增加，菌落總數(shù)逐漸減少。方差分析結(jié)果表明僅在殺菌溫度100℃下，殺菌時(shí)間對菌落總數(shù)有顯著影響(P<0.05)；在殺菌時(shí)間4 min和5 min時(shí)，殺菌溫度對菌落總數(shù)有顯著影響(P<0.05)。楊繼紅[24]的論文結(jié)果也表明，紅外線殺菌溫度越高，殺菌效果越好。

根據(jù)菌落總數(shù)的變化，經(jīng)過 100 ℃/3 min、110℃/5 min和120℃/1 min處理的冬棗粉即可達(dá)到NY/T 1884—2010《綠色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉菌落總數(shù)應(yīng)低于1 000 CFU/g ”的標(biāo)準(zhǔn)要求[25]，其菌落總數(shù)分別為143、83和65 CFU/g。

圖1　不同溫度、時(shí)間對冬棗粉中菌落總數(shù)的影響Fig. 1　Effect of different temperature, time on the total number of colonies in winter jujube powder

2.1.2對霉菌、酵母計(jì)數(shù)的影響

圖2為在100、110及120℃的條件下，中短波紅外線處理1、3、5 min對冬棗粉中霉菌、酵母的殺菌效果。由圖2可知，隨著溫度的提高，霉菌、酵母的數(shù)量顯著降低； 110℃殺菌5 min后，無霉菌、酵母檢出；殺菌溫度升高到120℃，殺菌時(shí)間為1 min也能達(dá)到相同的效果。經(jīng)其它條件殺菌后，冬棗粉中霉菌、酵母總數(shù)最高為38 CFU/g，最低小于10 CFU/g，均符合NY/T 1884—2010 《綠色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉霉菌、酵母總數(shù)應(yīng)低于50 CFU/g ”的標(biāo)準(zhǔn)要求[25]。其中120℃處理1 min時(shí)的殺菌效果最好。

圖2　不同溫度、時(shí)間對冬棗粉中霉菌、酵母計(jì)數(shù)的影響Fig. 2　Effect of different temperature, time on the count of mold and yeast in winter jujube powder

2.2中短波紅外線殺菌效果的動(dòng)力學(xué)分析

模型擬合精度通過相關(guān)系數(shù)(R2)、卡方檢驗(yàn)值(χ2)、均方根誤差(RMSE)統(tǒng)計(jì)參數(shù)來確定。R2越高，χ2、RMSE越低，模型擬合度越高。由表1可見，3個(gè)溫度下Weibull模型擬合的R2都在0.98以上，χ2、RMSE的值分別小于0.020 0和0.070 0；Weibull模型中2個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)α和β與溫度有關(guān)。尺度參數(shù)α隨著溫度的增加而增加，形狀參數(shù)β隨著溫度的增加而減少，β值顯示處理溫度對殺菌曲線形狀的影響。100℃與110℃的形狀參數(shù)β值變化不大，即表明在溫度100～110℃下的動(dòng)力學(xué)曲線形狀較為穩(wěn)定，溫度升高到120℃ β值降低較多，表明此溫度下許多微生物細(xì)胞對溫度的敏感性增加，導(dǎo)致該條件下微生物大量死亡，此結(jié)果與Sencer Buzrul等[26]的文獻(xiàn)報(bào)道一致。

表1　Weibull模型擬合中短波紅外線殺滅冬棗粉中

模型的擬合值與試驗(yàn)值的對比如圖3所示，由圖3可以看出，試驗(yàn)值與預(yù)測值的擬合性較好，表明Weibull模型能夠較好的擬合中短波紅外線處理對冬棗粉的滅菌效果。

圖3　100℃、110℃、120℃條件下Weibull模型擬合的殺菌動(dòng)力學(xué)曲線Fig. 3　Survival curves of bacteria inwinter jujube powder at 100, 110, 120℃ fitted with Weibull model

2.3不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉水分含量的影響

圖4為不同處理?xiàng)l件對冬棗粉水分含量的影響。

圖4　不同溫度、時(shí)間對冬棗粉水分含量的影響Fig.4　Effect of different temperature, time on the moisture content in winter jujube powder

從圖4可知，未處理冬棗粉水分含量為4.12%，隨著溫度和時(shí)間的增加，水分含量逐漸降低，浮動(dòng)范圍為3.62%～1.23%，例如120℃殺菌1 min時(shí)水分含量降低了1.5%，說明紅外線殺菌也起到了瞬時(shí)干燥的作用，有利于貯藏時(shí)間的延長。但殺菌時(shí)間過長可能會導(dǎo)致冬棗粉中熱敏成分發(fā)生變化[13]，因此殺菌時(shí)間不宜超過5 min。分析水分含量的變化，認(rèn)為是水通常吸收波長2.7～3 μm的紅外線，而中短波紅外線的波長為0.75～4 μm，因此水在此波段會更好地吸收輻射，使分子間運(yùn)動(dòng)加劇，從而有利于水分的快速蒸發(fā)[12]。

2.4不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉色澤的影響

圖5為不同處理?xiàng)l件對冬棗粉色澤的影響。由圖5-A可知，L值隨著溫度和時(shí)間的增加逐漸變小，說明冬棗粉褐變程度增大，顏色變暗。由圖5-B、5-C可以看出，與無處理相比，處理后冬棗粉的a值和b值顯著變大，尤其是a值變化最大，未殺菌時(shí)a值為4.81，100℃殺菌1 min就增加到7.19，表明冬棗粉的顏色變化更趨向紅色。圖5-D為冬棗粉經(jīng)中短波紅外線殺菌前后色差值的變化，隨著時(shí)間的增加，色差值逐漸變大，尤其120℃殺菌3 min以上時(shí)，色差值顯著增加，這可能是由于高溫下處理時(shí)間長而導(dǎo)致冬棗粉輕微變糊所致[3]。

圖5　不同溫度、時(shí)間對冬棗粉色澤的影響Fig.5　Effect of different temperature, time on the color in winter jujube powder

結(jié)合對比2.1.1和2.1.2不同條件下的殺菌效果，從色澤上考慮，認(rèn)為中短波紅外線殺菌的最適條件為120℃/1 min。

3結(jié)論

中短波紅外線處理溫度及時(shí)間對冬棗粉殺菌效果的影響顯著，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度和時(shí)間條件下，溫度越高，時(shí)間越長，殺菌效果越好；120℃處理5 min可使冬棗粉菌落總數(shù)降低2.96個(gè)對數(shù)，經(jīng)110℃處理5 min或120℃處理1 min后，無霉菌、酵母檢出；Weibull模型能夠較好地?cái)M合中短波紅外線處理對冬棗粉的滅菌效果，且在溫度100～110℃下的動(dòng)力學(xué)曲線形狀較為穩(wěn)定。隨著處理溫度和時(shí)間的增加，冬棗粉的水分含量下降，色差值增大。綜合考慮殺菌效果，對水分、色澤的影響以及設(shè)備運(yùn)行成本，認(rèn)為殺菌的適宜條件為120℃、1 min。

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Effect of short and medium-wave infrared radiation on bactericidal countrol and quality of winter jujube powder

BI Yan-di1,2, CHEN Qin-qin2, BI Jin-feng1,2, YAN Ting-cai1*, ZHAO Yue1,2

1(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)2(Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-products ProcessingScience and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

ABSTRACTTotal bacteria, mold and yeast in winter jujube powder at various temperature(100,110,120 ℃)for 1～5 min treated by short and medium-wave infrared radiation were measured. Water moisture and color were also tested after thetreatment. The Weibull model was used to analyze the bactericidal curves at different conditions. The results showed that with the increase of temperature and time, the antibactericidal effect were improved, while the water moisture was decreased, the color change increased. Mold and yeast could be inhibited at 110 ℃ , 5min, or 120 ℃,1min. The correlation coefficients (R2) of Weibull model were more than 0.98 at three temperature levels, χ2 and RMSE were less than 0.020 0 and 0.070 0 , respectively. This proved that Weibull model was suitable for the kinetic analysis of bacterial inactivation. The optimum process condition for winter jujube powder by short and medium-wave infrared radiation is 120 ℃,1min.

Key wordsshort and medium-wave infrared radiation; winter jujube powder; microbial inactivation; water moisture; color; Weibull model

收稿日期：2015-07-01，改回日期：2015-08-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31401508)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題“復(fù)合果蔬新產(chǎn)品創(chuàng)制與節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及示范”(2012BAD31B06)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201602022

第一作者：碩士研究生(顏廷才副教授為通訊作者,E-mail:ytc126127@163.com)。