臭氧在東北酸菜殺菌工藝中的應(yīng)用

孔慶敏，孫 波,*，趙 曉，劉建生，李 霞，趙 敏，馬旭藝（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　50030；.北大荒親民有機(jī)食品有限公司，黑龍江 北安　640）

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臭氧在東北酸菜殺菌工藝中的應(yīng)用

孔慶敏1，孫 波1,*，趙 曉1，劉建生2，李 霞2，趙 敏1，馬旭藝1
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030；2.北大荒親民有機(jī)食品有限公司，黑龍江 北安164022）

摘 要：將臭氧殺菌技術(shù)應(yīng)用于東北酸菜生產(chǎn)工藝，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇氧氣流量、電流強(qiáng)度及殺菌時(shí)間3 個(gè)因素，進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析試驗(yàn)。結(jié)果表明，東北酸菜臭氧殺菌最適工藝條件為氧氣流量3 L/min、電流強(qiáng)度0.3 A、殺菌時(shí)間33 min，東北酸菜中微生物菌落總數(shù)下降的理論值為2.01（lg（CFU/g））。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，東北酸菜微生物菌落總數(shù)下降2.00（lg（CFU/g）），實(shí)測值與理論值相近；東北酸菜臭氧殺菌效果與熱殺菌效果相比差別不大，但產(chǎn)品感官品質(zhì)更優(yōu)；同時(shí)，臭氧殺菌工藝相對熱殺菌工藝能量消耗更低，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)制造成本。結(jié)論：臭氧殺菌完全可以有效代替熱殺菌應(yīng)用于東北酸菜的生產(chǎn)工藝中。

關(guān)鍵詞：東北酸菜；臭氧；殺菌；菌落總數(shù)

引文格式：

孔慶敏, 孫波, 趙曉, 等. 臭氧在東北酸菜殺菌工藝中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(12): 71-75. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612012. http://www.spkx.net.cn

KONG Qingmin, SUN Bo, ZHAO Xiao, et al. Application of ozone in the sterilization of Chinese northeast sauerkraut[J].

Food Science, 2016, 37(12): 71-75. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612012. http://www.spkx.net.cn

東北酸菜是我國東北地區(qū)極具地方特色的一種發(fā)酵蔬菜產(chǎn)品，是以白菜為原料，經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵而成并具有酸、甜、香、脆等獨(dú)特風(fēng)味[1-2]。近年來，隨著東北酸菜產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，東北酸菜生產(chǎn)從傳統(tǒng)家庭手工作坊發(fā)展到現(xiàn)代大型發(fā)酵裝備工業(yè)化生產(chǎn)。這些技術(shù)進(jìn)步不僅使東北酸菜生產(chǎn)不受季節(jié)制約，而且產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、食用安全并延長貨架期。

大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，巴氏熱殺菌工藝雖然可使東北酸菜中微生物菌落總數(shù)至少降低2～3 個(gè)數(shù)量級，從而避免了因脹袋降低產(chǎn)品貨架期，但同時(shí)也極易加速東北酸菜的褐變速率，使得產(chǎn)品脆度下降、風(fēng)味劣變、營養(yǎng)大量損失[3-5]，因此如何尋找一種能夠替代熱加工的新的殺菌手段[6-9]，在充分保證東北酸菜有效殺菌的同時(shí)，保留其特有的風(fēng)味和口感，成為東北酸菜生產(chǎn)中的一個(gè)亟待解決的技術(shù)瓶頸。

眾所周知，臭氧以氧原子的氧化作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)殺菌作用[10-13]，因而具有廣譜安全的消毒、殺菌作用，是目前工業(yè)上最理想的殺菌方式之一，廣泛地應(yīng)用于食品加工的各個(gè)領(lǐng)域[14-18]。目前，有關(guān)果蔬加工貯藏的國內(nèi)外研究[19-24]已經(jīng)利用臭氧殺菌技術(shù)達(dá)到了較理想的果蔬保鮮效果。然而，將臭氧技術(shù)應(yīng)用于東北酸菜殺菌工藝以解決熱殺菌引起東北酸菜品質(zhì)下降的研究鮮見報(bào)道。

本研究主要探索臭氧對東北酸菜進(jìn)行有效殺菌的可行性，同時(shí)采用Box-Behnken響應(yīng)面分析法對東北酸菜臭氧殺菌工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，旨在為引進(jìn)代替熱殺菌的更有效殺菌方式提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

東北酸菜北大荒親民有機(jī)食品有限公司。

蛋白胨、牛肉膏、酵母膏（生化試劑）北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

完全培養(yǎng)基配方：葡萄糖5 g，蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，酵母膏3 g，MgSO4·7H2O 2 g，蒸餾水1 000 mL，pH 7.2。

1.2儀器與設(shè)備

臭氧發(fā)生系統(tǒng)北京三龍騰飛臭氧設(shè)備制造廠；DZ-500/2S型真空包裝機(jī)山東諸城市雙春包裝機(jī)械有限公司；LS-30立式壓力蒸汽滅菌器鍋上海東亞壓力容器制造有限公司；BSP-150生化培養(yǎng)箱上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。

1.3方法

1.3.1東北酸菜臭氧殺菌的工藝流程

白菜→發(fā)酵→東北酸菜→輸送→清洗→切絲→臭氧殺菌→裝袋稱量→真空包裝→成品

1.3.2東北酸菜熱殺菌的工藝流程

白菜→發(fā)酵→東北酸菜→輸送→清洗→切絲→裝袋稱量→真空包裝→熱殺菌（80 ℃，20 min）→成品

1.3.3東北酸菜臭氧殺菌裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置由臭氧發(fā)生器、氣液混合泵及臭氧殺菌槽組成，臭氧殺菌槽長寬高分別為1、0.5、0.5 m，有效容量220 L，采用單管布?xì)猓瑲庖喉樍鞣绞?，臭氧?jīng)氣液混合泵經(jīng)由直徑20 mm的軟管由臭氧殺菌槽側(cè)面上部管口噴入臭氧殺菌水槽，再由臭氧殺菌水槽下設(shè)的管道循環(huán)回氣液混合泵繼續(xù)氣液混合。

1.3.4東北酸菜臭氧殺菌流程

開啟臭氧發(fā)生器電源，預(yù)熱20 min，室溫條件下，打開臭氧殺菌槽上蓋，以菜水質(zhì)量比2∶1將東北酸菜投入槽中，打開氧氣閥，進(jìn)行臭氧殺菌，一定時(shí)間后，關(guān)閉氣閥及氣液混合泵，取出東北酸菜，裝袋稱量，立即用真空包裝機(jī)進(jìn)行真空包裝。

1.3.5東北酸菜臭氧殺菌工藝的響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取東北酸菜臭氧殺菌工藝中的3 個(gè)影響因素為自變量，分別用X1、X2、X3表示，以lgS為響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.05軟件中的Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面分析，其因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1　Factors and levels used in RSM analysis

1.3.6東北酸菜臭氧殺菌效果評價(jià)

東北酸菜臭氧殺菌的效果采用微生物菌落總數(shù)數(shù)量級變化值（lgS）來表示[25]，其計(jì)算公式如下所示：

式中：N0為臭氧處理前東北酸菜中微生物菌落總數(shù)/（CFU/g）；N為臭氧處理后東北酸菜中微生物菌落總數(shù)/（CFU/g）。

1.3.7東北酸菜中微生物的檢驗(yàn)

根據(jù)GB 4789.2—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)：菌落總數(shù)測定》方法對東北酸菜中的微生物菌落總數(shù)進(jìn)行測定。

1.3.8東北酸菜的感官評價(jià)

挑選10 名感官評價(jià)人員，男女各半，按要求進(jìn)行品評。根據(jù)DB 21/2391—2014《酸菜》規(guī)定的感官要求，以東北酸菜樣品的色澤、組織形態(tài)及風(fēng)味和口感為指標(biāo)制定東北酸菜感官評價(jià)方案，滿分為100 分，其中85～100 分為“優(yōu)良”，60～85 分為“一般”，少于60 分為“較差”，評分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2　東北酸菜的感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for sensory evaluation of Chinese northeast sauerkraut

2　結(jié)果與分析

2.1東北酸菜臭氧殺菌的工藝條件優(yōu)化

2.1.1氧氣流量對東北酸菜中微生物菌落總數(shù)的影響

圖1　氧氣流量對微生物菌落總數(shù)的影響Fig. 1　Influence of oxygen flow rate on total bacterial count of Chinese northeast sauerkraut

如圖1所示，臭氧發(fā)生器電流強(qiáng)度0.2 A、殺菌時(shí)間20 min條件下，氧氣流量增加到3 L/min，微生物菌落總數(shù)降低1.0（lg（CFU/g））；而氧氣流量增加到3 L/min以上時(shí)，微生物菌落總數(shù)無顯著變化。故綜合考慮選擇氧氣流量為3 L/min。

2.1.2電流強(qiáng)度對東北酸菜中微生物菌落總數(shù)的影響

圖2　電流強(qiáng)度對微生物菌落總數(shù)的影響Fig. 2　Influence of current intensity on total bacterial count of Chinese northeast sauerkraut

如圖2所示，氧氣流量3.0 L/min、殺菌時(shí)間20 min條件下，電流強(qiáng)度增加到0.3 A，微生物菌落總數(shù)降低1.5（lg（CFU/g））；而電流強(qiáng)度增加到0.3 A以上時(shí)，微生物菌落總數(shù)無顯著變化。故綜合考慮選擇電流強(qiáng)度為0.3 A。

2.1.3殺菌時(shí)間對東北酸菜中微生物菌落總數(shù)的影響

圖3　殺菌時(shí)間對微生物菌落總數(shù)的影響Fig. 3　Influence of sterilization time on total bacterial count of Chinese northeast sauerkraut

如圖3所示，氧氣流量3.0 L/min、電流強(qiáng)度0.3 A條件下，殺菌時(shí)間延長到30 min，微生物菌落總數(shù)降低2.0 （lg（CFU/g）），而殺菌時(shí)間在30 min以上時(shí)，微生物菌落總數(shù)無顯著變化。故綜合考慮選擇殺菌時(shí)間為30 min。

2.1.4東北酸菜臭氧殺菌工藝的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3　Experiment design and results for RSM

對表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得回歸方程為：

表4　回歸分析結(jié)果Table 4　Results of regression analysis

由表4可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著，且該模型相關(guān)系數(shù)R2=97.87%，校正決定系數(shù)R2Adj=95.13%，表明該模型與試驗(yàn)擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可用于臭氧對東北酸菜殺菌效果的理論推測。由F檢驗(yàn)得各因子對臭氧殺菌的影響強(qiáng)度依次為氧氣流量＞殺菌時(shí)間＞電流強(qiáng)度，由顯著性分析可知，X1、X2、X3、X1X3、X2X3和X32項(xiàng)達(dá)到了顯著水平，響應(yīng)面分析見圖4。

圖4　各因素交互作用對微生物菌落總數(shù)影響的響應(yīng)面Fig. 4　Response surface and contour plots showing the interactive effects of three process conditions on total bacterial count

由圖4可知，氧氣流量與殺菌時(shí)間、電流強(qiáng)度與殺菌時(shí)間交互作用顯著。應(yīng)用響應(yīng)面法對回歸模型進(jìn)行分析，確定臭氧對東北酸菜殺菌工藝的最優(yōu)條件為氧氣流量3 L/min、電流強(qiáng)度0.3 A、殺菌時(shí)間33 min，東北酸菜中微生物菌落總數(shù)量級下降的理論值為2.01（lg（CFU/g））。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，東北酸菜中微生物菌落總數(shù)由（7.5±0.36）×105CFU/g降至（7.47±0.32）×103CFU/g，微生物菌落總數(shù)下降2.00（lg（CFU/g）），實(shí)測值與理論值相近。因此，響應(yīng)面法所得東北酸菜臭氧殺菌優(yōu)化條件參數(shù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.2東北酸菜臭氧殺菌與熱殺菌效果的比較

由表5可知，東北酸菜經(jīng)臭氧殺菌后微生物菌落總數(shù)由（7.5±0.36）×105CFU/g降至（7.47±0.32）×103CFU/g；而經(jīng)熱殺菌后微生物菌落總數(shù)由（7.5±0.36）×105CFU/g降至（6.8±0.25）×103CFU/g，兩者殺菌效果相差不大。經(jīng)臭氧殺菌的東北酸菜色澤和口感變化不大，感官評分為92 分，感官品質(zhì)較優(yōu)；而經(jīng)熱殺菌的東北酸菜則色澤略暗且口感下降較明顯，感官評分為82 分，感官品質(zhì)一般。

表5　東北酸菜臭氧殺菌與熱殺菌效果比較Table 5 Comparison of the effects of ozone and heat treatments on total bacterial count and sensory quality of Chinese northeast sauerkraut

3　結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用臭氧對東北酸菜進(jìn)行殺菌處理，確定了最優(yōu)殺菌工藝條件為氧氣流量3 L/min、電流強(qiáng)度0.3 A、殺菌時(shí)間33 min，微生物菌落總數(shù)由（7.5±0.36）×105CFU/g降至（7.47±0.32）×103CFU/g，感官評分為92 分，感官品質(zhì)較好。臭氧殺菌與傳統(tǒng)熱殺菌相比，殺菌效果相差不大但產(chǎn)品感官品質(zhì)更優(yōu)。此外，臭氧殺菌相對熱殺菌其動(dòng)力消耗更低，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)制造成本。因此，臭氧殺菌工藝完全能夠代替熱殺菌工藝用于東北酸菜生產(chǎn)中。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的是，企業(yè)采用傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)是在東北酸菜稱量及真空包裝工藝后進(jìn)行的，而在采用臭氧殺菌新技術(shù)必須在東北酸菜稱量及真空包裝工藝之前完成。所以，在臭氧殺菌結(jié)束后如何在后續(xù)生產(chǎn)工藝中避免微生物二次污染現(xiàn)象的發(fā)生，是該工藝能否可行的技術(shù)關(guān)鍵。

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Application of Ozone in the Sterilization of Chinese Northeast Sauerkraut

KONG Qingmin1, SUN Bo1,*, ZHAO Xiao1, LIU Jiansheng2, LI Xia2, ZHAO Min1, MA Xuyi1
(1. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin150030, China; 2. Beidahuang Qinmin Organic Foods Co. Ltd., Bei’an164022, China)

Abstract:In this study, we reported the optimization of ozone sterilization conditions of Chinese northeast sauerkraut using response surface methodology (RSM) based on a three-variable, three-level Box-Behnken design (BBD). The independent variables were oxygen flow, current intensity and sterilization time. The optimum process parameters for sterilization of sauerkraut were obtained as follows: oxygen flow, 3 L/min; current intensity, 0.3 A; and sterilization time, 33 min. Experiments under these conditions showed a 2.00 (lg (CFU/g)) reduction in microbial counts, agreeing with the predicted value of 2.01 (lg (CFU/g)). Although not dissimilar in terms of sterilization efficiency, ozone treatment was better for the sensory quality of product, and it was less energy-consuming and consequently cost-saving than heat treatment. It is concluded that ozone application is a promising alternative to heat sterilization in the production of Chinese northeast sauerkraut.

Key words:Chinese northeast sauerkraut; ozone; sterilization; microbial count

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：孔慶敏（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c發(fā)酵工程。E-mail：kongqingmin2@163.com

*通信作者：孫波（1962—），男，副教授，碩士，研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c發(fā)酵工程。E-mail：bosun114@163.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612012

中圖分類號(hào)：TS255.53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6630（2016）12-0071-05