催化式紅外輻射對(duì)葡萄籽滅菌的影響

付瑞鵬 王 華 ，2，3* 張 昂 李 華 ，2，3

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄酒學(xué)院 陜西楊凌 712100

2 陜西省葡萄與葡萄酒工程研究中心 陜西楊凌 712100

3 西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄與葡萄酒（合陽）試驗(yàn)站 陜西合陽 715300

4 秦皇島出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心 河北秦皇島 066004）

葡萄籽是葡萄酒產(chǎn)業(yè)的主要固體廢棄物，占葡萄鮮果質(zhì)量的5%～10%[1-3]。葡萄籽含油量達(dá)6%～22%，其中不飽和脂肪酸含量高達(dá)90%[4]，而且葡萄籽油還含有多種微量元素、脂溶性維生素和抗氧化物質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)豐富，具有多種生理作用，如抗氧化，抗炎癥，預(yù)防心腦血管疾病等[5-6]，因此葡萄籽主要用于葡萄籽油加工。在生產(chǎn)葡萄酒過程中，葡萄籽主要從葡萄皮渣中分離而得，含有大量的水分、糖和微生物[7]。葡萄籽表面微生物大量繁殖，使得葡萄籽腐敗變質(zhì)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。干燥是食品行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，不僅可以延長(zhǎng)食品的貯藏期，還具有殺菌效果[9-10]。食品工業(yè)普遍采用對(duì)流干燥法加工物料，然而對(duì)流干燥存在能耗大，能源利用率和干燥速率低，終產(chǎn)物品質(zhì)差等問題[11]。

對(duì)于微生物的滅菌，普遍采用高溫蒸汽法，然而該方法存在加工時(shí)間長(zhǎng)，能耗大，產(chǎn)品質(zhì)量不高等缺點(diǎn)[12]。而紅外輻射滅菌技術(shù)具有輻射效率高，加熱時(shí)間短，熱傳遞速率高，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[13]，尤其是先進(jìn)的催化式紅外技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品干燥、護(hù)色和殺菌[14-16]。目前對(duì)葡萄籽的滅菌研究還未見報(bào)道。紅外輻射技術(shù)是利用輻射傳熱的方式加熱，當(dāng)紅外輻射頻率與照射物料中的水分熱運(yùn)動(dòng)頻率一致時(shí)，紅外輻射會(huì)被吸收轉(zhuǎn)化成水分子的熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致物料溫度升高，水分損失[17]。本文利用天然氣催化式紅外輻射技術(shù)進(jìn)行葡萄籽的滅菌處理，對(duì)滅菌效果進(jìn)行分析，并對(duì)處理后葡萄籽的顏色及葡萄籽油的品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)后續(xù)葡萄籽油提取的優(yōu)化試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校進(jìn)行。葡萄籽（葡萄品種 ‘赤霞珠’），美國(guó)Santa Rosa的Sonomaceutical葡萄酒公司。葡萄籽的初始含水量和粗脂肪含量分別為11.43%和13.93%（d.b）。

1.2 試驗(yàn)試劑

平板瓊脂計(jì)數(shù)培養(yǎng)基、n-正己烷（色譜純?cè)噭?、氫氧化鉀、三氯甲烷、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液、四氯甲烷（均為分析純?cè)噭?，美?guó)Sigma-Aldrich公司。

1.3 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

催化式紅外發(fā)生器，美國(guó)Catalytic Drying Technologies公司；手持紅外測(cè)溫儀，美國(guó)Fluke公司；PG2002-S電子天平，美國(guó)Mettler Toledo公司；CR-400 Konica Minolta色彩色差儀，日本Minolta公司；植物粉碎機(jī)，美國(guó)Steinlit公司；磁力攪拌器，美國(guó)Corning公司；真空泵，美國(guó)Welch公司；R-205旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，美國(guó)Buchi分析公司；637G電熱鼓風(fēng)干燥箱，美國(guó)Colorado Springs公司；C24KC溫控?fù)u床，美國(guó)Edison公司；5804 R Eppendorf離心機(jī)，美國(guó)Government Scientific Source公司。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 紅外輻射處理 開啟系統(tǒng)的天然氣開關(guān)之前，需要先對(duì)紅外發(fā)生裝置進(jìn)行預(yù)熱，使溫度達(dá)到天然氣進(jìn)行催化反應(yīng)所需要的溫度。預(yù)熱30 min后開啟天然氣開關(guān)進(jìn)行通氣反應(yīng)，利用天然氣催化式紅外線對(duì)葡萄籽進(jìn)行單面紅外輻射。紅外處理?xiàng)l件：物料距紅外輻射距離為18 cm。將葡萄籽均勻平鋪在物料盤中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.2 保溫處理 微生物在瞬間加熱后抗熱性會(huì)變強(qiáng)，而在較高溫度下維持一段時(shí)間可以達(dá)到更好的滅菌效果[16]。為了研究保溫處理對(duì)葡萄籽品質(zhì)和滅菌效果的影響，將紅外處理后的樣品迅速裝入無菌瓶中，置于60℃和75℃條件下分別保溫10，20，60 min。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4.3 紅外輔助法提取葡萄籽油工藝 通過前期預(yù)試驗(yàn)，獲得葡萄籽油最佳提取條件：葡萄籽粒度0.8～1.0 mm，料液比為1∶5 g/mL，提取溫度 50℃，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速200 r/min，提取時(shí)間60 min。稱取紅外輻射處理后葡萄籽30.0 g，粉碎后置于圓底燒瓶中，以n-正己烷為提取溶劑，按照上述條件進(jìn)行提取。

1.5 指標(biāo)測(cè)定方法

1.5.1 微生物測(cè)定 依據(jù)Erdogdu等[8]所述的方法對(duì)葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果以每克葡萄籽（干重）所含細(xì)菌總數(shù)的對(duì)數(shù)值來表示（lg CFU/g）。

1.5.2 顏色測(cè)定 采用色差分析儀測(cè)定樣品顏色指標(biāo)。為考察滅菌處理前、后葡萄籽的色澤變化，分別對(duì)原料和處理后樣品進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值。試驗(yàn)選用Lab表色系統(tǒng)[16]，其中L*值表示亮度，數(shù)值越大，顏色越亮；a*值表示綠色/紅色值，數(shù)值越大表示顏色越紅；b*值表示藍(lán)色/黃色值，數(shù)值越大顏色越黃；△E值表示顏色變化。

1.5.3 葡萄籽油酸值、過氧化值和碘值的測(cè)定 按照AOAC所述方法測(cè)定葡萄籽油得率[18]。按照AOCS所述方法分別測(cè)定葡萄籽油酸值、過氧化值和碘值[19]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，采用Excel錄入試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用SPSS Statistics 17軟件統(tǒng)計(jì)，平均值顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外輻射聯(lián)合保溫處理滅菌效果分析

未處理的葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)（Total aerobic bacterial counts，TAB）的對(duì)數(shù)值為4.89 lg CFU/g。由圖1a可見，隨著保溫溫度升高、保溫時(shí)間延長(zhǎng)，葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)逐漸降低，然而總體殺菌效果較差。由圖1b可見，單獨(dú)進(jìn)行紅外輻射處理（IR），隨著輻射時(shí)間延長(zhǎng)，葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)迅速降低，殺菌效率比單純保溫處理高。紅外輻射使物料表面瞬時(shí)達(dá)到高溫，破壞物料表面微生物細(xì)胞的DNA、RNA、核糖體、細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)等結(jié)構(gòu)，從而殺滅細(xì)菌；另外，紅外輻射屬于分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，微生物在輻射源下產(chǎn)生劇烈的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，破壞其營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞或酶系統(tǒng)，進(jìn)而造成其死亡[10]。延長(zhǎng)紅外輻射處理時(shí)間能夠增強(qiáng)滅菌效果，然而長(zhǎng)時(shí)間處理會(huì)導(dǎo)致物料表面溫度過高，破壞物料品質(zhì)。有研究表明，100℃以上高溫短暫時(shí)間處理脫水蔬菜，再于較高溫度下保溫處理一段時(shí)間，可以提高細(xì)菌的死亡率[16]。

本試驗(yàn)利用紅外輻射和后續(xù)保溫進(jìn)行聯(lián)合處理葡萄籽，既要?dú)缂?xì)菌，又要盡量減少對(duì)葡萄籽品質(zhì)的破壞。在不同保溫溫度和保溫時(shí)間下，測(cè)定葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)對(duì)數(shù)值（圖1b）。葡萄籽在紅外輻射處理后，分別置于60℃或75℃保溫10，20，60 min，結(jié)果顯示保溫處理后葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)顯著降低。其中當(dāng)紅外輻射98 s、75℃保溫60 min（處理記為IR-H（75℃）-60 min）時(shí)，葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)降到最低，為1.66 lg CFU/g，比單獨(dú)輻射處理的物料細(xì)菌總數(shù)降低43.14%，比單獨(dú)保溫處理的物料細(xì)菌總數(shù)降低57.65%，比未處理的物料細(xì)菌總數(shù)降低65.99%。隨著前期紅外輻射時(shí)間延長(zhǎng)，后期保溫溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，殺菌效果也顯著增強(qiáng)。物料經(jīng)過前期紅外輻射處理，瞬時(shí)高溫殺死不耐熱的微生物，對(duì)耐熱的微生物也造成損傷，再通過后期的高溫保溫處理，可以有效阻止其恢復(fù)[20]。

圖1 不同條件處理后葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)的對(duì)數(shù)值Fig.1 Effects of infrared radiation with heat insulation treatments on the total bacterial counts in grape seeds

2.2 紅外輻射聯(lián)合保溫處理對(duì)葡萄籽顏色的影響

顏色是葡萄籽油的重要品質(zhì)指標(biāo)之一，是感觀評(píng)價(jià)最直接的標(biāo)準(zhǔn)。葡萄籽的質(zhì)量決定了葡萄籽油的品質(zhì)。未處理的葡萄籽L*為31.74，a*為10.50，b*為12.89。經(jīng)過不同紅外輻射保溫處理后，葡萄籽的顏色變化如圖2所示。

由圖2a可知，經(jīng)過紅外輻射處理后，葡萄L*值略有降低，但差異不顯著，表明處理前、后葡萄籽的亮度無明顯變化。由圖2b和圖2c可見，葡萄籽經(jīng)過紅外輻射和保溫處理后，a*值和b*值隨著紅外輻射時(shí)間延長(zhǎng)而增加，處理后的葡萄籽a(bǔ)*值和b*值分別為12.31～13.48和13.22～14.47，分別提高了17.24%～28.38%和2.56%～12.26%。葡萄籽a(bǔ)*值和b*值主要受紅外輻射處理的影響，保溫處理的溫度相對(duì)較低，對(duì)葡萄籽的顏色影響小。葡萄籽的色素成分主要是花青素，屬于熱敏性成分，高溫可以使花青素結(jié)構(gòu)在短時(shí)間就遭到破壞[17]；紅外輻射時(shí)間越長(zhǎng)，葡萄籽的溫度越高，花青素的降解越嚴(yán)重。E值反映處理前、后物料色澤的差異，色差值越小，表明處理后色澤保留越好。司旭等[17]采用紅外干燥樹莓，干燥產(chǎn)品的色差E值為9.93～13.47。在本試驗(yàn)中，葡萄籽經(jīng)過處理后的色差 E值變化范圍為2.14～5.26，這與張?chǎng)蔚萚16]采用紅外輻射對(duì)菠菜色澤影響相同，表明紅外輻射保溫處理對(duì)葡萄籽顏色的影響小，有利于保持葡萄籽的原色澤。

2.3 紅外輻射對(duì)葡萄籽油產(chǎn)量的影響

試驗(yàn)將不同條件處理的葡萄籽分別提取葡萄籽油，研究不同紅外輻射處理對(duì)葡萄籽油產(chǎn)量的影響。由圖3可知，經(jīng)過不同紅外輻射處理后，葡萄籽油得率隨著紅外輻射時(shí)間延長(zhǎng)而升高。紅外輻射產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫，破壞了細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，有利于細(xì)胞內(nèi)油脂溢出[21]。紅外輻射處理葡萄籽后，其葡萄籽油得率隨著保溫溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)而提高。 其中葡萄籽經(jīng)過 IR-H（75℃）-（60 min）處理后，其葡萄籽油得率最高，達(dá)到10.39%（d.b.），產(chǎn)油量提高了46.96%。葡萄籽油產(chǎn)量的提高可能與紅外輻射聯(lián)合保溫處理降低葡萄籽中水分有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)物料水分含量低，能夠促進(jìn)油脂溶解于有機(jī)溶劑中，從而提高溶劑法提取油脂的效率[22]。當(dāng)種子中的水分含量大于7.5%時(shí)，種子的產(chǎn)油量隨著水含量的升高而降低[23]。

圖2 紅外輻射聯(lián)合保溫處理對(duì)葡萄籽品質(zhì)的影響Fig.2 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the quality of grape seeds

圖3 紅外輻射聯(lián)合保溫處理對(duì)葡萄籽油得率的影響Fig.3 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil yield of grape seeds

2.4 葡萄籽油的理化性質(zhì)

酸值（AV）、過氧化值（PV）和碘值（IV）是衡量油脂新鮮度、飽和度的主要指標(biāo)[24]。由圖4a可知，葡萄籽經(jīng)過紅外輻射處理后，其所提取的葡萄籽油AV值呈上升趨勢(shì)。短時(shí)間單獨(dú)紅外輻射處理對(duì)葡萄籽油AV值影響較小，隨著輻射時(shí)間延長(zhǎng)，AV值逐漸升高。當(dāng)輻射處理98 s時(shí)，葡萄籽油AV值達(dá)到最高，為1.27 mg KOH/g，比未處理葡萄籽提高了15.45%。當(dāng)紅外輻射聯(lián)合保溫處理葡萄籽時(shí)，其葡萄籽油AV值升高得更快。隨著輻射和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，保溫溫度的升高，葡萄籽油AV值也相應(yīng)提高。 其中 IR-H（75℃）-（60 min）處理的葡萄籽所提取的油脂AV值達(dá)到最大，為1.48 mg KOH/g，比未處理葡萄籽提高了34.55%。試驗(yàn)所提取的葡萄籽油酸值均小于4.0 mg KOH/g，符合聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）對(duì)初榨葡萄籽油制定的標(biāo)準(zhǔn)。Al-Bachir[25]用γ射線輻射處理胡桃，處理后其酸值提高了約2倍。Tan等[26]用微波加熱處理大豆和玉米，處理后大豆和玉米所提取油脂的酸值也顯著增加。本試驗(yàn)采用輻射聯(lián)合保溫處理葡萄籽后，葡萄籽油的酸值也升高，表明熱處理會(huì)改變物料的酸成分和含量。

油脂中的過氧化物多為初級(jí)氧化代謝產(chǎn)物，是引起油脂酸敗的主要原因[27]。由圖4b可知，葡萄籽經(jīng)過單獨(dú)紅外輻射處理后，其葡萄籽油PV值呈上升趨勢(shì)。當(dāng)紅外輻射處理98 s時(shí)，葡萄籽油的PV值為13.75 mmol/kg，比未處理對(duì)照提高43.38%。葡萄籽中過氧化氫物質(zhì)不穩(wěn)定，經(jīng)過紅外輻射處理后，容易裂變或脫水生成次級(jí)氧化物質(zhì)，使得PV值升高。經(jīng)過紅外輻射處理的葡萄籽，再進(jìn)行保溫處理，其葡萄籽油PV值比單獨(dú)輻射處理葡萄籽顯著降低（P<0.05）。其中IR-H（75℃）-（10 min）處理的葡萄籽所提取葡萄籽油PV值為7.41 mmol/kg，比未處理葡萄籽降低22.73%。這可能與葡萄籽中含有較高脂溶類抗氧化物質(zhì)有關(guān)，保溫處理可以使更多抗氧化物質(zhì)溶于油脂中，使得PV值降低[28]。試驗(yàn)所提取葡萄籽油的PV值均低于FAO對(duì)初榨葡萄籽油制定的PV值的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 紅外輻射聯(lián)合保溫處理對(duì)葡萄籽油酸值和過氧化值的影響Fig.4 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil acid value and peroxide value of grape seeds

碘值（IV）與油脂不飽和度密切相關(guān)。葡萄籽經(jīng)過紅外輻射處理后，其葡萄籽油的IV值為126.17～148.39 g I2/100 g，符合FAO對(duì)初榨葡萄籽油制定的碘值標(biāo)準(zhǔn)。由圖5可知，葡萄籽經(jīng)過單獨(dú)紅外輻射處理后，其葡萄籽油IV值隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，先略有上升后迅速下降。當(dāng)紅外輻射處理98 s時(shí)，其葡萄籽油IV值降低到127.31 g I2/100 g，比未處理葡萄籽降低12.93%。保溫處理對(duì)葡萄籽油IV值影響不顯著。

3 結(jié)論

采用紅外輻射和保溫處理葡萄籽，可有效殺滅葡萄籽中細(xì)菌。隨著紅外輻射和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，保溫溫度升高，葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)顯著降低。其中紅外輻射98 s、75℃保溫處理葡萄籽 60 min，滅菌的效果最好，葡萄籽中細(xì)菌總數(shù)降到1.66 lg CFU/g，比單獨(dú)輻射處理的葡萄籽降低43.14%，比未處理的葡萄籽降低65.99%。

圖5 紅外輻射聯(lián)合保溫處理對(duì)葡萄籽油碘值的影響Fig.5 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil iodine value of grape seeds

紅外輻射聯(lián)合保溫處理葡萄籽，處理后的葡萄籽a(bǔ)*值和b*值分別為12.31～13.48和13.22～14.47，分別提高了17.24%～28.38%和2.56%～12.26%。然而色差E值小，為2.14～5.26，表明葡萄籽處理前后色澤差異小，從外觀上也看不出明顯差別。

紅外輻射聯(lián)合保溫處理可以提高葡萄籽油得率。葡萄籽油得率隨著保溫溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。其中葡萄籽經(jīng)過IR-H（75℃）-（60 min）處理后，其葡萄籽油產(chǎn)率最高，達(dá)到10.39%（d.b.），比未處理葡萄籽提高了46.96%。葡萄籽經(jīng)過紅外輻射處理后，其葡萄籽油的AV值和PV值呈上升趨勢(shì)，IV值呈下降趨勢(shì)；保溫處理促進(jìn)葡萄籽油AV值升高，有助于降低PV值，對(duì)IV值影響不顯著。試驗(yàn)各處理提取的葡萄籽油AV值、PV值和IV值均符合FAO對(duì)初榨葡萄籽油制定的標(biāo)準(zhǔn)。