軟包裝虹鱒魚片的微波巴氏殺菌工藝

薛倩倩，欒東磊，劉宇昊，郭長(zhǎng)凱，潘志海，胡蕾琪，陳瑩瑩，薛長(zhǎng)湖*

1(中國(guó)海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島，266003)2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)3(上海海洋大學(xué)，食品熱加工工程技術(shù)中心，上海，201306)

虹鱒(Oncorhynchusmykiss)屬鮭形目(Salmoniformes)、鮭科(Salmonidae)、大麻哈魚屬(Oncorhynchus)，因其蛋白質(zhì)含量較高、富含不飽和脂肪酸、膽固醇低、易加工、無肌間刺的特點(diǎn)，成為各國(guó)推崇的健康食品。目前市面上的虹鱒魚多為三倍體，由于其肉多，刺軟，少腥味，蛋白質(zhì)含量豐富的特點(diǎn)深受消費(fèi)者喜愛。目前關(guān)于能否生食虹鱒魚存在一定的爭(zhēng)議，將虹鱒魚熟制進(jìn)而殺蟲、殺菌是較為安全的食用方法。傳統(tǒng)的罐頭食品采用高溫殺菌，處理時(shí)間長(zhǎng)，保質(zhì)期長(zhǎng)，但是高溫?zé)崽幚磉^程中品質(zhì)下降嚴(yán)重，不能滿足當(dāng)今消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)，高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值即食食品的需求。隨著現(xiàn)代冷鏈物流的迅速發(fā)展，城市冷鏈體系基本建立，在冷藏狀態(tài)下具有較長(zhǎng)貨架期的巴氏殺菌調(diào)理食品逐漸受到消費(fèi)者的青睞，展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)潛力[1]。巴氏殺菌熱處理程度低，通常需進(jìn)行冷藏保存，低酸性食品在4 ℃真空條件下，能夠生長(zhǎng)的常見厭氧微生物為E型、非蛋白水解B型和非蛋白水解F型肉毒桿菌，通常以非蛋白水解B型肉毒桿菌為目標(biāo)指示菌，ECFF(歐洲冷凍食品聯(lián)合會(huì))[2]指出其最低生長(zhǎng)溫度為3.3 ℃[2-3]，在90 ℃時(shí)D值為1.5 min。ECFF及FDA(美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局)[3]認(rèn)為魚及魚肉制品在F90=10 min熱處理程度下可以達(dá)到巴氏殺菌效果[2, 4]，此時(shí)非蛋白水解型B型肉毒桿菌(non-proteolyticClostridiumbotulinumtypeB)數(shù)量減少6個(gè)對(duì)數(shù)值，一般能夠在5 ℃保存6周。對(duì)于大多數(shù)食品來說，現(xiàn)有的巴氏殺菌技術(shù)大多數(shù)利用熱水或者蒸汽加熱，因傳熱速率低導(dǎo)致殺菌時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)也有較大影響[5]。微波可以穿透到食品內(nèi)部，對(duì)產(chǎn)品整體加熱,具有殺菌時(shí)間短、加熱速度快的優(yōu)勢(shì)，因此微波殺菌可以最大限度地保持食品風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分，提高殺菌產(chǎn)品品質(zhì)。因此對(duì)虹鱒魚塊進(jìn)行微波巴氏殺菌既能夠達(dá)到傳統(tǒng)巴氏殺菌的保質(zhì)期，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱、減少殺菌時(shí)間、獲得高品質(zhì)產(chǎn)品。

采用上海海洋大學(xué)自主研發(fā)的896 MHz微波殺菌系統(tǒng)進(jìn)行虹鱒魚片的微波巴氏殺菌工藝研究，以獲得一種新的即食虹鱒魚片加工方法。食品的尺寸對(duì)微波熱處理的結(jié)果影響很大，因此要針對(duì)某一具體的尺寸大小進(jìn)行加工工藝的研究，以確定最適合的工藝參數(shù)。根據(jù)目前市面上常見的即食三文魚罐頭的凈含量(120 g左右)，選擇6 cm×10 cm×2 cm作為微波巴氏殺菌虹鱒魚塊的尺寸大小。研究流程包括：針對(duì)6 cm×10 cm×2 cm的虹鱒魚片，以殺菌程度F90=10 min為目標(biāo)，首先利用化學(xué)標(biāo)記研究了虹鱒魚片在微波殺菌系統(tǒng)中的溫度分布，然后利用TMI無線溫度傳感器確定了冷點(diǎn)位置，對(duì)熱處理過程中冷點(diǎn)位置的溫度進(jìn)行了測(cè)量和記錄，最后調(diào)整微波加熱時(shí)間及保溫時(shí)間以達(dá)到目標(biāo)微波終溫90 ℃、F90=10 min的目標(biāo)殺菌程度。

1 材料與方法

1.1 微波殺菌系統(tǒng)介紹

采用上海海洋大學(xué)微波殺菌系統(tǒng)進(jìn)行微波殺菌處理，系統(tǒng)采用896 MHz微波源，由微波加熱腔、保溫室、冷卻室、樣品傳送裝置、水循環(huán)系統(tǒng)，以及控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由控制板，傳感器、儀表盤，數(shù)據(jù)記錄器等組成。

微波源的凈功率設(shè)置為7 kW，微波殺菌工藝包括微波加熱，保溫和冷卻3個(gè)步驟，加熱腔、保溫室、冷卻室中均注入循環(huán)軟水，溫度分別設(shè)置為95、95和0 ℃。首先，將預(yù)裝在載料架上的樣品放置于傳送鏈條上，由操作系統(tǒng)控制傳送鏈條以特定的速度和時(shí)間通過充滿熱水的微波加熱腔，調(diào)整傳輸速度及時(shí)間使微波加熱結(jié)束時(shí)樣品冷點(diǎn)溫度達(dá)到90 ℃，由樣品傳送裝置將載料架運(yùn)輸至保溫室中進(jìn)行保溫以達(dá)到F90=10 min的目標(biāo)殺菌效果。最后，將樣品在冷卻室中進(jìn)行冷卻。

1.2 食品原料

本實(shí)驗(yàn)采用的原料為三倍體虹鱒魚，購(gòu)買于青海民澤龍羊峽生態(tài)水殖有限公司。虹鱒魚的平均質(zhì)量為(3.8±0.2)kg，長(zhǎng)度(62±2)cm，切除頭部、尾部、去除內(nèi)臟后、去骨、去皮，取魚中段切成6 cm×10 cm×2 cm的虹鱒魚片。處理完成后空運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。貯藏于-20 ℃冷庫(kù)。加工前一晚置于4 ℃冰箱中緩慢化凍。

1.3 化學(xué)標(biāo)記法研究溫度分布

傳統(tǒng)研究中只能利用紅外熱像儀觀察食品表面溫度，或利用熱電偶測(cè)量?jī)?nèi)部有限個(gè)數(shù)的溫度值，而無法得到完整的溫度分布[6]，化學(xué)標(biāo)記法是一種基于美拉德反應(yīng)來分析微波加熱后熱型的方法，其原理是含有還原糖和氨基酸的模擬食品在加熱條件下反應(yīng)生成棕色的M-2化學(xué)標(biāo)記物(4-羥基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮)。溫度越高，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，含該類反應(yīng)底物的模擬食品顏色越深[7-12]。此前PANDIT等[13]使用土豆泥確定微波高溫殺菌(121 ℃)過程中食品的冷點(diǎn)位置；BORNHORST等[7- 8]探究了90 ℃條件下結(jié)冷膠、土豆泥、蛋白凝膠模擬食品的顏色變化規(guī)律，建立了顏色值與殺菌時(shí)間的關(guān)系，為微波巴氏殺菌奠定了基礎(chǔ)；ZHANG等[14-16]利用結(jié)冷膠、蛋白凝膠分析微波巴氏殺菌的溫度分布。以上研究表明，化學(xué)標(biāo)記法在微波加熱食品的溫度分布研究中起到了重要作用。根據(jù)的WANG等[17]、叢?；╗18]、賈敏等[19-20]、張文杰等[21-22]對(duì)細(xì)鱗大馬哈魚、海參、鮑魚、扇貝等模擬食品的研究結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確定乳清蛋白凝膠為虹鱒魚片的熱型模擬食品。

模擬食品包括乳清濃縮蛋白、乳清分離蛋白、D-核糖、L-賴氨酸、NaCl等組分，分別購(gòu)買于恒天然、阿拉丁、索萊寶、國(guó)藥、水為超純水。將15 %乳清濃縮蛋白、9 %乳清分離蛋白、1 %D-核糖、1 %L-賴氨酸、和0.3 %氯化鈉按含量從小到大加入超純水中，用磁力攪拌器攪拌均勻，盡量減少氣泡，倒入模具中，在75 ℃的水浴鍋中加熱20 min凝固成型，制成6 cm×10 cm×2 cm的模擬食品，此模擬食品在90 ℃時(shí)有良好的顯色效果。

根據(jù)叢?；╗18]、賈敏等[19-20]、張文杰等[21-22]的方法，利用介電特性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)虹鱒魚片、模擬食品進(jìn)行介電常數(shù)、介電損耗的測(cè)量，從而計(jì)算出在896 MHz下的穿透深度，對(duì)比兩者數(shù)據(jù)確定擬合效果。將擬合效果良好的模擬食品經(jīng)微波殺菌處理后取出，沿中間剖面切開，置于攝影棚中，采用佳能7D相機(jī)進(jìn)行拍照。將照片經(jīng)Matlab 2018軟件處理轉(zhuǎn)換成偽彩圖，增強(qiáng)圖片顏色對(duì)比度來更清晰地顯示熱形。從偽彩圖分析出冷點(diǎn)區(qū)域。

1.4 無線溫度傳感器確定最冷點(diǎn)及冷點(diǎn)升溫過程監(jiān)測(cè)

無線溫度傳感器，包括圓柱形底座和探針。探針和圓柱形底座的直徑和長(zhǎng)度分別為2、50，15和22 mm。LUAN等[23-24]發(fā)現(xiàn)無線溫度傳感器不會(huì)改變食品樣品中的整體加熱模式，在微波殺菌系統(tǒng)中可以正常使用[23- 24]，并且垂直電場(chǎng)放置時(shí)，誤差較小。將無線溫度傳感器沿垂直電場(chǎng)方向插入食品冷點(diǎn)區(qū)域不同位置，進(jìn)行微波殺菌處理，測(cè)量并記錄其升溫過程，分析得出最冷點(diǎn)的坐標(biāo)。

將無線溫度傳感器插入6 cm×10 cm×2 cm虹鱒魚片，使其探針頂端位于最冷點(diǎn)坐標(biāo)處，采用真空封口機(jī)將虹鱒魚片進(jìn)行封口處理。將虹鱒魚片放置于載料架上樣品固定器中，由操作系統(tǒng)控制傳送鏈條以特定的速度和時(shí)間通過充滿熱水的微波加熱腔，調(diào)整傳輸速度及加熱時(shí)間使微波加熱結(jié)束時(shí)樣品冷點(diǎn)溫度達(dá)到90 ℃，然后將虹鱒魚塊運(yùn)輸至保溫室中進(jìn)行保溫以達(dá)到F90=10 min的目標(biāo)殺菌效果。最后，虹鱒魚片在冷卻室中進(jìn)行冷卻。讀取無線溫度傳感器中記錄的溫度數(shù)據(jù)，用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.5 熱水殺菌

為了與微波殺菌進(jìn)行對(duì)比，采用同樣尺寸的虹鱒魚片用熱水殺菌處理，在不改變其他參數(shù)條件下，關(guān)閉微波，使用微波殺菌系統(tǒng)對(duì)軟包裝虹鱒魚片進(jìn)行熱水殺菌,由于熱水加熱均勻性好，認(rèn)為其冷點(diǎn)位置在其幾何中心，即虹鱒魚片中間切面的中心[25]。將TMI無線溫度傳感器置于虹鱒魚片中，使探針頂端位于幾何中心。采用真空封口機(jī)將虹鱒魚片進(jìn)行封口處理后開始加熱測(cè)量并記錄溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線，調(diào)節(jié)虹鱒魚片在保溫階段的保持時(shí)間以實(shí)現(xiàn)F90=10 min目標(biāo)殺菌程度。處理后，將虹鱒魚片置于冷卻室中冷卻。讀取無線溫度傳感器中記錄的溫度數(shù)據(jù)，用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬食品及虹鱒魚片的的介電特性

介電特性和導(dǎo)電性共同組成了物質(zhì)的電特性。介電特性是指物體中的束縛電荷在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生響應(yīng)的特性，介電特性決定了物質(zhì)與電磁能之間的相互作用的行為，研究介電特性有助于我們更好地理解微波加熱原理。介電特性主要由介電常數(shù)、介電損耗因數(shù)等參數(shù)來描述，如公式(1):

ε*=ε′-jε″

(1)

微波穿透深度在特定食物中的值是食物將微波能量轉(zhuǎn)換成熱能能力的指標(biāo)，是介電加熱中重要的概念，是指微波在穿透過程中其能量較少為原來的1/e之處距離表面的深度，可表征食品物料對(duì)微波能衰減能力的大小，也是衡量微波加熱食品內(nèi)部溫度分布情況的重要參數(shù)。穿透深度[26]可以由公式(2)計(jì)算求得:

(2)

式中：dp為穿透深度，m；c=3×108m/s，為光在真空中傳播的速度，f為頻率，Hz；ε’和ε”分別為介電常數(shù)和介電損失率[18]。

圖1和圖2結(jié)果表明，15 %乳清濃縮蛋白、9 %乳清分離蛋白、1 %D-核糖、1 %L-賴氨酸、0.3 %NaCl為配方制作而成的模擬食品與虹鱒魚片的介電常數(shù)隨溫度的升高而減小，介電損耗隨溫度的增加而增大，穿透深度隨溫度的增加而減小，模擬食品與虹鱒魚片的介電常數(shù)、介電損耗、穿透深度數(shù)值接近，趨勢(shì)相同，因此認(rèn)為該模擬食品在微波殺菌系統(tǒng)中具有與虹鱒魚片相同的能量分布狀態(tài)。將模擬食品制成6 cm×10 cm×2 cm大小，存放于4℃冰箱中備用。

圖1 虹鱒魚片及模擬食品的介電特性Fig.1 Dielectric properties of Oncorhynchus mykissfillet and model food

圖2 虹鱒魚片及模擬食品的穿透深度Fig.2 Penetration depth of Oncorhynchus mykissfillet and model food

2.2 基于化學(xué)標(biāo)記法的熱型分析及最冷點(diǎn)的確定

圖3-a為模擬食品經(jīng)過微波殺菌后采用佳能7D相機(jī)拍攝的中間切面的圖片，化學(xué)標(biāo)記物的顯色機(jī)理表明，溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，顏色越深。圖3-a可以看出熱型比較均勻，難以看出冷熱點(diǎn)的具體位置。因此先用Matlab 2018將圖片轉(zhuǎn)化為灰質(zhì)圖，再將灰質(zhì)圖轉(zhuǎn)化為如圖3-b所示的偽彩圖，增強(qiáng)圖片顏色對(duì)比度來更清晰地顯示熱形[6]。在此偽彩圖中。由圖3-b可以看出冷點(diǎn)區(qū)域集中在第三象限及在第四象限。使用無線溫度傳感器確定冷點(diǎn)位置坐標(biāo)為(-25 mm，-20 mm)。

a-中間切面照片;b-中間切面?zhèn)尾蕡D圖3 微波巴氏殺菌中間切面Fig.3 Microwave pasteurization intermediate layer cut

2.3 熱處理程度計(jì)算及微生物驗(yàn)證

F值是指在一定的致死溫度下將一定數(shù)量的某種微生物全部殺死所需的時(shí)間(min)。巴氏殺菌熱處理程度低，對(duì)魚及魚肉制品來說，通常認(rèn)為F90=10 min時(shí)可以達(dá)到巴氏殺菌的殺菌效果[4]，此時(shí)蛋白水解型B型肉毒桿菌數(shù)量減少6個(gè)對(duì)數(shù)值，巴氏殺菌后的低酸性食品一般能夠在5 ℃保存6周。90 ℃下的F值的計(jì)算基于公式(3)[2]，其中T(℃)是在過程中時(shí)間t在冷點(diǎn)處測(cè)量的溫度，Tref的參考溫度為90 ℃，Z在此處以蛋白水解型B型肉毒桿菌的Z值(10 ℃)進(jìn)行計(jì)算[2]。

(3)

蒸煮值C(min)是用來評(píng)價(jià)熱處理對(duì)食品品質(zhì)的影響的一個(gè)指標(biāo)，可以通過公式(4)[27]進(jìn)行計(jì)算。通過無線溫度傳感器測(cè)量熱點(diǎn)時(shí)間溫度曲線，結(jié)果表明，其在微波加熱結(jié)束時(shí)最高溫度為94.36℃，不高于95℃(循環(huán)水溫度)，因此認(rèn)為熱點(diǎn)的品質(zhì)是在可控制范圍內(nèi)的，品質(zhì)劣化最嚴(yán)重的位置在食品表面，用表面蒸煮值進(jìn)行表示。水溫由循環(huán)水泵控制，所以認(rèn)為水溫穩(wěn)定不變?yōu)?5℃。冷點(diǎn)蒸煮值以最冷點(diǎn)處的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行計(jì)算。其中T是冷點(diǎn)處的測(cè)量溫度(℃)；Tref是參考溫度(100 ℃)；Z通常為33.1 ℃；t是加熱時(shí)間(min)。

(4)

圖4為微波殺菌和熱水殺菌的最冷點(diǎn)位置的升溫曲線，圖5為2種殺菌方式冷點(diǎn)位置的F90、C90的變化曲線。2種殺菌方式對(duì)應(yīng)的初始溫度相同為8.5 ℃，微波處理完成后最終溫度為91.11 ℃，達(dá)到了目標(biāo)溫度90 ℃。經(jīng)過在95 ℃的熱水中保溫后，達(dá)到最高溫度為93.6 ℃，加熱后的最高溫度達(dá)到93.46 ℃。圖4可以看出，在微波加熱階段微波殺菌冷點(diǎn)處的溫度升高速率顯著高于熱水加熱溫度升高的速率，加熱總時(shí)間明顯少于熱水殺菌時(shí)間。圖5可以看出，微波殺菌F90、C90的曲線的斜率明顯大于熱水殺菌的斜率，直觀地體現(xiàn)了微波從內(nèi)部和外部同時(shí)加熱，加熱速度快，時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 熱點(diǎn)及冷點(diǎn)升溫曲線Fig.4 Heating curve of cold spot and hot spot

圖5 冷點(diǎn)烹飪值C90和冷點(diǎn)F90值曲線Fig.5 Cook value and F90 of cold spot

由表1可知，微波殺菌完成殺菌過程的總時(shí)間為7.67 min，其中微波處理時(shí)間2.67 min，保溫時(shí)間5 min，完成整個(gè)殺菌流程后冷點(diǎn)的F90值為12.74 min。熱水殺菌的總時(shí)間為18.4 min，完成殺菌時(shí)的最高溫度為93.46 ℃，F(xiàn)90=11.82 min。微波殺菌的F90值>熱水殺菌，但總處理時(shí)間(7.67 min)與熱水處理(18.4 min)相比減少58.15 %。微波冷點(diǎn)蒸煮值較熱水殺菌而言減少了30.01 %，表面蒸煮值減少了58.33 %。與熱水殺菌相較而言，微波殺菌大幅減少了殺菌時(shí)間，明顯提高了產(chǎn)品品質(zhì)。

表1 微波巴氏殺菌和傳統(tǒng)熱水處理的處理?xiàng)l件及結(jié)果

以上數(shù)據(jù)表明,計(jì)算得到的F90值達(dá)到目標(biāo)要求，仍需微生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際殺菌效果。對(duì)預(yù)包裝低酸性食品而言，通常以PA3679生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)作為肉毒桿菌的替代菌株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究[25, 28]。接種3.71×107CFU/g的生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)到虹鱒魚片冷點(diǎn)位置，進(jìn)行微波殺菌處理。采用傾注平板法，使用硫乙醇酸鹽培養(yǎng)基在30～35 ℃培養(yǎng)18～24 h后計(jì)數(shù)。處理后魚肉中的生孢梭菌存活數(shù)量為(1.17×10)CFU/ g,微波殺菌處理使生孢梭菌含量下降了6個(gè)數(shù)量級(jí)，符合巴氏殺菌的殺菌要求。

3 結(jié)論

利用上海海洋大學(xué)自主研發(fā)的896 MHz微波殺菌系統(tǒng)，開發(fā)了一種6 cm×10 cm×2 cm的虹鱒魚片的微波巴氏殺菌工藝。首先，含有化學(xué)標(biāo)記法反應(yīng)底物的蛋白凝膠模擬食品能夠有效匹配虹鱒魚片的介電特性。然后利用模擬食品加熱產(chǎn)生M-2化學(xué)標(biāo)記物的顯色反應(yīng)確定了熱型分布，配合無線溫度傳感器確定了虹鱒魚片在896 MHz微波殺菌系統(tǒng)的最冷點(diǎn)位于(-25 mm，-20 mm)處。TMI無線溫度傳感器監(jiān)測(cè)了微波、熱水殺菌冷點(diǎn)位置的升溫過程，計(jì)算得到了最冷點(diǎn)F90值和蒸煮值C90。

最后確定微波殺菌工藝為功率7 kW，微波時(shí)間2.67 min、保溫時(shí)間5 min，冷卻5 min。殺菌工藝處理后冷點(diǎn)的F90值為12.74 min。與熱水殺菌相比較，微波殺菌的F90值大于熱水殺菌，但微波殺菌時(shí)間(7.67 min)比熱水(18.4 min)減少58.15 %，冷點(diǎn)蒸煮值和表面蒸煮值下降了30.01 %和58.33 %。即與傳統(tǒng)的熱水殺菌相較而言，在達(dá)到相同熱處理程度的條件下，微波巴氏殺菌所需的時(shí)間更短。烹飪值更低，可以大幅提高食品品質(zhì)。通過微生物接種實(shí)驗(yàn)證明處理后生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)下降了6個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了巴氏殺菌的要求。

開發(fā)了一種虹鱒魚片的微波巴氏殺菌工藝流程，同熱水殺菌相比，經(jīng)微波殺菌處理后的魚片蒸煮值更低，提高了食品品質(zhì)，但是微波巴氏殺菌后即食虹鱒魚片的具體營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味成分有何變化，需要進(jìn)一步研究。由于本工藝還處于實(shí)驗(yàn)階段，暫未考慮能耗問題。但是從工業(yè)化生產(chǎn)角度來看，微波加熱時(shí)間短、速度快，理論上比傳統(tǒng)殺菌方式能耗更低。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果為生產(chǎn)高品質(zhì)預(yù)調(diào)理即食虹鱒魚片提供了技術(shù)支持，為預(yù)包裝的魚肉類食品的微波巴氏殺菌提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。