PBD- BBD優(yōu)化大棗保質(zhì)工藝

楊莉杰，張?zhí)O蘋，汪軒羽，李喜宏

(天津科技大學(xué) 食品工程與生物技術(shù)學(xué)院， 天津 300457)

靈武長棗是寧夏特有優(yōu)良鮮食的大棗品種[1]，呈長橢圓形，營養(yǎng)豐富、酸甜適宜，含有多種有機(jī)酸、糖類、礦物質(zhì)及維生素等，素有“百果之王”的稱號(hào)[2]。2016年，年產(chǎn)量高達(dá)2.1萬t，種植面積為9 466.67 hm2，掛果面積達(dá)3 866.67 hm2，產(chǎn)值近億元[3]。由于鮮棗(水分含量50%以上)鮮食期短，易萎蔫軟爛，約70%的鮮棗被制成干棗。針對(duì)干棗含糖量高易蟲蛀長霉難以即食，含水量低口感堅(jiān)硬難以咀嚼，免洗棗市場(chǎng)份額小等嚴(yán)重制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題，文章以靈武長棗干棗為原料，殺菌率為響應(yīng)值，通過Plackett- Burman design(PBD)和Box-Behnken design(BBD)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)影響干棗保質(zhì)的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到殺菌率較優(yōu)的保質(zhì)工藝，使干棗(水分含量18%左右)變成免洗棗(水分含量25%～35%)，延緩了微生物的生長，使菌落總數(shù)達(dá)到免洗標(biāo)準(zhǔn)，旨在為免洗棗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者多研究鮮棗的保鮮，如氣調(diào)保鮮[4-5]、保鮮膜保鮮[6]、涂膜保鮮[7-8]、保鮮劑保鮮[9-13]，而對(duì)干棗保質(zhì)研究幾乎沒有。該文在單因素基礎(chǔ)上，通過PBD試驗(yàn)從諸多影響干棗保質(zhì)的因素中篩選出主要影響因素[14]，通過BBD試驗(yàn)優(yōu)化干棗的保質(zhì)工藝參數(shù)，使其達(dá)到免洗標(biāo)準(zhǔn)[15]，實(shí)現(xiàn)干棗貯藏安全、低價(jià)、高效，以期為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈武長棗干棗(二級(jí)棗)，寧夏中璽棗業(yè)股份有限公司；ε-聚賴氨酸鹽酸鹽(分析純)，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

PAL- 1型手持式折光儀，日本ATAGO株式會(huì)社；PHS- 25型數(shù)顯pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；LS- B50L型立式壓力蒸汽滅菌器，上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司；Centrifuge 5804R型高速冷凍離心機(jī)，德國Eppendorf公司；T6型紫外可見分光光度計(jì)，上海嘉標(biāo)測(cè)試儀器有限公司；DGG- 101- 2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市天宇實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1大棗前處理

準(zhǔn)確稱取靈武長棗干棗500 g，經(jīng)挑選、打磨、清洗、烘烤等預(yù)處理后，制得水分含量約18%的干棗，再于75 ℃蒸餾水中浸泡20 s，浸泡料液比(g/L)1∶5，75 ℃熏蒸盒中熏蒸2.0 h(熏蒸盒為自制，采用透明塑料盒，距離底部5 cm處置一打孔孔徑1 cm的PVC發(fā)泡板，下層為蒸餾水，上層覆蓋保鮮膜，利用熱蒸汽熏蒸大棗)，使棗果均勻吸收水分，最終得到水分含量約30%的高水分大棗。

1.3.2大棗保質(zhì)工藝

針對(duì)高水分大棗，改變保質(zhì)處理?xiàng)l件(噴涂ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的質(zhì)量比、殺菌方式、殺菌溫度、殺菌時(shí)間、包裝方式)后制得免洗大棗，將免洗大棗置于溫度為(35±1) ℃，相對(duì)濕度為55%±1%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱里培養(yǎng)180 d后進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，測(cè)定殺菌率。同時(shí)，將未經(jīng)保質(zhì)處理的高水分大棗作為空白對(duì)照組，測(cè)定菌落總數(shù)[16]，設(shè)為初始值。

1.3.3單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)高水分大棗，選取噴涂ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的質(zhì)量比(0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 g/kg)、殺菌方式(75 ℃巴氏殺菌，121 ℃反壓滅菌，輻射距離30 cm、輻射功率20 W的紫外殺菌)、殺菌溫度(55、65、75、85、95 ℃)、殺菌時(shí)間(5、15、25、35、45 min)、包裝方式(充氮、普通、真空)，5個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在相對(duì)濕度為55%±1%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱里培養(yǎng)180 d后進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，測(cè)定殺菌率，確定優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，殺菌率計(jì)算見式(1)。平行重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

(1)

式(1)中，A1為初始菌落總數(shù),CFU/g；A2為樣品菌落總數(shù),CFU/g。

1.3.4PBD、BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以殺菌率為響應(yīng)值，對(duì)ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比、殺菌方式、殺菌溫度、殺菌時(shí)間、包裝方式5個(gè)因素各設(shè)兩個(gè)水平，進(jìn)行二水平的PBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表見表1。根據(jù)PBD試驗(yàn)結(jié)果，選取3個(gè)主要影響因素，根據(jù)BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以殺菌率為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，因素水平編碼表見表2。

表1 PBD試驗(yàn)因素水平

表2 BBD試驗(yàn)因素水平

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及分析采用SPSS 22.0、Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行，圖表繪制采用Excel 2016進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比對(duì)大棗殺菌率的影響

經(jīng)測(cè)定，菌落總數(shù)初始值為15 000 CFU/g。參考無核紅棗標(biāo)準(zhǔn)[15]，大棗中菌落總數(shù)應(yīng)不高于2 000 CFU/g。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽于2003年被FDA批準(zhǔn)為安全食品保鮮劑，是多肽生物型防腐劑，安全性高、抑菌譜廣、熱穩(wěn)定性好，對(duì)大部分霉菌、細(xì)菌、噬菌體有抑制作用，與乳酸鏈球菌素相比，對(duì)革蘭氏陰性菌抑制作用更顯著[17-18]。

隨著ε-聚賴氨酸鹽酸鹽含量的增加，靈武長棗的殺菌率呈先上升后下降的趨勢(shì)，見圖1。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比為0.07 g/kg時(shí)，菌落總數(shù)為1 300 CFU/g，抑菌效應(yīng)明顯，殺菌率最高，為91.33%；0.09 g/kg時(shí)，菌落總數(shù)為1 400 CFU/g，殺菌率為90.67%，有所下降，說明繼續(xù)增加ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比抑菌效果改變不明顯。因此，0.07 g/kg為較優(yōu)的ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比。

不同字母表示差異顯著(P圖1 不同質(zhì)量比的ε-聚賴氨酸鹽酸鹽對(duì)大棗殺菌率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of ε-polylysine hydrochloride on sterilizing rate of jujube

2.1.2殺菌方式對(duì)大棗殺菌率的影響

由于紫外線的穿透能力弱，對(duì)厚度為1 cm的水層滅菌效率為90%，2 cm時(shí)滅菌效果為73%，3 cm時(shí)滅菌效果為56%[19]。而實(shí)驗(yàn)用大棗肉厚，紫外不易透過，抑菌效果不明顯，微生物易滋生。不同殺菌方式對(duì)大棗的殺菌率(見圖2)。由圖2可知，反壓滅菌的殺菌率最高為91.33%，巴氏殺菌次之為90.67%，而紫外殺菌的殺菌率最低為83.33%。巴氏殺菌和反壓滅菌的殺菌率均在90.00%以上，說明二者均能減少大棗中微生物的滋生，二者殺菌率差異不顯著，但反壓滅菌(121 ℃、35 min)耗電多，考慮到經(jīng)濟(jì)節(jié)約，故優(yōu)先選擇巴氏殺菌。

不同字母表示差異顯著(P圖2 不同殺菌方式對(duì)大棗殺菌率的影響Fig.2 Effects of different sterilization methods on sterilizing rate of jujube

2.1.3巴氏殺菌溫度對(duì)大棗殺菌率的影響

殺菌率隨巴氏殺菌溫度的升高而上升[20-21]。55～75 ℃時(shí)，靈武長棗的殺菌率隨著巴氏殺菌溫度的升高而急劇上升，75～95 ℃時(shí)緩慢上升(見圖3)。75 ℃時(shí)殺菌率為90.67%，85 ℃為91.33%，95 ℃為92.67%，三者相差不大?？紤]到成本的節(jié)約，選擇75 ℃為優(yōu)化的巴氏殺菌溫度。

不同字母表示差異顯著(P圖3 不同巴氏殺菌溫度對(duì)大棗殺菌率的影響Fig.3 Effects of different pasteurization temperatures on sterilizing rate of jujube

2.1.4巴氏殺菌時(shí)間對(duì)大棗殺菌率的影響

靈武長棗的殺菌率隨著巴氏殺菌時(shí)間的延長而呈上升趨勢(shì)，殺菌效果趨好，見圖4。5～25 min，殺菌率隨著巴氏殺菌時(shí)間的延長而緩慢升高；35 min時(shí)殺菌率急劇升高，為90.67%，較25 min時(shí)升高了4.00%；45 min時(shí)為91.33%，未有顯著提高。因此，選擇35 min為較優(yōu)的巴氏殺菌時(shí)間。

不同字母表示差異顯著(P圖4 不同巴氏殺菌時(shí)間對(duì)大棗殺菌率的影響Fig.4 Effects of different pasteurization time on sterilizing rate of jujube

2.1.5包裝方式對(duì)大棗殺菌率的影響

大棗含有的糖類物質(zhì)暴露在空氣中時(shí)，微生物會(huì)在大棗表面繁殖，降低口感，甚至影響大棗的質(zhì)量安全。充氮包裝及真空包裝，可以阻隔空氣，能較有效地防止霉菌等需氧微生物的繁殖[22-23]。充氮包裝的殺菌率最高，為92.67%；而真空包裝次之，為90.00%；普通包裝最低，為83.33%(見圖5)，說明充氮包裝能減少大棗中微生物的生長。故優(yōu)先選用充氮包裝方式。

不同字母表示差異顯著(P圖5 不同包裝方式對(duì)大棗殺菌率的影響Fig.5 Effects of different packing methods on sterilizing rate of jujube

2.2 PBD、BBD試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1PBD試驗(yàn)結(jié)果分析

表3 PBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

巴氏殺菌溫度、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比對(duì)殺菌率的影響高度顯著，巴氏殺菌時(shí)間對(duì)殺菌率的影響顯著；殺菌方式、包裝方式對(duì)殺菌率的影響不顯著。因此，選擇對(duì)殺菌率影響顯著的3個(gè)因素，固定殺菌方式為巴氏殺菌、包裝方式為充氮包裝，進(jìn)行BBD試驗(yàn)。經(jīng)Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)A為0.08 g/kg、B為70 ℃、C為40 min。

表4 PBD試驗(yàn)方差分析

-，差異不顯著；*,P<0.05，差異顯著；**,P<0.01，差異高度顯著；***,P<0.001，差異極顯著。

2.2.2BBD試驗(yàn)結(jié)果分析

由表6可知，一次項(xiàng)對(duì)殺菌率的影響程度由大到小依次為巴氏殺菌溫度(極顯著)、巴氏殺菌時(shí)間(高度顯著)、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比(顯著)。且ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比與巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌溫度與巴氏殺菌時(shí)間存在高度顯著的交互作用。經(jīng)修正不顯著項(xiàng)后，二次多項(xiàng)回歸方程為Y=92.42+0.63A+3.20B+0.84C-1.36AB-1.32BC-6.01A2+2.29B2-7.78C2。

表5 BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖6 ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比及巴氏殺菌溫度交互作用對(duì)殺菌率的影響Fig.6 Effect of interaction between ε-polylysine hydrochloride and pasteurization temperature on sterilizing rate

2.2.3響應(yīng)面交互作用分析

通過Design-Expert 8.0.6分析，得到ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比、巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌時(shí)間3個(gè)因素之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖，見圖6、圖7。

由圖6可知，巴氏殺菌時(shí)間40 min時(shí)，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比和巴氏殺菌溫度對(duì)殺菌率影響的等高線為橢圓形，較密集，說明ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比與巴氏殺菌溫度交互作用高度顯著。固定ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比，隨著巴氏殺菌溫度的升高，響應(yīng)值逐漸增大，但曲面弧度增加較緩。固定巴氏殺菌溫度，隨著ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比的改變，響應(yīng)值先急劇增大而后緩慢減小，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比為0.08 g/kg時(shí)，殺菌率最高。

表6 BBD試驗(yàn)方差分析

-,差異不顯著；*,P<0.05，差異顯著；**,P<0.01，差異高度顯著；***,P<0.001，差異極顯著。

圖7 巴氏殺菌溫度及巴氏殺菌時(shí)間交互作用對(duì)殺菌率的影響Fig.7 Effect of interaction between pasteurization temperature and pasteurization time on sterilizing rate

由圖7可知，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比為0.08 g/kg時(shí)，巴氏殺菌溫度及巴氏殺菌時(shí)間對(duì)殺菌率影響的等高線為橢圓形，較密集，說明巴氏殺菌溫度與巴氏殺菌時(shí)間交互作用高度顯著。固定巴氏殺菌溫度，隨著巴氏殺菌時(shí)間的延長，響應(yīng)值先增大后減小，40 min時(shí)，殺菌率最高。固定巴氏殺菌時(shí)間，隨著巴氏殺菌溫度的升高，響應(yīng)值逐漸增大，75 ℃時(shí)，殺菌率最高。

2.2.4保質(zhì)條件的優(yōu)化及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過Design-Expert 8.0.6對(duì)模型優(yōu)化分析，得到優(yōu)化工藝條件為ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比0.08 g/kg、巴氏殺菌溫度75 ℃、巴氏殺菌時(shí)間39.85 min(考慮到實(shí)驗(yàn)條件的可操作性，調(diào)整為40 min)，殺菌率預(yù)測(cè)值為97.94%。在優(yōu)化條件下，固定殺菌方式為巴氏殺菌、包裝方式為充氮包裝，進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到殺菌率為98.00%，與BBD試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，說明BBD優(yōu)化條件具有可靠性，該模型具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比、殺菌方式、巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌時(shí)間、包裝方式5個(gè)影響因素，進(jìn)行二水平的PBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在PBD試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以殺菌率為響應(yīng)值，選取ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比、巴氏殺菌溫度和巴氏殺菌時(shí)間為影響殺菌率的3個(gè)主要因素，進(jìn)行三因素三水平的BBD響應(yīng)面試驗(yàn)，通過優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)，得出優(yōu)化工藝條件為ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質(zhì)量比0.08 g/kg，采用75 ℃、40 min的巴氏殺菌方式及充氮包裝，此時(shí)殺菌率為98.00%，與預(yù)測(cè)值基本一致，說明該模型具有可靠性。產(chǎn)品在貯藏180 d后，其最終水分含量為26.40%，菌落總數(shù)為1 300 CFU/g，仍達(dá)到高水分含量(25%～35%)、免洗標(biāo)準(zhǔn)(菌落總數(shù)低于2 000 CFU/g)。研究結(jié)果以期為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論依據(jù)。