軟包裝三文魚片的微波殺菌工藝

胡蕾琪，郭長凱，欒東磊*

1(上海海洋大學(xué)食品熱加工工程技術(shù)中心，上海，201306) 2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)

三文魚(salmon)，學(xué)名鮭魚，屬硬骨魚綱，鮭形目，鮭科，肉質(zhì)細(xì)嫩，營養(yǎng)豐富，含有多種不飽和脂肪酸[1-2]。生食三文魚是最營養(yǎng)的食用方法，但是其自身容易受到微生物污染[3]。隨著生活節(jié)奏的加快，消費(fèi)者更加重視高品質(zhì)、長貨架期的方便食品[4]。長貨架期的方便食品必須經(jīng)過殺菌處理，以保證食品的安全性。傳統(tǒng)的三文魚罐頭產(chǎn)品采用高溫蒸汽殺菌，長時(shí)間的高溫處理會對三文魚中熱敏感性物質(zhì)、營養(yǎng)成分造成很大損害[5]，以至于三文魚的風(fēng)味、色澤、質(zhì)地都會有不同程度的下降，從而影響產(chǎn)品的外觀及口感[6]。對比傳統(tǒng)的罐頭產(chǎn)品，軟包裝產(chǎn)品具有傳熱快，攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，在縮短殺菌時(shí)間的同時(shí)，還能夠較長時(shí)間保持食品風(fēng)味[7]。

目前工業(yè)生產(chǎn)上用于食品的殺菌技術(shù)大都是利用熱水和蒸汽加熱，較低的傳熱速率導(dǎo)致較長的殺菌時(shí)間，使得食品的加熱處理過度，從而對食品品質(zhì)有所影響。近年來，研究者一直致力于研究新的殺菌方式應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。其中微波殺菌是唯一獲得美國食品藥品監(jiān)管局(Food and Drug Administration, FDA)許可的可以用于長貨架期食品工業(yè)化生產(chǎn)的殺菌技術(shù)[8]。微波殺菌基于微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，利用微波的穿透性能，使食品內(nèi)部物料快速升溫，在短時(shí)間內(nèi)殺滅微生物，達(dá)到殺菌效果[9]。對比傳統(tǒng)的殺菌方式，微波加熱速度快，可以降低加熱時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

和傳統(tǒng)殺菌相同，微波殺菌也需要保證食品冷點(diǎn)位置達(dá)到工業(yè)殺菌的要求。傳統(tǒng)殺菌的冷點(diǎn)位置一般位于食品的幾何中心，而微波殺菌產(chǎn)品的冷點(diǎn)位置受電場強(qiáng)度影響，冷點(diǎn)位置就是電場強(qiáng)度低的位置[8]。因此要進(jìn)行微波殺菌工藝的研發(fā)，首先要保證微波加熱食品的溫度分布是穩(wěn)定且可重復(fù)的。然后確定該食品的冷點(diǎn)位置并記錄冷點(diǎn)位置的時(shí)間-溫度曲線，以此計(jì)算目標(biāo)微生物的致死率，保證殺菌工藝的安全性。最后對該殺菌工藝進(jìn)行微生物驗(yàn)證。本文以上海海洋大學(xué)自主研發(fā)的896 MHz，75 kW的單模微波殺菌系統(tǒng)為平臺，研發(fā)軟包裝三文魚片的微波殺菌工藝，以此建立微波殺菌的工藝研發(fā)流程，為相關(guān)產(chǎn)品的工藝研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍大西洋三文魚(Salmosalar)，原產(chǎn)國智利，美威(水產(chǎn))上海有限公司。濃縮乳清蛋白粉，南京高溯生物科技有限公司；無水CaCl2，上海麥克林生化科技有限公司；D-核糖、L-賴氨酸，北京百靈威科技有限公司；生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)，廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；硫乙醇酸鹽流體培養(yǎng)基，上海盛思生化科技有限公司。

Key SIGHT E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，是德科技(中國)有限公司；PICOVACQ/1TC形無線溫度傳感器，法國TMI-ORION公司；HENKELMAN Jumbo 35形真空包裝機(jī)，荷蘭HENKELMAN公司； FLIR T420紅外熱像儀，美國菲力爾公司；896 MHz，75 kW工業(yè)微波殺菌系統(tǒng)，上海海洋大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)；Systec HX-320形柜式滅菌器，賽斯太克(上海)貿(mào)易有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 介電特性的測量

介電特性影響微波加熱后食品的溫度分布[5]，本文所用的介電特性測量系統(tǒng)如圖1所示，主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、同軸電纜、同軸探頭、樣品測試腔、熱電偶、數(shù)顯溫度計(jì)、循環(huán)油浴系統(tǒng)組成。

圖1 介電特性測量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system for dielectric properties

試驗(yàn)前半小時(shí)打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行預(yù)熱，選擇開放式同軸探頭技術(shù)作為測量方法[10]，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：測量頻率范圍為300～3 000 MHz，頻率間隔為5 MHz；測量溫度范圍為20～120 ℃，溫度間隔為10 ℃。安裝開放式同軸探頭并依次用空氣、金屬短柱、去離子水進(jìn)行校準(zhǔn)，將樣品裝入測試腔內(nèi)并利用熱電偶跟蹤測量實(shí)時(shí)溫度，之后將開放式同軸探頭與裝有樣品的測試腔連接，利用循環(huán)油浴調(diào)節(jié)測試腔內(nèi)溫度，進(jìn)而測定不同頻率、溫度下樣品的介電常數(shù)及介電損耗。

1.2.2 三文魚模擬食品的研發(fā)

在微波殺菌過程中，只能用紅外熱成像儀觀察到三文魚表面的溫度，或利用熱電偶測量內(nèi)部有限個(gè)數(shù)的溫度值，沒有辦法得到完整的溫度場[11]，而利用與三文魚介電特性相似的模擬食品，結(jié)合化學(xué)標(biāo)記法可得到模擬食品內(nèi)部完整的溫度分布[12]。模擬食品的制作方法在ZHANG等[13]和WANG等[14]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和優(yōu)化，以乳清蛋白粉為主要實(shí)驗(yàn)原料，通過調(diào)整乳清蛋白粉、CaCl2、D-核糖和L-賴氨酸的成分配比，使得制作的乳清蛋白模擬食品與三文魚的介電特性相匹配。

1.2.3 冷點(diǎn)位置的確定和熱處理程度的計(jì)算

微波殺菌中，冷點(diǎn)位置一般位于電場強(qiáng)度最弱的位置，且食品的介電特性對電場分布影響較大，為了確定微波加熱的冷點(diǎn)位置，化學(xué)標(biāo)記法與計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)相結(jié)合是最有效的方法?；瘜W(xué)標(biāo)記法的原理：還原糖和氨基酸在高溫下發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成棕色的產(chǎn)物，溫度越高、加熱時(shí)間越長，反應(yīng)生成物越多、顏色越深[15]，該反應(yīng)不可逆，可以記錄微波加熱的處理程度。以模擬食品作為化學(xué)標(biāo)記法的載體，進(jìn)行微波殺菌處理，將處理后的模擬食品用相機(jī)拍照，照片經(jīng)MATLAB軟件處理轉(zhuǎn)換成偽彩圖找到模擬食品具體的冷點(diǎn)位置，并用無線溫度記錄儀記錄時(shí)間-溫度曲線，確定食品的冷點(diǎn)位置。

檢測結(jié)果顯示，殺菌前三文魚的菌落總數(shù)為3.1×103CFU/g。歐洲冷凍食品聯(lián)合會及FDA[16-17]認(rèn)為，魚類產(chǎn)品在F90=10 min的熱處理程度下可以達(dá)到巴氏殺菌效果，此時(shí)目標(biāo)微生物肉毒梭狀芽孢桿菌的數(shù)量可以減少6個(gè)對數(shù)值。因此，在這種熱處理程度下就可以殺滅三文魚中的目標(biāo)微生物。在本殺菌工藝中，將無線金屬溫度傳感器[18-19]插入三文魚的冷點(diǎn)位置，以記錄溫度曲線，并計(jì)算熱致死值F[20]，以F90=10 min為殺菌目標(biāo)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)微波殺菌三文魚片的工藝條件。

1.2.4 微波殺菌工藝參數(shù)的確定

為保證本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的微波殺菌處理程度達(dá)到目標(biāo)殺菌程度，需要通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整微波殺菌系統(tǒng)的工藝參數(shù)(功率、時(shí)間、溫度)。微波殺菌主要包括微波加熱、保溫、冷卻3個(gè)階段。首先需要調(diào)節(jié)傳送帶的速度，控制微波加熱時(shí)間，以達(dá)到目標(biāo)殺菌溫度；其次控制保溫時(shí)間，以達(dá)到F90=10 min的目標(biāo)殺菌程度；最后對殺菌后的樣品進(jìn)行冷卻處理。

在確定了微波殺菌的工藝參數(shù)后，以同樣的殺菌程度為目標(biāo)，進(jìn)行傳統(tǒng)的蒸汽殺菌實(shí)驗(yàn)，與微波殺菌進(jìn)行對比。傳統(tǒng)殺菌處理在柜式滅菌器中進(jìn)行，包括升溫、恒溫以及降溫3個(gè)階段，通過調(diào)節(jié)殺菌的溫度和時(shí)間，達(dá)到和微波殺菌相同的殺菌程度。

1.2.5 微生物驗(yàn)證

在殺菌工藝確定之后，需要對其進(jìn)行微生驗(yàn)證。參照TANG[21]的研究結(jié)果，以生孢梭菌PA 3679作為肉毒梭狀芽孢桿菌的替代菌進(jìn)行微生物驗(yàn)證。在三文魚的冷點(diǎn)位置接種生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)，根據(jù)初步測試的微波殺菌參數(shù)對三文魚進(jìn)行殺菌處理。用無菌生理鹽水稀釋處理冷點(diǎn)周圍的三文魚肉，吸取樣品稀釋液，傾注硫乙醇酸鹽流體培養(yǎng)基，在36 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后計(jì)數(shù)。計(jì)算殺菌后生孢梭菌降低的數(shù)量級。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于三文魚介電特性的模擬食品的研發(fā)

在微波殺菌過程中，食品的介電特性是影響微波加熱冷熱點(diǎn)分布的重要因素，因此模擬食品的研發(fā)最重要的就是和食品的介電特性相匹配。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定：乳清蛋白粉質(zhì)量濃度(下同)為100 g/L，D-核糖為10 g/L，L-賴氨酸為10 g/L，無水CaCl2為2 g/L時(shí)，在頻率為896 MHz，溫度范圍20～120 ℃內(nèi)乳清蛋白模擬食品的介電常數(shù)及介電損耗與三文魚接近。896 MHz下三文魚與模擬食品介電常數(shù)、介電損耗在20～120 ℃溫度范圍內(nèi)的對比如圖2所示。

圖2 三文魚與乳清蛋白模擬食品介電特性擬合Fig.2 Comparison of dielectric properties of whey proteinmodel food and salmon

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)確定的模擬食品成分配比下，三文魚和模擬食品的介電特性匹配度較高，可作為化學(xué)標(biāo)記法的載體，分析溫度分布確定冷點(diǎn)位置。

2.2 冷點(diǎn)位置的時(shí)間-溫度曲線

經(jīng)微波處理后，將模擬食品沿厚度方向從中間切開，在光照良好的條件下拍攝模擬食品的圖片，利用MATLAB軟件處理圖片，將圖片轉(zhuǎn)換為偽彩圖。圖3分別為乳清蛋白模擬食品原圖(圖3-a)、微波加熱后模擬食品圖(圖3-b)以及處理后模擬食品的偽彩圖(圖3-c)。未經(jīng)處理的模擬食品顏色為淡黃色，經(jīng)微波處理后，模擬食品由于發(fā)生美拉德反應(yīng)變?yōu)樽睾稚D(zhuǎn)換成偽彩圖后圖片色彩對比鮮明，圖3-c中圈出來的部分是模擬食品的冷點(diǎn)位置。

a-未處理模擬食品;b-微波處理后模擬食品;c-模擬食品的偽彩圖圖3 模擬食品的熱形圖和冷點(diǎn)位置Fig.3 Heating pattern and cold spot of model food

模擬食品經(jīng)微波加熱得到重復(fù)性較好的溫度曲線后，在三文魚同樣的冷點(diǎn)位置插入溫度傳感器，記錄經(jīng)微波殺菌過程中的時(shí)間-溫度曲線。以此計(jì)算出微波殺菌的熱處理程度。圖4是在冷點(diǎn)位置插入無線溫度傳感器的模擬食品和三文魚。

圖4 冷點(diǎn)位置插入無線溫度傳感器的模擬食品和三文魚Fig.4 Model food and salmon fillet with sensor at cold spot

2.3 殺菌工藝參數(shù)和微生物驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)所用微波殺菌系統(tǒng)的凈功率為8 kW，在這個(gè)功率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多次調(diào)整加熱的時(shí)間后得出，微波加熱3 min時(shí)，三文魚冷點(diǎn)的溫度達(dá)到了90 ℃，即達(dá)到了目標(biāo)殺菌的溫度。在95 ℃的水中保溫5 min后，通過測量冷點(diǎn)位置的時(shí)間-溫度曲線，計(jì)算得出該工藝的實(shí)際熱處理程度為F90=11.5 min，達(dá)到了目標(biāo)殺菌程度。

在確定的殺菌工藝下，接種生孢梭菌在三文魚的冷點(diǎn)位置，微波殺菌前，生孢梭菌的數(shù)量為3.4×108CFU/g，殺菌處理后生孢梭菌的數(shù)量為2.1×10 CFU/g，微波殺菌處理后生孢梭菌的數(shù)量級下降了7個(gè)，遠(yuǎn)大于三文魚中的原始菌落數(shù)，證明此微波殺菌工藝可以保證軟包裝三文魚片的微生物安全。

2.4 與傳統(tǒng)殺菌工藝的對比

將無線溫度傳感器插入三文魚的幾何中心記錄時(shí)間-溫度曲線。參照AWUAH等[20]的研究，計(jì)算熱致死值F和蒸煮值C，微波殺菌與傳統(tǒng)殺菌的工藝參數(shù)對比如表1所示。

表1 兩種殺菌處理的工藝參數(shù)Table 1 Parameters of two processing treatments.

通過殺菌的時(shí)間-溫度曲線計(jì)算2種殺菌處理的實(shí)際F90均為11.5 min，在同樣的F值下，微波殺菌大幅降低了殺菌時(shí)間，說明微波可以在較短的時(shí)間內(nèi)殺滅三文魚中的微生物。微波殺菌的蒸煮值(4.3 min)也小于傳統(tǒng)殺菌(6.3 min)，由此可以得出，在同樣的殺菌程度下，微波殺菌能更好地保留三文魚的品質(zhì)。

微波殺菌和傳統(tǒng)殺菌的微生物驗(yàn)證結(jié)果對比如表2所示。微波殺菌和傳統(tǒng)殺菌處理后生孢梭菌的數(shù)量級分別下降了7個(gè)和6個(gè)，2種殺菌方式都可以有效地減少三文魚中接種的生孢梭菌的數(shù)量，且都達(dá)到巴氏殺菌的要求。在同樣的殺菌程度下，微波殺菌對于生孢梭菌的致死率要高于傳統(tǒng)殺菌，微波殺菌的高致死率可能源于微波場對微生物的非熱效應(yīng)。

表2 微生物驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Results of microbiological verification

3 結(jié)論

本文研發(fā)了軟包裝三文魚片的微波巴氏殺菌工藝，并以此建立了微波殺菌的工藝研發(fā)流程。微波殺菌工藝研發(fā)需遵循以下流程：首先用與殺菌食品介電特性相同的模擬食品作為化學(xué)標(biāo)記法的載體，以此確定微波殺菌的冷點(diǎn)位置，并記錄冷點(diǎn)位置的時(shí)間-溫度曲線；之后通過該曲線計(jì)算目標(biāo)微生物的致死率，根據(jù)目標(biāo)殺菌程度確定微波殺菌工藝參數(shù)；最后對該殺菌工藝進(jìn)行微生物驗(yàn)證。

研究獲得的三文魚微波殺菌工藝參數(shù)為：微波殺菌凈功率8 kW，微波加熱時(shí)間3 min，保溫時(shí)間5 min，達(dá)到的殺菌程度為F90=11.5 min。微生物驗(yàn)證結(jié)果表明，經(jīng)該微波殺菌處理后，三文魚中接種的生孢梭菌的數(shù)量級降低了7個(gè)，達(dá)到了殺菌要求。該研究為其他微波殺菌產(chǎn)品的工藝研發(fā)提供了指導(dǎo)方向。與傳統(tǒng)殺菌相比，在同樣的殺菌程度下，微波殺菌大幅減少了殺菌時(shí)間，更好的保留了三文魚的品質(zhì)。此外，微波殺菌對微生物的致死效果要優(yōu)于傳統(tǒng)殺菌，這可能源于微波場的非熱效應(yīng)。