中短波紅外線對冬棗粉殺菌效果及品質的影響

畢延娣，陳芹芹，畢金峰，顏廷才，趙悅

1(沈陽農業大學 食品學院，遼寧 沈陽，110866)　2(中國農業科學院 農產品加工研究所 農業部農產品加工重點實驗室，北京，100193)

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中短波紅外線對冬棗粉殺菌效果及品質的影響

畢延娣1,2，陳芹芹2，畢金峰1,2，顏廷才1*，趙悅1,2

1(沈陽農業大學 食品學院，遼寧 沈陽，110866)2(中國農業科學院 農產品加工研究所 農業部農產品加工重點實驗室，北京，100193)

摘要研究了不同條件中短波紅外線處理對冬棗粉菌落總數、霉菌酵母的殺菌效果，對水分、色澤的影響，并應用Weibull模型對不同處理條件下冬棗粉的殺菌效果進行擬合。結果表明：隨著溫度的升高和時間的延長，殺菌效果增強，水分含量降低，色差值變大；110℃處理5 min 和120℃處理1 min時可全部殺死霉菌和酵母。Weibull模型動力學曲線的決定系數R2均大于0.98，χ2、RMSE的值分別小于0.020 0和0.070 0，擬合效果較好。中短波紅外線對冬棗粉殺菌處理的最佳工藝條件為120℃、1 min。

關鍵詞中短波紅外線；冬棗粉；殺菌；水分；色澤；Weibull模型

冬棗，又名凍棗、雁來紅、蘋果棗、冰糖棗[1]，屬于鼠李科棗屬植物，棗肉甜中帶酸，具有濃郁的棗香味。其具有很高的營養價值，含有豐富的碳水化合物，蛋白質，脂肪，粗纖維，礦物質及功能成分，而VC是冬棗中的代表性營養成分，具有重要的生理功能[2-3]。新鮮冬棗水分含量高，通過干燥加工后制成冬棗粉，使冬棗的用途更加廣泛[4]。冬棗粉是一種新型的棗制品，通過去核、切分、干燥、粉碎等處理而得，可作為速溶飲料、咀嚼片等產品的原料[5-6]。目前，冬棗粉的主要殺菌方式是熱風高溫殺菌和輻照殺菌。熱風高溫殺菌設備龐大，且殺菌效果不理想。輻照殺菌需要專門設備來生產輻射線(輻射源)，投資較大，并且存在安全問題，歐洲很多國家嚴格限制進口經過輻照處理的食品原料[7-10]。朱佳廷等[11]的研究發現，輻照殺菌會顯著降低紅棗中的Vc含量。

紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，波長范圍為0.76～1 000 μm，根據波長長短分為短波(近)紅外(0.76～2 μm)、中波紅外(2～4 μm)和長波(遠)紅外(4～1 000 μm)。中短波紅外線技術起源于美國的航天工業，20世紀90年代被引進中國，后逐步應用于各個領域。中短波紅外線具有很強的穿透力，可直接穿透物料表面對內部進行殺菌，不會對物料的表面性狀產生影響，并具有處理時間短、殺菌高效、環保、節能、無殘留等優點，是一種很有潛力的新型殺菌技術。此外，中短波紅外線殺菌設備小、易操作、使用方便，有利于推廣和使用[12-15]。

目前國內有利用遠紅外線加熱對液體食品醬油湯殺菌的報道[16]，而利用中短波紅外線殺菌未見報道。本研究以冬棗粉為實驗材料，探討不同條件中短波紅外線處理對冬棗粉的殺菌效果，分析其殺菌動力學，同時探討其對冬棗粉水分含量和色澤的影響。

1材料與方法

1.1材料與試劑

冬棗，于2014年9月15日購于北京市海淀區幸福超市；營養瓊脂、孟加拉紅培養基，北京陸橋技術有限責任公司；NaCl，國藥集團化學試劑有限公司；一次性使用塑料培養皿，浙江柏美特醫用塑料有限公司。

1.2儀器與設備

QDPH10-1變溫壓差果蔬膨化干燥機，天津勤德新材料科技有限公司；FW100 高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；中短波紅外線干燥機，STC圣泰科紅外科技有限公司；LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；SW-CJ-1F潔凈工作臺，蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司；SHP-250 生化培養箱，上海精宏實驗設備有限公司；DHG-9023A 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；電子天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；D-25L色差計，美國Hunter Lab公司。

1.3實驗方法

1.3.1棗粉的制備

取無傷病的新鮮冬棗，用流動水清洗，去核后切片，厚度約為6 mm。采用變溫壓差膨化方法干燥棗片，膨化溫度100℃、停滯時間10 min、膨化壓力0.2 MPa，抽空溫度65℃，抽空時間2.5 h。干燥后冬棗片放入高速萬能粉碎機中制粉，每次打粉時間10 s，打粉間隔2 min，共打粉3次。

1.3.2中短波紅外線殺菌方法

功率1125W，設定溫度參數分別為100、110、120℃，時間參數分別為1、2、3、4、5 min。

1.3.3微生物的測定

菌落總數的檢測根據GB 4789.2—2010《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[17]，培養基采用營養瓊脂，平板(36±1)℃條件下培養(48±2)h；霉菌和酵母菌計數根據GB 4789.15—2010《食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數》[18]，采用孟加拉紅培養基，平板在(28±1)℃條件下培養 5 d。殺菌效果以細菌存活率對數值 lg(N/N0)表示，其中N為中短波紅外線殺菌后樣品的菌數，CFU/g；N0為中短波紅外線殺菌前樣品的菌數，CFU/g。每個樣品2個重復，2個平行。

1.3.4動力學分析

參照ALBERT等[19]、VAN BOEKEL等[20]、CHEN等[21]的方法，滅菌效果用Weibull 模型分析。

ln(N/N0)=-αtβ

式中：N0為中短波紅外線處理前樣品中初始菌落總數，CFU/g；N為中短波紅外線處理后樣品中菌落總數，CFU/g；α和β分別為尺度參數和形狀參數；t為處理時間。當β< 1時 Weibull 分布為一個凹面向上的曲線，β> 1時曲線凹面向下，β= 1時為一條直線。

1.3.5水分含量的測定

按照GB 5009.3—2010《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[22]中規定的直接干燥法測定，結果以干基含水率表示。為保證實驗的準確性，測3組平行取其平均值。

1.3.6色澤的測定[23]

采用色彩色差計測定冬棗粉的色澤。用CIELAB 表色系統測定冬棗粉的L、a和b值，其中L代表明度指數，從黑暗到明亮的變化；a代表顏色從綠色到紅色的變化；b代表顏色從藍色到黃色的變化。色差值△E代表冬棗粉殺菌后的色澤(L、a、b)與殺菌前的色澤(L*、a*、b*)的色差值。△E計算方法如下:

每組試驗 3 次平行，結果取平均值。

1.4數據分析

采用Excel和origin8.0進行繪圖及Weibull模型分析。

2結果與分析

2.1不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉微生物的影響

2.1.1對菌落總數的影響

圖1 為在溫度100、110、120℃的條件下，中短波紅外線處理1、2、3、4、5 min對冬棗粉菌落總數的殺菌效果。由圖1可知，隨著殺菌溫度的提高，菌落總數呈現明顯下降的趨勢。殺菌時間1 min時，110℃比100℃降低了0.21個對數，120℃比110℃降低了0.36個對數；在殺菌溫度100℃下，隨著殺菌時間從1min增加到5 min，菌落總數的減少值從2.11個對數到2.27個對數，降低了0.16個對數，說明隨著殺菌時間的增加，菌落總數逐漸減少。方差分析結果表明僅在殺菌溫度100℃下，殺菌時間對菌落總數有顯著影響(P<0.05)；在殺菌時間4 min和5 min時，殺菌溫度對菌落總數有顯著影響(P<0.05)。楊繼紅[24]的論文結果也表明，紅外線殺菌溫度越高，殺菌效果越好。

根據菌落總數的變化，經過 100 ℃/3 min、110℃/5 min和120℃/1 min處理的冬棗粉即可達到NY/T 1884—2010《綠色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉菌落總數應低于1 000 CFU/g ”的標準要求[25]，其菌落總數分別為143、83和65 CFU/g。

圖1　不同溫度、時間對冬棗粉中菌落總數的影響Fig. 1　Effect of different temperature, time on the total number of colonies in winter jujube powder

2.1.2對霉菌、酵母計數的影響

圖2為在100、110及120℃的條件下，中短波紅外線處理1、3、5 min對冬棗粉中霉菌、酵母的殺菌效果。由圖2可知，隨著溫度的提高，霉菌、酵母的數量顯著降低； 110℃殺菌5 min后，無霉菌、酵母檢出；殺菌溫度升高到120℃，殺菌時間為1 min也能達到相同的效果。經其它條件殺菌后，冬棗粉中霉菌、酵母總數最高為38 CFU/g，最低小于10 CFU/g，均符合NY/T 1884—2010 《綠色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉霉菌、酵母總數應低于50 CFU/g ”的標準要求[25]。其中120℃處理1 min時的殺菌效果最好。

圖2　不同溫度、時間對冬棗粉中霉菌、酵母計數的影響Fig. 2　Effect of different temperature, time on the count of mold and yeast in winter jujube powder

2.2中短波紅外線殺菌效果的動力學分析

模型擬合精度通過相關系數(R2)、卡方檢驗值(χ2)、均方根誤差(RMSE)統計參數來確定。R2越高，χ2、RMSE越低，模型擬合度越高。由表1可見，3個溫度下Weibull模型擬合的R2都在0.98以上，χ2、RMSE的值分別小于0.020 0和0.070 0；Weibull模型中2個動力學參數α和β與溫度有關。尺度參數α隨著溫度的增加而增加，形狀參數β隨著溫度的增加而減少，β值顯示處理溫度對殺菌曲線形狀的影響。100℃與110℃的形狀參數β值變化不大，即表明在溫度100～110℃下的動力學曲線形狀較為穩定，溫度升高到120℃ β值降低較多，表明此溫度下許多微生物細胞對溫度的敏感性增加，導致該條件下微生物大量死亡，此結果與Sencer Buzrul等[26]的文獻報道一致。

表1　Weibull模型擬合中短波紅外線殺滅冬棗粉中

模型的擬合值與試驗值的對比如圖3所示，由圖3可以看出，試驗值與預測值的擬合性較好，表明Weibull模型能夠較好的擬合中短波紅外線處理對冬棗粉的滅菌效果。

圖3　100℃、110℃、120℃條件下Weibull模型擬合的殺菌動力學曲線Fig. 3　Survival curves of bacteria inwinter jujube powder at 100, 110, 120℃ fitted with Weibull model

2.3不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉水分含量的影響

圖4為不同處理條件對冬棗粉水分含量的影響。

圖4　不同溫度、時間對冬棗粉水分含量的影響Fig.4　Effect of different temperature, time on the moisture content in winter jujube powder

從圖4可知，未處理冬棗粉水分含量為4.12%，隨著溫度和時間的增加，水分含量逐漸降低，浮動范圍為3.62%～1.23%，例如120℃殺菌1 min時水分含量降低了1.5%，說明紅外線殺菌也起到了瞬時干燥的作用，有利于貯藏時間的延長。但殺菌時間過長可能會導致冬棗粉中熱敏成分發生變化[13]，因此殺菌時間不宜超過5 min。分析水分含量的變化，認為是水通常吸收波長2.7～3 μm的紅外線，而中短波紅外線的波長為0.75～4 μm，因此水在此波段會更好地吸收輻射，使分子間運動加劇，從而有利于水分的快速蒸發[12]。

2.4不同條件中短波紅外線殺菌對冬棗粉色澤的影響

圖5為不同處理條件對冬棗粉色澤的影響。由圖5-A可知，L值隨著溫度和時間的增加逐漸變小，說明冬棗粉褐變程度增大，顏色變暗。由圖5-B、5-C可以看出，與無處理相比，處理后冬棗粉的a值和b值顯著變大，尤其是a值變化最大，未殺菌時a值為4.81，100℃殺菌1 min就增加到7.19，表明冬棗粉的顏色變化更趨向紅色。圖5-D為冬棗粉經中短波紅外線殺菌前后色差值的變化，隨著時間的增加，色差值逐漸變大，尤其120℃殺菌3 min以上時，色差值顯著增加，這可能是由于高溫下處理時間長而導致冬棗粉輕微變糊所致[3]。

圖5　不同溫度、時間對冬棗粉色澤的影響Fig.5　Effect of different temperature, time on the color in winter jujube powder

結合對比2.1.1和2.1.2不同條件下的殺菌效果，從色澤上考慮，認為中短波紅外線殺菌的最適條件為120℃/1 min。

3結論

中短波紅外線處理溫度及時間對冬棗粉殺菌效果的影響顯著，在實驗設定的溫度和時間條件下，溫度越高，時間越長，殺菌效果越好；120℃處理5 min可使冬棗粉菌落總數降低2.96個對數，經110℃處理5 min或120℃處理1 min后，無霉菌、酵母檢出；Weibull模型能夠較好地擬合中短波紅外線處理對冬棗粉的滅菌效果，且在溫度100～110℃下的動力學曲線形狀較為穩定。隨著處理溫度和時間的增加，冬棗粉的水分含量下降，色差值增大。綜合考慮殺菌效果，對水分、色澤的影響以及設備運行成本，認為殺菌的適宜條件為120℃、1 min。

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Effect of short and medium-wave infrared radiation on bactericidal countrol and quality of winter jujube powder

BI Yan-di1,2, CHEN Qin-qin2, BI Jin-feng1,2, YAN Ting-cai1*, ZHAO Yue1,2

1(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)2(Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-products ProcessingScience and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

ABSTRACTTotal bacteria, mold and yeast in winter jujube powder at various temperature(100,110,120 ℃)for 1～5 min treated by short and medium-wave infrared radiation were measured. Water moisture and color were also tested after thetreatment. The Weibull model was used to analyze the bactericidal curves at different conditions. The results showed that with the increase of temperature and time, the antibactericidal effect were improved, while the water moisture was decreased, the color change increased. Mold and yeast could be inhibited at 110 ℃ , 5min, or 120 ℃,1min. The correlation coefficients (R2) of Weibull model were more than 0.98 at three temperature levels, χ2 and RMSE were less than 0.020 0 and 0.070 0 , respectively. This proved that Weibull model was suitable for the kinetic analysis of bacterial inactivation. The optimum process condition for winter jujube powder by short and medium-wave infrared radiation is 120 ℃,1min.

Key wordsshort and medium-wave infrared radiation; winter jujube powder; microbial inactivation; water moisture; color; Weibull model

收稿日期：2015-07-01，改回日期：2015-08-22

基金項目：國家自然科學基金項目(31401508)；國家“十二五”科技支撐計劃課題“復合果蔬新產品創制與節能減排關鍵技術開發及示范”(2012BAD31B06)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201602022

第一作者：碩士研究生(顏廷才副教授為通訊作者,E-mail:ytc126127@163.com)。