響應面優化脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌的殺菌效果

唐明禮，王 勃，劉 賀，何余堂，惠麗娟，馬 濤*

響應面優化脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌的殺菌效果

唐明禮，王 勃，劉 賀，何余堂，惠麗娟，馬 濤*

（渤海大學化學化工與食品安全學院，渤海大學糧油科學與技術研究所，遼寧 錦州 121013）

采用脈沖強光對煎餅表面進行殺菌處理，研究脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌的殺菌效果。在單因素試驗基礎上，利用響應面分析方法建立大腸桿菌數量降低對數值的二次多項數學模型，利用模型對脈沖能量、脈沖次數和脈沖距離及其交互作用進行分析。結果表明：脈沖強光可有效殺死煎餅表面的大腸桿菌，優化條件為脈沖能量500 J、次數40 次、距離10.9 cm，此時脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌的數量可減少2.15 個對數值，提高了煎餅的貨架期及食用安全性。

脈沖強光；煎餅；大腸桿菌；殺菌效果

脈沖強光是一種非熱殺菌技術，通過紫外線、光化學效應、光熱效應、物理效應的綜合作用殺死食品中的致病菌及腐敗微生物[1-5]，可以延長食品的保藏期。利用脈沖強光處理樣品既不影響食品感官和營養的品質，又能確保食品中微生物的安全，并具有能源消耗少、無殘留有毒化合物、極大靈敏性等優點[6-11]，脈沖光能最大程度保持食品的色、香、味，在食品應用領域具有較廣泛的應用[12]。

煎餅是中國傳統食品之一，由五谷雜糧磨成面糊經過發酵或不發酵攤烙而成。但煎餅在熟制回軟過程中容易受到二次污染，造成產品滋生大腸桿菌。大腸桿菌（Escherichia coli）是腸道中的寄居菌，有時能夠產生毒素，引起人和動物致病[13-14]。食用被大腸桿菌污染的食品會出現嘔吐、惡心、腹痛等病狀[15]。同時大腸桿菌也用于食品糞源性污染衛生監測的指示菌，故控制和殺滅煎餅中的大腸桿菌對于提高煎餅的食用安全性具有重要意義。

本實驗以大腸桿菌數量降低的對數值為指標，研究脈沖強光的脈沖能量、脈沖次數、脈沖距離對煎餅表面大腸桿菌的殺滅效果，并對其殺菌條件進行優化，為延長煎餅貨架期、提高食用安全性提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煎餅（蛋白質：11.5 g/100 g、脂肪：2.8 g/100 g、碳水化合物：72.5 g/100 g、水分：13.2 g/100 g） 本溪寨香生態農業有限公司。

煌綠乳糖膽鹽（BGLB）肉湯、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨（LST）肉湯 北京奧博星生物技術有限責任公司。

1.2 儀器與設備

ZWB-I-01（LA50-800H）脈沖強光 寧波中物光電殺菌技術有限公司；GMSX-280手提式壓力蒸汽滅菌器 北京市永光明醫療儀器有限公司；DHP-9082電熱恒溫培養箱 上海一恒科學儀器有限公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋 金壇市鑫鑫試驗儀器廠；AR224CN電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；THZ臺式恒溫振蕩器 太倉市實驗設備廠。

1.3 方法

1.3.1 脈沖強光處理

脈沖強光能夠產生200～1 100 nm波長范圍的光，工作電壓2 800 V、最高能量500 J、最大次數100 次，可顯著殺滅食品中的微生物，其殺菌原理如圖1所示。在無菌條件下，將25.00 g的樣品均勻地分布在無菌的石英板上，通過調整石英板來實現樣品與脈沖氙燈之間的距離，根據實驗條件設定操作界面上脈沖能量和脈沖次數對樣品進行殺菌處理。脈沖強光處理后，處理組和未處理組直接進行大腸桿菌計數。

圖1 脈沖強光殺菌裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of sterilization device with pulsed light

1.3.2 大腸桿菌的計數

采用GB 4789.2—2010《食品衛生微生物學檢驗：大腸桿菌測定》方法計數。

1.3.3 單因素試驗設計

選取脈沖能量為100、200、300、400、500 J，脈沖次數為25 次，脈沖距離為11.8 cm，研究脈沖能量對大腸桿菌數量降低對數值的影響。

選取脈沖次數為15、20、25、30、35、40 次，脈沖能量為300 J，脈沖距離為11.8 cm，研究脈沖次數對大腸桿菌數量降低對數值的影響。

選取脈沖距離為10.9、11.8、12.7、13.6、14.5、15.4 cm，脈沖能量為300 J，脈沖次數為25 次，研究脈沖距離對大腸桿菌數量降低對數值的影響。

1.3.4 響應面法優化脈沖強光對煎餅表面殺菌效果的影響

在單因素試驗基礎上，利用Design Expert（version 8.0.6）軟件以脈沖能量、脈沖次數、脈沖距離為考察變量，分別以A、B、C表示，以對數值Y為響應值，以＋1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平，按方程對自變量進行編碼。其中，x為自變量的編i碼值，Xi為自變量的真實值，X0為試驗中心點處自變量的真實值，X為自變量的變化步長[16-18]。因子編碼及各自變量水平見表1。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Factors and coded levels used in response surface methodology

1.3.5 微生物計數

采用大腸桿菌數量降低對數值分析各因素對脈沖強光殺菌效果的影響[19-20]。

式中：N0為脈沖前煎餅表面大腸桿菌數；N為脈沖后煎餅表面大腸桿菌數；lgS為殺菌前后大腸桿菌數量降低的對數值。

2 結果與分析

2.1 脈沖能量、次數和距離對煎餅表面大腸桿菌的影響

圖2 脈沖能量對煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.2 Effect of pulse energy on E. coli sterilization on pancake

為考察脈沖能量對大腸桿菌殺菌效果的影響，以脈沖能量為橫坐標，大腸桿菌數量降低的對數值為縱坐標，繪制趨勢圖，由圖2可知，脈沖能量對煎餅中大腸桿菌具有明顯的致死作用，隨著能量的增加，脈沖強光對大腸桿菌的殺菌效果逐漸增強，300 J以上時殺菌效果趨于平緩，在400 J時煎餅表面大腸桿菌數量可以減少2 個對數值。

圖3 脈沖次數對煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.3 Effect of pulse number on E. coli sterilization on pancake

圖3 顯示在脈沖能量300 J、脈沖距離11.8 cm時，脈沖次數對煎餅表面大腸桿菌數量減低對數值的影響。當脈沖次數達到30 次時，曲線逐漸趨于平緩，當脈沖次數是40 次時，大腸桿菌的數量可減少1.60 個對數值。

圖4 脈沖距離對煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.4 Effect of pulse distance on E. coli sterilization on pancake

圖4 為脈沖強光距離對大腸桿菌數量減少對數值的影響，可看出殺菌效果與脈沖距離成反比。在脈沖距離為10.9 cm時，大腸桿菌減少1.4 個對數值。

2.2 試驗模型的建立及顯著性檢驗

表2列出了試驗設計及其結果。利用Design Expert軟件對表2中的數據進行多元回歸擬合，得到脈沖強光對脈沖能量（X1）、脈沖次數（X2）、脈沖距離（X3）二次多項回歸方程。并對該模型進行方差分析及模型系數顯著性檢驗。模型方差分析見表3，回歸模型系數顯著性檢驗見表4。

表2 響應面試驗設計及其結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

依據表2的試驗結果，利用Design-Expert軟件對數據進行回歸分析，擬合后得到脈沖能量（X1）、脈沖次數（X2）、脈沖距離（X3）的二次多項回歸方程：

表3 脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌殺菌效果回歸模型的方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the regression equation for E. collii sterilization by pulsed light on pancakes

表4 回歸方程系數顯著性檢驗Table 4 Significance test of the coefficients in the regression equation

由表3方程回歸模型方差分析（ANOVA）可得：F=19.02＞F0.01（9,4）=14.66，P 值為0.000 4，表明模型方程極顯著。失擬項P=0.259 7＞0.05，不顯著。模型的校正決定系數（）為0.910 2，說明該模型能解釋91.02%響應值的變化，該方程與實際擬合得較好，能有效反應脈沖強光殺菌效果與脈沖能量、脈沖次數、脈沖距離之間的關系，因此所得的方程能預測響應值隨各參數的變化規律。

從表4的回歸方程系數顯著性檢驗可知，一次項中X1（P＜0.01）和X2（P＜0.01）的偏回歸系數極顯著，說明脈沖能量和次數對脈沖強光殺菌效果有顯著影響，X3（P＞0.05）的偏回歸系數不顯著，說明脈沖距離對脈沖強光殺菌效果的影響不顯著。交互項X1X2（P＜0.01）的交互作用對滅菌率的影響極顯著，X1X3和X2X3的P值大于0.05，說明它們對滅菌效果的影響不顯著。綜合上述分析得知，各因素對響應值的影響程度為X1（脈沖能量）＞X2（脈沖次數）＞X3（脈沖距離）。

2.3 脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌數量的響應面分析

利用Design-Expert軟件對回歸方程構建響應面分析圖。圖5為脈沖距離11.8 cm時，脈沖能量和次數對煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的影響，根據等高線可看出，固定脈沖能量，殺菌效果隨脈沖次數的增加逐漸增強。圖6為固定脈沖光次數35 次，脈沖能量和距離對殺菌效果的影響，根據等高線可看出，在脈沖距離10.9～12.7 cm、脈沖能量300～430 J范圍內，固定脈沖距離，殺菌效果與脈沖能量成正比。圖7為脈沖能量400 J，脈沖次數和距離對大腸桿菌殺菌效果的影響，根據圖7得知，固定脈沖距離，殺菌效果隨脈沖次數的增加而增加。

圖5 脈沖能量、次數及其相互作用對煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of pulse energy, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

圖6 脈沖能量、距離及其相互作用對煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed energy, distance and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

圖7 脈沖距離、次數及其相互作用對煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed distance, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

根據二次多項式的回歸方程，結合回歸模型的數學分析，對回歸方程進行一階偏導并令等于零，得到響應面的最大值點[21]。整理可得出最佳條件參數為脈沖能量為436.06 J、脈沖次數39.79 次、脈沖距離11.2 cm，此時脈沖強光對煎餅表面大腸桿菌數量可減少2.1 個對數值。根據脈沖強光的設備要求以及殺菌效果，將最佳殺菌條件調整為脈沖能量500 J、脈沖次數40 次、脈沖距離10.9 cm。為證實試驗結果，用試驗中得到的最佳條件重復實驗3 次并取平均值，大腸桿菌的數量可減少2.15 個對數值，與預測值基本一致，說明該方程與實際情況擬合的較好，充分驗證了模型的正確性，說明響應面法適用于脈沖強光對煎餅殺菌條件的回歸分析和參數優化。

3 結 論

本研究在單因素試驗基礎上利用響應面法建立了脈沖強光對煎餅大腸桿菌殺菌的二次多項數學模型，經檢驗該模型合理有效，可用于實際預測。脈沖強光殺滅煎餅表面大腸桿菌的優化條件為脈沖能量為500 J、脈沖次數40 次、脈沖距離10.9 cm，在此條件下，大腸桿菌數量可減少2.15 個對數值。

微生物的類型能夠影響脈沖強光的殺菌效率，Aderson等[3]認為不同種類微生物對脈沖強光的敏感性為革蘭氏陰性菌大于革蘭氏陽性菌。大腸桿菌是革蘭氏陰性菌，故脈沖強光對煎餅中的大腸桿菌具有較好的殺滅效果。馬鳳鳴等[22]使用脈沖強光對大腸桿菌殺菌得到90%以上的殺菌率。有研究[23-25]使用脈沖強光分別對鮮切蘑菇、蘋果汁和菌懸液進行了處理，大腸桿菌的數量分別減少了3.03、4、7 個對數值。已有研究只做了脈沖強光單因素的影響，并沒有對殺菌條件進行優化，本實驗對殺菌條件進行了優化并得到較好的殺菌效果，故脈沖強光殺滅煎餅表面大腸桿菌具有一定的可行性。

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Optimization of Pulsed Light Parameters for Enhanced Sterilization of E. coli on Pancake Using Response Surface Methodology

TANG Ming-li, WANG Bo, LIU He, HE Yu-tang, HUI Li-juan, MA Tao*
(Grain and Oil Science and Technolgy Institute, Bohai University, College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Pulsed light was used for surface sterilization of pancake and the effect of pulsed light parameters on the logarithmic reduction of E. coli on pancake was explored by response surface methodology on the basis of single factor experiments. A quadratic polynomial model for the logarithmic reduction of E. coli on pancake as a function of pulsed light parameters was established to analyze the effects of pulse energy, number and distance, and their pairwise interactions. E. coli on the surface of pancake could be effectively killed by using pulsed light. The pulsed light conditions were optimized as follows: pulse energy 500 J, pulse number 40, and pulse distance 10.9 cm. Under these conditions, pulsed light resulted in a reduction of 2.15 logarithmic units for E. coli on pancake, which in turn prolonged the shelf life and improved the microbiological safety.

pulsed light; pancake; E. coli; bactericidal effect

TS20

A

1002-6630（2014）16-0091-05

10.7506/spkx1002-6630-201416017

2013-11-15

唐明禮（1988—），男，碩士研究生，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：707334794@qq.com

*通信作者：馬濤（1962—），男，教授，博士，研究方向為糧油與植物蛋白工程。E-mail：1040732408@qq.com