超聲波協同ClO2對西瓜汁滅菌效果的影響

張仲陽，張向超，俞龍泉，肖若楠，葛芳，程青龍，焦蓮，范翔，宋曉聰

（石家莊學院化工學院，河北 石家莊 050035）

西瓜含有大量的葡萄糖、蘋果酸、果糖、氨基酸、番茄素以及豐富的維生素C等物質，是一種營養、安全的食品。當前，工業上普遍采用巴氏滅菌技術，但西瓜中含有大量的熱敏性揮發物質（如：順 3-壬烯醇，順-3-己烯醇），在加熱滅菌的過程中會產生濃重的煮熟氣味，嚴重影響了西瓜汁的風味[1]。因此，普通的熱滅菌技術不適用于西瓜汁加工。而低溫滅菌技術在處理過程中熱效應很低，因此，它克服了一般熱滅菌技術傳熱相對較慢和對滅菌對象產生熱損傷等缺點，特別適合于對熱敏性的物料和制品的滅菌處理[2]。

穩定性ClO2是目前國際上公認的性能優良的滅菌劑、食品保鮮劑，被世界衛生組織(WHO)列為A1級安全消毒劑。據報道，用ClO2消毒，不會在水中產生致癌、致畸、致突變物質[3]，國外已研究了 ClO2對萵苣、青椒、胡蘿卜、草莓等果蔬表面致病菌的抑制作用，取得了良好效果[4]，在飲料中應用，能夠有效殺滅致病菌，而不影響飲料原有風味。近年來，我國也開始重視ClO2產品的推廣和應用，國家標準GB-2760將穩定性ClO2列入食品添加劑中，應用于果蔬保鮮、魚類加工及食品加工助劑。但我國對ClO2在果汁飲品滅菌方面的應用研究比較少，并且沒有發現脫除ClO2的相關報道。本研究以鮮榨西瓜汁為原料，研究了超聲波協同ClO2對西瓜汁滅菌的效果以及真空結合超聲波脫除ClO2殘留的技術，以期為果汁飲料的低溫滅菌提供技術支持。

1.材料與方法

1.1 材料與儀器

西瓜 品種為無籽西瓜，購于石家莊北國超市; 食品添加劑級穩定態ClO2溶液 經活化后濃度約為20000mg/L，根據衛生部制定的國家標準GB25580-2010制造，天津市張大科技發展有限公司生產; 菌落總數測定所需藥品和器材 按GB4789.2-2010《食品衛生微生物檢驗菌落總數測定》中規定配置。

SB-5200-DTD超聲波清洗機（40kHz ,200W） 寧波新芝生物科技股份有限公司； 303-4電熱恒溫培養箱 上海勝啟儀器儀表有限公司； LDZX-75KBS立式蒸汽滅菌鍋 上海申安醫療器械廠； MJ-35JM03A美的榨汁機 廣東美的精品電器制造有限公司； UV-1800島津紫外可見分光光度計 日本島津公司；2XZ-2型旋片式真空泵 浙江黃巖天龍真空泵廠。

1.2 實驗方法

對于西瓜汁的處理均在超凈臺（萬級）內完成，溫度為室溫，實驗用具均經過滅菌處理。

1.2.1 新鮮西瓜汁的制備 選成熟度八九成熟且無腐爛變質、無蟲蝕的無籽西瓜，用西瓜刀切開西瓜，用鐵勺取出瓜瓤，用榨汁機對其榨汁。將榨好的西瓜汁（內無較大顆粒狀物質，已被榨汁機濾去）分裝在250mL的錐形瓶中，每瓶60mL。

1.2.2 配制ClO2溶液 取一定量穩定態ClO2溶液加入食品級鹽酸活化后，用蒸餾水稀釋20倍（濃度約為1g/L），放入棕色試劑瓶以便使用（現配現用，ClO2在室溫下每天約有2%～10%的離解率[7]）。

1.2.3 ClO2濃度對西瓜汁滅菌的影響 取60mL西瓜汁，加入一定量的ClO2溶液處理西瓜汁一定時間，以原汁和經過巴氏滅菌（83℃熱處理30min）處理的西瓜汁作為對照，測定菌落總數，評價滅菌效果。考察 ClO2濃度、作用時間對西瓜汁滅菌的影響。

1.2.3.1 采用1+20、1+15、1+12、1+10、1+6濃度的ClO2處理西瓜汁3min，研究ClO2對滅菌效果的影響。

1.2.3.2 采用濃度為1+15的ClO2分別處理西瓜汁10s、3、5、10min，研究ClO2作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.4 超聲波對西瓜汁滅菌的影響 設定超聲功率，對西瓜汁進行一定時間的處理，以原汁作為對照，測定菌落總數，考察超聲波功率、作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.4.1 采用200W超聲波處理西瓜汁10s、1、3、5、10min，研究超聲時間對滅菌效果的影響。

1.2.4.2 采用40、80、120、160、200W的超聲波處理西瓜汁5min，研究超聲功率對滅菌效果的影響。

1.2.5 ClO2結合超聲波對西瓜汁滅菌的影響 用上述優選的ClO2濃度結合優選的超聲波功率對西瓜汁進行處理，以原汁和巴氏滅菌（83℃熱處理 30min）的西瓜汁作為對照，測定菌落總數，比較滅菌效果，優選作用時間。確定最佳作用時間后，改變超聲波功率，研究超聲功率對西瓜汁滅菌效果的影響。

1.2.5.1 采用1+15的ClO2結合80W超聲波處理西瓜汁0、30s、1、2、5min，研究作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.5.2 采用1+15的ClO2結合40、80、120、160、200W的超聲波處理西瓜汁5min，研究ClO2結合超聲波時，超聲功率對滅菌效果的影響。

1.2.6 ClO2脫除工藝研究 采用真空結合超聲波的方法，對一定濃度的ClO2西瓜汁溶液進行處理。單因素考察溫度、真空度、超聲功率、時間對 ClO2去除效果的影響。

在真空度 98.6～98.8kPa，超聲功率 200W，作用時間 10min的處理條件下,研究溫度對ClO2脫除效果的影響。在35℃，真空度98.6～98.8kPa，作用時間1min的處理條件下，研究超聲功率對ClO2脫除效果的影響。在35℃，超聲波功率40W，作用時間5min的處理條件下，研究真空度對ClO2脫除效果的影響. 在35℃，超聲波功率40W，真空度98.7kPa的處理條件下，研究作用時間對于ClO2脫除效果的影響。在35℃，超聲波功率40W，真空度98.7kPa（壓強2.5kPa），時間5min條件下，處理1+4、1+6、1+12、1+20、1+30濃度ClO2的西瓜汁溶液，研究此工藝的脫除效果。

將脫色后的60mL西瓜汁倒入250mL的三口燒瓶中，并使燒瓶侵入超聲波清洗機的水中，用鐵夾使之固定在鐵架臺上。將真空傳感器和接引管插入三口燒瓶，確定密封完好后，加入ClO2溶液2mL（體積比1:30），立即蓋上玻璃塞。設定真空度，設定超聲波功率、時間及溫度進行處理。將處理后的溶液用紫外可見分光光度計測定其濃度。

1.3 測定方法

1.3.1 菌落總數的測定 按照GB 4789.2-2010食品安全國家標準食品微生物學檢驗進行，測定菌落總數。每個條件的實驗均設6個實驗組，總菌落數以平均數±標準差(±s)表示。

1.3.2 ClO2濃度的測定 采用紫外可見分光光度法[6]，測定溶液360nm處的吸光度[5]。配制10、20、30、50、100、150mg/L的ClO2標準溶液，利用紫外可見分光光度計制作標準曲線。根據標準曲線即可求出ClO2的濃度。

采用V1+V2形式表示ClO2溶液濃度（簡稱ClO2濃度），例如：穩定態ClO2溶液+西瓜汁（1+6）即1體積穩定態ClO2溶液與6體積的西瓜汁相混后的溶液。

采用清除率表示 ClO2的脫除效果。公式：清除率=（未處理時濃度-處理后殘留濃度）/未處理時濃度×100%

2.結果與分析

2.1 ClO2濃度對西瓜汁滅菌效果的影響

表1 ClO2濃度對滅菌效果的影響Table 1 Effect of concentration of ClO2 on sterilization

由表1可以看出，ClO2溶液在1+12及以上濃度處理西瓜汁和巴氏滅菌均可達到100%的滅菌效果。在1+15時，滅菌率可達90%左右。為研究ClO2結合超聲波對滅菌效果的影響，濃度選定為1+15,另外發現，ClO2溶液按1+6及以上濃度添加時西瓜汁會發生明顯變色，顏色變黃。

表2 作用時間對滅菌效果的影響Table 2 Effect of treatment time on sterilization

表2可以看出，ClO2滅菌需一定的作用時間。處理3、5、10min時的細菌總數比處理10s時的細菌總數分別減少了58.9%、62.7%、60.8%。ClO2作用時間在3min前滅菌效果提高顯著，在3min后滅菌效果雖有少許提高，但無顯著變化，說明ClO2處理西瓜汁3min左右即可達到預期效果，再延長作用時間對菌落數影響不顯著。

2.2 超聲波對西瓜汁滅菌效果的影響

表3 超聲波時間對滅菌效果的影響Table 3 Effect of ultrasound time on sterilization

由表3可以得出，10s時的滅菌率為62.5%，而1、3、5、10min時的滅菌率分別為 92.5%、92.8%、93.8%、94.0%。可以看出隨著超聲波時間的延長 1min內滅菌效果提高顯著，1min之后滅菌效果雖有提高，但提高緩慢，總體來講隨著處理時間的延長菌落總數呈下降趨勢。

表4 超聲波功率對滅菌效果的影響Table 4 Effect of ultrasound power on sterilization

由表4可以看出, 隨超聲波功率的增大，滅菌效果呈現先高后低的趨勢，功率在80W時達到最佳效果。出現這種現象的可能是由于功率增大，空化泡在聲波的膨脹相內可能增長過大，以致它在聲波的壓縮相內來不及發生崩潰，使滅菌效果反而下降。

2.3 超聲波協同ClO2對西瓜汁滅菌效果的影響

表5 超聲波協同ClO2滅菌，作用時間對滅菌效果的影響Table 5 1+15 concentration of ClO2, ultrasound power 80W, effects of ultrasound time on sterilization

由表5可得出，處理 30s、1、2、5min時比0s時的細菌總數分別減少58.4%、70.0%，83.7%、83.2%。說明超聲波協同ClO2在2min時即可達到最佳效果，

表6 超聲波協同ClO2滅菌，超聲波功率對滅菌效果的影響

菌落數(cfu/mL) 320±40.41 250±30 210±25.11 730±75.71 870±83 6240±121.65

由表6可知，ClO2與超聲波相結合時，滅菌效果在功率120W時最佳。與單獨使用超聲波最佳功率 80W（超聲波實驗優選功率）時有所不同，可能是因為ClO2的加入改變了西瓜汁的特性。

通過以上的實驗研究，可確定最佳工藝為：ClO2濃度為1+12，超聲波功率120W,作用時間2min。

2.4 測定ClO2濃度的標準曲線

圖1 ClO2吸光度隨濃度變化的標準曲線Fig.1 The standard curve that ClO2absorbance changes with concentration

圖1即為測定 ClO2濃度時所依據的標準曲線，曲線呈線性變化，斜率為0.0173，相關系數R2為0.9987，可見吸光度與ClO2濃度之間的線性關系較好。

2.5 溫度、超聲波功率、真空度、時間對脫除ClO2效果的影響

2.5.1 溫度對ClO2清除率的影響

圖2 ClO2清除率隨溫度變化的曲線Fig.2 Effects of temperature on the removal rate of ClO2

由圖2可看出，ClO2清除率在20～28℃呈現平緩上升的趨勢，在28～30℃急劇上升，30℃時出現拐點，之后平緩上升，35℃時達到最大。這說明溫度對超聲空化的強度和動力學過程具有非常重要的影響，在超聲和真空體系下過飽和ClO2于28～30℃之間急劇溢出，隨著濃度的降低其溢出速度也相對降低，35℃時濃度降為最低達到飽和。

2.5.2 超聲波功率對ClO2清除率的影響

圖3 超聲波功率對ClO2清除率的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power on the removal rate of ClO2

由圖3可看出，不使用超聲波時的清除率僅有24.90%,而使用200W功率超聲波處理后則能達到57.90%，說明結合超聲波對ClO2的脫除有明顯效果。超聲波超聲波功率0～40W之間，ClO2清除率隨功率的增大而增加，在40W時達到最大，而后趨于平緩且略有下降，這可能是因為聲能過大，空化泡會在聲波的負壓相增長得很大而形成屏障，使系統可利用的聲能反而降低。確定40W為最佳功率。

2.5.3 真空度對ClO2清除率的影響

圖4 真空度對ClO2清除率的影響Fig.4 Effects of vacuum degree on the removal rate of ClO2

由圖4可看出，真空度96kPa以下的低真空度對清除率的影響很微小，從97kPa時開始，對清除率的影響急劇增大，直到98.7kPa時趨于平緩，由此可以看出真空度是影響ClO2溶解度的主要因素。確定最佳真空度為98.7kPa。

3.5.4 作用時間對ClO2清除率的影響

圖5 時間對ClO2清除率的影響Fig.5 Effects of treatment time on the removal rate of ClO2

由圖5可看出，ClO2清除率在短時間內隨時間的增加而上升，5min后趨于平緩，隨著時間的延長ClO2清除率也緩慢增加，但從經濟的角度考慮確定最佳作用時間為5min。

2.6 最佳工藝處理不同濃度的ClO2效果

表7 超聲結合真空工藝處理不同濃度ClO2去除效果Table 7 Effect of using optimum process to treat different concentrations of ClO2

由表7可知，用此工藝處理不同濃度的ClO2溶液，無論是高濃度還是低濃度，均可達到良好的脫除效果（清除率>94%）。

3.討論

國內外大量的研究結果顯示，在消毒過程中ClO2不會與有機物發生氯代反應生成有機氯化物，無“三致”作用。ClO2的濃度低于500mg/L時，對人體健康的影響可以忽略不計，低于100mg/L對人體無任何影響[8]。在啤酒中添加ClO2（3.5mg/L），可延長啤酒保鮮期，不影響啤酒的口味[9]；用ClO2處理鮮牛乳，在30℃時保存時間可達24h[10]；在初乳中添加ClO2（0.5%），可保鮮3個月不發生霉變[11]；用ClO2對鮮橙汁滅菌，顯著減少大腸桿菌的數目，且不會影響橙汁原有的感官品質[12]。本研究也對處理后的西瓜汁進行過粗略的觀察和品嘗過，其顏色略加深，比之處理前色澤更為鮮明。當ClO2濃度過高（1+6以上），則導致顏色呈黃色。在1+15時（ClO2濃度66.7mg/L），滅菌率可達90%（表1），ClO2溶液添加量在1+12（ClO2濃度77mg/L）以上濃度時，能達到巴氏滅菌（83℃，30min）滅菌效果，此時ClO2使用量低于100mg／kg。

研究表明，超聲波能在短時間內殺滅和破壞微生物，能更好的提高和完善食品品質，保持食品原有風味[13]。由表2可看出，ClO2濃度在1+15時，處理3min達到了最佳效果，單獨使用超聲波時1min就可到達到最佳效果（表3），而兩者結合后作用時間縮短至2min（表5）。由此看出超聲波能促進ClO2的滅菌效果，縮短了ClO2滅菌的作用時間；單獨使用超聲波處理西瓜汁時，超聲波功率80W達到最佳效果（表4），結合ClO2后，超聲波功率120W達到最佳（表6）。PP Winniczuk[14]等在柑橘汁滅菌研究中顯示，濃度為0.0014%（w/v）的ClO2對酵母菌的滅菌效果6log cfu/ml·min，濃度為0.0031%（w/v）的ClO2對乳酸菌和氧化葡萄酸菌的滅菌效果為6log cfu/ml·min，濃度為0.0048%（w/v）的ClO2對腸膜狀明串珠菌的滅菌效果為6log cfu/mL·min。本實驗所得結論的ClO2濃度比之PP Winniczuk研究的濃度稍高（77mg/L相當于0.0077%），本實驗結果顯示，使用1+15濃度的ClO2溶液能夠達到90%的殺菌效果，當使用使用1+12濃度的ClO2溶液時（77mg/L），能達到巴氏滅菌（83℃、30min）相同的效果。

ClO2在消毒過程中會產生兩種無機副產物，即亞氯酸鹽（ClO2-）和氯酸鹽（ClO3-），而這兩種物質對人體有一定的毒副作用[15]。當飲水中ClO2及其副產物總濃度為0.5mg/L以下時，出水就可達飲水標準。吳明松[16]等的研究結果表明，連續三代攝入濃度為30、120、360mg/L ClO2-對胎鼠的內臟、骨骼發育無影響, 沒有表現出致畸作用。王麗[17]等對ClO2、ClO2-和ClO3-水溶液進行Ames實驗的結果顯示，276mg/L ClO2、200mg/L NaClO2和200mg/L NaClO3的水溶液劑量為100mg/L時，三種水溶液均為陰性，只是推測高濃度的ClO2、ClO2-和ClO3-可能對動物具有潛在毒性。為了盡量降低滅菌后ClO2殘留濃度，本研究采用超聲波輔助真空脫除工藝，避免殘余ClO2生成ClO2-。本次研究結果表明：溫度為35℃、超聲波功率為40W、真空度為98.7kpa，作用5min時，ClO2脫除率均能達到94%以上，脫除效果明顯。

國外根據毒理學研究得出結論，ClO2是一種有毒化合物，長時間飲用高含量ClO2的水 (2.0mg/L至200mg／L)可能損害肝、腎、中樞神經系統的功能，影響周圍血液的組成，抑制甲狀腺的功能[18]。但王麗[19]等的研究結果表明，276.5mg/L的ClO2水溶液、200mg/L的NaClO2水溶液、200mg/L的NaClO3水溶液均為實際無毒水溶液，也無明顯蓄積毒性。本研究所采用的 ClO2添加量為77mg/L，且經脫除工藝ClO2濃度可控制在5mg/L以下，遠低于王麗等人的研究結論，不會產生蓄積毒性。

4 結論

4.1 本實驗對超聲波協同ClO2的低溫滅菌技術在西瓜汁生產中的應用進行了探索性研究，超聲波能夠有效的提高ClO2的滅菌效果，滅菌時間由3min縮短至2min。超聲波協同ClO2的低溫滅菌技術對西瓜汁進行滅菌處理，不僅能夠達到優良的滅菌效果，而且回避了巴氏滅菌處理時產生煮熟味的問題。西瓜汁滅菌的工藝最佳條件為：穩定態ClO2溶液濃度：1+12(即77 mg/L)、超聲波功率：120W、殺菌時間：2min。

4.2 在ClO2消毒過程中會產生兩種無機副產物，即ClO2-和ClO3-，而這兩種物質對人體有一定的毒副作用，消除殘留 ClO2能夠有效的減少 ClO2-和ClO3-的生成。脫除ClO2的工藝最佳條件（針對60ml溶液）為：溫度：35℃、超聲波功率：40W、真空度：98.7kPa（壓強 2.5kPa）、時間：5min。本工藝作用5min時對各個濃度ClO2脫除率都能達到94%以上。

4.3 本研究中，低溫滅菌工藝只探討了超聲波輔助工藝，如果采用微波-超聲波聯合輔助 ClO2滅菌工藝，將會取得更理想的結果。ClO2脫除工藝只采用了超聲波-真空結合脫除工藝，如果在 ClO2脫除工藝中再添加還原劑（如：維生素C等），將會擺脫ClO2-殘留的困擾。這些會在今后的研究中逐步得到解決。

4.4 本實驗還有很多未完成的工作，如感官評價，營養物質損失評價，ClO2、ClO2-和ClO3-殘留檢測等，這些需要在今后的實驗中加以完善。

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