脈沖強光對鮮牛奶細菌殺菌效果的研究

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(1.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽110866;2.渤海大學化學化工與食品安全學院,遼寧錦州121013)

隨著人們生活水平的提高,人們對食品的營養和安全品質、新鮮度、色澤以及口感都有了越來越高的要求,傳統的殺菌技術已經不能滿足現代人對食品的需要。脈沖強光技術是近年來發展起來的一種新型物理非熱殺菌技術[1]。它利用瞬時、高強度的脈沖光能量殺滅食品中的各類微生物,避免了傳統熱殺菌對熱敏性物質的破壞和化學殺菌帶來的食品安全隱患[2-4]。

牛奶不僅含有優質蛋白質而且含有人體所需的多種維生素及礦物質以及多種免疫活性因子,被譽為白色血液[5]。但是,在牛奶加工及儲藏過程中由于細菌的污染而導致牛奶貨架期短、奶制品品質下降等問題的存在,嚴重影響了人們對攝取牛奶營養的要求。本實驗研究脈沖強光對鮮牛奶細菌滅菌的效果,為能有效控制鮮牛奶加工及儲藏過程中細菌污染的程度,同時延長貨架期,并為生產高品質鮮奶制品奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮牛奶 錦州市某自營牧場(實驗測得:脂肪:3.21g/100g、蛋白質:3.08/100g、非脂乳固體:8.62g/100g);平板計數瓊脂 北京奧博星生物技術有限公司。

LA50-800H脈沖強光表面殺菌實驗柜 寧波中物光電殺菌技術有限公司;LRH-150恒溫生化培養箱、DHG-9055A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;SW-CJ-2FD潔凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;EC2菌落計數分析儀 法國生物梅里埃集團;HH-6數顯恒溫水浴鍋 金壇市鑫鑫實驗儀器廠;AR224CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司PHS-3CW pH計 上海般特儀器制造有限公司;YXQ-LS-75S11立式全自動壓力滅菌鍋 北京科創百萬科技發展有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鮮牛奶的處理 在超凈工作臺上用移液槍分別吸取5、10、15、20、25mL的鮮牛奶于無菌培養皿中。

1.2.2 脈沖強光處理 打開脈沖強光實驗柜,先自行運行10min讓儀器穩定后啟動,將盛有鮮牛奶的培養皿放入實驗柜的中央,關上柜門,設定實驗柜的不同實驗參數用脈沖強光對牛奶樣品進行閃照處理,每隔5min處理一次。

1.2.3 實驗數據設定 在閃照距離13cm、閃照能量300J、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照頻率為:10、20、30、40、50Hz;在閃照頻率30Hz、閃照能量300J、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照距離為:12、13、14、15、16cm;在閃照頻率30Hz、閃照距離13cm、樣液厚度2mm的相同條件下,閃照能量為:100、200、300、400、500J;在閃照頻率30Hz、閃照距離13cm、閃照能量300J的相同條件下,樣液厚度為:1、2、3、4、5mm。

1.2.4 菌落計數 將處理后的不同鮮牛奶樣品,采用平板計數法和傾倒法測定[6],并用菌落計數分析儀對細菌菌落計數,每次實驗做3次平行,結果取平均值。

1.2.5 滅菌率的計算 滅菌率的計算公式如下:

滅菌率(%)=[(初始菌落數-處理菌落數)/初始菌落數]×100

1.2.6 單因素實驗 以閃照頻率(Hz)、閃照距離(cm)、閃照能量(J)和樣液厚度(mm)四個因素為自變量設計實驗,研究脈沖強光對鮮牛奶中細菌殺滅效果的影響[7-9]。

1.2.7 響應面實驗設計 根據Box-Behnken中心組合設計原理[10-11]在單因素實驗的基礎上,以閃照頻率、閃照距離、閃照能量以及樣液厚度四個因素為自變量,細菌總數的滅菌率為響應值,作四因素三水平響應面分析實驗,響應面實驗因素水平表如表1所示。

表1 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

2 結果與分析

2.1 閃照頻率對細菌滅菌率的影響

脈沖強光照射頻率對鮮牛奶細菌的滅菌效果如圖1所示。

圖1 閃照頻率對細菌滅菌率的影響 Fig.1 Effect of flash frequency on disinfection rate of bacterium

由圖1可看出,脈沖強光的閃照頻率與細菌的滅菌率成正相關,閃照頻率在0～30Hz階段,滅菌效果增加較為明顯,在30～50Hz范圍內,隨著閃照頻率的增加,細菌的滅菌率增長得不明顯,因此閃照頻率為30Hz時具有最佳的殺菌效果。

2.2 閃照距離對細菌滅菌率的影響

脈沖強光照射距離對鮮牛奶細菌的滅菌效果如圖2所示。

圖2 閃照距離對細菌滅菌率的影響 Fig.2 Effect of flash distance on disinfection rate of bacterium

由圖2可看出,細菌的滅菌率隨著閃照距離的增加總體上有逐漸下降的趨勢,閃照距離在12～13cm之間,細菌的滅菌率只增加了0.58%,這說明在這個范圍內,脈沖強光對牛奶細菌的滅菌效果基本相同;在13～16cm范圍內,脈沖燈光與處理樣品越近,達到的滅菌效果也越明顯,可得出在13cm處達到了最佳的滅菌效果。

2.3 閃照能量對細菌滅菌率的影響

脈沖強光照射能量對鮮牛奶細菌的滅菌效果如圖3所示。

圖3 閃照能量對細菌滅菌率的影響 Fig.3 Effect of flash energy on disinfection rate of bacterium

由圖3可看出,在圖中的5個能量點中,脈沖強光在300、400、500J三個能量值達到了較高滅菌率,在100J和200J的能量值時都處于上升階段,這就說明脈沖強光對細菌的滅菌率會隨著能量的增強而升高,但到了300J時,滅菌率升高的程度很緩慢,并結合對能量消耗的考慮,得出閃照能量300J時滅菌效果最佳。

2.4 樣液厚度對細菌滅菌率的影響

鮮牛奶的樣液厚度對脈沖強光的滅菌效果影響如圖4所示。

圖4 樣液厚度對細菌滅菌率的影響 Fig.4 Effect of thickness of the liquid sample on disinfection rate of bacterium

由圖4可看出,脈沖強光的滅菌率隨著樣液厚度的增加逐漸降低,是因為脈沖強光作為一種紫外線至近紅外線區域的光線,其穿透力具有一定的限度,綜合實驗的條件和實際情況可以得出樣液的厚度2mm時的滅菌效果最好。

2.5 脈沖強光對鮮牛奶細菌滅菌條件的優化

依據表2的實驗結果,利用Design-Expert 8.0.6軟件對處理的數據進行回歸分析[12-13],擬合后得到關于閃照頻率(A)、閃照距離(B)、閃照能量(C)和樣液厚度(D)的二次多項回歸方程:

Y=99.48+0.58A-1.58B+2.99C-1.70D+0.16AB-2.46AC-3.14AD-2.19BC-0.83BD+0.36CD-9.42A2-3.13B2-5.62C2-6.49D2

表2 Box-Behnken 實驗設計優化方案及結果Table 2 Optimization project design and experimental results of Box-Behnken design

對該回歸模型進行方差分析,其結果可見表4。由表4可知,回歸模型極顯著(p<0.0001),失擬項不顯著(p=0.0764>0.05),表明失擬項相對于絕對誤差不顯著,說明該模型在統計學上有意義并擬合性良好;相關系數R2=0.9709,說明該回歸模型的各個因素和響應值之間有良好的線性關系,能夠篩選出最佳的工藝條件[14]。

表3 細菌滅菌率方差分析Table 3 Variance analysis of bacterial sterilization rate

在表3中,p值(0.01

在表4中,閃照頻率A的影響不顯著(p=0.0635>0.05),閃照距離B、閃照能量C和樣液厚度D的影響極顯著(p<0.0001);交互項AC(p<0.01)、AD(p<0.01)和BC(p<0.01)的交互作用對細菌滅菌率的影響極顯著,BD(p<0.05)的影響顯著;交互項AB(p=0.2482)和CD(p=0.4822)交互作用的影響不顯著。綜合上述分析得知,各個因素對響應值的影響程度為:C(閃照能量)>D(樣液厚度)>B(閃照距離)>A(閃照頻率)。

2.6 響應面圖分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對回歸方程構建響應面分析圖。由圖5～圖8中的最高穩定點及等高線面可以看出,交互項閃照頻率A和樣液厚度D、閃照頻率A和閃照能量C、閃照距離B和閃照能量C的交互作用極顯著,交互項閃照距離B和樣液厚度D的交互作用顯著,交互項閃照能量C和樣液厚度D的交互作用不顯著。由圖5可知,在一定的范圍內,細菌的滅菌率隨著閃照頻率及閃照能量的增加而增加。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等于零,可得到響應曲面的最大值點[16-17],整理可得出最佳條件參數 A=28.5,B=12.68,C=344,D=1.98,即脈沖強光殺滅細菌的最佳條件為脈沖強光的閃照頻率為28.5Hz,閃照距離為12.68cm,閃照能量為344J,樣液厚度為1.98mm,并且考慮到脈沖強光設備、生產實際條件和生乳食品安全國家標準,將脈沖強光的最佳閃照條件調整為:閃照頻率29Hz,閃照距離12.8cm,閃照能量300J,樣液厚度2mm。在此最佳參數條件下進行了3次重復驗證實驗,細菌滅菌率平均值達到99.996%,實驗結果與預測值吻合,該回歸模型可用于脈沖強光殺滅鮮牛奶細菌的條件優化。

表4 回歸方程統計分析Table 4 Statistical analysis of regression equation

圖5 Y-f(A,C)響應面圖 Fig.5 Response surface of the effects of A and C on the disinfection rate

圖6 Y-f(A,D)響應面圖 Fig.6 Response surface of the effects of A and D on the disinfection rate

圖7 Y-f(B,C)響應面圖 Fig.7 Response surface of the effects of B and C on the on the disinfection rate

圖8 Y-f(B,D)響應面圖 Fig.8 Response surface of the effects of B and D on the on the disinfection rate

3 結論

本實驗研究了閃照頻率、閃照距離、閃照能量和樣液厚度四個因素與脈沖強光對鮮牛奶細菌殺滅效果的影響,在單因素實驗的基礎上,通過響應面分析優化,建立實驗回歸模型,得到了脈沖強光滅菌的最佳工藝條件為閃照頻率29Hz,閃照距離12.8cm,閃照能量300J和樣液厚度2mm,細菌的滅菌率達到99.996%。

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