高密度二氧化碳技術生產蘋果漿工藝的優化

南 霞,張 超,馬 越,霍乃蕊,趙曉燕

(1.山西農業大學,食品科學與工程學院,山西太谷 030801;2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業(北方)重點實驗室,北京 100097)

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高密度二氧化碳技術生產蘋果漿工藝的優化

南 霞1,2,張 超2,馬 越2,霍乃蕊1,*,趙曉燕2

(1.山西農業大學,食品科學與工程學院,山西太谷 030801;2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業(北方)重點實驗室,北京 100097)

采用高密度二氧化碳技術對蘋果漿進行處理,以期降低蘋果漿中菌落總數,保留其原有顏色。研究考察高密度二氧化碳處理壓力、溫度、時間對蘋果漿品質的影響,在此基礎上,選取高密度二氧化碳處理壓力、時間以及溫度為影響因素,以菌落總數和色差為響應值,進行高密度二氧化碳處理工藝的響應面優化。結果表明:隨著壓力增大,時間延長以及溫度提高,蘋果漿中菌落總數和顏色變化呈現降低趨勢;當高密度二氧化碳處理壓力為20 MPa,溫度為40 ℃,處理45 min時,蘋果漿中菌落總數為1.5 lg cfu/mL,色差為1.02,與理論值相對誤差均小于5%,表明回歸模型真實可靠。

高密度二氧化碳,蘋果漿,菌落總數,色差

殺菌是保證食品安全的前提,常見的滅菌方式包括超聲波殺菌、微波殺菌以及巴氏殺菌等,超聲波殺菌通過空化作用使細胞破裂;微波殺菌通過微波熱效應和非熱效應的作用使微生物體內的蛋白質和生理活性物質發生變異和破壞;而巴氏殺菌是通過高溫使微生物體內蛋白質或DNA變性的方式對微生物進行殺滅。上述物理振動或熱殺菌方式會破壞食品中的營養成分,影響食品感官特征,研究顯示超聲波滅菌處理加重鮮榨蘋果汁的褐變程度[1]、微波殺菌處理降低桑椹果汁中總酚和VC含量[2]、而巴氏殺菌處理顯著降低鮮棗汁中VC含量[3]。

高密度二氧化碳(Dense phase carbon dioxide,DPCD)技術屬于新型非熱殺菌技術,其通過將高壓CO2溶解、滲透進入微生物細胞內部,降低胞內pH,鈍化胞內酶、引起細胞代謝紊亂,導致微生物死亡[4]。該技術可以較好保持食品原料的營養成分、風味物質以及質構形態[5-6]。研究發現DPCD處理在30 MPa壓力下,可以殺滅西瓜汁中99.3%的微生物,并對西瓜汁的風味和顏色影響較小[7];在8 MPa壓力和36 ℃處理荔枝汁,將其菌落總數降低4.5個對數值[8];在55 ℃和15 MPa的處理壓力下,將可使蝦和牡蠣中菌落總數降低至 300 cfu/g以下,并對產品的色澤沒有顯著影響[9-10]。

蘋果漿富含果肉,最大程度保留了蘋果的營養成分。但是目前常用的殺菌方式會對產品的營養和感官特性產生負面的影響。本文采用DPCD處理技術對蘋果漿進行滅菌,評價DPCD處理工藝對蘋果漿中菌落總數和顏色的影響,并采用響應面分析的方法確定DPCD的最佳殺菌工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果 山西富士，北京果香四溢蔬菜超市曙光花園店;營養瓊脂 北京奧博星生物技術有限責任公司;氯化鈉 國藥集團化學試劑有限公;次氯酸鈉溶液 分析純;維生素C 食品添加劑，石藥集團維生藥業。

UMC5CM-3700d型分光測色儀 日本柯尼卡美能達公司;恒溫恒濕培養箱 MMM集團,德國;GI54DW型高壓滅菌鍋 美國致微公司;高密度二氧化碳殺菌實驗裝置 海安石油科研儀器有限公司;電子分析天平 上海精密儀器儀表有限公司;超凈工作臺 北京東聯哈爾儀器制造有限公司;U5-Food高速剪切機 德國Stephan。

1.2 蘋果漿的制備

將新鮮蘋果貯藏于4 ℃冷庫中24 h,使用100 ppm次氯酸鈉溶液浸泡清洗5 min,并用蒸餾水漂洗,使用脫水機在800 r/min脫水2 min,手動削去蘋果皮,并除去蘋果核的部分。將蘋果塊置于高速剪切機鍋體中,加入蘋果質量0.7%的維生素C護色,加蓋后抽真空至壓力0.02 MPa,打漿8 min(轉刀速度1500 r/min條件下3 min,3000 r/min條件下5 min)。在打漿過程中控制鍋體的溫度在(10±2) ℃,將蘋果漿分裝在無菌鋁箔袋中,在4 ℃冰箱保存。

1.3 DPCD處理

使用溫度為95 ℃以上蒸餾水對殺菌釜清洗消毒,再用75%乙醇消毒,最后用無菌水清洗[11]。取500 g蘋果漿置于殺菌釜內,將殺菌釜的蓋子擰緊,插入溫度探頭。DPCD處理釜容量為1 L,控制二氧化碳流量9 kg/h,升壓速率為1 MPa/min,當設備達到設定處理壓力時,開始計時,進行殺菌,滅菌時間達到,開排氣閥,緩慢將CO2完全釋放,將蘋果漿用無菌包裝袋熱封,在4 ℃條件下貯藏備用。

1.4 指標測定

1.4.1 菌落總數測定 采用平板計數法測定,參照GB 4789.2-2010《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[12]測定。

1.4.2 顏色測定 采用分光測色儀的反射模式,選用標準D65光源。室溫下以標準白板為標準,測定L*,a*,b*值。色差ΔE越大表示果汁顏色變化越大,通過式(1)計算總色差[13]。

式(1)

1.5 實驗方案的設計

1.5. 1 單因素實驗 在溫度為30 ℃、殺菌時間為20min的條件下,考察殺菌壓力(5、10、15、20、25MPa)對菌落總數和色差的影響;在壓力為20MPa,殺菌時間20min條件下,考察殺菌溫度(10、20、30、40、50 ℃)對菌落總數和色差的影響;在壓力為20MPa時,溫度為40 ℃條件下,考察殺菌時間(10、15、20、30、45、60min)對菌落總數和色差的影響。每個處理重復三次。

1.5.2 響應面優化實驗 在單因素實驗的基礎上,通過Design-Expert軟件設計實驗[14-15],以壓力(A)、溫度(B)、時間(C)為自變量,以-1、0、+1分別代表自變量的高、中、低水平,以菌落總數和色差為響應值,設計三因素三水平實驗,實驗因素與水平的取值見表1。

表1 響應面分析因素與水平

1.6 數據處理與統計

實驗所有數據均重復三次,計算平均值和標準偏差,使用統計分析軟件DPS v7.05進行處理,Ducan’s新復極差法進行顯著性分析(p≤0.05),圖像繪制采用Origin 8.0軟件(美國Origin Lab Corporation公司),響應面采用Design-Expert 軟件設計。

2 結果與分析

2.1 DPCD處理壓力對蘋果漿菌落總數和顏色的影響

在不同DPCD處理壓力下,蘋果漿中菌落總數和色差結果見圖1。隨著壓力增大,蘋果漿中菌落總數降低,在處理壓力為5 MPa時,微生物數量僅下降18.5%,原因在于DPCD處理壓力低時,進入細胞的二氧化碳數量少,不能將大部分的微生物殺滅。當壓力增大到15 MPa以上時,菌落總數明顯降低,比初始菌落總數,分別下降了86.2%、88.3%、89.1%。由于25 MPa時的菌落總數與20 MPa無顯著性差異,選擇20 MPa為最佳處理壓力。

圖1 DPCD處理壓力對蘋果漿菌落總數和顏色的影響Fig.1 Effect of DPCD pressure on total colony counts and ΔE of apple puree注：不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)，圖2～圖3同。

隨著DPCD處理壓力增大,蘋果漿ΔE值降低。在處理壓力為15、20、25 MPa時,ΔE值分別為2.82、1.77、1.65。原因可能是隨著壓力的增大,對蘋果漿中的PPO、POD等酶的空間結構發生改變,使酶發生鈍化,從而抑制了的蘋果漿的褐變,ΔE值降低[16]。

2.2 DPCD處理溫度對蘋果漿殺菌落總數和顏色的影響

在不同處理溫度下,蘋果漿中菌落總數和色差結果見圖2。隨著處理溫度升高,蘋果漿中菌落總數下降。在30、40和50 ℃,菌落總數分別降低88.4%、96.3%、96.6%。原因在于高溫提高了二氧化碳的擴散能力[17-18],同時也能增加細胞膜的流動性,使其更容易滲透進入的細胞,達到更好的滅菌效果。40 ℃時菌落總數與50 ℃無顯著性,選擇40 ℃為最佳溫度。隨著殺菌溫度升高,蘋果漿色差降低。

圖2 DPCD處理溫度對蘋果漿殺菌效果和顏色變化的影響Fig.2 Effect of DPCD temperature on total colony counts and ΔE of apple puree

2.3 DPCD處理時間對蘋果漿菌落總數和顏色的影響

圖3 DPCD處理時間對蘋果漿殺菌效果和顏色變化的影響Fig.3 Effect of DPCD time on total colony counts and ΔE of apple puree

在不同DPCD處理時間時,蘋果漿中菌落總數和色差見圖3。在處理10 min時,蘋果漿中菌落總數由3.61降低到2.76 lg cfu/mL。隨著滅菌時間的延長,滅菌效果增強,滅菌時間為30 min時,達到1.97 lg cfu/mL,降低了97.8%。在30～60 min滅菌過程中,菌落總數下降緩慢。由于在一定壓力和溫度下,進入細胞的二氧化碳已達到飽和的狀態[19]。隨著滅菌時間的延長,ΔE值降低。當滅菌時間達到30 min,ΔE值為1.44。滅菌時間為45、60 min時,ΔE值分別為用1.27、1.18,可以較好的維持蘋果漿原有色澤。由圖3中的顯著性分析可以看出45 min為時間條件。

2.4 響應面實驗結果與分析

2.4.1 響應面優化實驗結果 用自變量A、B、C來表示滅菌壓力(MPa)、滅菌溫度(℃)、滅菌時間(min)3個影響因素,以菌落總數和色差為響應值,其實驗設計與結果見表2。

表2 Design-Export實驗設計結果

結合單因素實驗結果,由表3可以看出模型的F=70.82、p=0.0001<0.01,說明該模型極顯著,與實驗擬合較好。失擬項p>0.05，不顯著。一次項A、B、C對DPCD殺菌率影響極顯著(p<0.01)。交互項AB(p=0.0021<0.01)、AC(p=0.0009<0.01),以及A2(p=0.0001)、C2(p=0.0001)對殺菌率的影響極顯著。綜上所述,影響因素的主次順序為:C(時間)>A(壓力)>B(溫度)。決定系數R2=0.9778,說明DPCD對蘋果漿滅菌的結果與模型回歸值有較好的一致性[20-21]。利用軟件對表2中實驗數據進行多元回歸分析,得到各因子對菌落總數影響的二次回歸模型:Y1=+1.89-0.27A-0.24B-0.33C-0.16AB-0.18AC+0.30A2-0.25C2

式(2)

表3 響應面方差分析

圖4 DPCD處理對蘋果漿色差和菌落總數的影響Fig.4 Effect of DPCD treatment on ΔE and total colony counts of apple puree

由表4可以看出模型的F=142.49、p=0.0001<0.01,說明該模型極顯著,與實驗擬合較好。一次項A、B、C的影響是極顯著(p<0.0001),交互項AC(p=0.0014<0.01),AB(p=0.0001<0.01)，BC(p=0.0003<0.01)以及二次項A2(p=0.0001)、C2(p=0.0001)對色差的影響極顯著。影響因素的主次順序為:A(壓力)>C(時間)>B(溫度)。決定系數R2=0.9876,說明DPCD對蘋果漿色差影響的結果與模型回歸值有較好的一致性。利用軟件對表3中實驗數據進行多元回歸分析,得到各因子對色差影響的二次回歸模型:Y2=1.27-0.45A-0.34B-0.35C-0.28AB-0.17AC+0.22BC+0.64A2+0.069B2-0.0032C

式(3)

表4 響應面方差分析

圖4表示A、B、C中一個變量取零水平時,其余兩個變量對蘋果漿中菌落總數和色差的交互影響。由圖4可以看出,殺菌壓力和溫度、殺菌時間和溫度、殺菌壓力和時間對色差的兩兩交互作用顯著;殺菌壓力和溫度、壓力和時間對菌落總數的兩兩交互作用極顯著,原因在于滅菌壓力增大,同時提高溫度,CO2擴散速度加快,加速進入微生物體內,更快的改變微生物體內pH,破壞細胞結構,導致細胞裂解死亡;殺菌時間和溫度兩者交互作用不顯著。

2.4.2 蘋果漿最佳生產工藝條件的優化及驗證 為進一步確定高密度二氧化碳生產蘋果漿的最佳工藝條件,利用Design Expert 8.0軟件程序對工藝條件進行優化,以菌落總數最低為標準,蘋果漿最佳生產工藝為:滅菌溫度39.75 ℃、滅菌時間45.12 min、滅菌壓力為20.34 MPa,在此工藝條件下,蘋果漿中菌落總數預測值為1.41 lg cfu/mL,色差為0.94。在上述最佳生產工藝修正后得到：滅菌溫度40 ℃、滅菌時間45 min、滅菌壓力20 MPa,進行驗證實驗,獲得實際測定蘋果漿菌落總數為1.5 lg cfu/mL,色差為1.02,菌落總數的相對偏差為3.7%,色差的相對偏差為4.1%,因此,響應面優化模型真實可靠。

3 結論

采用響應面優化得出最佳DPCD對蘋果漿滅菌工藝參數為:滅菌溫度40 ℃、滅菌時間45 min、滅菌壓力為20 MPa。在此條件下,蘋果漿中的菌落總數為1.5 lg(cfu/mL),滅菌率為99.4%,色差1.02。蘋果漿既可以達到良好的滅菌作用,也可以保持原有顏色。

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Optimization of the dense phase carbon dioxide treatments on apple puree

NAN Xia1,2,ZHANG Chao2,MA Yue2,HOU Nai-rui1,*,ZHAO Xiao-yan2

(1. Shanxi Agricultural University,College of Food Science and Engineering,Taigu 030801,China; 2. Beijing Vegetable Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Key Laboratory of Fruits and Vegetable Storage and Processing,Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops(North China),Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture(North),Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China)

The dense phase carbon dioxide treatment(DPCD)was applied to hold the quality of the fresh apple puree. The effect of DPCD pressures,time and temperature on sterilization efficiency and total color change of the fresh apple puree were investigated. And then the response surface methodology was used to optimize the DPCD parameters. The results showed that the optimal DPCD parameters were the DPCD pressure of 20 MPa at 40 ℃ for 45 min. Under the optimal conditions,the total colony count of the fresh apple puree was 1.5 lg cfu/mL with the total color change of 1.02.The relative error of the test results was less than 5%. The regression model is true and reliable.

dense phase carbon dioxide treatment;apple puree;aerobic bacterial count;total color change

2016-04-29

南霞(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：食品生物技術，E-mail：929187336@qq.com。

*通訊作者:霍乃蕊(1972-)，女，博士，教授，主要從事生物技術與食品安全方面的教學與科研工作，E-mail：tgnrhuo@163.com。

國家現代農業科技城成果惠民科技示范工程(Z151100001015017);北京市農林科學院科技創新能力建設專項新學科培養(KJCX20140204 & KJCX20140111-21);果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室專項(Z141105004414037)。

TS201

B

1002-0306(2016)22-0259-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.042