紫外線照射對煉乳空桶殺菌效果及其動力學(xué)研究

張微微 孫艷輝 韋海陽 賈小麗 劉淑蘭 顧海洋

(1.滁州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.安徽達(dá)諾乳業(yè)股份有限公司，安徽 滁州 239514)

隨著食品工業(yè)發(fā)展，作為一種優(yōu)良的乳品工業(yè)原料，煉乳已被廣泛應(yīng)用到糖果、糕點、餐飲和乳品飲料行業(yè)中。煉乳富含蛋白質(zhì)、脂肪和糖等營養(yǎng)物質(zhì)，極適合微生物生長繁殖[1-2]。產(chǎn)品包裝能使煉乳免受微生物污染，減少環(huán)境溫濕度、光照和氧氣等對其品質(zhì)的影響，在保持食品品質(zhì)和安全的同時，延長產(chǎn)品貨架期[2-4]。包裝材料，一般采取集中生產(chǎn)、部分配送給各個罐裝生產(chǎn)線的物流方式。由于在運(yùn)輸及儲備過程中存在一定的污染可能，因此它的殺菌效果直接影響了相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量，成為生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)。包裝材料的殺菌在食品無菌技術(shù)中至關(guān)重要[1,4-6]。

國內(nèi)外包裝材料的殺菌可分為熱殺菌和冷殺菌2種。熱殺菌主要利用各種微生物對高溫的敏感反應(yīng)，以此達(dá)到消毒的目的，但消毒設(shè)備復(fù)雜，能耗較高，不符合節(jié)能高效的可持續(xù)發(fā)展政策[7]。且有研究[8]指出金屬包裝容器經(jīng)高溫滅菌工藝會產(chǎn)生有害物質(zhì)危害人體健康等。因此，冷殺菌成為食品行業(yè)中重點關(guān)注的新型殺菌技術(shù)。作為一種物理冷殺菌方式，紫外線殺菌主要依靠紫外線照射使得細(xì)胞內(nèi)DNA發(fā)生交聯(lián)，組織DNA解旋復(fù)制，從而達(dá)到抑制微生物的繁殖[1,8-10]。紫外線殺菌具有工藝簡單、無藥劑殘留、效率高、維修費用低等特點，被廣泛應(yīng)用于空氣[11]、物體表面[12]、水[13-14]等領(lǐng)域，成為廣大學(xué)者們的研究熱點。

近年來，隨著強(qiáng)力紫外線燈的開發(fā)，紫外線殺菌的應(yīng)用范圍越來越廣[15-16]，逐漸成為食品加工廠與制藥廠不可或缺的殺菌設(shè)備[9,17]，而且在肉制品工業(yè)、鮮切蔬菜保鮮等方面亦有廣泛的應(yīng)用[18-20]。研究[21-22]發(fā)現(xiàn)紫外線殺菌在保證食品在商業(yè)無菌的前提下，不造成營養(yǎng)流失，對于包裝容器的滅菌效果顯著，但對乳制品金屬容器中的研究尚未涉及。

本研究擬將紫外線照射應(yīng)用于煉乳桶，結(jié)合殺菌效果和動力學(xué)研究，探明紫外線設(shè)備殺菌可行性，建立殺菌數(shù)學(xué)模型，并通過試驗對模型進(jìn)行驗證分析殺菌性能，以期為紫外線技術(shù)在乳制品企業(yè)無菌包裝技術(shù)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煉乳桶：25 cm×25 cm×35 cm(長×寬×高)，桶口直徑 6 cm；

大腸桿菌、金黃色葡萄球菌：由本院微生物實驗室提供；

平板計數(shù)瓊脂、孟加拉紅培養(yǎng)基：北京陸橋技術(shù)股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備

紫外燈：ZW30Z18Y型，長度分別為15，17，19，20 cm，照射強(qiáng)度分別為74.0，91.2，112.6，145.7 μW/cm2，螺旋式，杭州亞光照明燈飾有限公司；

紫外殺菌裝置(圖1)：由紫外燈殺菌裝置和鋁合金框架組成，紫外燈殺菌裝置主要是螺旋式紫外燈管和燈座及其插座組成，紫外燈管，燈座固定安裝在鋁合金固定架子上，四周為鏤空結(jié)構(gòu)的測試臺，紫外燈可照射桶內(nèi)表面和外表面，桶可以自由伸縮，且盡可能地避免紫外線暴露。

1.3 試驗設(shè)計

紫外殺菌試驗：操作在微生物無菌室中進(jìn)行，將煉乳桶置于殺菌裝置中，分別選擇4種照射強(qiáng)度紫外燈(74.0，91.2，112.6，145.7 μW/cm2)、5種照射時間(30，60，90，120，150 s)和3種照射距離(紫外燈嵌入桶內(nèi)垂直距離15，17，19 cm)，進(jìn)行4×5×3多因素設(shè)計，形成60組試驗條件，每個組合重復(fù)3次。采樣后進(jìn)行活菌計數(shù)培養(yǎng)，計算平均殺菌率。

1.底座 2.紫外燈 3.空桶 4.鋁合金外框

1.4 測定指標(biāo)與方法

(1)微生物取樣與培養(yǎng)：該操作在生物安全柜中進(jìn)行。被測定容器表面積>100 cm2，用無菌棉捻子均勻涂抹100 cm2面積范圍，并轉(zhuǎn)動捻子，除手接觸部位，再將捻子放入10 mL滅菌生理鹽水試管中，對采集樣品進(jìn)行充分震蕩，根據(jù)污染程度，進(jìn)行適當(dāng)稀釋。

(2)菌落總數(shù)檢測：按GB/T 4789.2—2016執(zhí)行。

(3)金黃色葡萄球菌檢測：按GB/T 4789.10—2016執(zhí)行。

(4)大腸桿菌檢測：按GB/T 4789.3—2016執(zhí)行。

(5)殺菌率T按式(1)計算：

(1)

式中：

T——殺菌率，%；

N0——桶內(nèi)初始菌數(shù)，CFU/L ；

Nt——照射時間t時刻的剩余菌體數(shù)，CFU/L。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，通過SAS 9.2統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行分析處理，多重比較進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 照射強(qiáng)度對紫外線殺菌效果的影響

對不同紫外燈照射強(qiáng)度的5種照射時間和3種照射距離的殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均，獲得紫外線對煉乳桶的殺菌率(圖2)。在試驗選用的紫外燈照射強(qiáng)度范圍內(nèi)，紫外線照射強(qiáng)度為74.0 μW/cm2時，紫外線對桶內(nèi)細(xì)菌總數(shù)的殺菌率為(87.21±10.68)%，可能是在該照射強(qiáng)度下，不同紫外線照射時間和紫外燈垂直照射距離殺菌率差異較大，也反映了該照射強(qiáng)度紫外線殺菌效果較差。但當(dāng)照射強(qiáng)度從74.0 μW/cm2升高到91.2 μW/cm2，紫外線殺菌效果顯著增強(qiáng)(P<0.05)，此時其殺菌效果提高了4.7%。隨著照射強(qiáng)度增加，紫外線的殺菌率超過了99%，且與其他處理組殺菌率存在顯著差異(P<0.05)。當(dāng)照射強(qiáng)度達(dá)到一定值后，殺菌率與照射時間和垂直照射距離不再呈顯著變化，該現(xiàn)象與目前紫外線用于食品表面微生物殺菌研究[12]結(jié)果保持一致。分析可能是桶內(nèi)表面不平整地方的微生物難以在短時間內(nèi)被完全殺滅；其次，不同微生物對于紫外線的抵抗力呈不同的敏感性。考慮裝置的耗電成本，建議照射強(qiáng)度在91.2 μW/cm2左右即可滿足商業(yè)無菌要求。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 照射距離對煉乳空桶內(nèi)微生物的殺菌率影響

對不同照射距離的5種照射時間和4種照射強(qiáng)度的紫外線殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均，獲得紫外線殺菌率如圖3所示。當(dāng)紫外燈裝置垂直進(jìn)入桶內(nèi)15，17，19 cm時，其殺菌率分別為(84.40±9.06)%，(95.58±6.78)%，(96.42±6.43)%。顯然，裝置伸入桶內(nèi)17，19 cm時，其殺菌率顯著>15 cm(P<0.05)，主要原因在于照射強(qiáng)度為74.0 μW/cm2的紫外線裝置本身長度為15 cm，當(dāng)該裝置伸入桶內(nèi)距離桶底部與其他裝置一樣高度時，紫外燈離煉乳桶瓶口就會有一段距離，導(dǎo)致照射不完全，使得殺菌率降低，而高強(qiáng)度紫外燈裝置其垂直照射均>15 cm，若要距離桶底一樣的距離，其殺菌率較高，但顯然會有紫外線暴露在外引起照射浪費。因此，為確保殺菌效果的前提下，更經(jīng)濟(jì)地照射，本研究的紫外線裝置進(jìn)入桶內(nèi)的最佳距離為17 cm。

2.3 照射時間對煉乳空桶內(nèi)微生物的殺菌率影響

對不同照射時間的4種紫外燈和3種照射距離的紫外線殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均，結(jié)果如圖4所示。隨著照射時間的增加，紫外線的殺菌效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)照射時間從30 s 增加至60 s時，紫外線殺菌率顯著增強(qiáng)(P<0.05)，從(87.98±11.54)%增加到(95.32±3.54)%。但當(dāng)照射時間從90 s增加至150 s的過程中，紫外線殺菌率在不同照射時間之內(nèi)的紫外線殺菌率變化不顯著(P>0.05)。當(dāng)照射時間為90 s，其平均殺菌率為(97.66±2.34)%，無法達(dá)到殺菌要求，但當(dāng)其與照射強(qiáng)度和照射距離條件相結(jié)合，可使其符合要求。紫外燈照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2，裝置置入桶內(nèi)15 cm時，殺菌率為(95.6±1.34)%，無法滿足條件，當(dāng)該裝置置入桶內(nèi)17 cm，殺菌率顯著提高，可使其達(dá)到商業(yè)無菌要求。綜合考慮，該裝置距離以置入桶內(nèi)17 cm，照射時間≥90 s為宜。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)

不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 紫外線殺菌動力學(xué)模型

如上所述，照射強(qiáng)度為91.2～145.7 μW/cm2，照射時間為90～150 s，桶內(nèi)的微生物可達(dá)到商業(yè)無菌的要求。但考慮到實際生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)運(yùn)算，選擇照射強(qiáng)度91.2 μW/cm2，照射時間90 s，作為本裝置殺菌參數(shù)。為更好地說明該裝置殺菌進(jìn)程，對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，探討其動力學(xué)模型。

(2)

式中：

Nt——照射時間t時刻的桶內(nèi)剩余菌體數(shù)，CFU/L；

k——殺菌速率常數(shù)，cm2/(mW·s)；

n——反應(yīng)級數(shù)；

I——紫外線平均照射強(qiáng)度，mW/cm2；

t——照射時間，s。

本研究中以桶中菌落總數(shù)為依據(jù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，對方程進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)級數(shù)回歸方程Table 1 Regression equation of reaction order

由回歸方程可以看出，在該裝置下紫外線殺菌的反應(yīng)級數(shù)為1.00～1.04，該殺菌過程可近似看作一級光化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)一級化學(xué)反應(yīng)模型Nt=N0e-kIt，變形后為

lnNt=-kIt+lnN0，

(3)

式中：

k——一級殺菌速率常數(shù)，cm2/(mW·s)；

N0——初始時刻的菌體數(shù)，CFU/L。

對該方程進(jìn)行回歸，結(jié)果見表2。計算獲取一級殺菌速率常數(shù)k分別為0.37，0.34，0.34 cm2/(mW·s)。菌落總數(shù)的k值不同，可能是由于不同空桶菌落總數(shù)的菌群種類與分布不一致，不同種類微生物對紫外線的敏感程度不同。

表2 速率回歸方程Table 2 Rate regression equation

2.5 驗證實驗結(jié)果與討論

為更好地理解紫外線殺菌效果，對已合格的空桶進(jìn)行驗證實驗，將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為試驗菌株，對應(yīng)培養(yǎng)基稀釋成10-4CFU/mL供染菌用，按1.4進(jìn)行采樣及計算，并進(jìn)行驗證研究，其殺菌效果、回歸方程與分析測定分別見表3、4和圖5。

表3 不同作用時間的殺菌對數(shù)值Table 3 Germicidal value for different time

試驗結(jié)果證明：在照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2紫外燈裝置下，紫外照射大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的殺菌效果比較接近。紫外照射30，60 s，殺菌對數(shù)值<3.00；紫外照射≥90 s，殺菌對數(shù)值≥3.00。從能耗角度分析，紫外照射90 s即可滿足商業(yè)無菌要求，≥0.01%，該結(jié)果與紫外照射煉乳空桶的研究一致。

表4 反應(yīng)級數(shù)回歸方程Table 4 Regression equation of reaction order

在相同條件下，從驗證實驗回歸方程可以看出，在該裝置下紫外線殺菌的反應(yīng)級數(shù)為1.02，殺菌過程近似一級光化學(xué)反應(yīng)，與試驗結(jié)果一致。通過模型計算獲取一級殺菌速率常數(shù)k分別為0.34，0.35 cm2/(mW·s)，與原研究結(jié)果一致，且紫外殺菌試驗與驗證實驗研究結(jié)果的k值基本吻合，說明紫外線具有較好的殺滅細(xì)菌效果。

圖5 不同照射時間下殺菌率回歸分析理論值與測定值Figure 5 Germicidal rates of ultraviolet with differentradiant time between theory and measurement

由圖5可知，通過回歸方程計算理論值與試驗研究測定值相近，無顯著差異(P>0.05)。由此可知，選擇照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2紫外燈裝置對煉乳空桶進(jìn)行殺菌，完全遵循一級光化學(xué)反應(yīng)模型，且該模型能很好地描述其綜合反應(yīng)進(jìn)程。

3 結(jié)論

利用自行設(shè)計的紫外線殺菌裝置對煉乳馬口鐵制空桶進(jìn)行處理，通過多因素試驗和驗證實驗研究，確定該裝置對煉乳空桶的殺菌參數(shù)，并對其動力學(xué)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)菌落數(shù)≤104CFU/cm2，在同一裝置強(qiáng)度下(紫外線殺菌燈為石英型，照射強(qiáng)度≥90 μW/cm2)照射90 s，殺菌率可達(dá)99.9%，殺滅對數(shù)值≥3.00，空桶內(nèi)微生物符合商業(yè)無菌的標(biāo)準(zhǔn)。通過動力學(xué)研究結(jié)果表明紫外線殺菌反應(yīng)級數(shù)約為1.00～1.04，可將其看作一級光化學(xué)反應(yīng)，一級殺菌速率常數(shù)為0.34～0.37 cm2/(mW·s)。本試驗表明在該自行設(shè)計裝置下紫外線照射對煉乳空桶起到有效殺菌作用，為今后紫外線技術(shù)在乳制品企業(yè)容器無菌技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。后期項目可結(jié)合掃描電鏡、光譜等技術(shù)，進(jìn)一步研究紫外線照射過程中微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的變化，從而探索殺菌機(jī)理，為紫外殺菌技術(shù)深入應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。